基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

俞曉妮 賈婷君

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110045）

引言

仿真教學(xué)是用計(jì)算機(jī)來模擬真實(shí)自然現(xiàn)象或社會(huì)現(xiàn)象，學(xué)生模擬扮演某一角色進(jìn)行技能訓(xùn)練的一種教學(xué)方法。它能在很大程度上彌補(bǔ)客觀條件的不足，為學(xué)生提供近似真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，提高學(xué)生職業(yè)技能。仿真教學(xué)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與專業(yè)理論知識(shí)多方面結(jié)合的結(jié)晶。不僅能克服學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間與空間上的限制，還能擺脫原有設(shè)備條件的約束。讓學(xué)生在虛擬交互的實(shí)驗(yàn)中，降低了硬件的損壞率，避免了學(xué)習(xí)的盲目性，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，因此設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)具有可行性和必要性。

一、平臺(tái)的選擇

本系統(tǒng)基于Unity3D平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)， Unity集成了MonoDeveloper編譯平臺(tái)，以C#和JavaScript為主要的編碼語言，可發(fā)布至Windows、Android、IOS或OSX平臺(tái)，也可利用插件Unity web player直接發(fā)布至網(wǎng)頁。對(duì)于小型開發(fā)者選擇該引擎非常適合。

二、基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求

（一）基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)原則

1.人性化原則。在信息時(shí)代下，開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)本意是為了提高線上教育平臺(tái)的直觀性和柔性化，能夠?qū)崿F(xiàn)以學(xué)生為主體的教學(xué)活動(dòng)。因此基于Unity引擎的計(jì)算機(jī)組仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)必須要具有人性化的功能特點(diǎn)，能夠輔助完成計(jì)算機(jī)組裝的理論教學(xué)，展開系列的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

2.易操作特點(diǎn)?；赨nity的仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)是面向?qū)W生和教師的，該系統(tǒng)在操作控制上必須具有易操作性，可以在多種教學(xué)場(chǎng)所、教學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，需要適應(yīng)Pc端和手機(jī)端。

3.可擴(kuò)展性特點(diǎn)。伴隨著社會(huì)的發(fā)展，各專業(yè)學(xué)科的知識(shí)內(nèi)容都不是一層不變的，而是會(huì)隨著社會(huì)需求出現(xiàn)新的知識(shí)內(nèi)容和實(shí)踐需求的。因此開發(fā)一個(gè)成熟的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)需要擁有可擴(kuò)展性，能夠在系統(tǒng)框架不變的情況下實(shí)現(xiàn)功能模塊的拓展。

（二）基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的需求

1.仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)需要滿足課程需要。計(jì)算機(jī)組裝課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，其需要學(xué)生能夠充分掌握計(jì)算機(jī)的部件組成情況，能夠動(dòng)手完成計(jì)算機(jī)部件組裝，并且滿足學(xué)生的仿真活動(dòng)，給出計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。因此基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)需要滿足三個(gè)模塊需求，即計(jì)算機(jī)組成部件仿真實(shí)訓(xùn)室、計(jì)算機(jī)組裝演示實(shí)訓(xùn)室以及計(jì)算機(jī)組裝仿真交互考核實(shí)訓(xùn)室。

2.仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)要具有兼容性。仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)并不是滿足某一個(gè)學(xué)校的某一個(gè)專業(yè)而實(shí)現(xiàn)的，而是要實(shí)現(xiàn)多個(gè)學(xué)校多個(gè)專業(yè)的需求。因此需要設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)能夠擁有動(dòng)態(tài)化的控制技術(shù)和方法。

三、基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

仿真教學(xué)系統(tǒng)主要是由在線虛擬仿真技術(shù)、C#相關(guān)技術(shù)、三維模型創(chuàng)建及優(yōu)化技術(shù)、碰撞監(jiān)測(cè)、界面設(shè)計(jì)及優(yōu)化、腳本優(yōu)化等技術(shù)組成。

（一）虛擬仿真技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)成為虛擬顯示技術(shù)，其本質(zhì)是通過計(jì)算機(jī)虛擬出來一個(gè)環(huán)境，由此營(yíng)造出一個(gè)真實(shí)的世界，通過這一技術(shù)讓計(jì)算機(jī)組裝課程教學(xué)能夠更加的真實(shí)，學(xué)生也可以依靠視覺、聽覺等進(jìn)行交互仿真。

（二）人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。在仿真教學(xué)系統(tǒng)中借助人機(jī)交互技術(shù)，可以有效地導(dǎo)入人對(duì)計(jì)算機(jī)的操控，從而更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)對(duì)人的影響。通過人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)及優(yōu)化可以讓仿真教學(xué)系統(tǒng)在操作和應(yīng)用上更加人性化，操作性也更強(qiáng)。

（三）仿真教學(xué)系統(tǒng)效率的優(yōu)化。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)更新的。用戶操作在某一時(shí)刻狀態(tài)是不可預(yù)見的，所有狀態(tài)也不能一直保存在系統(tǒng)的內(nèi)存中，這就要求仿真教學(xué)系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性。虛擬環(huán)境是不斷動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和刪除變化的。整個(gè)系統(tǒng)要存儲(chǔ)不斷變化的系統(tǒng)狀態(tài)，還要承擔(dān)與輸入、輸出通信等功能，導(dǎo)致巨大的計(jì)算量。這就要求仿真教學(xué)系統(tǒng)具有高速的處理器和圖形加速能力。基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的是繪制技術(shù)。減少或消除繪制過程中的瓶頸可有效提高系統(tǒng)性能。可在應(yīng)用程序階段提高CPU的速度，也可以在保證繪制質(zhì)量的前提下盡量減少建模使用的多邊形數(shù)目，降低場(chǎng)景的復(fù)雜度，還可以采用編程技巧來實(shí)現(xiàn)。例如代碼編寫時(shí)少應(yīng)用除法運(yùn)算。在幾何處理階段，通過減少光源數(shù)目或更改光源類型的方法減少計(jì)算量。但有些優(yōu)化技術(shù)是犧牲繪制質(zhì)量來提高執(zhí)行速度。

