甘肅農(nóng)業(yè)大學信息科學技術(shù)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(shù)。并將此技術(shù)進行推廣，利用虛擬現(xiàn)實與教育教學的有機結(jié)合，為實驗教學提出新的嘗試。

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）等新技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展使信息技術(shù)進入新一輪革命，近年，VR 技術(shù)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(shù)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(shù)融入計算機導論課程實驗教學的可行性分析

1.1 VR 技術(shù)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(shù)可以通過應用5G 技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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?。如計算機的硬件組裝實驗中，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(shù)模擬出傳統(tǒng)實驗過程。此項技術(shù)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(shù)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(shù)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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?！保?/p>

}

}

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(jié)語

在未來，我們可以將虛擬實驗與學校教育相結(jié)合，對VR 技術(shù)與實驗的結(jié)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。