虛擬現實技術應用在計算機組裝與維護教學問題探索

崔翔

（鄭州電力職業技術學院，河南 鄭州 450000）

一、引言

虛擬現實技術在近些年隨著移動通信網絡、傳感器技術的發展成熟，以及計算機仿真技術、人工智能、大數據的進一步發展，虛擬現實技術和設備也在近幾年開始大量的應用在各個領域中。其中教育領域更是其中最為成熟的一個部分，近幾年來國家和教育部也多次下文和提出指導意見，提出要適應“互聯網+職業教育”新要求，全面提升教師信息技術應用能力，推動大數據、人工智能、虛擬現實等現代信息技術在教育教學中的廣泛應用。計算機組裝與維護課程是高職高專中信息大類的重要課程，他為計算的使用和維護培養出了大批人才，但是這門課程一直以來教學中實驗和動手少，學生實踐能力不理想。

虛擬現實技術由于其技術特點可以在日常的實踐操作中讓學生身臨其境，并且可以隨著計算機硬件的發展和變化，快速地了解和應用最新技術和最新設備的應用方法和特性，這是在傳統實踐教學中很難實現的。既降低了長期教學成本又提高了教學效果

二、虛擬現實技術

虛擬現實技術是從計算機仿真技術發展而來的一項技術，其中包含了計算機圖形學、多媒體技術、傳感技術、計算機網絡技術、等多種技術的集合產物。虛擬現實技術通過多種傳感器獲得用戶的指令信號，傳輸到服務器中，服務器通過相關軟件所建立的模型，結合存儲在數據庫中相關參數，建立仿真模型，并且根據傳感器中的方向和方位參數，將相應視角中模型生成圖像信息，最后再通過VR 眼鏡將圖像信息傳達給使用者，通過這樣的緊密交互過程，虛擬現實技術就能夠讓使用者獲得身臨其境的沉浸式體驗。

虛擬現實技術的提出和實踐很早，但是在當時因為計算機技術、電子技術和通信技術的不成熟，一直未能得到發展，近三十年來，隨著液晶顯示技術和計算機技術的發展，虛擬現實技術最早開始應用在軍事訓練領域，但是軟件和模型開發困難，設備價格昂貴，相關設備笨重體驗差，對使用者的要求高等原因，一直未能獲得更廣泛的應用。隨著近些年移動設備的發展，相關的芯片和傳感器都有了新的進步，在設備成本上也下降到可以接受的程度，計算機軟件技術也隨著人工智能和大數據的發展而得到了新的進步。虛擬現實技術也迎來了新的發展機遇，并且被越來越多的領域所接受和應用。

虛擬現實技術在教育領域的應用歷史悠久，虛擬現實具有成本低廉、安全高效、體驗效果好、聲光反饋強烈，學生記憶印象深刻的特點，已經成為部分學科的常見教學手段。傳統的裝配類實驗課程會面臨著設備零件陳舊，實驗價格昂貴，每個學生的實驗時間不足等問題，但是計算機仿真和虛擬現實設備可以讓實驗變得生動有趣。根據公開論文調查和結論，目前虛擬現技術已經在醫療技術、駕駛員培訓、裝備制造維修，建筑設計等多個教學領域得以實踐，通過虛擬現實技術，不僅可以實現單人的沉浸式體驗，還可以實現多人協同配合模擬實驗。

三、虛擬現實技術應用在計算機組裝與維護課程中的舉措

（一）虛擬現實相關硬件設備的引入

虛擬現實技術的應用需要改變傳統的課堂結構，在傳統的裝配類實驗中，采取的是零件材料加上實際安裝的方式，零件教具在這個過程中，由于學生大多為新手，而電腦硬件在設計上，絕大多數設備都未按照高頻次拔插的強度設計，因此設備和零件的損壞速度非?？臁Ａ硗庥嬎銠C設備零件大多數價格較高，因此實踐操作成為這門課程中的短板。其次，計算機設備發展速度很快，可以說每年都會有新零件和新設備投入使用，在實際操作中，由于條件限制，學生很難接觸到最新的設備產品。再這樣的現狀下，相關實驗的開展大多數是教師的演示性教學，學生參與度很低，動手實踐的機會很少，這是完全違背高職教育培養應用性和實用型人才的目標的。

