賈曉琪， 蘆囧耀

（山西工程科技職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 山西 晉中 030619）

0 引 言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)融合了多媒體技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、人工智能傳感技術(shù)、仿真顯示技術(shù)等多技術(shù)的信息技術(shù)，能夠創(chuàng)造一個集視覺、聽覺、觸覺等多種感覺器官體驗于一體的虛擬環(huán)境，給人一種身臨其境的感覺［1］。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)隨著信息技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)涉及到了各個領(lǐng)域。 2017年，國家教育部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》，提出了“高校的實驗教學(xué)要積極探索，建設(shè)示范性的虛擬仿真實驗實訓(xùn)教學(xué)項目”的目標(biāo)［2］。 本文通過分析虛擬現(xiàn)實技術(shù)的主要特點、關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)及應(yīng)用的現(xiàn)狀，探究建設(shè)《計算機(jī)組裝與維護(hù)》課程的仿真實訓(xùn)平臺，并且進(jìn)行了實際應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

Bingitta Hosea 描述虛擬現(xiàn)實技術(shù)為“通過數(shù)據(jù)虛構(gòu)的假定空間”，空間中包含三維空間數(shù)據(jù)，能夠讓用戶沉浸其中與空間互動，并且操控空間［3］。

Michael Heim 通過“3I 描述”定義虛擬現(xiàn)實：沉浸（Immersion），通過虛構(gòu)空間的沉浸式體驗，讓用戶從心理上感覺置身于計算機(jī)空間中；交互（lnterativity），通過用戶感官和計算機(jī)系統(tǒng)的交互，獲取信息的雙向交換； 信息強度（Information Intensity），虛擬現(xiàn)實能夠讓人身臨其境遠(yuǎn)程控制，體驗虛構(gòu)空間所包含的巨大信息數(shù)據(jù)［3］。

1.1 技術(shù)特點

虛擬現(xiàn)實有5 大特點［4］：

（1）沉浸性。 沉浸特性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)最主要的特點。 用戶能夠通過感覺器官感受自己深處虛擬現(xiàn)實構(gòu)建的虛擬空間中。 在使用虛擬現(xiàn)實空間時，能夠產(chǎn)生思維共鳴，體驗心理沉浸，如同在真實世界一般。

（2）交互性。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠讓用戶接觸到虛擬空間中的物體，當(dāng)用戶對空間中物體進(jìn)行操作時，物體會展現(xiàn)出相應(yīng)的反應(yīng)。

（3）多感知性。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，用戶可以通過各種感覺器官去感知虛擬空間，為用戶的沉浸體驗和交互操作提供了基礎(chǔ)。

（4）構(gòu)想性。 用戶在虛擬空間中沉浸式操作，除了客觀認(rèn)識世界外，還可以拓寬自己的認(rèn)知范圍，體驗客觀世界無法實現(xiàn)的一些場景，有利于發(fā)散用戶思維，催生新的理念。

（5）自主性。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的自主性是指在用戶主導(dǎo)地位作用下，虛擬空間中的所有物體都像現(xiàn)實世界一樣，會根據(jù)物理運動規(guī)律作出相對應(yīng)的反應(yīng)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）動態(tài)環(huán)境建模技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠借助建模技術(shù)開發(fā)出仿真的環(huán)境模型，并會獲取實時的空間數(shù)據(jù)信息，讓所構(gòu)建的環(huán)境模型動態(tài)展現(xiàn)在用戶面前。

（2）實時三維圖形生成技術(shù)。 實時三維圖形生成技術(shù)能夠讓用戶在VR 體驗過程中，空間根據(jù)用戶操作實時變化，保證虛擬空間的“反饋”能力。 一般情況下，三維圖形的刷新頻率不得小于每秒15 幀。

（3）立體顯示和傳感器技術(shù)。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過立體顯示和傳感技術(shù)捕獲虛擬空間的響應(yīng)范圍［5］。

（4）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。 為了保證虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)過程的順利及后續(xù)產(chǎn)品的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具。

