摘要：針對計算機維修專業(yè)實踐教學(xué)中設(shè)備受限、安全風(fēng)險高以及教學(xué)成本大等問題，研發(fā)了一套基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)工具系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Unity3D引擎開發(fā)，集成了手勢識別和動作捕捉技術(shù)，實現(xiàn)了硬件拆裝、故障診斷和維修操作等核心教學(xué)場景。通過在高職院校計算機維修專業(yè)的應(yīng)用實驗表明：學(xué)生在硬件拆裝技能測試中正確率提升了21%，故障診斷準(zhǔn)確率提高17%，維修操作效率提升25%，教學(xué)質(zhì)量得到顯著提升。實踐證明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機維修專業(yè)教學(xué)中具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；計算機維修；教學(xué)工具；實踐教學(xué)；教學(xué)應(yīng)用

中圖分類號：G424" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0107-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

計算機維修專業(yè)具有極強的實踐性，其教學(xué)過程中面臨實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量有限、真實故障場景難以復(fù)現(xiàn)、操作風(fēng)險較大以及教學(xué)成本較高等問題。這些問題在一定程度上制約了教學(xué)質(zhì)量的提升和學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其沉浸式體驗、安全可控以及可重復(fù)操作等特點，為應(yīng)對計算機維修專業(yè)實踐教學(xué)中的挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新路徑。通過開發(fā)專業(yè)化的虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具，不僅可以突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限，還能為學(xué)生提供更多實踐機會，提高教學(xué)效果。因此，開展計算機維修專業(yè)虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具的開發(fā)與應(yīng)用研究具有重要意義。

1 虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具的開發(fā)

1.1 教學(xué)需求分析與功能定位

計算機維修專業(yè)實踐教學(xué)的特點決定了其對教學(xué)工具的特定需求。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，高額的設(shè)備成本限制了學(xué)生的實踐機會，易損硬件的頻繁更換造成教學(xué)資源浪費，同時，部分操作存在的安全隱患也對教學(xué)效果的提升構(gòu)成挑戰(zhàn)。教學(xué)實踐調(diào)研顯示，高職院校計算機維修專業(yè)普遍面臨教學(xué)設(shè)備更新與維護(hù)成本壓力較大，以及學(xué)生實踐機會不足等問題。針對這些現(xiàn)實情況，虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具須重點解決實踐環(huán)境受限、教學(xué)資源短缺及操作安全風(fēng)險這三大核心問題。在功能定位方面，該教學(xué)工具應(yīng)著重構(gòu)建虛擬化的計算機硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)零件拆裝、故障模擬和維修操作的仿真訓(xùn)練。結(jié)合專業(yè)教學(xué)實踐需求，系統(tǒng)規(guī)劃了工具的關(guān)鍵功能模塊：硬件組件精準(zhǔn)建模、故障癥狀動態(tài)模擬、維修流程交互驗證以及實時評估反饋系統(tǒng)。同時，該工具還須滿足教師備課、教學(xué)演示和學(xué)生自主學(xué)習(xí)等多場景的應(yīng)用需求，以實現(xiàn)教與學(xué)的深度融合[1]。

1.2 虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具研發(fā)

本系統(tǒng)研發(fā)采用模塊化架構(gòu)理念，基于Unity3D引擎構(gòu)建了三層技術(shù)體系。數(shù)據(jù)層依托分布式存儲技術(shù)，實現(xiàn)海量教學(xué)資源管理，支持三維模型與操作數(shù)據(jù)的快速調(diào)用；業(yè)務(wù)層集成雙引擎架構(gòu)——物理引擎精確模擬部件碰撞與力學(xué)反饋，交互引擎通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（一種模仿人腦視覺識別機制的深度學(xué)習(xí)算法） 實現(xiàn)毫米級手勢捕捉；表現(xiàn)層采用多層抗鋸齒渲染技術(shù)（一種消除圖像鋸齒邊緣的圖形處理技術(shù)） ，結(jié)合GPU并行計算，在保證畫面流暢度的前提下，實現(xiàn)8 K級視覺呈現(xiàn)。值得一提的是人機交互系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計：集成了眼動追蹤與體感反饋的復(fù)合交互系統(tǒng)，使焊接操作時的視角切換與工具握持更具真實感。智能評估模塊融合時序數(shù)據(jù)分析技術(shù)，解碼操作軌跡中的壓力變化（精度達(dá)0.1N） 與路徑特征（偏差＜1 mm） ，構(gòu)建了包括操作規(guī)范性、效率及穩(wěn)定性在內(nèi)的多維技能評估矩陣，實現(xiàn)了從基礎(chǔ)動作到復(fù)雜工藝的全流程能力畫像[2]。

