基于Unity的仿真教學系統的設計與研究

俞曉妮 賈婷君

（沈陽職業技術學院，遼寧 沈陽 110045）

引言

仿真教學是用計算機來模擬真實自然現象或社會現象，學生模擬扮演某一角色進行技能訓練的一種教學方法。它能在很大程度上彌補客觀條件的不足，為學生提供近似真實的訓練環境，提高學生職業技能。仿真教學系統是虛擬現實技術、計算機技術、網絡技術與專業理論知識多方面結合的結晶。不僅能克服學生實驗的時間與空間上的限制，還能擺脫原有設備條件的約束。讓學生在虛擬交互的實驗中，降低了硬件的損壞率，避免了學習的盲目性，提高了實驗的成功率，因此設計虛擬仿真實驗教學系統具有可行性和必要性。

一、平臺的選擇

本系統基于Unity3D平臺開發設計， Unity集成了MonoDeveloper編譯平臺，以C#和JavaScript為主要的編碼語言，可發布至Windows、Android、IOS或OSX平臺，也可利用插件Unity web player直接發布至網頁。對于小型開發者選擇該引擎非常適合。

二、基于Unity的仿真教學系統的設計需求

（一）基于Unity的仿真教學系統設計開發原則

1.人性化原則。在信息時代下，開發仿真教學系統本意是為了提高線上教育平臺的直觀性和柔性化，能夠實現以學生為主體的教學活動。因此基于Unity引擎的計算機組仿真教學系統開發設計必須要具有人性化的功能特點，能夠輔助完成計算機組裝的理論教學，展開系列的實踐教學活動。

2.易操作特點。基于Unity的仿真教學系統的開發是面向學生和教師的，該系統在操作控制上必須具有易操作性，可以在多種教學場所、教學平臺上實現，需要適應Pc端和手機端。

3.可擴展性特點。伴隨著社會的發展，各專業學科的知識內容都不是一層不變的，而是會隨著社會需求出現新的知識內容和實踐需求的。因此開發一個成熟的仿真教學系統平臺需要擁有可擴展性，能夠在系統框架不變的情況下實現功能模塊的拓展。

（二）基于Unity的仿真教學系統設計開發的需求

1.仿真教學系統平臺開發設計需要滿足課程需要。計算機組裝課程是一門實踐性較強的學科，其需要學生能夠充分掌握計算機的部件組成情況，能夠動手完成計算機部件組裝，并且滿足學生的仿真活動，給出計算機實驗分數。因此基于Unity的仿真教學系統的開發和設計需要滿足三個模塊需求，即計算機組成部件仿真實訓室、計算機組裝演示實訓室以及計算機組裝仿真交互考核實訓室。

2.仿真教學系統平臺開發設計要具有兼容性。仿真教學系統平臺的開發設計并不是滿足某一個學校的某一個專業而實現的，而是要實現多個學校多個專業的需求。因此需要設計開發的系統能夠擁有動態化的控制技術和方法。

三、基于Unity的仿真教學系統平臺的設計

仿真教學系統主要是由在線虛擬仿真技術、C#相關技術、三維模型創建及優化技術、碰撞監測、界面設計及優化、腳本優化等技術組成。

（一）虛擬仿真技術。虛擬仿真技術成為虛擬顯示技術，其本質是通過計算機虛擬出來一個環境，由此營造出一個真實的世界，通過這一技術讓計算機組裝課程教學能夠更加的真實，學生也可以依靠視覺、聽覺等進行交互仿真。

（二）人機交互界面的設計及優化。在仿真教學系統中借助人機交互技術，可以有效地導入人對計算機的操控，從而更好地發揮計算機對人的影響。通過人機交互界面設計及優化可以讓仿真教學系統在操作和應用上更加人性化，操作性也更強。