（5）系統(tǒng)集成技術(shù)。 虛擬空間模型的創(chuàng)建一定要搭配場景應(yīng)用，并且模型中蘊含大量的數(shù)據(jù)信息。

2 虛擬仿真教學(xué)項目研究背景及現(xiàn)狀

2.1 研究背景

信息技術(shù)的迅速發(fā)展推動了計算機(jī)相關(guān)課程的知識更新，大多數(shù)專業(yè)課程的講授由于環(huán)境的限制，缺乏學(xué)生實際操作的環(huán)節(jié)，無法真正做到理論與實踐并重。 本文依據(jù)山西工程科技職業(yè)大學(xué)的計算機(jī)組裝與維護(hù)實驗室的具體情況進(jìn)行了計算機(jī)組裝與維護(hù)虛擬仿真教學(xué)平臺的建設(shè)探究。 該實驗室當(dāng)前主要面臨以下幾個問題：

（1）硬件滯后和硬件設(shè)備不足，影響實踐課程開展和學(xué)生實踐動手能力提高；

（2）由于學(xué)生對計算機(jī)組裝過程掌握不夠深入，導(dǎo)致組裝時硬件損壞嚴(yán)重，增加設(shè)備維修費用，減少學(xué)生實驗機(jī)會；

（3）計算機(jī)設(shè)備以及設(shè)備零件雜亂，給學(xué)校實驗教學(xué)管理造成困擾；

（4）教學(xué)時間、空間有限，教學(xué)效率較低；

（5）傳統(tǒng)的教材無法讓學(xué)生真實的去模仿電腦組裝的過程，缺乏自己動手組裝的虛擬仿真環(huán)境，學(xué)生始終很難真正掌握計算機(jī)的組裝過程。

2.2 研究現(xiàn)狀

2016 年，北京科技大學(xué)教師以其現(xiàn)有的國家級鋼鐵生產(chǎn)教學(xué)中心的教學(xué)資源為基礎(chǔ)，開發(fā)了自動化實訓(xùn)虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生可以親身體驗自動化系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和調(diào)試，提高了學(xué)習(xí)效果［6］；汕頭大學(xué)物理實驗教學(xué)中心教師經(jīng)過調(diào)研和經(jīng)驗總結(jié)，2018 年提出了校級物理虛擬仿真實驗中心建設(shè)方案，2019 年完成虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)，并于2020 年進(jìn)行了虛擬仿真實驗的教學(xué)實踐［7］；2020 年，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教師打破了傳統(tǒng)實驗室教學(xué)中學(xué)生無法完成田間種植以及缺少儀器測試的局限性，建設(shè)了“土壤-生態(tài)綜合實驗課程虛擬仿真實驗教學(xué)課程共享平臺”［8］；南京工程學(xué)院計算機(jī)工程學(xué)院教師構(gòu)建了斷路器虛擬仿真實驗系統(tǒng)，解決了斷路器實驗教學(xué)中學(xué)生人數(shù)多、實驗資源與學(xué)時少、實訓(xùn)師資缺乏等難題，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量［9］。

3 虛擬仿真平臺建設(shè)

3.1 平臺建設(shè)方案

針對《計算機(jī)組裝與維護(hù)》課程教學(xué)所搭建的虛擬仿真教學(xué)平臺，圍繞課程知識結(jié)構(gòu)，設(shè)計了教師端和學(xué)生端兩種登錄模式，以虛擬現(xiàn)實和3D 仿真為技術(shù)支撐，通過Unity 3D、Maya 和3D Studio Max開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，使用時需搭配虛擬現(xiàn)實設(shè)備，平臺的建設(shè)方案如圖1 所示。

圖1 平臺的建設(shè)方案Fig.1 Platform construction plan

平臺學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富，包含了學(xué)習(xí)模式、綜合實訓(xùn)以及考核模式。 在學(xué)習(xí)模式中，平臺針對各個計算機(jī)配件的實物都進(jìn)行了虛擬建模，有完整的計算機(jī)配件選購組裝過程的演示，教學(xué)平臺涉及知識點16個，具體見表1；綜合實訓(xùn)模式中，依靠虛擬環(huán)境，學(xué)生可以更加清晰的了解每個配件的安裝、拆卸及維護(hù)，自行選擇不同類型的配件進(jìn)行組裝；在考核模式中，平臺將虛擬實驗和現(xiàn)實實驗相融合，要求學(xué)生獨立完成課程理論考核和實訓(xùn)考核。

