虛擬計算機組裝實驗系統的設計與開發

[摘 要]隨著虛擬現實技術的發展，虛擬實驗已經成為國內外教育界研究的熱點。本文簡單介紹了虛擬現實技術、虛擬實驗以及開發虛擬計算機組裝系統的必要性。通過對國內外虛擬計算機硬件組裝系統進行分析，提出了存在的不足。同時，以一些經典教育理論為指導，設計了系統框架。最后，基于Quest 3D、Sketchup等技術實現了虛擬計算機硬件組裝系統。

[關鍵詞]虛擬實驗；虛擬實驗室；虛擬現實技術

[中圖分類號]TP305 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-6432（2013）10-0065-03

1 引 言

伴隨著虛擬現實技術的發展，虛擬實驗也成為國內外科研機構研究的熱點。虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統實驗各操作環節的相關軟硬件操作環境，實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目，所取得的實驗效果等價于甚至優于在真實環境中所取得的效果。如果將虛擬實驗引入教學，無疑將對教師的教與學生的學起積極的作用。

計算機組裝實驗是高校計算機組成原理課程的一個重要實驗，更是中、高職計算機專業的必備技能。該實驗不僅僅需要學生具有一定的理論知識，更需要學生反復動手實踐，因此對實驗室的開放時間提出了更高的要求。同時，隨著計算機硬件的高速發展，學校需經常投入經費去更新實驗硬件，使學生能夠掌握最新硬件的操作技能。綜上所述，開發虛擬計算機組裝系統的優勢如下：①規避實驗風險。②使抽象的概念和知識點，變成形象化、直觀化。③節省學校實驗經費。④不受時間、空間的限制。

2 國內外研究概況

通過對中國期刊網、Google Scholar、萬方數據庫用關鍵詞“Virtual Computer assembling”或“虛擬計算機組裝”進行檢索，筆者發現虛擬計算機組裝的文章主要集中在國內高校。

21 相關案例分析

2008年，河南機電專科學校馬世霞、劉丹等開發了虛擬組裝實驗系統。該系統主要由裝機說明、計算機零件的瀏覽、裝機演示、動手實驗四個部分組成。計算機零件瀏覽模塊的功能：使學習者從任意角度瀏覽三維計算機硬件模型。交互實驗是模擬整個裝機過程。開發思路先定義硬件將放置在主板上的三維坐標位置，然后用戶觸發硬件即可改變其位置，最后放入預設的位置。實現函數為DEF zb Transform{}//定義主板位置，DEF CPU Transform{}//CPU放置位置，及function click{}//移動CPU。開發技術： pro/Engineer建模，交互部分采用flash+VRML技術。

2009年，天津城市建設學院陳亞東、戴華林等設計了基于網絡的虛擬微機組裝系統。系統分為3層，即交互層、應用層和數據庫管理層。實驗系統的主要功能為：計算機硬件展示、安裝過程與演示、組裝實驗。技術路線：采用PHP+Apache+MySQL構建網站，Creator進行建模，以及綜合運用Vega與C++語言進行交互設計。

2009年4月，連云港職業技術學院王斌開發了基于互聯網的虛擬計算機組裝實驗系統。該實驗系統是用戶通過鼠標拖動計算機硬件進行組裝，同時用戶還可以瀏覽硬件模型以及觀看正確的裝機過程。開發流程為：①3D MAX構建計算機硬件三維模型。②利用VRML語言對虛擬場景進行交互設計。其中利用TouchSensor、TimeSensor、PositionSensor節點開發演示組裝實驗。③將VRML程序嵌入HTML網頁中。

