基于沉浸式虛擬現實環境下虛擬實驗的研究與設計
——以《計算機硬件組裝維護》課程為例

高 倩

安徽林業職業技術學院，安徽 合肥 230031

1 虛擬現實技術定義

虛擬現實技術，又稱 VR（Vitual Reality），是集計算機模擬仿真技術、多媒體技術、傳感器技術為一體的綜合性科學研究體系，具有沉浸性、交互性、創造性等特點，有著仿真性、自主性、開放性、安全性等優勢，主要通過三維仿真技術模擬現實真實環境，讓人通過傳感器外設如頭盔、手套、眼鏡等與虛擬現實發生交互，以獲得真實體驗感。目前，虛擬現實技術已經受到社會的廣泛關注，為人類的生活帶來了新的機遇，有效地促進了社會的進步與發展，在醫學、軍事、旅游、市場營銷、教育等許多領域產生了變革性的影響。近年來，虛擬現實技術在教育領域也逐漸受到專家學者的認可，如通過虛擬現實技術建立虛擬仿真實驗室、進行場景交互式體驗教學、開展模擬訓練體驗教學、構造虛擬實物等[1]。

虛擬實驗系統是指借助虛擬現實、模擬仿真、傳感器、超媒體、互聯網能技術所構造的，能夠模擬真實實驗場景及操作環節實驗反饋的軟硬件操作環境。近年來，虛擬實驗系統越來越受到專家學者的關注，主要研究體現在虛擬實驗系統的設計與開發、虛擬實驗系統關鍵技術的研究、以及虛擬實驗系統構建方法策略和實踐等方面[2]。本研究將以計算機組裝維護課程為例，通過設計虛擬實驗系統，運用3ds max 軟件建模虛擬實驗室和三維硬件模型，并將模型導入到Unity 3D 軟件中，實現硬件模型的展示和實驗交互功能等，以期為更好地改進教學方式，激發學生學習興趣，促進知識理解。

2 計算機組裝維護虛擬實驗系統設計的重要作用

2.1 強化計算機組裝維護的課程學習

計算機組裝維護是一門對實踐動手能力要求很高的課程，學生通過對臺式計算機進行拆卸，了解計算機的內部的硬件構造、裝配位置及方法，掌握CPU、主板、內存條、輸入輸出設備、機箱、電源等的工作原理、故障警報方法、故障處理方法。由計算機組裝維護的課程內容和授課目標可見，熟練掌握計算機硬件的基本原理、構造及故障處理是建立在熟練實踐的基礎上的，因此這門課程的學習，需要多觀察、反復練習，在實踐中獲取經驗。如果我們建立計算機組裝維護虛擬實驗系統，可以節省教學和實驗經費，學生用虛擬的計算機硬件進行組裝，即使操作出現失誤，也不會損壞耗材。因此，建立計算機組裝維護虛擬實驗系統是符合學習者認知規律，對知識的掌握有促進作用的。

2.2 滿足學生學習需求

針對本系統的目標用戶對象——大中專計算機相關專業學生的學習需求進行調查，通過調查，了解了學生對于計算機組裝維護課程實驗的基本需求、困惑和亟需解決的問題。

針對問卷“你在計算機組裝維護實驗中，遇到的問題是什么？”的調查結果，結果顯示，29.3%的學生認為“除了實驗課，沒有機會進行實驗”；28.6%的學生認為“實驗過程中缺少觀摩指導”；23%的學生認為“還未充分掌握知識點，課程已結束”；10.9%的學生認為“實驗時間不夠長”。

由問卷可知：學生在實驗課以外，很難有機會進行計算機組裝維護實驗，因此一定程度上影響了學生實踐技能的培養。另外，在實驗過程中，由于缺乏系統的觀摩指導時間，往往以小組為單位進行組裝實驗，對實驗結果的正確性也缺乏論證。因此，建立計算機組裝維護虛擬實驗系統，可以讓學生在課前課后隨時隨地開展實驗，復習鞏固知識點[3]。在虛擬實驗系統中，加入實驗觀摩指導模塊，讓學生可以直觀地了解計算機硬件部件的外形、功能及組裝位置和方法，觀摩后，再進行實驗，可以提高實驗結果的正確性。