表1 仿真教學(xué)平臺中的實訓(xùn)模塊及知識點Tab.1 Practical training modules and knowledge points in the simulation teaching platform

3.2 儀器設(shè)備

平臺使用過程中涉及儀器設(shè)備有學(xué)生機(jī)、教師機(jī)、VR 套裝、一體機(jī)及平臺運行管理的服務(wù)器；軟件有計算機(jī)組裝虛擬仿真軟件、計算機(jī)組裝VR 系統(tǒng)以及實驗室綜合管理平臺。 具體軟硬件配置及描述見表2。

表2 虛擬仿真實驗軟硬件配置表Tab.2 Virtual simulation experiment software and hardware configuration

4 虛擬仿真平臺實訓(xùn)應(yīng)用

《計算機(jī)組裝與維護(hù)》課程通過虛擬仿真平臺進(jìn)行教學(xué)，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師講授、指導(dǎo)學(xué)生實訓(xùn)操作為輔。

4.1 實訓(xùn)步驟

（1）通過教師講授和指導(dǎo)，學(xué)生自主開展計算機(jī)組裝實訓(xùn)，理解計算機(jī)硬件的基礎(chǔ)知識，能夠熟悉仿真實訓(xùn)軟件的操作方法；

（2）學(xué)生自由選擇不同等級的配件裝機(jī)，熟悉裝機(jī)的整個流程，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計實訓(xùn)方案、自己控制實訓(xùn)過程、自主分析實訓(xùn)結(jié)果的能力；

（3）通過仿真系統(tǒng)記錄學(xué)生操作的步驟和結(jié)果；

（4）系統(tǒng)導(dǎo)出記錄，生成并打印電子版實驗報告，同時對錯誤操作和設(shè)計進(jìn)行糾錯。

4.2 實訓(xùn)效果

教師在平臺考核模式下，對學(xué)生考核過程中操作的完整性、科學(xué)性進(jìn)行評判，同時對錯誤操作給予糾正并記錄，并可選擇導(dǎo)出師生操作記錄。

虛擬仿真教學(xué)平臺為教師提供了優(yōu)質(zhì)的教學(xué)環(huán)境，教學(xué)過程中不再受現(xiàn)實條件限制的制約，提高了教學(xué)的效率；也能夠調(diào)動每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使其切實參與其中，提高動手能力；平臺在保證教學(xué)效果的同時，節(jié)約了教學(xué)的成本。

通過虛擬仿真教學(xué)平臺在實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用，訓(xùn)練了學(xué)生對計算機(jī)組裝與維護(hù)的實際操作能力，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。平臺對學(xué)生的實訓(xùn)過程、結(jié)果、報告等信息進(jìn)行記錄，教師可以針對特殊的、共性的問題進(jìn)行分類記錄，總結(jié)并分析常見錯誤，形成資源庫，供之后的學(xué)生學(xué)習(xí)借鑒。

5 結(jié)束語

計算機(jī)組裝與維護(hù)虛擬仿真教學(xué)平臺的建設(shè)實現(xiàn)了實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的多樣化，該平臺實現(xiàn)了信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，以項目化教學(xué)的形式將計算機(jī)硬件認(rèn)識、計算機(jī)硬件選擇搭配、計算機(jī)硬件組裝過程、計算機(jī)啟動錯誤檢查等理論課程與實踐有機(jī)結(jié)合在了一起。

計算機(jī)組裝與維護(hù)虛擬仿真教學(xué)平臺的應(yīng)用改善了材料成本高、時間消耗長等真實教學(xué)狀況，達(dá)到理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式和教學(xué)效果，虛擬仿真技術(shù)改善了當(dāng)前的教育環(huán)境和教學(xué)效果，使紙質(zhì)理論真正的轉(zhuǎn)變?yōu)橛H身實踐，讓知識內(nèi)化于心，外化于行。