根據實際的課堂需求，如果想要實現計算機組裝與維護此類課程與虛擬現實技術相結合的實驗，需要使用沉浸式虛擬現實技術，沉浸式虛擬現實技術具有身臨其境的感覺，在體驗過程中需要使用VR 眼鏡和聲光配合，代替輸入人的視覺和聽覺，再加上感應式裝配手套，就可以模擬進入實驗空間，進行相應的裝配實驗。此外在教學過程中需要教師進行指導，所以應該配備相應的投影展示設備，此外虛擬現實技術想要達到較為理想的響應速度和繪制較為真實而精細的模型，需要高性能的計算機作為軟件運行的載體，其中對于顯卡和CPU 性能要求尤為重要。因為具有真實體驗的虛擬現實設備需要在極端的響應時間內反饋傳感器信號和視頻信息，因此現在大多數的高性能VR 眼鏡都是采用有線連接的方式進行數據傳輸，所以在使用中比較受限制，隨著5G 通信技術的發展，未來虛擬現實技術在短距離內也許能夠更方便地進行應用。

（二）相關軟件的開發和模型的建立

軟件的開發和應用在系統中同樣非常重要，自2016 年國家各部委多次下發文件推動虛擬現實技術的發展和應用以來，虛擬現實技術的開發在我國也呈現著高速發展的趨勢，近幾年應用在教育領域的各種虛擬現實軟件也逐漸增多，特別是近兩年，多家高校開發出了應用在裝配類實驗領域的相關軟件，并投入使用獲得了巨大的成功。但是在計算機組裝與維護此類課程中，并沒有合適應用的軟件被開發出來，因此需要借鑒同類裝配類虛擬現實仿真軟件，并且根據計算機組裝與維護課程的需要，開發出適合的實驗軟件。

計算機組裝與維護課程的實踐操作類課程，需要學生掌握計算機各種硬件的安裝和拆卸，計算機硬件故障的排查與維修。從軟件類型上來講，與其他裝配類實驗的邏輯大致相同。但是，計算機的各類硬件的模型和運行邏輯需要同時進行新的開發。從模型方面來說，主要的方式是采用3D 技術開發高度仿真的模型，與各個硬件生產廠商進行合作，獲取各種硬件的測繪參數、設備的基本運行邏輯、常見的故障和易損壞故障點。從這些真實的信息出發將計算機設備的維護、安裝、維修的真實場景搬進虛擬場景中，營造合適的實驗環境。從邏輯方面來說，需要根據硬件條件建立合理的物理碰撞模型，硬件裝配步驟判斷，虛擬計算機運行邏輯判斷等邏輯和程序的設計，最終開發出使用與計算機組裝與維護課程的虛擬現實設備。

（三）設計建立實驗與課程相結合

根據引入的硬件設備和開發的軟件與模型，需要設計出與虛擬現實技術相配合的實驗?，F在的課程中，計算機組裝與維護課程所設計的實驗是根據利用真實計算機進行的實驗，并不完全適應于虛擬現實環境中，所以絕大部分實驗需要重新進行設計。虛擬現實實驗的好處在于，一次開發多次利用，計算機仿真技術可以將高成本和高危險性的實驗變的安全低價，學生和教師不需要擔心損壞實驗材料，并且可以多次進行破壞性的實驗，并且不用擔心在常見的實驗環境中需要注意的觸電等損傷身體的安全事故。但是虛擬現實技術也有缺陷，在模擬條件下，很難實現在真實條件下的隨機性和100%真實度。所以在虛擬現實條件下，實驗的重點應集中在利用虛擬現實技術的優點，回避現有的缺點。建立實驗的時候，利用虛擬現實技術展示的真實感，向學生展示多種硬件的姿態和形狀，裝配實驗中可以多次進行，加深學生的體驗，回避現在虛擬現實設備回饋感不足的缺點，避免建立感覺類的實驗內容。與書本課程相結合，讓學生能在沉浸式的體驗中，學會知識，掌握技能。

四、結語

將虛擬現實技術和實踐類教育相結合必然是未來的趨勢，相較于現有的教育技術手段，虛擬現實技術體驗感更強，成本更低，在大規模推廣之后，單生的教育成本有可能會降低到現有的十分之一。這將是推廣高等教育的重要方式。根據虛擬現實技術的技術特點和虛擬現實技術與教育相結合案例，以及軟件模型開發等各個方向的分析，虛擬現實技術與計算機組裝與維護課程相結合進行應用一定是可行的，并且在未來會成為整個職業教育體系中的重要技術手段。