3 計算機組裝維護虛擬實驗系統的設計模塊設計

通過對虛擬實驗系統的主要模塊進行了設計，如圖1 所示。該虛擬現實實驗平臺從主菜單界面進入后，主要分為三個功能模塊：硬件構造觀摩模塊、虛擬組裝模塊和經驗積累模塊。

圖1 計算機組裝維護系統模塊示意圖

硬件構造模塊主要是在系統中進行計算機硬件各部件的三維模型展示，從視覺上，讓學生直觀地了解硬件的構造及組裝位置等，并且以學習視頻的形式，向學習者介紹各硬件部件的功能。

虛擬組裝模塊可以讓學習者在三維虛擬環境中，自由選擇硬件部件，在主板上進行模擬組裝，從模型庫中選擇相應的部件，安裝到主板各卡槽內，使得計算機主機能夠成功運行，通過視頻的形式，進行硬件組裝維護展示，并指導組裝實驗順利進行。

經驗積累模塊，主要訓練學習者對硬件故障排除的掌握。故障排除實踐練習，可讓學習者迅速找到有問題的部件，更換后，使硬件系統運行正常。通過主動動手實踐，順利掌握原本枯燥難懂的硬件故障提示，在真機出現問題時，也能迅速排除故障。

4 計算機組裝維護虛擬實驗系統的設計系統實現

4.1 虛擬實驗系統三維模型的構建

計算機組裝維護虛擬實驗系統的構建需要靠三維建模來支撐，首先要搭建虛擬實驗室環境，讓學習者有身臨其境的感覺，為下一步沉浸式實驗提供環境基礎。可以通過3ds max 建模構造還原真實的組裝維護實驗室，并且要在實驗室內裝配組裝實驗臺，所有的實驗部件都將在實驗臺上進行組裝。其次，要將計算機的各硬件部件如主板、CPU、內存條、CPU 風扇、網卡、顯卡等用3ds max 進行建模并貼圖加材質燈光效果以貼近真實感。

3ds max 中的建模方式主要包括多邊形建模、NURBS 建模、面片建模等方式，以3ds max 建模CPU 風扇為例，可以把CPU 風扇分解為兩部分，扇葉部分和扇葉保護罩，扇葉部分我們可以先用二維線條畫出扇葉的橫截面，通過“擠出”修改器，得出扇葉的三維模型。扇葉保護罩也可以先編輯橫截面的二維線條，再通過“車削”修改器，得到三維保護罩，通過布爾運算等，得出保護網狀的扇葉保護罩。在建模完成后，需要對模型進行優化，刪除不必要的面，減少渲染時間，進行材質貼圖，體現模型的材質效果。

4.2 利用Unity 軟件構建虛擬實驗場景

4.2.1 三維模型的導入

在3ds max 中完成計算機組裝維護硬件部件及虛擬實驗室場景的建模后，需要把這些三維模型作為素材導入到Unity 3D 軟件中，以實現虛擬實驗中的交互功能。前期建模及貼圖完成后，將所建好的模型，選擇3ds max 界面左上角“文件”——“導出”，導出為 Autodesk（*FBX）格式，導入到 Unity 中存放于Assets 文件夾中，這樣在Unity 3D 的項目面板中可以瀏覽三維模型資源。

4.2.2 “硬件構造觀摩”模塊的Unity 實現

Unity3D 是由Unity Technologies 開發的一款可以實現三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的多平臺的綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎。其有著可視化的綜合編輯窗口，可以對導入的資源進行參數設置并添加腳本使其具有交互特性。

“硬件構造觀摩”模塊主要包括“硬件三維展示”和“硬件功能介紹”兩部分，當把三維場景和部件模型導入到Unity 3D 后，就要為各模型添加相應的腳本，腳本語言一般為JavaScript 和C#，以實現硬件模型的自動旋轉為例，可以創建一個JavaScript腳本加以實現，具體代碼如下：

如要詳細了解某一個硬件的功能，可以點擊該部件，這時會彈出該部件的信息窗口，向學習者展示硬件的具體功能，可以在Unity 中用JavaScript 腳本加以實現，具體代碼如下：

5 結語

虛擬現實技術具有仿真性、自主性、開放性、安全性的特點。在計算機硬件組裝維護教學時，建立一款虛擬現實實驗系統能夠為學生提供一個自主、開發、交互、科學的學習實驗平臺，能夠滿足學生的實驗需求，打破時空條件限制，豐富教學形式，培養學生的主觀能動性和學習興趣。