VR技術(shù)在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用＊

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 王佳麗 張明陽(yáng) 賈洲 趙霞

隨著互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)方法并不能讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握學(xué)習(xí)的內(nèi)容，學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境受到設(shè)備、資金、資源等方面的限制。本文利用3ds Max 建模軟件和Unity3D 交互軟件對(duì)計(jì)算機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)組裝、拆卸、維修等計(jì)算機(jī)技術(shù)。并將此技術(shù)進(jìn)行推廣，利用虛擬現(xiàn)實(shí)與教育教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出新的嘗試。

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）等新技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展使信息技術(shù)進(jìn)入新一輪革命，近年，VR 技術(shù)在教育方面起著至關(guān)重要的作用，它可以改變以往傳統(tǒng)教學(xué)方式，使學(xué)生身臨其境地體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及其他細(xì)微方面，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提升學(xué)?？茖W(xué)教育的效率。VR 技術(shù)與教育的深度融合是時(shí)代的大勢(shì)所趨，是改善當(dāng)前教育痛點(diǎn)與難點(diǎn)的有效途徑。

1 VR 技術(shù)融入計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性分析

1.1 VR 技術(shù)融入計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)的背景和意義

在2021年的世界VR 產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，“中國(guó)聯(lián)通&央視網(wǎng)5G+VR 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”作為首家中央主流媒體攜手通信運(yùn)營(yíng)商共同打造的5G+VR 聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室揭牌。VR 技術(shù)可以通過(guò)應(yīng)用5G 技術(shù)更好地、迅速地且高碼率地傳送信號(hào)，從而有效地提升觀眾的觀感。例如，江西南昌推出的“紅色文化學(xué)習(xí)地圖”應(yīng)用VR 技術(shù)呈現(xiàn)紅色景點(diǎn)，它可以讓各個(gè)學(xué)段的學(xué)生足不出戶地學(xué)習(xí)紅色文化知識(shí)和精神。

基于已有的應(yīng)用實(shí)例，也可以將VR 技術(shù)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過(guò)程中。通過(guò)調(diào)查學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)情況如表1所示，相較于傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用VR 技術(shù)后的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具備多重優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）教學(xué)效果大大提升。通過(guò)應(yīng)用VR 技術(shù)，學(xué)生可以對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行360°的觀察和對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)機(jī)型拆分與組合，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率以及對(duì)內(nèi)容掌握的深度。（2）學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的積極性大大提高。通過(guò)VR 技術(shù)學(xué)生可以自主研究和發(fā)現(xiàn)相關(guān)興趣點(diǎn)，這樣既鍛煉學(xué)生的觀察力和創(chuàng)造力，又激發(fā)了學(xué)生的好奇心。（3）通過(guò)應(yīng)用VR 技術(shù)的多感官性，教師和學(xué)生可以通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、動(dòng)覺(jué)等多種感知，感受到實(shí)驗(yàn)中的細(xì)微變化，達(dá)到不受時(shí)間、空間限制的效果，將抽象的概念具體化，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力[1]。

表1 學(xué)生對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方式體驗(yàn)情況表[n(%)]Tab.1 Students' experience of different experimental methods [n(%)]

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

目前，虛擬實(shí)驗(yàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家正在普及。一大批各國(guó)外高校都建設(shè)了自己的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，主要為學(xué)生教學(xué)活動(dòng)中的實(shí)踐性實(shí)訓(xùn)提供支撐依據(jù)，學(xué)生在實(shí)際操作中通過(guò)先平臺(tái)模擬使用后實(shí)際操作的方式，來(lái)提高實(shí)踐能力，實(shí)施效果較好。

將VR 虛擬技術(shù)作為基石，以此來(lái)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，各種研究成果應(yīng)運(yùn)而生如圖1所示，順應(yīng)了當(dāng)代高校教育的理念，為學(xué)生學(xué)習(xí)和老師教學(xué)提供了先進(jìn)的教學(xué)手段和優(yōu)質(zhì)的教育資源，在培養(yǎng)人才質(zhì)量的同時(shí)，也順應(yīng)了信息時(shí)代的科學(xué)生產(chǎn)力，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)做出輔助性功能，也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)增添了活力和動(dòng)力。當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)已備受國(guó)內(nèi)教育管理部門和各高校的高度重視[2]。

