浦慧忠

摘 要：以真實(shí)的計(jì)算機(jī)課程學(xué)習(xí)的改造需求為研發(fā)背景，根據(jù)自身特點(diǎn)和項(xiàng)目的總體開(kāi)發(fā)要求和建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合課題“組裝與維修課程虛擬三維學(xué)習(xí)平臺(tái)的實(shí)踐研究”，提出了一種基于Virtools結(jié)合3DMAX等其他技術(shù)的虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)相關(guān)主要環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化處理，為課程學(xué)習(xí)平臺(tái)的搭建提供有力支持。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；Virtools；計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)；建模；交互

中圖分類(lèi)號(hào)： TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）06-

Abstract： In view of real reform demand of computer courses as research and development background ， meanwhile according to their own characteristics， overall development requirements and construction goal of the project， the paper combines with the subject "virtual 3 D assembly and maintenance course learning platform practice research"， puts forward a kind of virtual simulation study system development based on Virtools coordinating with other production software technologies such as 3DMAX ， also optimizes the processing of major link， which could provide strong support for the curriculum learning platform construction.

Key words： Virtual Reality；Virtools；Computer Assembly and Maintenance；Modeling； Alternately

0 引 言

如何提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率始終是研究學(xué)界探討熱議的中心問(wèn)題?，F(xiàn)在比較流行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)即“做中學(xué)”（learn by doing）。舉個(gè)例子，一個(gè)小孩想探究海底動(dòng)物之間的關(guān)系，可以通過(guò)在虛擬現(xiàn)實(shí)世界里的一片海洋的海底中去暢游，并探索海底動(dòng)物之間關(guān)系及海流變化。上述這種類(lèi)似學(xué)習(xí)體驗(yàn)都是極為豐富、又頗為有趣的。所以將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)將是教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)全新飛躍，因其營(yíng)造了這樣一個(gè)“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境：由學(xué)生通過(guò)自身與周?chē)嚓P(guān)信息環(huán)境的相互作用來(lái)得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式取代曾經(jīng)的“以教促學(xué)”的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式 [1]，也就成功在即，現(xiàn)實(shí)可期了。本文將對(duì)這一課題內(nèi)容展開(kāi)研究論述。

《計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)》課程是計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)高職學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，動(dòng)手實(shí)踐性很強(qiáng)。課程內(nèi)容主要涉及計(jì)算機(jī)硬件的選擇、安裝與調(diào)試、操作系統(tǒng)的安裝與調(diào)試、驅(qū)動(dòng)程序的安裝、常用軟件的安裝等。在目前現(xiàn)有的實(shí)際環(huán)境中，由于學(xué)校經(jīng)費(fèi)的限制，很多實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)硬件更新遲緩，設(shè)備落后、老化且數(shù)量匱乏，不能滿(mǎn)足體驗(yàn)式教學(xué)的需要，往往是教師示范多，學(xué)生動(dòng)手少，無(wú)法保證每個(gè)學(xué)生都得到親自動(dòng)手的機(jī)會(huì)。而如果能成功構(gòu)建一個(gè)虛擬的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，就可以很好地解決上述問(wèn)題，這一方面有利于教師課堂教學(xué)的展開(kāi)，另一方面也有利于學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，迅捷掌握技能，達(dá)到事半功倍、現(xiàn)實(shí)理想的教學(xué)效果。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，可以利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，并可使用戶(hù)沉浸到該環(huán)境中。上個(gè)世紀(jì) 90 年代，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)啟了虛擬現(xiàn)實(shí)這方面的研究，時(shí)至今日，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)堪稱(chēng)普及。其中，美國(guó)更是已將虛擬現(xiàn)實(shí)列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃中。

與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究起步較晚，但卻受到特別重視。國(guó)內(nèi)的部分重點(diǎn)高校，如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)等，都已經(jīng)展開(kāi)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究并取得了一定的研究成果。

具體到基于計(jì)算機(jī)硬件的虛擬現(xiàn)實(shí)的研究和應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)在理論研究中進(jìn)行了較多探索，而基于特定實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的研究卻因受到眾多條件的限制，開(kāi)發(fā)出的成果還比較少。一些早期的虛擬實(shí)驗(yàn)中主要用到的都是二維單機(jī)版，只適合課堂教學(xué)的輔助演示，并且在這類(lèi)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中學(xué)生操作的實(shí)驗(yàn)儀器就是一些圖案和符號(hào)，枯燥抽象，不利于學(xué)生的理解和掌握。雖然近幾年也有一些三維的虛擬實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)器件提供了寫(xiě)實(shí)模擬，但大多交互功能都不強(qiáng)，更大程度上只適用于課堂教學(xué)演示，沒(méi)有設(shè)計(jì)針對(duì)學(xué)生的操作技能進(jìn)行演練和提升的環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生開(kāi)展和實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)[2]。而現(xiàn)階段對(duì)于計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)的實(shí)訓(xùn)要求已日趨高端精細(xì)，也更加注重計(jì)算機(jī)與人的交互體驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)上大多都采用 Java 3D、VRML 等語(yǔ)言研制開(kāi)發(fā)，并且還要能實(shí)現(xiàn)3D效果。

