計算機組成原理虛擬學習平臺的設計與實現

鄭磊 沈家東

摘要：介紹虛擬學習平臺的實現過程，系統采用Unity3D為主引擎，以UGUI為核心建立整個界面，Tomcat為服務器，MySQL為系統后臺數據庫，C#為主要開發語言，使用PHP鏈接Unity3D及服務器。該系統的應用可以幫助學生掌握計算機系統的硬件組成，理解計算機各功能部件的工作過程及原理，在高校硬件類課程的教學過程中發揮著重要的作用。

關鍵詞：計算機組成原理;虛擬學習平臺;Unity3D;MySQL;仿真實驗

Abstract： This paper introduces the realization process of virtual learning platform. The system uses Unity3D as the main engine and UGUI as the core to build the whole interface. Tomcat as the server， MySQL as the background database of the system， C# as the main development language， and PHP to link Unity3D and the server. The application of this system can help students master the hardware composition of the computer system， understand the working process and principle of each functional part of the computer， and play an important role in the teaching process of hardware courses in colleges and universities.

Key words：principle of computer composition; virtual learning platform; Unity3D; MySQL;? simulation experiments

1 引言

計算機組成原理是計算機專業的核心課程，其主要講解計算機硬件系統的基本結構，各個功能部件的組成及其工作過程。由于很多知識點抽象且難以理解，并且大多數都具有較高的技術性，因此課程難度較大，其教學內容難以通過課堂講授和硬件實驗被學生理解并掌握[1-3]。然而，學習并掌握計算機的整個工作過程，可以幫助學生形成完整的計算機硬件工作原理模型，建立計算機系統的整機概念。

本文所開發的虛擬學習平臺采用Unity3D為主引擎，以UGUI為核心建立整個界面，C#為主要開發語言，服務器為Tomcat，數據庫為MySQL，用PHP鏈接Unity3D及服務器。該系統將理論與實驗相結合，不僅能夠幫助學生學習計算機組成原理中涉及的電子電路等硬件相關的理論知識，而且還能讓學生動手實踐，通過虛擬平臺實現運算器、主存容量擴充、中斷服務等仿真實驗。

2 需求分析

2.1 用戶對象分析

整個平臺的主體用戶分為三類：學生、教師及管理員。學生可以通過該平臺下載教案;可以進行在線練習、模擬測驗來檢驗自己的學習成果;進行基于該平臺的仿真實驗來了解線下實驗的大致流程;能與教師產生互動以解決自己無法解決的問題。教師可以通過該平臺管理教案，以保證學生學習內容的時效性;可以對題庫進行更新。管理員可以對其他權限的用戶，即學生、教師進行管理。

2.2 系統性能分析

1）可用性：虛擬學習平臺應該使用簡單，界面清晰，響應迅捷，讓初次使用的用戶不需要經過培訓就能很快理解使用方法。

2）可維護性：虛擬學習平臺不需要用戶太多信息，但要確保安全，例如在數據庫中的部分信息不能用明碼表示。此外，平臺在部署到服務器后，除了維護者可以給予管理員權限外，要盡量減少維護者對服務器、數據庫進行錯誤修復的次數。

3 系統設計

3.1 功能模塊設計

本虛擬學習平臺分為三大模塊：學生模塊、教師模塊及管理員模塊。學生模塊具有課程學習、課后練習、模擬測試、在線實驗、留言等功能;教師模塊具有教案管理，題庫管理，實驗管理、留言處理等功能;管理員具有用戶管理、公告管理等功能。系統功能流程圖如圖1所示。

3.2 數據庫設計

該系統使用7張數據庫表：用戶表、章節表、小節表、題庫表、留言表、公告表、實驗表。其中部分數據庫表結構描述如下：

tbl_users表記錄用戶信息及權限，uid作為主鍵，rights作為索引，如表1所示。

4 系統實現

在該虛擬平臺中，要實現多個模塊的不同功能，其中登錄注冊、公告是公有功能，放在最開始的菜單及各模塊的主界面中。緊接著是學生模塊、教師模塊、管理員模塊的依次實現。

4.1 公有模塊

4.1.1 登錄注冊

登錄注冊界面是進入虛擬學習平臺時最先看到的界面。登錄時需要遞交用戶名，用戶密碼及用戶登錄權限，注冊時遞交用戶名，用戶密碼及用戶昵稱，通過序列化類TempUser和數據庫交換信息后根據成功與否進入到相應的模塊界面。此序列化類主要用于序列化為Json后發送給服務器或者從服務器獲得的Json字符串反序列化為類對象。

4.1.2 主菜單及公告

在對應模塊的主菜單界面右邊都會顯示公告欄，這里根據時間順序記錄最新的公告，用戶可以根據公告獲得最近的信息。 該界面對應7種功能：左邊5個功能模塊，右邊的公告，以及右上角的返回開始菜單。公告欄使用序列化類TempAnnouncement與數據庫通信，在每次進入該界面時通過AnnoucementViewer類初始化信息。

4.2 學生模塊

4.2.1 課程學習

在本模塊中，學生可以獲取每個小節的概覽，并下載對應小節的課件。具體界面如圖2。

通過點擊下載教案，可以從服務器獲得相應地址，并根據地址將教案下載到指定位置。其中用到TempChapter、TempSection等序列化類與數據庫通信以獲得章節、小節信息。若無課件可以下載，則會在“返回”按鈕的左邊給出提示。由于Unity3D并沒有直接打開“選擇文件/保存文件”的相關API，“下載教案”功能都是由重載系統的動態鏈接庫來實現的。

