VR技术在计算机导论课程虚拟仿真实验中的应用＊

2022-12-05甘肃农业大学信息科学技术学院王佳丽张明阳贾洲赵霞

数字技术与应用 2022年11期

甘肃农业大学信息科学技术学院王佳丽张明阳贾洲赵霞

随着互联网飞速发展，传统的计算机导论课程实验方法并不能让学生系统地掌握学习的内容，学生的学习环境受到设备、资金、资源等方面的限制。本文利用3ds Max 建模软件和Unity3D 交互软件对计算机组装实验进行设计，开发出虚拟实验平台，实现组装、拆卸、维修等计算机技术。并将此技术进行推广，利用虚拟现实与教育教学的有机结合，为实验教学提出新的尝试。

VR（Virtual Reality，虚拟现实）等新技术的出现与发展使信息技术进入新一轮革命，近年，VR 技术在教育方面起着至关重要的作用，它可以改变以往传统教学方式，使学生身临其境地体验实验环境以及其他细微方面，激发学生的学习兴趣和提升学校科学教育的效率。VR 技术与教育的深度融合是时代的大势所趋，是改善当前教育痛点与难点的有效途径。

1 VR 技术融入计算机导论课程实验教学的可行性分析

1.1 VR 技术融入计算机导论课程实验的背景和意义

在2021年的世界VR 产业大会上，“中国联通&央视网5G+VR 联合实验室”作为首家中央主流媒体携手通信运营商共同打造的5G+VR 联合实验室揭牌。VR 技术可以通过应用5G 技术更好地、迅速地且高码率地传送信号，从而有效地提升观众的观感。例如，江西南昌推出的“红色文化学习地图”应用VR 技术呈现红色景点，它可以让各个学段的学生足不出户地学习红色文化知识和精神。

基于已有的应用实例，也可以将VR 技术应用在计算机导论实验课程的教学过程中。通过调查学生对虚拟实验和传统实验的体验情况如表1所示，相较于传统的计算机导论课程实验，应用VR 技术后的实验项目具备多重优势，主要体现在以下几个方面：（1）教学效果大大提升。通过应用VR 技术，学生可以对每个零件进行360°的观察和对模拟实验计算机机型拆分与组合，大大提高了学生学习的效率以及对内容掌握的深度。（2）学生对实验的积极性大大提高。通过VR 技术学生可以自主研究和发现相关兴趣点，这样既锻炼学生的观察力和创造力，又激发了学生的好奇心。（3）通过应用VR 技术的多感官性，教师和学生可以通过视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，感受到实验中的细微变化，达到不受时间、空间限制的效果，将抽象的概念具体化，从而培养学生创新思维能力，提高学生实验动手能力[1]。

表1 学生对不同实验方式体验情况表[n(%)]Tab.1 Students' experience of different experimental methods [n(%)]

1.2 国内外研究现状和发展动态

目前，虚拟实验在发达国家正在普及。一大批各国外高校都建设了自己的虚拟仿真实验环境，主要为学生教学活动中的实践性实训提供支撑依据，学生在实际操作中通过先平台模拟使用后实际操作的方式，来提高实践能力，实施效果较好。

将VR 虚拟技术作为基石，以此来开展虚拟仿真实验平台的设计，各种研究成果应运而生如图1所示，顺应了当代高校教育的理念，为学生学习和老师教学提供了先进的教学手段和优质的教育资源，在培养人才质量的同时，也顺应了信息时代的科学生产力，为传统实验做出辅助性功能，也为实验教学改革和实验室建设增添了活力和动力。当前，虚拟仿真实验教学中心建设已备受国内教育管理部门和各高校的高度重视[2]。

图1 我国虚拟仿真教学相关文献发展趋势图Fig.1 Development trend of literature related to virtual simulation teaching in my country

2 VR 技术融入计算机导论课程实验的教学策略

计算机课程的实践性和逻辑性都很强，很多知识单纯地在书本上描述难免会给学生的理解带来困难，常常需要通过完成实验来让学生进一步理解抽象的知识点。利用虚拟现实技术设计和开发的交互式实验可以解释一些复杂的、抽象的概念，是一种非常有效的工具。

2.1 在需求导向计算机导论课程实验教学中的应用

利用VR 技术设计出虚拟实验环境，为计算机组装实验提供交互式的沉浸式体验，从而让学生通过操作电脑从各个角度，去观察，去实践，进行各种拆装和维护的动作。

例如在实验过程中，部分实验内容在真实实验场景中很可能出现设备资源不足或实验材料消耗过大等问题，导致无法进行实验或实验效果不理想。如计算机的硬件组装实验中，由于学生数量远大于设备资源，无法满足一对一实验教学，并且在实验的过程中，实验材料的损耗也是无法避免的问题。在这种情况下，就可以利用三维模型制作出虚拟动态的画面，直观地呈现出计算机内部各个部件连接、整合的详细步骤，应用仿真技术模拟出传统实验过程。此项技术代替和辅助传统教学实验，既避免了昂贵实验材料的损耗，也帮助学生直观体验抽象问题解决过程，提高了学生学习的积极性和主动性[3]。

