虛擬現實在《計算機組成原理》課程教學中的應用探索

劉躍華　何靜

摘 要

新工科背景下對計算機組成原理課程的教學提出了新的要求，虛擬現實技術作為信息技術領域的一項熱門技術已廣泛運用到現實生活中，特別是在教育方面，虛擬現實技術的引入將推動了課程教學模式的改革。本文基于對虛擬現實技術的研究，以計算機組成原理課程為例來探討虛擬現實在課程教學中的應用。

關鍵詞

虛擬現實;計算機組成原理;教學改革

中圖分類號： G642;TP3-4 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.20

1 計算機組成原理課程的教學特點

計算機組成原理課程是計算機科學與技術專業的核心基礎課程之一，也是全國研究生招生的統考課程，該課程在計算機類專業人才的培養體系中起著重承上啟下的作用，是深化計算機類專業學生學習能力的重要環節。該課程的教學目的是使學生理解計算機各個部件的工作原理，建立計算機的整機概念，從而具備計算機系統整機和部件的分析和設計能力。通過本課程的學習能為后續課程如計算機系統結構、微機原理與匯編語言、操作系統原理、編譯原理等奠定堅實基礎。

因本課程介紹的是現代普通計算機的組成與運行機制而不涉及具體的機型（如Intel x86系列機器），其教學內容和原理比較抽象，加之由于計算機科學與技術專業的學生普遍存在電子電路知識基礎較為薄弱的問題，而計算機組成原理程中很多內容是講解芯片內部工作過程的，因此必須輔之以實驗環節來提升學生對計算機組成相關原理的感性認識。近年來，計算機組成原理實驗教學的研究現狀主要集中在以下兩個方面：一是關于應用FPGA（現場可編程陣列）和 EDA（電子設計自動化）技術進行計算機組成的實驗教學。例如應用FPGA和EDA技術設計運算器和微控制器、簡單ALU（算術邏輯運算）設計、組合邏輯控制器的設計、以及FPGA結合外圍接口芯片來實現了一個基于MIPS處理器的計數器設計等;二是應用虛擬仿真技術仿真計算機的工作原理，例如算術/邏輯運算實驗的仿真，基于客戶端技術的計算機組成原理虛擬實驗系統，指令級、微體系級仿真系統等。

本校開設的計算機組成原理課程共安排了78個課時的理論和實驗教學內容，是計算機科學與技術專業、軟件工程專業、物聯網工程專業和智慧管理班的必修專業課程，其實驗教學環境采用愛迪克（AEDK-CPT）計算機組成原理教學實驗系統（實驗箱），該實驗箱提供的實驗內容如表1，雖然在實驗箱上可以完成組成原理的大部分實驗，但存在如下問題：一是實驗箱中的實驗內容不能“與時俱進”、升級換代;二是不能在課堂教學上使用以實現互動教學;三是不能實現線上教學以提升學生的自主學習的能力。隨著人工智能、大數據、物聯網、云計算、區塊鏈等前沿科技的快速發展，新工科的教學理念應運而生，如何培養更多高質量的計算機類專業人才，以適應新一輪科技革命和產業革命對計算機類工程人才的需求，是計算機類專業在新一輪高等教育變革中需要解決的關鍵問題，在新工科背景下，計算機類專業核心課程的MOOC（慕課）建設與虛擬仿真實驗教學越發被重視。

2 虛擬現實技術在課程教學中的應用

早在20世紀60年代，虛擬現實技術（VR）就已產生，局限于當時計算機的性能VR 技術的發展相對緩慢。直到20世紀80年代才開始進入人們的生活。近年來隨著信息技術的發展，把VR技術引入課程教學中已成為未來教學模式的發展趨勢。VR技術有三大基本特征：沉浸性、交互性和多感知性。沉浸性指使用者置身于計算機創造的虛擬環境中，成為環境中的一員，與環境之間產生相互作用，如同在現實世界中一般;交互性指使用者可以通過身體的運動和語言對虛擬環境中的對象進行交流;多感知性指使用者在虛擬環境中可獲得觸覺、視覺、聽覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感覺。目前虛擬現實仿真平臺的實現可以分硬件和軟件兩大方面。圖1給出了虛擬現實實現的基本構架。

虛擬現實設備包括頭盔、數據手套輸入設備、數據衣，甚至氣味發生器、味覺發生器等。“頭盔”則由顯示器、光學系統、立體聲音箱和運動跟蹤系統構成。運動跟蹤系統一般由發射器、接收器等電子部件組成。目前的跟蹤系統有電磁、機械、光學、超聲等。數據手套通過手指上的彎曲、扭曲傳感器和手掌上的彎度、弧度傳感器，確定手及關節的位置和方向。通過它可測量出手的位置和形狀，從而實現環境中的虛擬手及其對虛擬物體的操縱。而借助嗅覺傳播技術，可以使用戶獲得身臨其境的感受。對氣味進行數字化，而且還可以借助網絡在遠端重新組合成氣味。沉浸式虛擬現實具有一定的優勢，它可以提供一個實驗的機會，對現實生活中存在一定局限性的情境和對象進行實驗，例如，時間段限制、身體不可接近性或者對訪問具有高度危險性等情況，可以在一個安全的環境中提供實踐和培訓，提升學習者的參與度和學習動機。目前，兩種主要的沉浸式虛擬現實類型是CAVE（洞穴自動虛擬環境）和HMD（頭盔顯示器）系統，參與者戴著一副特殊的3D眼鏡，以獲得虛擬環境的立體視圖。因大多數學校計算機的配置不滿足的要求，高昂的價格一直是HMD在教育環境中使用的最大障礙之一，至今HMD在教育環境中還沒有真正的大規模應用。因此，我們在構建基于虛擬現實的計算機組成原理實驗教學系統時，采用虛擬現實建模語言（VRML）與建模工具（如Unity、Vizard）來實現。