22 存在問題分析

以上列舉的案例對我們下一步的研究奠定了良好的基礎。雖然我國在虛擬計算機組裝實驗中取得了一些成果，但仍有一些不足，歸納如下：

（1）裝機實驗的理論學習未能與虛擬實驗系統相整合。以上大部分的實驗系統中，僅僅創設了一個實驗的“實習場”，卻忽略了理論學習的重要性。

（2）缺乏與教師協同與會話的學習環境。建構主義認為，學習環境應該由情境、協作、會話和知識有意義的建構四個部分組成。以往開發的虛擬組裝系統可以給學生提供一個逼真的認知情境，但很難給予學生提供會話和協作的支持，這將極大的影響學生建構知識的速度。

（3）沉浸感有待于提高。模型的逼真程度，直接影響虛擬實驗的效果。如果所構建的模型與實際中的物體相差太多，這將直接影響情境的創設和學生學習的興趣。

3 系統的總體設計

31 系統開發及運行環境

利用SketchUp和3d Max進行建模，Quest 3D為交互開發工具，數據庫采用MySql。以Windows 2003作為Web服務器的運行環境，校園網或局域網為網絡運行環境。

32 系統結構

系統采用B/S結構，分為交互層、應用層、數據庫管理層。系統結構見下圖。交互層是允許用戶通過瀏覽器訪問應用程序服務器的數據及程序。只要客戶端安裝了Quset 3D網絡支持插件，用戶即可與應用程序產生交互。數據庫管理層是負責數據的存儲與更新。例如：添加或刪除用戶信息及硬件模型的更新。應用層則是存放應用程序及提供Web支持。

系統結構

33 系統組成及主要模塊功能

該實驗系統主要分為六個模塊，即計算機硬件學習、硬件模型瀏覽、演示實驗、交互實驗、自主實驗、用戶管理及硬件模型管理。各個模塊功能如下：

（1）計算機硬件學習：呈現計算機硬件圖片并配合文字說明，讓學習者對基本的硬件知識進行學習。

（2）硬件模型瀏覽：學習者可以從任意角度瀏覽硬件模型，了解各硬件的組成結構。

（3）演示實驗：通過播放計算機組裝的視頻，讓學生對硬件組裝形成感性認識。

（4）交互實驗：該模塊是將整個裝機實驗過程進行分解，同時提供裝配位置引導，手把手教學習者進行組裝。

（5）自主實驗：讓學生自己進行計算機硬件組裝，在組裝結束后提示錯誤信息。

（6）用戶管理和硬件模型管理：兩個模塊為管理員進行增加、刪除和更新用戶信息及硬件模型而設置的。

34 系統設計理論基礎

341 外顯學習和內隱學習

內隱學習是指有機體在與環境接觸的過程中不知不覺地獲得了一些經驗并因之改變其事后某些行為的學習。相反，外顯學習則類似于有意識的問題解決，是有意識的、作出努力的和清晰的，也就是我們傳統意義上的學習。國內學者郭秀艷，楊治良（2002）通過匹配和編輯實驗，得出結論：在學習過程中外顯和內隱都具有功勞。本系統的設計采用將外顯和內隱學習相整合，即先外顯學習，后內隱學習。首先，學習者進入硬件學習模塊，可以掌握一些計算機硬件的基本知識。然后，學習者瀏覽三維硬件模型，感知硬件的結構和組成。通過以上學習，學生完成了外顯學習和內隱學習。外顯學習教會了學生一些基本硬件知識，而內隱學習使學習者獲得了一些不利于外顯的知識，同時也驗證了所學的硬件知識。

342 支架式教學

支架式教學應當為學習者建構對知識的理解提供一種概念框架。這種框架中的概念是為發展學習者對問題的進一步理解所需要的，為此，事先要把復雜的學習任務加以分解，以便于把學習者的理解逐步深入。在交互實驗模塊設計中，筆者認為采用支架式教學有利于學生更快、更好得掌握組裝技能。具體做法如下，將裝機實驗過程分解為若干步驟，即內存組裝，CPU組裝，硬盤連接等。同時，學習者進行實驗中，得到一定的引導和幫助。例如：操作錯誤提示，組裝位置提示等。