總的來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究正處于起步與發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并沒(méi)有形成完整的技術(shù)體系，還有許多關(guān)鍵技術(shù)尚需研究探索，獲得全面解決。

2 理論依據(jù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要有以下四種基本應(yīng)用類(lèi)型：（1）桌面虛擬現(xiàn)實(shí)。其最大特點(diǎn)是缺乏真實(shí)的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，但是成本也相對(duì)較低，因而，應(yīng)用比較廣泛。（2）沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)。（3）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)。（4）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)[3]。

一個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程一般分為三維場(chǎng)景、實(shí)物的建模和交互兩個(gè)步驟。通過(guò)前期的網(wǎng)上調(diào)查研究、各種技術(shù)分析比對(duì)，最終選用3DS Max 軟件來(lái)進(jìn)行三維場(chǎng)景以及實(shí)物的建模，選用 Virtools 軟件來(lái)進(jìn)行各類(lèi)模型之間的交互。

Virtools軟件具有強(qiáng)大的3D互動(dòng)展示功能[4][5]。具體包含了創(chuàng)作應(yīng)用程序、動(dòng)作引擎、渲染引擎、Web播放器、軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）等幾個(gè)部分。采用Virtools開(kāi)發(fā)項(xiàng)目還具有開(kāi)發(fā)難度低、開(kāi)發(fā)周期短、真實(shí)性好、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)[6]。因此，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)采用Virtools 技術(shù)，Virtools軟件操作平臺(tái)如圖1所示。

3 具體實(shí)施

該虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用基于Virtools技術(shù)再結(jié)合3DMAX或Maya、sketchup、VRML、Java等其他技術(shù)[7]，來(lái)模擬計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程中的計(jì)算機(jī)硬件部分，諸如中央處理器CPU、主板、內(nèi)存條、風(fēng)扇、顯卡、硬盤(pán)、光驅(qū)、機(jī)箱等安裝及調(diào)試；計(jì)算機(jī)軟件部分則可描述為Windows操作系統(tǒng)的安裝、驅(qū)動(dòng)程序的安裝、應(yīng)用軟件的安裝等。在此基礎(chǔ)上，即能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真實(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)交互，從而達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)所要求的沉浸感、真實(shí)感和交互性。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟可分述如下。

3.1 建模

采用3D模型建立實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及計(jì)算機(jī)硬件模型，畫(huà)面要求真實(shí)，動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)交互過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。sketchup軟件可以非常方便地建立計(jì)算機(jī)硬件的3D模型，同時(shí)可以利用goole3D模型庫(kù)里的現(xiàn)有模型，再利用3DMAX建立各種復(fù)雜計(jì)算機(jī)硬件（如CPU、主板等）三維物體，并將這些物體導(dǎo)出為VRML文件，導(dǎo)入VRML文件中進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而形成豐富多彩的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，構(gòu)建完成三維場(chǎng)景設(shè)計(jì)。圖2和圖3分別為3DMAX導(dǎo)出文件和Virtools導(dǎo)入文件的過(guò)程。

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)物模型包括：中央處理器CPU、主板、內(nèi)存條、硬盤(pán)、顯卡、風(fēng)扇、機(jī)箱、電源、光驅(qū)、音箱、顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等。由于這些實(shí)物器件是主要的交互對(duì)象，而且還將涉及到后期計(jì)算機(jī)硬件三維模型的展示，因此要求這部分模型制作要具有較高精細(xì)程度。

以主板為例，其上有內(nèi)存插槽、硬盤(pán)和光驅(qū)接口、中央處理器CPU底座、中央處理器、中央處理器風(fēng)扇及安裝架、散熱器、電容器、鍵盤(pán)、顯示等外設(shè)接口及各種電子元件等。為此，首先分開(kāi)依次建模，然后組合成整體的方法來(lái)創(chuàng)建主板上眾多的元件。在3DS Max中具體實(shí)現(xiàn)是通過(guò)擠出修改器、旋轉(zhuǎn)、布爾運(yùn)算等功能，再進(jìn)行 Group（組合），調(diào)整確定了各元件在主板上面的相應(yīng)位置，最后渲染輸出。

