計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 耀

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525000）

1. 引言

在計(jì)算機(jī)硬件組裝與維護(hù)教學(xué)過(guò)程中，由于高校硬件設(shè)施的匱乏或者更新速度難以與計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展速度接軌，難以滿足學(xué)生實(shí)際操作需要，由此設(shè)計(jì)一套計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輔助學(xué)生進(jìn)行操作演示，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力。本文以高校計(jì)算機(jī)硬件組裝教材內(nèi)容為藍(lán)本，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3D技術(shù)等搭建計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分考慮系統(tǒng)的實(shí)用性，簡(jiǎn)單易懂便于操作，在計(jì)算機(jī)硬件組裝教學(xué)中具有良好的輔助作用。

2. 設(shè)計(jì)構(gòu)思

2.1 功能介紹

本文所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是根據(jù)教學(xué)課程內(nèi)容建立循序漸進(jìn)、由淺入深的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，其主要功能是根據(jù)教材內(nèi)容逐步進(jìn)行虛擬實(shí)踐，在操作過(guò)程中利用3D技術(shù)學(xué)生可以從多角度瀏覽硬件模型，并且通過(guò)對(duì)硬件的性能和參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)匹配，虛擬動(dòng)手操作計(jì)算機(jī)硬件各部件的拆卸等。在遇到計(jì)算機(jī)硬件組裝常見故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出問題指向，幫助學(xué)生快速判斷出錯(cuò)誤位置。

2.2 設(shè)計(jì)原則

計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以實(shí)用性為原則，充分考慮系統(tǒng)的易用性、逼真性、安全性、交互性、共享性和可擴(kuò)展性。易用性是考慮學(xué)生操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)便性和易懂性，根據(jù)教材可循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生熟練使用該系統(tǒng)；逼真性是指虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作的相似性，在虛擬環(huán)境下利用3D技術(shù)虛擬構(gòu)建計(jì)算機(jī)各硬件模型，通過(guò)場(chǎng)景的優(yōu)化、渲染使學(xué)生能夠沉浸在實(shí)驗(yàn)中；安全性是考慮系統(tǒng)用戶操作數(shù)據(jù)的權(quán)限控制，增加數(shù)據(jù)備份功能，防止用戶數(shù)據(jù)丟失；交互性是指提高用戶與系統(tǒng)之間的交互功能，不僅可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤等傳統(tǒng)輸入設(shè)備進(jìn)行操作，還可以增加手柄、觸摸屏等實(shí)現(xiàn)人機(jī)和諧交流；共享性是學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息共享，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指導(dǎo)和交流；可擴(kuò)展性是指在計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)不斷更新的環(huán)境下可以不斷地增加各種類型的硬件模型到系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展性，使學(xué)生及時(shí)掌握最新的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)。

2.3 運(yùn)行環(huán)境搭建

本文所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Quest 3D為開發(fā)工具，利用3D MAX軟件和Sketchup軟件進(jìn)行建模，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用MySql數(shù)據(jù)庫(kù)。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在服務(wù)器端利用Quest3D封裝的交互模型建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)用戶的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；共享網(wǎng)絡(luò)可以是建立在機(jī)房的局域網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；用戶在客戶端通過(guò)Quest Viewer執(zhí)行硬件組裝虛擬應(yīng)用程序完成計(jì)算機(jī)硬件組裝的三維模擬瀏覽、虛擬演示、模擬操作等，系統(tǒng)還具有更新功能，通過(guò)下載數(shù)據(jù)庫(kù)的最新數(shù)據(jù)，完成虛擬硬件的型號(hào)、參數(shù)更新。

3.2 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件學(xué)習(xí)資料內(nèi)容進(jìn)行需求分析、虛擬硬件模型設(shè)計(jì)與動(dòng)畫制作、人機(jī)交互設(shè)計(jì)和性能測(cè)試、系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)，在需求分析中結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)和教學(xué)大綱，確定系統(tǒng)功能模塊，對(duì)系統(tǒng)的角色、權(quán)限、數(shù)據(jù)庫(kù)、界面等進(jìn)行規(guī)劃；通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的外形、接口、參數(shù)等進(jìn)行硬件模型設(shè)計(jì)，應(yīng)用部分現(xiàn)有3D Warehouse等模型庫(kù)中的硬件模型提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，對(duì)一些需要進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)的模型可采用Sketchup工具對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修改或者是應(yīng)用3D MAX軟件進(jìn)行制作，再通過(guò)Deep exploration軟件對(duì)模型優(yōu)化使其達(dá)到與現(xiàn)實(shí)硬件產(chǎn)品精度、參數(shù)的統(tǒng)一；人機(jī)交互建立硬件組裝場(chǎng)景，利用Quest 3D軟件進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)，完成人與系統(tǒng)的交互功能；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行逐步改進(jìn)。

3.3 模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和功能分析，系統(tǒng)模塊主要分為計(jì)算機(jī)硬件理論知識(shí)學(xué)習(xí)模塊、硬件組裝技能練習(xí)模塊和系統(tǒng)管理模塊。

