虛擬現實技術在《計算機組裝與維修》課程教學中的研究

傳統的《計算機組裝與維修》課程實踐環節存在設備不足，教學與現實脫節等情況，以3ds Max、Unity 3D等虛擬現實技術為支撐，創建計算機硬件的三維模型，模擬虛擬的實驗環境，開發三維虛擬學習平臺，可以很好地培養學生的動手實踐能力，使教學達到良好效果。

【關鍵詞】虛擬現實；計算機組裝與維修；學習平臺；Unity 3D

《計算機組裝與維修》是計算機專業的基礎專業課程，在教學計劃中必不可缺。該課程內容涉及計算機的硬件性能指標、選購策略、硬件組裝、故障排除、系統優化和日常維護等，以培養學生實際動手能力為主，強調實踐。但在實際教學過程，經常面臨教學設備缺乏，教學內容與現實脫節等問題； 實踐操作時，頻繁的拆裝練習更容易對計算機部件造成損壞，導致學生只能“觀看”實驗，動手實踐能力受到限制。

1 國內外研究現狀

虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）是一項綜合集成技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，它用計算機生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。

歐美國家在虛擬現實技術的應用方面較為領先，特別是在工業、商業、教育等領域的發展較快。在工業設計領域，虛擬現實技術主要應用于產品外形設計、虛擬裝配、產品仿真、設備管理等。在商業領域，則主要應用于產品的展示與推銷。

在教育領域，由于虛擬現實技術能構建逼真的虛擬環境，能解決學習中的情景化及交互性的問題，因此虛擬實驗室、遠程教育、虛擬教學等作為一種新興的教學模式正逐漸展現出巨大的優勢和潛力。但是，這些虛擬實驗室、虛擬教學等主要應用于大學，在高職院校的學科教學中的應用研究則比較少，而在高職院校《計算機組裝與維修》課程中能將虛擬現實技術應用于實際教學的研究更是稀少。

因此本課題將研究如何利用虛擬現實技術，設計高職課程《計算機組裝與維修》中的硬件三維模型，并通過計算機生成虛擬環境，從而實現具體的虛擬三維學習平臺。

2 采用虛擬現實技術進行教學的優勢

傳統的組裝與維修課程學習中，學生在實踐課程初始階段操作時發生硬件損壞的情況較易出現。由于操作不熟練，導致CPU損壞、內存條損壞、電源報廢等情況都會發生，直接損失可達到上千元。通過三維虛擬工作平臺仿真實驗環境，可以避免這些損失，而學生又實際掌握了相關的實踐技術。

在傳統的組裝與維修課程教學中，由于受到教學條件的影響和硬件設備的限制，教學環節通常是先介紹主要硬件設備的型號品牌、技術指標、組裝方法等，而這些設備的展示往往滯后于當前市場的主流產品，再利用學校已有的落后的甚至接近淘汰的設備讓學生進行實際組裝練習。在這樣的教學環節下，學生實際動手能力的訓練大大受到限制。采用虛擬現實技術仿真實驗設備，可以根據計算機硬件的發展方便地進行擴充和刪減相關硬件設備，保持課程的先進性。

將虛擬現實技術應用于《計算機組裝與維修》課程教學，從3D交互的角度進行教學，能突破學校教學中組裝與維修實驗室資源的瓶頸，使每個學生都參與實踐動手，使知識更形象化、直觀化、易于理解。學習者在虛擬場景中的進行交互學習，具有一定的沉浸感和實時交互性，學生可以投入到由計算機創建的虛擬場景中，身臨其境，與真實環境感受相同，因此，虛擬現實技術創設的教學環境相較其它教學媒體創建的學習情境更有真實性、獨特性、和優越性。

3 三維虛擬學習平臺的設計原則

利用虛擬現實技術設計三維虛擬學習平臺時，要遵循一定的教育教學理論規律，以及學生職業技能形成的規律進行，內容設計的主要依據是《計算機組裝與維修》課程的教學實踐內容。

3.1 科學性

科學性是設計虛擬三維學習平臺的最基本原則。設計與開發過程，不僅要運用科學的教育教學原理，還要根據高職院校《計算機組裝與維修》課程標準，對于實驗場景中涉及的計算機零件都要遵循真實的實物屬性，整個實驗過程設計還應符合學生職業技能形成規律。

3.2 趣味性

“興趣是最好的老師！”利用虛擬現實技術開發的三維虛擬學習平臺是一種新的實驗模式，具有較高的仿真特性，學生能很快地融入虛擬的實驗情境，快速進入學習狀態。但進行平臺開發時，仍要考慮三維學習平臺在界面設計、內容設計及交互方式等方面的趣味性，比如將每一個計算機部件的組裝實驗設計成進階游戲形式，充分激發學習者的好奇心和成就感，引發學習動機。

3.3 開放性

開放性是一方面指設計的三維虛擬學習平臺能讓計算機組裝與維修實驗不受時間和空間的限制，能讓學生有充足的時間和靈活的空間進行學習和實驗；另一方面是指對虛擬實驗內容的選擇設置開放性，能讓學習者按其所需自主安排、自主選擇實驗內容。

3.4 可擴展性

可擴展性是指設計開發的三維虛擬學習平臺要保持實驗中計算機零件的不斷更新，可以根據計算機硬件的發展方便地進行擴充和刪減計算機硬件設備，從而保持《計算機組裝與維修》課程的先進性。