圖1 我國(guó)虛擬仿真教學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)圖Fig.1 Development trend of literature related to virtual simulation teaching in my country

2 VR 技術(shù)融入計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略

計(jì)算機(jī)課程的實(shí)踐性和邏輯性都很強(qiáng)，很多知識(shí)單純地在書本上描述難免會(huì)給學(xué)生的理解帶來(lái)困難，常常需要通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)來(lái)讓學(xué)生進(jìn)一步理解抽象的知識(shí)點(diǎn)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)的交互式實(shí)驗(yàn)可以解釋一些復(fù)雜的、抽象的概念，是一種非常有效的工具。

2.1 在需求導(dǎo)向計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

利用VR 技術(shù)設(shè)計(jì)出虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為計(jì)算機(jī)組裝實(shí)驗(yàn)提供交互式的沉浸式體驗(yàn)，從而讓學(xué)生通過(guò)操作電腦從各個(gè)角度，去觀察，去實(shí)踐，進(jìn)行各種拆裝和維護(hù)的動(dòng)作。

例如在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中很可能出現(xiàn)設(shè)備資源不足或?qū)嶒?yàn)材料消耗過(guò)大等問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)效果不理想。如計(jì)算機(jī)的硬件組裝實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生數(shù)量遠(yuǎn)大于設(shè)備資源，無(wú)法滿足一對(duì)一實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)材料的損耗也是無(wú)法避免的問(wèn)題。在這種情況下，就可以利用三維模型制作出虛擬動(dòng)態(tài)的畫面，直觀地呈現(xiàn)出計(jì)算機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件連接、整合的詳細(xì)步驟，應(yīng)用仿真技術(shù)模擬出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。此項(xiàng)技術(shù)代替和輔助傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，既避免了昂貴實(shí)驗(yàn)材料的損耗，也幫助學(xué)生直觀體驗(yàn)抽象問(wèn)題解決過(guò)程，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性[3]。

2.2 在校企合作實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

通過(guò)校企合作搭建產(chǎn)學(xué)研信息一體化的合作平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)校企人才培養(yǎng)，科學(xué)研究，協(xié)同合作的教育理念。在校企合作中企業(yè)與高校有明確的分工，企業(yè)為實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)需要的相應(yīng)設(shè)備，并派出優(yōu)秀的工程師與高校教師合作，開發(fā)高質(zhì)量的虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并組織學(xué)生進(jìn)行有計(jì)劃、有目的的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)；高校為合作企業(yè)提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、空調(diào)、投影、桌椅等）以及實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)所等，校企雙方共同推動(dòng)校企合作聯(lián)合培養(yǎng)的切實(shí)進(jìn)行，創(chuàng)造VR產(chǎn)業(yè)的美好未來(lái)。

2021年7月，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合西北師范大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、蘭州交通大學(xué)等有關(guān)專家教授，以及各學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)、虛擬仿真項(xiàng)目組成員，參與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程及平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目論證會(huì)，其目的是提升VR 技術(shù)產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，為學(xué)校培養(yǎng)強(qiáng)有力的人才，它可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)新能力以及提高學(xué)生研究探究的能力[4]。

3 VR 技術(shù)融入計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

3.1 計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的概述

在計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)3D Studio Max（常簡(jiǎn)稱為3d Max 或3ds MAX）軟件對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行虛擬建模，再利用Unity3D 軟件將模型進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)，通過(guò)項(xiàng)目迭代建立最終的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.2 計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模型模塊設(shè)計(jì)