2.2 在校企合作实训中的应用

通过校企合作搭建产学研信息一体化的合作平台，可以实现校企人才培养，科学研究，协同合作的教育理念。在校企合作中企业与高校有明确的分工，企业为实验室提供实验需要的相应设备，并派出优秀的工程师与高校教师合作，开发高质量的虚拟实验项目，并组织学生进行有计划、有目的的计算机导论虚拟现实实验；高校为合作企业提供实验环境和基础实验设备（如网络、计算机、空调、投影、桌椅等）以及实验室场所等，校企双方共同推动校企合作联合培养的切实进行，创造VR产业的美好未来。

2021年7月，甘肃农业大学联合西北师范大学、兰州理工大学、兰州交通大学等有关专家教授，以及各学院教学副院长、虚拟仿真项目组成员，参与虚拟仿真实验课程及平台建设项目论证会，其目的是提升VR 技术产业的整体竞争力，为学校培养强有力的人才，它可以激发学生学习的积极性与创新能力以及提高学生研究探究的能力[4]。

3 VR 技术融入计算机导论课程实验平台的搭建

3.1 计算机虚拟实验平台的概述

在计算机导论课程的虚拟仿真实验项目设计过程中，可通过3D Studio Max（常简称为3d Max 或3ds MAX）软件对计算机硬件进行虚拟建模，再利用Unity3D 软件将模型进行交互式设计，通过项目迭代建立最终的虚拟仿真实验平台。

3.2 计算机虚拟实验平台的模型模块设计

虚拟实验平台建设离不开三维模型，可以选择通过3ds Max 软件来制作3D 模型。对计算机硬件诸如CPU、主板、显卡、硬盘、内存条、风扇、散热器、电源等硬件进行建模，并加以渲染处理，使之更加逼真，提高仿真度。以风扇模型为例，风扇模型包括两个部件，风扇叶和框架。扇叶部分可用二维到三维的方法制作，先构出风扇叶的二维横截面，然后运用“挤出”功能，修改出扇叶的3D 模型。风扇框架的制作也可以用类似的方式，根据二维线条，运用“车削”工具，构建出风扇框的3D 模型。模型建好之后，再对模型进行灯光效果、贴图等处理。

实验平台模块化设计分为硬件详情模块、硬件拆装模块、硬件维修与维护模块。硬件详情模块主要是通过鼠标点击的方式对硬件进行详细了解，展示硬件的介绍，学习每个硬件的作用与特点。硬件拆装模块是实验者可在仓库中选择相应的部件，在虚拟实验室中对模型进行拆解与装配，通过鼠标可自由切换视角。硬件维修与维护模块会展示一些轻微老化或损坏的硬件，需要实验者对这些硬件进行维护与维修处理。

3.3 计算机虚拟实验平台的实现

完成计算机硬件建模后，接着利用3ds Max 软件将模型导出为Autodesk（*FBX）格式，导入到Unity 中并存放于Assets 文件夹里，就可以在Unity3D 之中查看已经建立好的3D 模型了。然后将导入好的3D 模型进行设置，将机箱的两边设置为可拆解方式，方便对里面进行观察和操作；通过设置灯光效果和场景的构建将虚拟实验室建造为预计达到的效果。如选用蓝紫色格纹的背景，构建带有一个电脑桌的虚拟环境，可通过操作鼠标对电脑桌上的主机进行查看与拆解。实验者可以用鼠标随意的拖动各个部件进行组装。如要详细了解某一个硬件的功能，可以点击该部件，这时便会显示该硬件的详细介绍，这些功能都可以在Unity 中用JavaScript 脚本加以实现，部分代码如下：

static var Click：boolean=false；

var Shape（400，100，240，200）；

Function OnGUI（）

{

If（Click==true）

{

Shape =GUI.Window（0，Shape，Meaning，"中央处理器（central processing unit，简称CPU） "+"，作为计算机系统的运算和控制核 "+"心，是信息处理、程序运行的最 ”+"，终执行单元。”）；

}

function Meaning（windowID：int）

{

If（GUI.Button（Rect（70，120，100，20），"关闭窗口"））

{

Click=flase；

}

function OnMouseDown（）

{

Click=true；

}

在完成对对象的脚本编写后，就实现了虚拟实验平台的雏形，接着可通过Unity 3D 软件直接发布至PC 端运行该软件。具体操作如下：选择菜单命令“Build Settings”，点击Add Current 按钮选择添加制作好的场景，然后再模板中选择Windows 端运行平台，编译打包后，可直接运行实验平台[5]。