4 三維虛擬學習平臺的實現

4.1 整體架構

將虛擬現實技術應用于《計算機組裝與維修》課程，開發相應的三維虛擬學習平臺，具有硬件組裝演示、實踐組裝練習、幫助文檔、平臺更新等功能，幫助學生掌握計算機硬件組裝技能，并了解最新的硬件發展技術，通過虛擬情境的設置使學習過程變得直觀生動。三維虛擬學習平臺的整體架構設計如圖1。

4.2 平臺具體實現

在整合高職《計算機組裝與維修》課程實踐教學內容的基礎上，設計三維虛擬學習平臺交互界面，創建課程所需的硬件設備三維模型庫，再采用Unity 3D技術實現虛擬平臺的交互，最后進行測試、打包，形成完善的三維虛擬學習平臺。并在此基礎上，不斷更新模型庫，保持課程先進性。

4.2.1 三維建模

三維模型創建的逼真與否是三維虛擬學習平臺開發的前提和基礎，將影響到實驗場景的顯示質量。如果模型創建不完好，將影響到學生對計算機硬件設備的感知狀態。

創建三維模型，主要可以采用3ds Max軟件。使用3ds Max 建模的一般流程為創建模型、設置材質與燈光、進行場景渲染等。建模時，要考慮到系統資源的分配，對于細小的但看不見的面可以利用重復貼圖等方法，降低系統資源的占用，進而提高三維虛擬學習平臺的運行效率。

4.2.2 交互設計

交互設計是實現三維虛擬學習平臺最關鍵的環節。目前，對三維虛擬學習平臺的開發與設計主要是基于桌面的應用系統，交互方式通過鍵盤和鼠標實現，Unity 3D技術是比較理想的實現方式。Unity3D多應用于創建三維視頻游戲、建筑漫游、實時三維動畫演示等綜合型互動設計。 Unity3D支持主流的三維建模軟件，其貼圖技術、渲染系統符合《計算機組裝與維修》課程中對模型仿真性的要求；用其開發的應用程序可以發布在Windows平臺，也可以支持Windows網頁瀏覽。

《計算機組裝與維修》課程的三維虛擬學習平臺需要設計和實現的交互功能主要包括：

（1）實驗入口的交互：三維虛擬學習平臺提供教師登錄或學生登錄兩種方式，學生登錄后可以進行計算機配置和計算機組裝功能的學習，教師登錄后則可以設置實驗環境及根據當前實際對計算機硬件進行擴充和刪減等。

（2）實驗工具選擇的交互：計算機的組裝與維修時涉及很多拆卸及安裝工具的選擇，完成虛擬組裝及維修功能主要是能實現三大操作：拾取模型、操作模型和釋放模型，而具體操作的細節則是對模型進行移動、旋轉和縮放，這些功能主要是利用鼠標和鍵盤實現，從而實現三維虛擬學習平臺的工具交互功能。

（3）實驗實時幫助的交互：學生可以查找相關的幫助文檔，以便實驗時操作方便，并能快速響應操作，返回操作結果；學生還可以根據各部件視頻演示教學，方便地學習配置組裝。

（4）實驗正確性檢測的交互：能對學生組裝實驗中計算機各部件間連接的正確性進行檢測，讓學生在整個實驗過程中始終得到正確的引導。能對學生的實驗結果提供連通性檢驗功能，使學生對最后的實驗結果進行評定。

4.2.3 碰撞檢測

使用Unity 3D技術實現虛擬學習平臺還需要注意碰撞檢測。現實中計算機的零件與拆裝工具均為實體部件，在組裝與維修中會遇到各種碰撞，如果不加以檢測，會導致計算機的零件、工具之間相互穿透，使實驗過程失去逼真性。要避免這種情況，可以利用Unity 3D的兩種碰撞檢測方式：碰撞器檢測和觸發器檢測，從而實現碰撞檢測功能，使計算機零件、工具之間不能相互穿透。

4.2.4 平臺的發布

應用Unity 3D技術開發的應用程序可以發布在Windows平臺，也可以支持Windows網頁瀏覽，因此在三維虛擬學習平臺發布可以考慮其使用范圍來設置發布方式。學習平臺實現的初級階段可以僅發布成Windows平臺，在學校機房中提供虛擬實驗環境，一方面操控快捷方便，一方面便于對學習平臺進行測試與改進。當學習平臺的使用趨于成熟時，可以發布成網頁瀏覽方式，不再受限于學校這單一的虛擬實驗環境，脫離時間與空間的限制，從而達到更好的學習效果。

5 結語

總之，開發《計算機組裝與維修》課程的三維虛擬學習平臺，能打破學生學習計算機組裝與維修的時間與空間的限制；減少計算機硬件設備的損耗，為學校節約了教育成本；這一新的學習模式，能提高學生的學習興趣，利于他們自主學習，快速提高職業技能。但時，虛擬學習平臺不能完全替代實踐操作，兩者需要相輔相成，起到合力作用。

參考文獻

[1]華艷.基于Virtools的虛擬仿真客戶培訓系統的設計與研究[J].電腦與電信，2014，12：61-63.

[2]李曉靜，成艷真.三維虛擬工作平臺應用于高職組裝與維護課程教學的研究[J]. 電腦學習，2011，02：65-66.

[3]柴群，梁劍波.基于Virtools的虛擬裝配實驗室的設計——以計算機組裝為例[J].電腦知識與技術，2012，18：4522-4524.

[4]百度百科. Unity3D. http：//baike.baidu.com/view/2299410.htm？fr=aladdin，2014.

作者簡介

華艷（1976-），女，江蘇省無錫市人。碩士學位。現為無錫城市職業技術學院副教授。研究方向為高職教育、多媒體計算機應用。

作者單位

無錫城市職業技術學院 江蘇省無錫市 214153