桌面型虛擬現實技術在計算機硬件組裝訓練中的應用必要性和可行性論述

李　赟　顧　容

摘要:計算機硬件組裝是計算機專業學生進校后學習的第一門專業化模塊課。如果用虛擬現實的技術來模擬裝機場景,學生就可以不受設備的限制,反復練習。正由于虛擬實驗不受時空限制,時下以其安全性、交互性和更新簡捷方便得到了廣泛的關注。開發虛擬實驗,實現以軟代硬已經成為實驗教學研究中的重要方面。

關鍵詞:硬件組裝;虛擬現實;桌面型虛擬現實

一、研究背景與問題的提出

剛進入中職計算機專業的學生大部分都配備了計算機,開學初對學生問卷調查,95.8%的學生回答計算機系統損壞的話就出錢或找朋友重裝系統,只有2%的學生會自己動手重裝系統;對于計算機硬件出現故障,99%的學生連機箱蓋都不敢打開,恐怕損壞主機箱內硬件設備,只有少數的學生會動手去拆裝一下機器。如果學生到畢業仍然存在這樣的動手恐懼,那就會失去專業競爭優勢。為讓學生在開學初就打消恐懼感,加強對專業學習的興趣,浙江省紹興市職教中心在2003年投資10多萬元,配備了一間裝機機房,共有全新的計算機近30臺,這些計算機當時都是較為流行的配置。該校本著讓學生學習的原則,把全新的計算機讓給學生拆裝學習,這在當時中職學校是不多見的。

硬件設備更新換代快,學校不可能隔一年就換一批計算機供學生拆裝,雖然學生參加了強化訓練,但與社會實際應用仍然存在銜接不上的問題。購置設備限于經費限制。現在浙江省紹興市職教中心的學生經常反映高一學過的裝機知識,如果不經常練習,就會忘記,而學校鑒于師資和設備的限制,不可能長期向學生開放裝機機房;也有學生反映學校拆裝的計算機與市面上的流行配置不相符,學了不能適應實際需求,雖然學校肯花大力氣購置實驗設備,但始終跟不上市場的變化。如果用虛擬技術來實現計算機組裝訓練,則學生在裝機強化課后,在掌握基本知識之后就可以反復練習和學習相關的知識模塊了,學校也可以根據市場變化,通過及時更新素材庫來適應學生實際應用。

二、桌面型虛擬現實技術在教育領域中的研究現狀

1.什么是桌面型虛擬現實

桌面型虛擬現實(Desktop VR)是利用個人計算機和低級工作站綜合立體圖形、自然交互等技術,以營造與客觀世界高度類似的逼真、虛擬的環境,將計算機的屏幕作為用戶觀察虛擬境界的應用系統。它要求參與者使用輸入設備,通過計算機屏幕觀察模擬環境并操縱其中的物體。由于用戶坐在顯示器前,通過屏幕觀察虛擬世界并與之交互,參與者會受到周圍現實環境的干擾而缺乏沉浸感,雖然難以做到完全投入,但其結構簡單,在計算機組裝訓練中只需要鼠標就能實現交互,成本較低,學校不需額外增添其他設備,易于普及推廣。目前很多應用在教育領域的虛擬實驗都是使用該種系統完成的。

2.在教育領域的研究現狀

在教育領域中應用虛擬現實技術(虛擬實驗室),最早是在1989年由美國University of Virginia的William Wolf提出。美國從1965年虛擬現實雛形出現至今,已經有了四十多年研究歷史,但是直到80年代,虛擬現實才被投入到教育中,所以它在教育領域的應用歷史還只有二十多年。很多高等學府開發了相當好的虛擬教學系統用于服務教學。北卡羅來納大學的計算機系是進行虛擬現實研究最早最著名的大學。除了美國之外,其他國家大學也投身于虛擬實驗室的建設中來。

我國真正進行虛擬現實的研究只有十年左右的時間,1996年天津大學在SGI硬件平臺上基于VRML的國際標準,最早開發了虛擬校園,開啟了虛擬現實在我國教育領域的序幕。從此虛擬現實技術逐漸地調入到了教育領域的應用。清華大學利用虛擬儀器構建了汽車發動機檢測系統;最近,浙江旅游職業學院與杭州“神州視景”共同開發了國內第一個運用虛擬現實技術的模擬導游實驗室。

中職學校中也已經有很多骨干教師提出把虛擬現實技術應用到機械制圖、數控等專業上,近幾年的省級、國家級的骨干教師培訓中也將虛擬現實提到了學習日程,充分肯定了虛擬現實技術應用在中職實訓課中的必要性。

三、實現思路

1.學校現有條件分析

開發一個大型的裝機虛擬實驗室需要大筆的資金和設備,購買一套虛擬實驗室也需要大量的資金,對于中職學校而言不太現實,畢竟投入太大。鑒于學校目前的設備配置和師資現狀,筆者認為可以做出一個基于Flash的二維的虛擬平臺,也可以運用Quest3D來實現三維互動的虛擬現實系統。這兩種軟件簡單易學、上手快、功能齊全,對于計算機配置沒有特別高的要求,像浙江省紹興市職教中心實訓樓中的計算機都能承擔起制作任務。因此在硬件方面,學校不需要額外的資金投入,在人手方面,圖形設計、三維建模、代碼編寫、硬件組裝等方面中職學校都有相關精通的師資,所以只要稍加培訓相關軟件的使用,就可以投入開發制作。

2.功能模塊分析

(1)進度保存模塊:該模塊允許每個學生在操作時能即時保存,此模塊擬用數據庫鏈接實現。

(2)硬件知識學習模塊:學生裝機必須具備相關的理論知識,在這一模塊專門設置硬件教學播放模塊讓學生進行觀察性學習。學生在做實驗之前,先看這些視頻,直觀地了解計算機硬件組裝的全過程。保證學生在實驗前對實驗內容、實驗步驟有較清楚的認識。此外還得具備各個部件的局部演示和功能介紹,此模塊主要利用Flash來實現。

(3)硬件資源庫模塊:計算機組裝涉及的硬件數量眾多,品牌豐富,硬件的更新速度快,如果在實驗平臺中只提供最基本的幾個硬件,會和實際情況有很大出入,也無法適應學生需求,所以需創建一個用于存放硬件模型的資源庫,將市面上流行的硬件板卡根據實際尺寸進行模型的創建并不斷積累,以形成一個較大規模的硬件資源庫,學生可以根據自己的裝機需求在資源庫中選取相應的硬件模型,并且將自己選中的模型羅列在組裝平臺界面中進行組裝。此模塊中主要是解決建模的問題,可以使用3D MAX或者SketchUp來實現,再用Quest3D實現各模型的動態導入。

(4)裝機平臺模塊:這一模塊是整個虛擬實驗中最重要、最關鍵的模塊,屬于學生理論中的技能性學習活動。這個逼真的三維虛擬場景可以使用3D MAX或Quest3D創建,計算機組裝過程中需要的虛擬硬件出現在相關列表中,學生通過鼠標點擊和拖動操作來完成實驗,除了交互之外,實驗系統還要能夠正確辨別學生的操作是否正確,并給出相關提示,指示學生下一步的操作。對實驗過程的仿真模擬用Quest3D實現。

(5)實驗評估模塊:在學生實驗結束之后,還應該對學生的此次實驗進行綜合評估、打分,此模塊需要用Flash實現。

(作者單位:李 赟浙江工業大學;

李 赟顧 容浙江省紹興市職教中心)