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)離不開三維模型，可以選擇通過(guò)3ds Max 軟件來(lái)制作3D 模型。對(duì)計(jì)算機(jī)硬件諸如CPU、主板、顯卡、硬盤、內(nèi)存條、風(fēng)扇、散熱器、電源等硬件進(jìn)行建模，并加以渲染處理，使之更加逼真，提高仿真度。以風(fēng)扇模型為例，風(fēng)扇模型包括兩個(gè)部件，風(fēng)扇葉和框架。扇葉部分可用二維到三維的方法制作，先構(gòu)出風(fēng)扇葉的二維橫截面，然后運(yùn)用“擠出”功能，修改出扇葉的3D 模型。風(fēng)扇框架的制作也可以用類似的方式，根據(jù)二維線條，運(yùn)用“車削”工具，構(gòu)建出風(fēng)扇框的3D 模型。模型建好之后，再對(duì)模型進(jìn)行燈光效果、貼圖等處理。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)分為硬件詳情模塊、硬件拆裝模塊、硬件維修與維護(hù)模塊。硬件詳情模塊主要是通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊的方式對(duì)硬件進(jìn)行詳細(xì)了解，展示硬件的介紹，學(xué)習(xí)每個(gè)硬件的作用與特點(diǎn)。硬件拆裝模塊是實(shí)驗(yàn)者可在倉(cāng)庫(kù)中選擇相應(yīng)的部件，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中對(duì)模型進(jìn)行拆解與裝配，通過(guò)鼠標(biāo)可自由切換視角。硬件維修與維護(hù)模塊會(huì)展示一些輕微老化或損壞的硬件，需要實(shí)驗(yàn)者對(duì)這些硬件進(jìn)行維護(hù)與維修處理。

3.3 計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

完成計(jì)算機(jī)硬件建模后，接著利用3ds Max 軟件將模型導(dǎo)出為Autodesk（*FBX）格式，導(dǎo)入到Unity 中并存放于Assets 文件夾里，就可以在Unity3D 之中查看已經(jīng)建立好的3D 模型了。然后將導(dǎo)入好的3D 模型進(jìn)行設(shè)置，將機(jī)箱的兩邊設(shè)置為可拆解方式，方便對(duì)里面進(jìn)行觀察和操作；通過(guò)設(shè)置燈光效果和場(chǎng)景的構(gòu)建將虛擬實(shí)驗(yàn)室建造為預(yù)計(jì)達(dá)到的效果。如選用藍(lán)紫色格紋的背景，構(gòu)建帶有一個(gè)電腦桌的虛擬環(huán)境，可通過(guò)操作鼠標(biāo)對(duì)電腦桌上的主機(jī)進(jìn)行查看與拆解。實(shí)驗(yàn)者可以用鼠標(biāo)隨意的拖動(dòng)各個(gè)部件進(jìn)行組裝。如要詳細(xì)了解某一個(gè)硬件的功能，可以點(diǎn)擊該部件，這時(shí)便會(huì)顯示該硬件的詳細(xì)介紹，這些功能都可以在Unity 中用JavaScript 腳本加以實(shí)現(xiàn)，部分代碼如下：

static var Click：boolean=false；

var Shape（400，100，240，200）；

Function OnGUI（）

{

If（Click==true）

{

Shape =GUI.Window（0，Shape，Meaning，"中央處理器（central processing unit，簡(jiǎn)稱CPU） "+"，作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核 "+"心，是信息處理、程序運(yùn)行的最 ”+"，終執(zhí)行單元?！保?；

}

}

function Meaning（windowID：int）

{

If（GUI.Button（Rect（70，120，100，20），"關(guān)閉窗口"））

{

Click=flase；

}

}

function OnMouseDown（）

{

Click=true；

}

在完成對(duì)對(duì)象的腳本編寫后，就實(shí)現(xiàn)了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的雛形，接著可通過(guò)Unity 3D 軟件直接發(fā)布至PC 端運(yùn)行該軟件。具體操作如下：選擇菜單命令“Build Settings”，點(diǎn)擊Add Current 按鈕選擇添加制作好的場(chǎng)景，然后再模板中選擇Windows 端運(yùn)行平臺(tái)，編譯打包后，可直接運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)，我們可以將虛擬實(shí)驗(yàn)與學(xué)校教育相結(jié)合，對(duì)VR 技術(shù)與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)計(jì)出更多的專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力與思考創(chuàng)新能力，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所面臨的一些問(wèn)題。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和科學(xué)探索能力。