1.3 計算機維修場景建模與實現(xiàn)

計算機維修場景的建模工作基于專業(yè)維修手冊和實際教學(xué)案例，采用分層次、多細(xì)節(jié)的建模策略。在硬件建模方面，運用高精度三維掃描技術(shù)采集真實計算機零件的幾何數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)建模軟件進(jìn)行優(yōu)化和紋理映射，實現(xiàn)了主板、處理器、內(nèi)存等核心部件的精確還原。為保證幾何模型的精確度，系統(tǒng)建立了誤差評估函數(shù)：

[delta=sqrtsumi=1npi-qi2]" " " （1）

式（1） 中，delta：表示誤差值，單位為毫米（mm） ；pi表示實物特征點；qi表示模型對應(yīng)點；n為特征點數(shù)量；sqrt：平方根；sum：求和。

該函數(shù)計算了實物特征點與模型特征點之間的歐氏距離，用于評估虛擬模型與實物之間的幾何偏差，delta值越小表明模型還原度越高。在故障場景構(gòu)建中，電路故障模擬基于電壓—電流關(guān)系：

[U=IR+Lfracdidt]" " " " " " "（2）

式（2） 中，U為電壓（V） ；I為電流（A） ；R為電阻（Ω） ；L為電感（H） ；di/dt為電流隨時間的變化率（A/s） 。

該公式描述了電路中電壓、電流、電阻和電感之間的動態(tài)關(guān)系，在本系統(tǒng)中主要用于模擬各類故障場景。例如，通過調(diào)節(jié)電阻R值，可以模擬短路（R接近0） 和斷路（R趨于無窮大） 故障；通過分析電流變化率di/dt，可以模擬電感故障和電路瞬態(tài)響應(yīng)。這種基于物理模型的故障模擬方法，使學(xué)生能在虛擬環(huán)境中安全地觀察和分析各類故障現(xiàn)象，提升故障診斷能力[3]。

2 計算機維修實踐教學(xué)的工具應(yīng)用

2.1 硬件拆裝虛擬訓(xùn)練

硬件拆裝虛擬訓(xùn)練模塊從局部到整體地構(gòu)建了完整的計算機硬件認(rèn)知體系。如圖1所示，計算機主板作為核心部件，其上的CPU插槽、內(nèi)存插槽、PCI-E擴展槽及各類接口構(gòu)成了基礎(chǔ)的訓(xùn)練內(nèi)容。在CPU安裝訓(xùn)練中，虛擬環(huán)境還原了插槽的定位結(jié)構(gòu)，學(xué)生須準(zhǔn)確把握安裝力度和方向，同時模擬散熱組件的安裝過程。對于內(nèi)存條和擴展卡的安裝，系統(tǒng)通過力反饋技術(shù)（一種利用傳感器和執(zhí)行器模擬物體接觸力和觸感的交互技術(shù)，可產(chǎn)生0.1～10N的力反饋范圍） 模擬插拔過程中的阻力變化和鎖定感覺。系統(tǒng)亦還原了主板上的ATX電源插槽與USB接口等常見連接器的物理特征，以幫助學(xué)生掌握各類接口的安裝要領(lǐng)。

