基于沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下虛擬實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì)
——以《計(jì)算機(jī)硬件組裝維護(hù)》課程為例

高 倩

安徽林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230031

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)定義

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，又稱(chēng) VR（Vitual Reality），是集計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)為一體的綜合性科學(xué)研究體系，具有沉浸性、交互性、創(chuàng)造性等特點(diǎn)，有著仿真性、自主性、開(kāi)放性、安全性等優(yōu)勢(shì)，主要通過(guò)三維仿真技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)真實(shí)環(huán)境，讓人通過(guò)傳感器外設(shè)如頭盔、手套、眼鏡等與虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)生交互，以獲得真實(shí)體驗(yàn)感。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，為人類(lèi)的生活帶來(lái)了新的機(jī)遇，有效地促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，在醫(yī)學(xué)、軍事、旅游、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、教育等許多領(lǐng)域產(chǎn)生了變革性的影響。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域也逐漸受到專(zhuān)家學(xué)者的認(rèn)可，如通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、進(jìn)行場(chǎng)景交互式體驗(yàn)教學(xué)、開(kāi)展模擬訓(xùn)練體驗(yàn)教學(xué)、構(gòu)造虛擬實(shí)物等[1]。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是指借助虛擬現(xiàn)實(shí)、模擬仿真、傳感器、超媒體、互聯(lián)網(wǎng)能技術(shù)所構(gòu)造的，能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及操作環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)反饋的軟硬件操作環(huán)境。近年來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)越來(lái)越受到專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，主要研究體現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究、以及虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建方法策略和實(shí)踐等方面[2]。本研究將以計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)課程為例，通過(guò)設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，運(yùn)用3ds max 軟件建模虛擬實(shí)驗(yàn)室和三維硬件模型，并將模型導(dǎo)入到Unity 3D 軟件中，實(shí)現(xiàn)硬件模型的展示和實(shí)驗(yàn)交互功能等，以期為更好地改進(jìn)教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)知識(shí)理解。

2 計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要作用

2.1 強(qiáng)化計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)的課程學(xué)習(xí)

計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)是一門(mén)對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力要求很高的課程，學(xué)生通過(guò)對(duì)臺(tái)式計(jì)算機(jī)進(jìn)行拆卸，了解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部的硬件構(gòu)造、裝配位置及方法，掌握CPU、主板、內(nèi)存條、輸入輸出設(shè)備、機(jī)箱、電源等的工作原理、故障警報(bào)方法、故障處理方法。由計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)的課程內(nèi)容和授課目標(biāo)可見(jiàn)，熟練掌握計(jì)算機(jī)硬件的基本原理、構(gòu)造及故障處理是建立在熟練實(shí)踐的基礎(chǔ)上的，因此這門(mén)課程的學(xué)習(xí)，需要多觀(guān)察、反復(fù)練習(xí)，在實(shí)踐中獲取經(jīng)驗(yàn)。如果我們建立計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以節(jié)省教學(xué)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，學(xué)生用虛擬的計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行組裝，即使操作出現(xiàn)失誤，也不會(huì)損壞耗材。因此，建立計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是符合學(xué)習(xí)者認(rèn)知規(guī)律，對(duì)知識(shí)的掌握有促進(jìn)作用的。

2.2 滿(mǎn)足學(xué)生學(xué)習(xí)需求

針對(duì)本系統(tǒng)的目標(biāo)用戶(hù)對(duì)象——大中專(zhuān)計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)調(diào)查，了解了學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)課程實(shí)驗(yàn)的基本需求、困惑和亟需解決的問(wèn)題。

針對(duì)問(wèn)卷“你在計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)實(shí)驗(yàn)中，遇到的問(wèn)題是什么？”的調(diào)查結(jié)果，結(jié)果顯示，29.3%的學(xué)生認(rèn)為“除了實(shí)驗(yàn)課，沒(méi)有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”；28.6%的學(xué)生認(rèn)為“實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺少觀(guān)摩指導(dǎo)”；23%的學(xué)生認(rèn)為“還未充分掌握知識(shí)點(diǎn)，課程已結(jié)束”；10.9%的學(xué)生認(rèn)為“實(shí)驗(yàn)時(shí)間不夠長(zhǎng)”。

由問(wèn)卷可知：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課以外，很難有機(jī)會(huì)進(jìn)行計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)實(shí)驗(yàn)，因此一定程度上影響了學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)。另外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于缺乏系統(tǒng)的觀(guān)摩指導(dǎo)時(shí)間，往往以小組為單位進(jìn)行組裝實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性也缺乏論證。因此，建立計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以讓學(xué)生在課前課后隨時(shí)隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，復(fù)習(xí)鞏固知識(shí)點(diǎn)[3]。在虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，加入實(shí)驗(yàn)觀(guān)摩指導(dǎo)模塊，讓學(xué)生可以直觀(guān)地了解計(jì)算機(jī)硬件部件的外形、功能及組裝位置和方法，觀(guān)摩后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

3 計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖1 所示。該虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從主菜單界面進(jìn)入后，主要分為三個(gè)功能模塊：硬件構(gòu)造觀(guān)摩模塊、虛擬組裝模塊和經(jīng)驗(yàn)積累模塊。