2.1 虛擬現實建模語言的應用

VRML是描述虛擬場景的一種標準語言，它可以創建場景和三維造型，具有良好的交互功能，且支持C、C++、數據庫、Java等語言的接口，其強大編程能力使圖形、動畫的制作與控制更加方便。在運用VRML制作本課程的教學課件中，可以將文本、多維動畫、小視頻等多種媒體信息整合起來，再造真實場景。用VRML制作的課件具有多媒體集成、3D渲染和場景逼真等特點，會激發學生們的學習欲望，加深學生對知識的理解。在課堂教學中用虛擬現實技術造型語言來制作課件，就可以把教學中能應用到的各種元素（文字、圖片、動畫、視頻）做成三維交互的形式，讓課件“飛起來”，還可以跟學生進行互動，學生不僅可以很好掌握課件中的知識，也有身臨其境的體驗。

2.2 Vizard開發工具的應用

在Vizard軟件中用戶能夠快速創建交互漫游的虛擬場景、能夠實現具有沉浸感的虛擬現實項目、能夠在虛擬場景中應用各種多媒體資源、能夠在虛擬場景中添加各種角色并控制其動作行為、用戶在Vizard平臺中采用Python語言進行程序開發。下面是在一個本實驗項目中實現一個虛擬場景的一段Python代碼：

Import viz#引入viz庫

viz.go（）#初始化繪圖環境，構建虛擬的三維場景

object=viz.addChild（'ALU.ive'）#為虛擬場景添加模型文件

object.alpha（.5）#設置模型的透明度

viz.MainView.setPosition（[0，0，-2]）#設置主視點的位置

2.3 Unity開發工具的應用

Unity擁有強大的跨平臺能力和快速上手的特性，被廣泛應用到虛擬仿真、增強現實等方面，是全球應用較為廣泛的VR開發平臺，如騰訊公司出品的王者榮耀、暴雪娛樂出品的爐石傳說等作品均使用Unity 3D開發。Unity工具中的VRTK（Virtual Reality Toolkit）提供了一系列實現虛擬場景的腳本和插件，可以在Unity5.0以上版本中借用該插件快速構建VR解決方案，如：虛擬空間內的多種運動方式、互動性、通過射線或觸摸與Unity 3D中的目標互動、虛擬空間內對象的物理特性（光照、紋理等）、二維三維的控制等。如在實驗項目的開發過程中，要實現虛擬場景中一個對象的旋，在Unity 3D中，用transform組件來獲取一個物體的位置，用transform的RotateAround方法可以實現場景旋轉，其腳本中關鍵代碼如下：

if（fmodelStartRotate && isFmodelClick）{fmodel.transform.RotateAround（RoateGameObject.transform.pos1， fmodel.transform.transform.up，Time.deltaTime *5f）;}

利用以上技術和開發工具，我們初步構建了一個“基于虛擬現實的計算機組成課程教學系統”，該系統包含有：基于VRML的教學課件、基于VR的算術邏輯運算實驗系統、基于VR的指令解釋實驗系統、基于VR的存儲器擴展實驗系統、基于VR的微命令發生系統等構件。該系統在本校2017級計算機科學與技術專業、軟件工程專業的7個班教學中得到了嘗試應用。與傳統教學相比，本教學系統可以發布于本課程的精品課程教學網站上，通過實驗教學系統學生可以提前預習實驗原理、步驟及流程，通過自主學習形成一套實驗方法。在課堂教學上也可以應用該仿真系統進行實驗演示，教師與學生互動環節增加，可以大幅提升學生的自主實驗能力，其操作能力明顯增強，從而加深了學生對本課程理論知識的理解。

3 結語

虛擬現實技術將會對未來計算機組成原理課程的教學帶來新的變革，把VR運用到課程教學中，可以營造一個有較強真實感的仿真教學環境，有效地拓展教學的時空范圍，有助于學生更好地理解各單元的知識點，增強學習的積極性。隨著我國新工科背景下課程教學改革的推進，虛擬仿真實驗教學環境將廣泛應用于課程的教學中。虛擬現實在我校本課程的教學應用還處于起步階段，通過后期運行及實踐，將不斷完善教學系統，不能讓教學改革流于形式，使學生更有興趣參與進來，以提高課程的教學效果和教學質量。

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