計(jì)算機(jī)硬件理論知識(shí)學(xué)習(xí)模塊是呈現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件圖片和文字說(shuō)明的理論型模塊，該模塊主要以理論知識(shí)學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)模型瀏覽為主，學(xué)生可以通過(guò)客戶端從任意角度瀏覽硬件模型，當(dāng)鼠標(biāo)置于模型既定位置時(shí)提示硬件信息參數(shù)及文字說(shuō)明。

硬件組裝技能練習(xí)模塊是由部分圖片、視頻等組合而成的人機(jī)互動(dòng)模塊，該模塊可由學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)硬件的組裝與匹配，并且能夠給出匹配結(jié)果和最優(yōu)選擇。

系統(tǒng)管理模塊是對(duì)系統(tǒng)的功能、用戶及安全進(jìn)行管理，系統(tǒng)管理員可增加和刪除系統(tǒng)的登錄用戶，能夠?qū)τ布Ｐ瓦M(jìn)行更新，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)應(yīng)用的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)備份，保護(hù)系統(tǒng)的安全。

4. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 交互界面實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)交互界面采用導(dǎo)航欄形式方便用戶快速熟悉系統(tǒng)菜單中的各項(xiàng)功能，快捷菜單設(shè)計(jì)在系統(tǒng)界面的頂部，以隱性樹形結(jié)構(gòu)顯示，將一級(jí)分類顯示在主界面頂部，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊一級(jí)分類下拉出二級(jí)分類，當(dāng)鼠標(biāo)置于二級(jí)分類時(shí)標(biāo)有◢符號(hào)的分類顯示三級(jí)分類，便于用戶依照順序定位系統(tǒng)功能，在主畫面區(qū)可顯示硬件3D圖像，并可用鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等對(duì)虛擬硬件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，便于用戶詳細(xì)觀察硬件的各個(gè)細(xì)節(jié)，同時(shí)主顯示界面可以播放RMVB、AVI、3GP等格式的視頻文件，學(xué)生可以選擇計(jì)算機(jī)組裝的細(xì)節(jié)教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.2 主要功能實(shí)現(xiàn)

用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互首先登錄系統(tǒng)進(jìn)入用戶登錄模塊，該模塊利用Quest 3D中的DBDriverMysql、DBinfo、DBQuery、DBValue等連接信道與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，確認(rèn)用戶身份進(jìn)入系統(tǒng)；其次系統(tǒng)視頻演示實(shí)驗(yàn)與動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)功能實(shí)現(xiàn)操作界面與人的交互，視頻演示是教學(xué)模型，教師可以將硬件組裝實(shí)際操作視頻播放給學(xué)生觀看，動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)功能是學(xué)生通過(guò)系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境下以動(dòng)畫形式操作計(jì)算機(jī)各硬件的組裝，通過(guò)調(diào)用Quest 3D中的Media Texture、MediaTexture Command、Trigger、UserInput等信道完成該功能；用戶在進(jìn)行硬件組裝虛擬練習(xí)時(shí)，通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等對(duì)虛擬環(huán)境下的CPU、顯卡、內(nèi)存、電源、主板等進(jìn)行組裝，系統(tǒng)可正確判斷各虛擬硬件放置位置是否正確，通過(guò)Quset 3D中userinput、expression value、set value等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；在遇到新型硬件時(shí)，系統(tǒng)可擴(kuò)展添加新型硬件的圖片、參數(shù)，建立虛擬模型，并保存在MySQL模型數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.3 故障排除交互實(shí)現(xiàn)

學(xué)生在進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作時(shí)，操作錯(cuò)誤系統(tǒng)會(huì)彈出錯(cuò)誤提示，譬如：在完成計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬開機(jī)時(shí)，提示開機(jī)錯(cuò)誤，并顯示顯卡錯(cuò)誤、聲卡錯(cuò)誤或者是內(nèi)存條錯(cuò)誤等信息的提示，該功能的實(shí)現(xiàn)可采用模擬樹的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在模擬樹下增加判斷型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)容包括：主板、CPU、顯卡、硬盤、內(nèi)存、光驅(qū)、電源、鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器，當(dāng)任一節(jié)點(diǎn)未正確安裝，則無(wú)法完成計(jì)算機(jī)虛擬開機(jī)，彈出提示框輔助學(xué)生找到故障所在，并對(duì)故障原因加以解釋說(shuō)明。

5. 結(jié)束語(yǔ)

將計(jì)算機(jī)硬件組裝實(shí)驗(yàn)以虛擬的形式提供給學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅能夠降低高校經(jīng)營(yíng)成本，而且可降低學(xué)生的操作風(fēng)險(xiǎn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文所采用的Quest 3D、3DMAX、Sketchup、Mysql等軟件，結(jié)合教學(xué)教材內(nèi)容將計(jì)算機(jī)硬件實(shí)體3D建模，并建立計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬環(huán)境，有效提高了學(xué)生實(shí)際操作能力，同時(shí)也降低了教師教學(xué)的壓力，在高校計(jì)算機(jī)硬件課程教學(xué)中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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