3.2 交互

由于交互是整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)的核心，Virtools將結(jié)合使用Java和VRML技術(shù)實(shí)現(xiàn)組裝過(guò)程的交互，如圖4所示。利用Java編程語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使整個(gè)場(chǎng)景具有交互性，利于教學(xué)對(duì)象、即學(xué)習(xí)者可以隨意的漫游在虛擬的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中了解組裝維護(hù)的全過(guò)程，而免除了因多次實(shí)驗(yàn)、可能損壞實(shí)際計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的顧慮及風(fēng)險(xiǎn)。

計(jì)算機(jī)硬件的組裝分為演示和手動(dòng)兩部分.演示部分以視頻播放為主，包括實(shí)物演示和三維虛擬演示。由于該環(huán)節(jié)主要是自動(dòng)演示設(shè)計(jì)，交互功能不多，易于實(shí)現(xiàn)，此處不過(guò)多表述。

手動(dòng)組裝部分是學(xué)生自主進(jìn)行探究性的實(shí)訓(xùn)部分，交互要求很高。以中央處理器CPU的安裝為例，系統(tǒng)并未給出正確位置的提示，而是事先設(shè)定一個(gè)位置熱區(qū)，學(xué)生在學(xué)習(xí)了相關(guān)硬件知識(shí)后通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)來(lái)找尋CPU安裝的正確位置，當(dāng)CPU移動(dòng)到系統(tǒng)事先設(shè)置的熱區(qū)附近時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)擺放在正確的位置上，整個(gè)過(guò)程即視為成功。如果CPU沒(méi)有正確擺放，在學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)會(huì)自行判斷并指出錯(cuò)誤之處，要求重新返回并加以改正，直至安裝正確為止。在整個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)還會(huì)設(shè)置一些常見(jiàn)的錯(cuò)誤障礙，如內(nèi)存條的安裝正反面，硬盤(pán)接線(xiàn)的顏色等，讓學(xué)生找錯(cuò)并自行更正。CPU正確位置熱區(qū)的設(shè)置程序可以描述為：Key Waiter實(shí)現(xiàn) CPU 的移動(dòng)方式，CPU m 實(shí)現(xiàn) CPU 正確位置的計(jì)算，Set Position、Get Position 確定 CPU 在主板上的正確位置并和主板建立連接，具體如圖5所示。CPU m為 VSL 腳本語(yǔ)言自行編寫(xiě)的 BB，程序代碼略。最后還有結(jié)果評(píng)價(jià)程序及其代碼。

3.3 其他功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，還包括有共享、糾錯(cuò)、自學(xué)、測(cè)驗(yàn)等功能。其中，共享提供計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)過(guò)程中的視頻和學(xué)習(xí)資料，供學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，以便熟悉整個(gè)組裝與維護(hù)的過(guò)程，從而提高自己動(dòng)手操作實(shí)踐的能力，高效掌握技能。糾錯(cuò)則定制了錯(cuò)誤提示功能，可以針對(duì)學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的錯(cuò)誤操作給予適時(shí)的提示，并對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方提供相關(guān)學(xué)習(xí)資料，使學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)，避免重復(fù)出現(xiàn)類(lèi)似錯(cuò)誤。自學(xué)就是提供所有硬件設(shè)備庫(kù)，通過(guò)軟件做好的模型導(dǎo)入到硬件設(shè)備庫(kù)，實(shí)訓(xùn)時(shí)可以對(duì)硬件進(jìn)行選擇，庫(kù)中不僅保存設(shè)備的3D模型數(shù)據(jù)，還保存各個(gè)部件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)資料，學(xué)生可以通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)了解各個(gè)部件的種類(lèi)，特性和功能。最后，測(cè)驗(yàn)將能夠提供一種類(lèi)似于比賽的模式進(jìn)行組裝與維護(hù)的測(cè)試，通過(guò)計(jì)時(shí)，打分等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)課程學(xué)習(xí)的綜合評(píng)價(jià)總結(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)實(shí)踐教學(xué)中具有至關(guān)重要的意義，既可以達(dá)到節(jié)約經(jīng)費(fèi)，縮短時(shí)間，豐富資源的目的，又可以獲得直觀(guān)、真實(shí)的效果，使教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段更趨多樣化、數(shù)字化，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力，乃至在學(xué)生科學(xué)意識(shí)和創(chuàng)新精神的綜合培養(yǎng)上，發(fā)揮其積極且關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)作用。

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