VR技術在計算機導論課程虛擬仿真實驗中的應用＊

甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術學院 王佳麗 張明陽 賈洲 趙霞

隨著互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的計算機導論課程實驗方法并不能讓學生系統(tǒng)地掌握學習的內(nèi)容，學生的學習環(huán)境受到設備、資金、資源等方面的限制。本文利用3ds Max 建模軟件和Unity3D 交互軟件對計算機組裝實驗進行設計，開發(fā)出虛擬實驗平臺，實現(xiàn)組裝、拆卸、維修等計算機技術。并將此技術進行推廣，利用虛擬現(xiàn)實與教育教學的有機結合，為實驗教學提出新的嘗試。

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）等新技術的出現(xiàn)與發(fā)展使信息技術進入新一輪革命，近年，VR 技術在教育方面起著至關重要的作用，它可以改變以往傳統(tǒng)教學方式，使學生身臨其境地體驗實驗環(huán)境以及其他細微方面，激發(fā)學生的學習興趣和提升學校科學教育的效率。VR 技術與教育的深度融合是時代的大勢所趨，是改善當前教育痛點與難點的有效途徑。

1 VR 技術融入計算機導論課程實驗教學的可行性分析

1.1 VR 技術融入計算機導論課程實驗的背景和意義

在2021年的世界VR 產(chǎn)業(yè)大會上，“中國聯(lián)通&央視網(wǎng)5G+VR 聯(lián)合實驗室”作為首家中央主流媒體攜手通信運營商共同打造的5G+VR 聯(lián)合實驗室揭牌。VR 技術可以通過應用5G 技術更好地、迅速地且高碼率地傳送信號，從而有效地提升觀眾的觀感。例如，江西南昌推出的“紅色文化學習地圖”應用VR 技術呈現(xiàn)紅色景點，它可以讓各個學段的學生足不出戶地學習紅色文化知識和精神。

基于已有的應用實例，也可以將VR 技術應用在計算機導論實驗課程的教學過程中。通過調(diào)查學生對虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗的體驗情況如表1所示，相較于傳統(tǒng)的計算機導論課程實驗，應用VR 技術后的實驗項目具備多重優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）教學效果大大提升。通過應用VR 技術，學生可以對每個零件進行360°的觀察和對模擬實驗計算機機型拆分與組合，大大提高了學生學習的效率以及對內(nèi)容掌握的深度。（2）學生對實驗的積極性大大提高。通過VR 技術學生可以自主研究和發(fā)現(xiàn)相關興趣點，這樣既鍛煉學生的觀察力和創(chuàng)造力，又激發(fā)了學生的好奇心。（3）通過應用VR 技術的多感官性，教師和學生可以通過視覺、聽覺、觸覺、動覺等多種感知，感受到實驗中的細微變化，達到不受時間、空間限制的效果，將抽象的概念具體化，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力，提高學生實驗動手能力[1]。

表1 學生對不同實驗方式體驗情況表[n(%)]Tab.1 Students' experience of different experimental methods [n(%)]

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

目前，虛擬實驗在發(fā)達國家正在普及。一大批各國外高校都建設了自己的虛擬仿真實驗環(huán)境，主要為學生教學活動中的實踐性實訓提供支撐依據(jù)，學生在實際操作中通過先平臺模擬使用后實際操作的方式，來提高實踐能力，實施效果較好。

將VR 虛擬技術作為基石，以此來開展虛擬仿真實驗平臺的設計，各種研究成果應運而生如圖1所示，順應了當代高校教育的理念，為學生學習和老師教學提供了先進的教學手段和優(yōu)質(zhì)的教育資源，在培養(yǎng)人才質(zhì)量的同時，也順應了信息時代的科學生產(chǎn)力，為傳統(tǒng)實驗做出輔助性功能，也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力。當前，虛擬仿真實驗教學中心建設已備受國內(nèi)教育管理部門和各高校的高度重視[2]。

圖1 我國虛擬仿真教學相關文獻發(fā)展趨勢圖Fig.1 Development trend of literature related to virtual simulation teaching in my country

2 VR 技術融入計算機導論課程實驗的教學策略

計算機課程的實踐性和邏輯性都很強，很多知識單純地在書本上描述難免會給學生的理解帶來困難，常常需要通過完成實驗來讓學生進一步理解抽象的知識點。利用虛擬現(xiàn)實技術設計和開發(fā)的交互式實驗可以解釋一些復雜的、抽象的概念，是一種非常有效的工具。

2.1 在需求導向計算機導論課程實驗教學中的應用

利用VR 技術設計出虛擬實驗環(huán)境，為計算機組裝實驗提供交互式的沉浸式體驗，從而讓學生通過操作電腦從各個角度，去觀察，去實踐，進行各種拆裝和維護的動作。

例如在實驗過程中，部分實驗內(nèi)容在真實實驗場景中很可能出現(xiàn)設備資源不足或?qū)嶒灢牧舷倪^大等問題，導致無法進行實驗或?qū)嶒炐Ч焕硐搿Ｈ缬嬎銠C的硬件組裝實驗中，由于學生數(shù)量遠大于設備資源，無法滿足一對一實驗教學，并且在實驗的過程中，實驗材料的損耗也是無法避免的問題。在這種情況下，就可以利用三維模型制作出虛擬動態(tài)的畫面，直觀地呈現(xiàn)出計算機內(nèi)部各個部件連接、整合的詳細步驟，應用仿真技術模擬出傳統(tǒng)實驗過程。此項技術代替和輔助傳統(tǒng)教學實驗，既避免了昂貴實驗材料的損耗，也幫助學生直觀體驗抽象問題解決過程，提高了學生學習的積極性和主動性[3]。