圖1 計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)系統(tǒng)模塊示意圖

硬件構(gòu)造模塊主要是在系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件各部件的三維模型展示，從視覺(jué)上，讓學(xué)生直觀(guān)地了解硬件的構(gòu)造及組裝位置等，并且以學(xué)習(xí)視頻的形式，向?qū)W習(xí)者介紹各硬件部件的功能。

虛擬組裝模塊可以讓學(xué)習(xí)者在三維虛擬環(huán)境中，自由選擇硬件部件，在主板上進(jìn)行模擬組裝，從模型庫(kù)中選擇相應(yīng)的部件，安裝到主板各卡槽內(nèi)，使得計(jì)算機(jī)主機(jī)能夠成功運(yùn)行，通過(guò)視頻的形式，進(jìn)行硬件組裝維護(hù)展示，并指導(dǎo)組裝實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

經(jīng)驗(yàn)積累模塊，主要訓(xùn)練學(xué)習(xí)者對(duì)硬件故障排除的掌握。故障排除實(shí)踐練習(xí)，可讓學(xué)習(xí)者迅速找到有問(wèn)題的部件，更換后，使硬件系統(tǒng)運(yùn)行正常。通過(guò)主動(dòng)動(dòng)手實(shí)踐，順利掌握原本枯燥難懂的硬件故障提示，在真機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，也能迅速排除故障。

4 計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建

計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建需要靠三維建模來(lái)支撐，首先要搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者有身臨其境的感覺(jué)，為下一步沉浸式實(shí)驗(yàn)提供環(huán)境基礎(chǔ)。可以通過(guò)3ds max 建模構(gòu)造還原真實(shí)的組裝維護(hù)實(shí)驗(yàn)室，并且要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝配組裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，所有的實(shí)驗(yàn)部件都將在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行組裝。其次，要將計(jì)算機(jī)的各硬件部件如主板、CPU、內(nèi)存條、CPU 風(fēng)扇、網(wǎng)卡、顯卡等用3ds max 進(jìn)行建模并貼圖加材質(zhì)燈光效果以貼近真實(shí)感。

3ds max 中的建模方式主要包括多邊形建模、NURBS 建模、面片建模等方式，以3ds max 建模CPU 風(fēng)扇為例，可以把CPU 風(fēng)扇分解為兩部分，扇葉部分和扇葉保護(hù)罩，扇葉部分我們可以先用二維線(xiàn)條畫(huà)出扇葉的橫截面，通過(guò)“擠出”修改器，得出扇葉的三維模型。扇葉保護(hù)罩也可以先編輯橫截面的二維線(xiàn)條，再通過(guò)“車(chē)削”修改器，得到三維保護(hù)罩，通過(guò)布爾運(yùn)算等，得出保護(hù)網(wǎng)狀的扇葉保護(hù)罩。在建模完成后，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，刪除不必要的面，減少渲染時(shí)間，進(jìn)行材質(zhì)貼圖，體現(xiàn)模型的材質(zhì)效果。

4.2 利用Unity 軟件構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

4.2.1 三維模型的導(dǎo)入

在3ds max 中完成計(jì)算機(jī)組裝維護(hù)硬件部件及虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的建模后，需要把這些三維模型作為素材導(dǎo)入到Unity 3D 軟件中，以實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)中的交互功能。前期建模及貼圖完成后，將所建好的模型，選擇3ds max 界面左上角“文件”——“導(dǎo)出”，導(dǎo)出為 Autodesk（*FBX）格式，導(dǎo)入到 Unity 中存放于A(yíng)ssets 文件夾中，這樣在Unity 3D 的項(xiàng)目面板中可以瀏覽三維模型資源。

4.2.2 “硬件構(gòu)造觀(guān)摩”模塊的Unity 實(shí)現(xiàn)

Unity3D 是由Unity Technologies 開(kāi)發(fā)的一款可以實(shí)現(xiàn)三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)游戲引擎。其有著可視化的綜合編輯窗口，可以對(duì)導(dǎo)入的資源進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并添加腳本使其具有交互特性。

“硬件構(gòu)造觀(guān)摩”模塊主要包括“硬件三維展示”和“硬件功能介紹”兩部分，當(dāng)把三維場(chǎng)景和部件模型導(dǎo)入到Unity 3D 后，就要為各模型添加相應(yīng)的腳本，腳本語(yǔ)言一般為JavaScript 和C#，以實(shí)現(xiàn)硬件模型的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)為例，可以創(chuàng)建一個(gè)JavaScript腳本加以實(shí)現(xiàn)，具體代碼如下：

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)會(huì)彈出該部件的信息窗口，向?qū)W習(xí)者展示硬件的具體功能，可以在Unity 中用JavaScript 腳本加以實(shí)現(xiàn)，具體代碼如下：

5 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有仿真性、自主性、開(kāi)放性、安全性的特點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)硬件組裝維護(hù)教學(xué)時(shí)，建立一款虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)自主、開(kāi)發(fā)、交互、科學(xué)的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠滿(mǎn)足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求，打破時(shí)空條件限制，豐富教學(xué)形式，培養(yǎng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。