4.2.2? 課后練習

通過該模塊，學生可以選定章節與題目數量，從題庫中抽取題目來進行練習。練習完成后可以查看點評來查漏補缺。具體界面如圖3。點擊“隨機生成習題”后，根據章節和題目數量，從題庫中抽取題目并展示在左邊的板塊里，題目對應的序列化類TempQuestion自身提供了題干、答案、點評等所有信息。

4.2.3? 模擬測驗

通過該模塊學生可以檢驗自己對課程知識點的掌握程度。整個測驗默認持續60分鐘，總分100分，學生可以自己指定題目數量。可以提前交卷，也可以等時間截止后自動交卷。交卷后可以獲得題目點評及最終分數，并可以繼續開啟新的模擬試題。具體界面如圖4。在這里點擊“返回”不能直接回到學生主菜單，會出現確認按鈕和取消按鈕，以避免測驗到一半時誤操作。

4.2.4? 在線實驗

通過該模塊，學生可以下載實驗指導書，并進行在線仿真實驗，通過實驗，學生可以了解實驗過程，為后續進行線下實驗積累理論基礎和經驗。選擇指定實驗后，進入仿真實驗室。點擊左邊的控件庫可以將里面的部件放入右邊的實驗畫布。每個控件都必須有id，畫布右上角顯示了實驗要求，右中是開始運行，右下角是實驗結果，若開始運行后實驗過程中連線錯誤，或者在一定時間后指定id的控件輸出錯誤，那會顯示錯誤原因，若成功輸出實驗成功的數據，則會顯示成功。控件可隨意拖拽，編輯、刪除，仿真實驗室如圖5所示。

由于是學生本地運行實驗，進行一系列邏輯操作，與數據庫的通訊僅限于交換多個實驗條目，具體實現邏輯都在本地進行解析。在保證控件id一致且鏈接方向一致時，本模塊即可以判斷實驗成功。譬如如果需要用到寄存器，如果學生不按部就班使用寄存器控件，而是試圖串聯其他控件組成寄存器來完成實驗，也許結果會對，但本模塊并不會認為實驗最終正確[4-7]。

4.3? 教師模塊

4.3.1? 教案管理

該模塊教師可以對課程的每個章節的每個小節內容進行編輯。可編輯的內容是小節的名稱、概述。除此以外，還可以通過該界面上傳課件。當一個小節被刪除時，對應課件也會被相應的刪除[8]。具體界面如圖6。

點擊章節后會顯示對應小節，點擊小節后有個過渡操作來保證安全性，即需要進行“創建新小節”和“編輯該小節”的選擇。除此以外，新小節不能直接上傳課件。創建好后由數據庫分配id，之后可以再次編輯，上傳課件，這樣可以避免誤操作。

4.3.2? 試題管理

教師可以在該模塊進行題庫管理。由于虛擬學習平臺結構較為簡便，使用該平臺后所需要的維護越少越好，并且力求學生能實時獲得知識，所以只有3種客觀題型，即選擇題、填空題和判斷題。教師可以自由給指定的章節增加題目或刪除題目。具體界面如圖7。

點擊章節后即可獲得隸屬該章節下所有題目，并且能對單個題目進行任意修改操作。點擊新建題目、CSV批量導入即可在本章節下加入新題目。例如填空題內會有相應的提示來處理多答案、多填空的情況。

4.3.3? 實驗管理

教師可以通過該模塊進行實驗管理，為學生提供新的實驗實踐內容并提升學生的動手能力。該模塊的學習成本較高，因為實驗邏輯大概都是通過字符串數據再解析的，缺乏可讀性和通用性。

5 結束語

本文詳細介紹了計算機組成原理虛擬學習平臺的開發和實現過程，系統實現了課程學習、課后練習、在線實驗、用戶管理、公告管理等功能。通過使用該系統，能夠充分激發學生對計算機硬件的學習興趣，提高學生的實踐動手能力，是硬件類課程教學的有效補充。

參考文獻：

[1] 肖鐵軍.計算機組成原理[M].北京：清華大學出版社，2015.

[2] 胡遠梅.計算機組成原理虛擬仿真實驗平臺研究[D].大連：大連交通大學，2016.

[3] 李世清.基于《計算機組成原理》課程本體學習研究及實現[D].重慶：重慶大學，2011.

[4] 胡立芳，胡自凱.基于VRML的計算機組成原理虛擬實驗系統設計[J].電腦知識與技術，2014（6）：1220-1222.

[5] 葉海燕，夏明珠.計算機專業硬件課程教學方法研究——虛擬實驗平臺可行性分析[J].巢湖學院學報，2016（6）：154-158.

[6] 閔娟娟， 張攀東， 姚必富.《計算機組成原理》仿真實驗平臺的開發[J].現代計算機（專業版）， 2012（14）：72-74.

[7] 祁志武，李功權，劉歡.地質標本虛擬仿真學習平臺[J].計算機系統應用，2017（7）：110-115.

[8] 吳有林.多媒體課件設計與開發[M].北京：清華大學出版社，2011.

【通聯編輯：王力】