圖2完整展示了計算機整機組裝的三維結(jié)構(gòu)模型，基于該模型構(gòu)建的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)實現(xiàn)了模塊化裝配教學(xué)。實訓(xùn)流程從機箱底板的主板定位開始，分步驟引導(dǎo)學(xué)員完成電源安裝、驅(qū)動器固定等關(guān)鍵工序。系統(tǒng)通過動態(tài)三維演示直觀呈現(xiàn)每個部件的安裝位置與方向，并在主板對位、電源接線等難點環(huán)節(jié)設(shè)置了智能引導(dǎo)提示，幫助學(xué)員掌握標(biāo)準(zhǔn)化裝配流程[4]。

在實操訓(xùn)練環(huán)節(jié)，系統(tǒng)通過高精度動作捕捉技術(shù)實時監(jiān)測學(xué)員操作。當(dāng)檢測到螺絲刀傾斜角度異?；虿考惭b順序錯誤時，系統(tǒng)會自動彈出修正指導(dǎo)界面。安全訓(xùn)練模塊尤為注重細(xì)節(jié)規(guī)范，不僅模擬了防靜電手環(huán)的使用場景，還精確還原了不同螺絲規(guī)格對應(yīng)的扭矩參數(shù)。教學(xué)路徑采用分層遞進(jìn)設(shè)計，從單個部件的拆裝訓(xùn)練逐步過渡到整機集成，并配合后臺的學(xué)情分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)識別學(xué)員的技能短板并推送強化訓(xùn)練內(nèi)容。這種虛實融合的訓(xùn)練模式既保留了實體操作的真實感，又通過無限次重復(fù)練習(xí)幫助學(xué)員建立肌肉記憶，有效提升了硬件組裝的熟練度。

2.2 故障診斷實踐教學(xué)

本模塊構(gòu)建了涵蓋硬件、軟件及復(fù)合故障的立體化診斷訓(xùn)練體系。以圖3的筆記本電池管理電路為例，圖中箭頭標(biāo)注了關(guān)鍵測試點，學(xué)員須在虛擬環(huán)境中結(jié)合分壓電阻阻值、濾波電容容量等參數(shù)，分析VMB2供電電壓波動，并學(xué)習(xí)檢測BATT_TEMP溫度信號和EC_SMB_DA1通信協(xié)議。系統(tǒng)真實模擬了使用萬用表檢測PF201電阻與PL201電感的操作場景，其誤差控制在5%以內(nèi)，并通過動態(tài)引導(dǎo)界面規(guī)范測量流程。在電源管理故障訓(xùn)練中，系統(tǒng)可模擬BATT+電壓驟降、接地干擾等8類典型故障現(xiàn)象。學(xué)員使用虛擬示波器捕捉波形畸變特征時，系統(tǒng)同步顯示紋波系數(shù)等12項參數(shù)，以輔助其建立“現(xiàn)象觀察—數(shù)據(jù)分析—故障定位”的診斷邏輯。軟件診斷模塊則設(shè)置了系統(tǒng)啟動失敗、驅(qū)動沖突等真實場景，要求學(xué)員使用診斷工具進(jìn)行故障樹分析。每次操作后，系統(tǒng)會生成帶有錯誤標(biāo)注的操作回放視頻，直觀展示接線錯誤、測量點選擇不當(dāng)?shù)瘸Ｒ妴栴}。這種“案例演練—實時反饋—過程回溯”的訓(xùn)練模式，能使學(xué)員逐步掌握從元器件檢測到系統(tǒng)診斷的完整技能鏈。

2.3 維修操作技能培養(yǎng)