（三）仿真教學系統效率的優化。虛擬仿真教學系統是實時計算、實時更新的。用戶操作在某一時刻狀態是不可預見的，所有狀態也不能一直保存在系統的內存中，這就要求仿真教學系統具有較高的實時性。虛擬環境是不斷動態創建和刪除變化的。整個系統要存儲不斷變化的系統狀態，還要承擔與輸入、輸出通信等功能，導致巨大的計算量。這就要求仿真教學系統具有高速的處理器和圖形加速能力。基于Unity的仿真教學系統設計最重要的是繪制技術。減少或消除繪制過程中的瓶頸可有效提高系統性能。可在應用程序階段提高CPU的速度，也可以在保證繪制質量的前提下盡量減少建模使用的多邊形數目，降低場景的復雜度，還可以采用編程技巧來實現。例如代碼編寫時少應用除法運算。在幾何處理階段，通過減少光源數目或更改光源類型的方法減少計算量。但有些優化技術是犧牲繪制質量來提高執行速度。

（四）仿真教學系統開發流程

由于虛擬環境中的模型和紋理貼圖都來源于真實素材，開發之前需要采集圖片、聲音等多媒體資源，通過Photoshop和3ds Max來處理貼圖和構建三維模型。將其導入到Unity3D引擎中，創建GUI界面，編寫交互腳本代碼，這也是系統功能實現的最重要環節。最后對建立的互動仿真教學系統進行發布，即PC端或手機端。對教師和學生進行培訓，讓教師和學生參與到仿真教學系統的共建與優化中，完善仿真教學系統。

四、基于Unity的仿真教學系統平臺的實現

（一）仿真教學系統的實現。計算機組件仿真教學系統是在Web服務器基礎上搭建起來的，采用的是瀏覽器/服務器的架構。學生或教師通過客戶端向Web服務器發送請求，網站后端經過業務處理，向原先建立好的數據庫提取數據，向客戶端反饋相關處理結果，由瀏覽器解析后顯示在前端，本文采用的是mysql數據庫來存儲數據。

（二）仿真教學系統的學習模塊的實現。在計算機組件仿真教學系統中，課程學習模塊較為復雜，不利于學生的個性化學習，同時各種計算機組件實踐活動更是需要不定時的更新。當前課程學習模塊的實現是在三大課程項目中創建系列課程。

（三）仿真教學系統實驗考核模塊的實現。實驗考核模塊是需要能夠通過仿真系統對用戶操作活動進行信息數據采集之后根據用戶數據編碼與事先錄入的標準操作編碼進行對比評分，存入到mysql數據庫中。通過還原對比的方式顯示在實驗考核模塊中。

五、基于Unity的仿真教學系統平臺的測試

（一）基于Unity的仿真教學系統平臺的測試

在進行Unity仿真教學系統的平臺設計與實現之后，需要完成對該系統軟件功能和數據的驗證。其測試需要從以下三方面進行。

1.仿真教學系統的登陸和加工測試。在進行仿真教學系統登陸測試時，需要在教學系統中注冊一個用戶賬號，然后登陸到仿真系統的客戶端，在仿真教學平臺上選擇課程內容，啟動課程功能作用，進行整個仿真教學平臺的功能測試。

2.用戶在仿真教學系統上的操作存儲測試。計算機組件仿真教學系統的課程功能較為豐富，且要求滿足的大量學生同時登陸使用該系統，因此在仿真教學系統的實現測試時，需要做好其操作存儲功能的測試。當前主要是通過同時輸入多組不同的賬號密碼，來測試賬號的驗證功能。如，根據設置的賬號和密碼都是錯誤的情況下，查看系統是否可以直接正確給出“提示”，之后將正確和錯誤的賬號密碼分別輸入進行登陸驗證，查看給出的提示情況。

（二）基于Unity的仿真教學系統平臺的結果分析

通過上述所展開的仿真教學系統平臺的功能測試結果可知，該系統具有較高的操作性，整體功能也較為完整順暢。而本次設計的仿真教學系統基本能夠滿足計算機組裝的教學需求，但是仍舊有許多可供改進的地方。可根據教學需求不斷調整仿真軟件的參數，使得軟件反應能力更強，更加靈活。

六、結束語

綜上所述，在應用型教學活動中，開發具有實踐教學作用的仿真教學系統成為各個學科教學的新需求。當前利用Unity引擎開發仿真教學系統平臺，其具有仿真強度高、體驗感強的特點，能夠激發學生的學習興趣，并且解決傳統教學存在的不足，有效推動現代教育教學的發展。