4 關鍵開發技術

41 建模

利用SketchUp進行建模，主要有以下幾個步驟。首先，利用軟件中畫筆工具勾畫出硬件模型的形狀。然后，對計算機硬件實物進行圖片采集，以確定合適的貼圖。對模型表面進行貼圖，既可減少建模的工作量，又保證了模型的真實感。最后，對于模型中的交互部分，例如主板的插槽，應單獨進行建模，這樣利于物體之間產生交互。

42 模型優化

為使該系統能夠流暢地運行于校園網或局域網，應在建模過程中對模型進行優化：①按照“近實遠虛”的原則，對近景采用精細繪制，重點渲染，對遠景采用粗略勾畫，只上色，不進行材質貼圖處理；②綜合運用紋理映射、紋理壓縮等技術，減少模型在系統中的加載時間，提高虛擬裝機系統的實時交互性。

43 數據庫連接及模型的動態導入

該實驗系統中，用戶信息的存儲與調用，可以通過Quest 3D中DB Driver MySql、DB Source、DB Query等信道來實現。DB Driver MySql可以實現與數據庫相連，包括驗證數據庫用戶名、密碼及設置數據庫服務器地址等功能。DB Source是存儲DB Driver MySql中的信息，并起一個別名，以便綁定數據，進行查詢。DB Query主要功能：輸入SQL語言，將查詢結構返回。

硬件模型的動態導入，可以使用Quest 3D中Lua腳本。Lua腳本類似于提供二次開發的環境，能使用戶開發一些信道或調用一些模塊。設計思想如下：①將構建好的硬件模型導入Quest 3D中，并存儲為cgr格式。②利用Lua腳本進行加載，其腳本語言如下：q.LoadChanelgroup（“yinjian.cgr”，“yinjian”，0）//調用一個名為yinjian的信道組，其中0代表實例。

44 主要模塊設計

441 演示實驗模塊設計

演示實驗模塊是播放教師組裝硬件的視頻，使學習者可以反復觀看。在Quest 3D中，可綜合運用Media Texture， Media Texture Command， Trigger， UserInput等信道來實現此功能。其中Media Texture為視頻存放的路徑，包括本地視頻位置、攝像頭錄制視頻及網絡地址。Media Texture command信道類似于視頻播放器，主要功能為播放、停止、暫停等。

442 自主實驗模塊設計

本模塊的設計思路：①設定主板上各個插槽的坐標位置。②通過鍵盤上、下、左、右鍵來移動硬件模型的坐標位置。移動模型位置可以用UserInput信道來觸發方向鍵，同時Expreesion Value中函數設置為x-1，為在x軸方向向左移動一個位置。③將模型的位置與插槽的坐標位置作比較，如果位置相等，表示操作正確，否則錯誤。④由于肉眼的誤差，人們觀察的位置常常與實際位置存在一個誤差值，所以我們必須設置一個誤差范圍。

5 結 論

針對當前計算機硬件組裝實驗存在的問題，筆者認為開發“虛擬計算機硬件組裝實驗系統”有利于彌補現實實驗的不足。本文借鑒了以往開發的虛擬硬件組裝系統，并以一些教育理論為指導，設計了系統的框架。以SketchUp、Quest 3D等開發軟件，實現了虛擬硬件組裝系統。下一步研究：①增加協作實驗模塊，該模塊包括學生與學生協作實驗、學生與老師協作實驗。②增加學生自評實驗、教師點評實驗的功能。

參考文獻：

[1]郭天太，王引童.虛擬現實技術與增強現實技術[J].機械制造，2003，41（6）：7-9.

[2]馬世霞，劉丹，茹慶云，等.基于VRML的虛擬組裝實驗室的設計與實現[J].計算機應用與軟件.2008，25（5）：193-195.

[3]陳亞東，戴華林，張運杰，等.基于VR技術的虛擬微機組裝系統研究與設計[J].天津師范大學學報.2009，29（1）：74-76.