本模塊重點培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)化維修作業(yè)能力，構(gòu)建了覆蓋硬件維修與軟件維護(hù)的虛擬實訓(xùn)體系。在硬件維修訓(xùn)練中，學(xué)員須在虛擬工作臺完成電路板焊接、元件更換等精細(xì)操作，系統(tǒng)實時監(jiān)控烙鐵溫度設(shè)定（精度±1℃，范圍200～450℃） 、焊錫用量（精度0.01 g） 、焊接角度（精度±1°） 、焊點溫度（精度±2℃） 、停留時間（精度0.1 s） 、烙鐵移動速度（精度0.1 mm/s） 等23項工藝參數(shù)，以確保焊接質(zhì)量符合工藝標(biāo)準(zhǔn)。以貼片電容更換為例，系統(tǒng)會逐步引導(dǎo)學(xué)員完成熱風(fēng)槍預(yù)熱、元件定位、焊點檢測的全流程，并對焊點浸潤度進(jìn)行三維建模評估。工具的規(guī)范化使用是訓(xùn)練重點，系統(tǒng)內(nèi)置的烙鐵溫控教學(xué)模塊能模擬不同焊點對溫度曲線的響應(yīng)差異。軟件維護(hù)部分則包含系統(tǒng)修復(fù)、數(shù)據(jù)恢復(fù)等典型任務(wù)，虛擬環(huán)境精確還原了磁盤分區(qū)工具的操作界面，學(xué)員須在限定時間內(nèi)完成系統(tǒng)引導(dǎo)修復(fù)。安全規(guī)范融入每個操作環(huán)節(jié)，當(dāng)檢測到未佩戴防靜電手環(huán)時，系統(tǒng)將自動凍結(jié)操作并彈出警示動畫。為模擬真實維修場景，系統(tǒng)可生成狹窄機箱內(nèi)部視角、低光照環(huán)境等特殊工況。每次訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)會生成包含工具選用合理性（工具型號匹配度、工具使用順序） 、操作效率（單步驟完成時間、總體操作耗時） 、操作規(guī)范性（動作標(biāo)準(zhǔn)度、工具握持姿勢） 、安全防護(hù)（防靜電措施執(zhí)行情況、工具安全使用規(guī)范） 等維度的評估報告，并標(biāo)注“焊槍停留超時”“元件定位偏差”等典型失誤點。通過這種“操作演示—虛擬實訓(xùn)—缺陷溯源”的漸進(jìn)式訓(xùn)練，學(xué)員能逐步掌握符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的維修作業(yè)規(guī)范[5]。

3 教學(xué)應(yīng)用效果分析

3.1 教學(xué)實驗方案設(shè)計

實驗選取計算機維修專業(yè)兩個班級（共60名學(xué)生） 作為研究對象，采用對照研究法開展教學(xué)實踐，按入學(xué)成績均衡分為實驗班和對照班，各30人。實驗周期為一個學(xué)期（96學(xué)時） ，實驗班采用虛擬現(xiàn)實教學(xué)平臺，對照班采用傳統(tǒng)實訓(xùn)室教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容包括主板部件識別與更換、電路故障診斷、電子元器件焊接與維修三個模塊。數(shù)據(jù)采集通過技能測試（由兩位高級職稱教師共同評分） 、操作過程記錄、學(xué)習(xí)體驗問卷及故障排查實踐等方式進(jìn)行，以確保實驗數(shù)據(jù)的客觀性與可比性。

考核體系創(chuàng)新性地建立了“任務(wù)驅(qū)動+過程評價”機制。在任務(wù)驅(qū)動方面，設(shè)置了貼近實際工作場景的考核任務(wù)：硬件拆裝模塊要求學(xué)生在30分鐘內(nèi)完成計算機主板的盲裝操作；故障診斷模塊通過隨機故障庫動態(tài)生成維修工單，學(xué)生須在規(guī)定時間內(nèi)完成故障排查；維修操作模塊則基于真實案例設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化工單，以評估學(xué)生的維修方案制定和實施能力。在過程評價方面，系統(tǒng)記錄每個操作環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括操作時長、動作規(guī)范性、工具使用正確率等指標(biāo)，全程跟蹤學(xué)習(xí)過程。這種評價機制既考查了學(xué)生解決實際問題的能力，又關(guān)注了技能養(yǎng)成的完整過程。

3.2 應(yīng)用效果數(shù)據(jù)分析

為評估虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具的應(yīng)用效果，采用了實驗班與對照班的對比研究方法。使用SPSS 26.0統(tǒng)計軟件對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采用獨立樣本t檢驗比較兩組間差異，顯著性水平設(shè)為α=0.05。對于學(xué)習(xí)興趣度等定性指標(biāo)，則采用李克特五級量表進(jìn)行量化處理后再進(jìn)行統(tǒng)計分析。表1展示了兩組學(xué)生在各項指標(biāo)上的對比數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析結(jié)果。