（四）仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程

由于虛擬環(huán)境中的模型和紋理貼圖都來源于真實(shí)素材，開發(fā)之前需要采集圖片、聲音等多媒體資源，通過Photoshop和3ds Max來處理貼圖和構(gòu)建三維模型。將其導(dǎo)入到Unity3D引擎中，創(chuàng)建GUI界面，編寫交互腳本代碼，這也是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的最重要環(huán)節(jié)。最后對(duì)建立的互動(dòng)仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)布，即PC端或手機(jī)端。對(duì)教師和學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，讓教師和學(xué)生參與到仿真教學(xué)系統(tǒng)的共建與優(yōu)化中，完善仿真教學(xué)系統(tǒng)。

四、基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

（一）仿真教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組件仿真教學(xué)系統(tǒng)是在Web服務(wù)器基礎(chǔ)上搭建起來的，采用的是瀏覽器/服務(wù)器的架構(gòu)。學(xué)生或教師通過客戶端向Web服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，網(wǎng)站后端經(jīng)過業(yè)務(wù)處理，向原先建立好的數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，向客戶端反饋相關(guān)處理結(jié)果，由瀏覽器解析后顯示在前端，本文采用的是mysql數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

（二）仿真教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)模塊的實(shí)現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)組件仿真教學(xué)系統(tǒng)中，課程學(xué)習(xí)模塊較為復(fù)雜，不利于學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)，同時(shí)各種計(jì)算機(jī)組件實(shí)踐活動(dòng)更是需要不定時(shí)的更新。當(dāng)前課程學(xué)習(xí)模塊的實(shí)現(xiàn)是在三大課程項(xiàng)目中創(chuàng)建系列課程。

（三）仿真教學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核模塊的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)考核模塊是需要能夠通過仿真系統(tǒng)對(duì)用戶操作活動(dòng)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集之后根據(jù)用戶數(shù)據(jù)編碼與事先錄入的標(biāo)準(zhǔn)操作編碼進(jìn)行對(duì)比評(píng)分，存入到mysql數(shù)據(jù)庫中。通過還原對(duì)比的方式顯示在實(shí)驗(yàn)考核模塊中。

五、基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試

（一）基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的測(cè)試

在進(jìn)行Unity仿真教學(xué)系統(tǒng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)之后，需要完成對(duì)該系統(tǒng)軟件功能和數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。其測(cè)試需要從以下三方面進(jìn)行。

1.仿真教學(xué)系統(tǒng)的登陸和加工測(cè)試。在進(jìn)行仿真教學(xué)系統(tǒng)登陸測(cè)試時(shí)，需要在教學(xué)系統(tǒng)中注冊(cè)一個(gè)用戶賬號(hào)，然后登陸到仿真系統(tǒng)的客戶端，在仿真教學(xué)平臺(tái)上選擇課程內(nèi)容，啟動(dòng)課程功能作用，進(jìn)行整個(gè)仿真教學(xué)平臺(tái)的功能測(cè)試。

2.用戶在仿真教學(xué)系統(tǒng)上的操作存儲(chǔ)測(cè)試。計(jì)算機(jī)組件仿真教學(xué)系統(tǒng)的課程功能較為豐富，且要求滿足的大量學(xué)生同時(shí)登陸使用該系統(tǒng)，因此在仿真教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)測(cè)試時(shí)，需要做好其操作存儲(chǔ)功能的測(cè)試。當(dāng)前主要是通過同時(shí)輸入多組不同的賬號(hào)密碼，來測(cè)試賬號(hào)的驗(yàn)證功能。如，根據(jù)設(shè)置的賬號(hào)和密碼都是錯(cuò)誤的情況下，查看系統(tǒng)是否可以直接正確給出“提示”，之后將正確和錯(cuò)誤的賬號(hào)密碼分別輸入進(jìn)行登陸驗(yàn)證，查看給出的提示情況。

（二）基于Unity的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的結(jié)果分析

通過上述所展開的仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的功能測(cè)試結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有較高的操作性，整體功能也較為完整順暢。而本次設(shè)計(jì)的仿真教學(xué)系統(tǒng)基本能夠滿足計(jì)算機(jī)組裝的教學(xué)需求，但是仍舊有許多可供改進(jìn)的地方。可根據(jù)教學(xué)需求不斷調(diào)整仿真軟件的參數(shù)，使得軟件反應(yīng)能力更強(qiáng)，更加靈活。

六、結(jié)束語

綜上所述，在應(yīng)用型教學(xué)活動(dòng)中，開發(fā)具有實(shí)踐教學(xué)作用的仿真教學(xué)系統(tǒng)成為各個(gè)學(xué)科教學(xué)的新需求。當(dāng)前利用Unity引擎開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)，其具有仿真強(qiáng)度高、體驗(yàn)感強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且解決傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足，有效推動(dòng)現(xiàn)代教育教學(xué)的發(fā)展。