2.2 在校企合作實訓中的應用

通過校企合作搭建產(chǎn)學研信息一體化的合作平臺，可以實現(xiàn)校企人才培養(yǎng)，科學研究，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)為實驗室提供實驗需要的相應設備，并派出優(yōu)秀的工程師與高校教師合作，開發(fā)高質(zhì)量的虛擬實驗項目，并組織學生進行有計劃、有目的的計算機導論虛擬現(xiàn)實實驗；高校為合作企業(yè)提供實驗環(huán)境和基礎實驗設備（如網(wǎng)絡、計算機、空調(diào)、投影、桌椅等）以及實驗室場所等，校企雙方共同推動校企合作聯(lián)合培養(yǎng)的切實進行，創(chuàng)造VR產(chǎn)業(yè)的美好未來。

2021年7月，甘肅農(nóng)業(yè)大學聯(lián)合西北師范大學、蘭州理工大學、蘭州交通大學等有關專家教授，以及各學院教學副院長、虛擬仿真項目組成員，參與虛擬仿真實驗課程及平臺建設項目論證會，其目的是提升VR 技術產(chǎn)業(yè)的整體競爭力，為學校培養(yǎng)強有力的人才，它可以激發(fā)學生學習的積極性與創(chuàng)新能力以及提高學生研究探究的能力[4]。

3 VR 技術融入計算機導論課程實驗平臺的搭建

3.1 計算機虛擬實驗平臺的概述

在計算機導論課程的虛擬仿真實驗項目設計過程中，可通過3D Studio Max（常簡稱為3d Max 或3ds MAX）軟件對計算機硬件進行虛擬建模，再利用Unity3D 軟件將模型進行交互式設計，通過項目迭代建立最終的虛擬仿真實驗平臺。

3.2 計算機虛擬實驗平臺的模型模塊設計

虛擬實驗平臺建設離不開三維模型，可以選擇通過3ds Max 軟件來制作3D 模型。對計算機硬件諸如CPU、主板、顯卡、硬盤、內(nèi)存條、風扇、散熱器、電源等硬件進行建模，并加以渲染處理，使之更加逼真，提高仿真度。以風扇模型為例，風扇模型包括兩個部件，風扇葉和框架。扇葉部分可用二維到三維的方法制作，先構出風扇葉的二維橫截面，然后運用“擠出”功能，修改出扇葉的3D 模型。風扇框架的制作也可以用類似的方式，根據(jù)二維線條，運用“車削”工具，構建出風扇框的3D 模型。模型建好之后，再對模型進行燈光效果、貼圖等處理。

實驗平臺模塊化設計分為硬件詳情模塊、硬件拆裝模塊、硬件維修與維護模塊。硬件詳情模塊主要是通過鼠標點擊的方式對硬件進行詳細了解，展示硬件的介紹，學習每個硬件的作用與特點。硬件拆裝模塊是實驗者可在倉庫中選擇相應的部件，在虛擬實驗室中對模型進行拆解與裝配，通過鼠標可自由切換視角。硬件維修與維護模塊會展示一些輕微老化或損壞的硬件，需要實驗者對這些硬件進行維護與維修處理。

3.3 計算機虛擬實驗平臺的實現(xiàn)

完成計算機硬件建模后，接著利用3ds Max 軟件將模型導出為Autodesk（*FBX）格式，導入到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。然后將導入好的3D 模型進行設置，將機箱的兩邊設置為可拆解方式，方便對里面進行觀察和操作；通過設置燈光效果和場景的構建將虛擬實驗室建造為預計達到的效果。如選用藍紫色格紋的背景，構建帶有一個電腦桌的虛擬環(huán)境，可通過操作鼠標對電腦桌上的主機進行查看與拆解。實驗者可以用鼠標隨意的拖動各個部件進行組裝。如要詳細了解某一個硬件的功能，可以點擊該部件，這時便會顯示該硬件的詳細介紹，這些功能都可以在Unity 中用JavaScript 腳本加以實現(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，簡稱CPU） "+"，作為計算機系統(tǒng)的運算和控制核 "+"心，是信息處理、程序運行的最 ”+"，終執(zhí)行單元。”）；

}

}

function Meaning（windowID：int）

{

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

{

Click=flase；

}

}

function OnMouseDown（）

{

Click=true；

}

在完成對對象的腳本編寫后，就實現(xiàn)了虛擬實驗平臺的雛形，接著可通過Unity 3D 軟件直接發(fā)布至PC 端運行該軟件。具體操作如下：選擇菜單命令“Build Settings”，點擊Add Current 按鈕選擇添加制作好的場景，然后再模板中選擇Windows 端運行平臺，編譯打包后，可直接運行實驗平臺[5]。

4 結語

在未來，我們可以將虛擬實驗與學校教育相結合，對VR 技術與實驗的結合進行擴展，設計出更多的專業(yè)課程實驗平臺，激發(fā)學生對專業(yè)知識的好奇心，增強學生的動手實踐能力與思考創(chuàng)新能力，解決傳統(tǒng)實驗所面臨的一些問題。將虛擬仿真實驗作為學生的計算機導論課程實驗項目，更好地培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和科學探索能力。