統(tǒng)計分析結(jié)果表明，實驗班在所有評估指標(biāo)上均顯著優(yōu)于對照班（P＜0.01） ，且效應(yīng)量均大于0.8，表明虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具對提升教學(xué)效果具有顯著影響。尤其在降低硬件損壞率（降低了83%） 和提高故障診斷準(zhǔn)確率（提升了17%） 兩個關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)突出，這充分證實了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育中的應(yīng)用價值。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化與推廣建議

根據(jù)教學(xué)實踐反饋，建議從操作體驗與場景拓展兩方面對虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在交互層面，須重點改進(jìn)三處：其一，優(yōu)化手勢識別的容錯機制，當(dāng)工具傾斜超過15度時，通過卡爾曼濾波算法自動補償軌跡偏差；其二，調(diào)整力反饋設(shè)備的振動頻率，使焊接時能感知不同焊點的阻力差異；其三，升級三維模型的光影渲染效果，以避免長時間訓(xùn)練產(chǎn)生視覺疲勞。在場景擴展方面，可開發(fā)多人協(xié)作模式，支持4名學(xué)員同時檢修虛擬服務(wù)器，通過語音協(xié)作完成跨區(qū)域故障排查。在推廣實施上，可采用“示范引領(lǐng)”策略：首先，在具備基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和專業(yè)教師團隊的省級重點技師學(xué)院建設(shè)“5G+VR”實訓(xùn)室，配置包括VR頭顯（具備4K分辨率、120 Hz刷新率） 、力反饋手套（精度0.1N） 、全息投影臺（支持360°立體展示） 、高性能工作站（配備RTX4080顯卡） 、5G專網(wǎng)（上行速率＞500 Mbps） 等設(shè)備，通過定期開放實訓(xùn)室、舉辦技能競賽等方式擴大示范效應(yīng)；其次，聯(lián)合企業(yè)共建故障數(shù)據(jù)庫，將最新的顯卡故障、固態(tài)硬盤異常等產(chǎn)業(yè)案例融入教學(xué)；最后，開發(fā)模塊化課程包，允許院校自由組合主板維修、數(shù)據(jù)恢復(fù)等實訓(xùn)單元。系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)采用組件化設(shè)計，如預(yù)留接口以便對接智能眼鏡設(shè)備，方便未來擴展AR遠(yuǎn)程指導(dǎo)功能。通過“基礎(chǔ)功能優(yōu)化—應(yīng)用場景創(chuàng)新—生態(tài)體系構(gòu)建”的遞進(jìn)策略，可逐步形成產(chǎn)教融合的虛擬實訓(xùn)新生態(tài)。

4 結(jié)束語

通過在計算機維修專業(yè)中開發(fā)與應(yīng)用虛擬現(xiàn)實教學(xué)工具的實踐，成功構(gòu)建了一套專業(yè)化的虛擬實訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了精確的手勢識別和力反饋技術(shù)，實現(xiàn)了教學(xué)場景的高仿真模擬，具備低成本、高安全性及可重復(fù)訓(xùn)練的優(yōu)勢。在實踐應(yīng)用中，該系統(tǒng)在硬件拆裝、故障診斷和維修操作等核心教學(xué)環(huán)節(jié)取得了顯著成效，學(xué)生的實踐技能和問題解決能力得到明顯提升。研究表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠有效應(yīng)對計算機維修專業(yè)實踐教學(xué)中的難點問題，為專業(yè)教學(xué)改革提供新思路。未來研究將重點關(guān)注人機交互體驗優(yōu)化、智能評估算法開發(fā)、故障案例庫建設(shè)及混合式教學(xué)模式探索，以推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用。實踐證明，這種創(chuàng)新性的教學(xué)模式不僅提高了教學(xué)效率，也為職業(yè)教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型供了有益的探索。

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