基于虛擬現實技術的仿真教學平臺的建設
——以《計算機組裝與維護》為例

賈曉琪， 蘆囧耀

（山西工程科技職業大學 信息工程學院， 山西 晉中 030619）

0 引 言

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術融合了多媒體技術、圖形圖像技術、人工智能傳感技術、仿真顯示技術等多技術的信息技術，能夠創造一個集視覺、聽覺、觸覺等多種感覺器官體驗于一體的虛擬環境，給人一種身臨其境的感覺［1］。 虛擬現實技術隨著信息技術的發展，已經涉及到了各個領域。 2017年，國家教育部辦公廳發布了《關于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，提出了“高校的實驗教學要積極探索，建設示范性的虛擬仿真實驗實訓教學項目”的目標［2］。 本文通過分析虛擬現實技術的主要特點、關鍵技術，結合當前虛擬仿真教學平臺建設及應用的現狀，探究建設《計算機組裝與維護》課程的仿真實訓平臺，并且進行了實際應用。

1 虛擬現實技術

Bingitta Hosea 描述虛擬現實技術為“通過數據虛構的假定空間”，空間中包含三維空間數據，能夠讓用戶沉浸其中與空間互動，并且操控空間［3］。

Michael Heim 通過“3I 描述”定義虛擬現實：沉浸（Immersion），通過虛構空間的沉浸式體驗，讓用戶從心理上感覺置身于計算機空間中；交互（lnterativity），通過用戶感官和計算機系統的交互，獲取信息的雙向交換； 信息強度（Information Intensity），虛擬現實能夠讓人身臨其境遠程控制，體驗虛構空間所包含的巨大信息數據［3］。

1.1 技術特點

虛擬現實有5 大特點［4］：

（1）沉浸性。 沉浸特性是虛擬現實技術最主要的特點。 用戶能夠通過感覺器官感受自己深處虛擬現實構建的虛擬空間中。 在使用虛擬現實空間時，能夠產生思維共鳴，體驗心理沉浸，如同在真實世界一般。

（2）交互性。 虛擬現實技術能夠讓用戶接觸到虛擬空間中的物體，當用戶對空間中物體進行操作時，物體會展現出相應的反應。

（3）多感知性。 虛擬現實技術中，用戶可以通過各種感覺器官去感知虛擬空間，為用戶的沉浸體驗和交互操作提供了基礎。

（4）構想性。 用戶在虛擬空間中沉浸式操作，除了客觀認識世界外，還可以拓寬自己的認知范圍，體驗客觀世界無法實現的一些場景，有利于發散用戶思維，催生新的理念。

（5）自主性。 虛擬現實技術的自主性是指在用戶主導地位作用下，虛擬空間中的所有物體都像現實世界一樣，會根據物理運動規律作出相對應的反應。

1.2 關鍵技術

（1）動態環境建模技術。 虛擬現實技術能夠借助建模技術開發出仿真的環境模型，并會獲取實時的空間數據信息，讓所構建的環境模型動態展現在用戶面前。

（2）實時三維圖形生成技術。 實時三維圖形生成技術能夠讓用戶在VR 體驗過程中，空間根據用戶操作實時變化，保證虛擬空間的“反饋”能力。 一般情況下，三維圖形的刷新頻率不得小于每秒15 幀。

（3）立體顯示和傳感器技術。 虛擬現實技術通過立體顯示和傳感技術捕獲虛擬空間的響應范圍［5］。

（4）應用系統開發工具。 為了保證虛擬現實技術開發過程的順利及后續產品的穩定性，應選擇適當的應用系統開發工具。

（5）系統集成技術。 虛擬空間模型的創建一定要搭配場景應用，并且模型中蘊含大量的數據信息。

2 虛擬仿真教學項目研究背景及現狀

2.1 研究背景

信息技術的迅速發展推動了計算機相關課程的知識更新，大多數專業課程的講授由于環境的限制，缺乏學生實際操作的環節，無法真正做到理論與實踐并重。 本文依據山西工程科技職業大學的計算機組裝與維護實驗室的具體情況進行了計算機組裝與維護虛擬仿真教學平臺的建設探究。 該實驗室當前主要面臨以下幾個問題：

（1）硬件滯后和硬件設備不足，影響實踐課程開展和學生實踐動手能力提高；

（2）由于學生對計算機組裝過程掌握不夠深入，導致組裝時硬件損壞嚴重，增加設備維修費用，減少學生實驗機會；

（3）計算機設備以及設備零件雜亂，給學校實驗教學管理造成困擾；

（4）教學時間、空間有限，教學效率較低；

（5）傳統的教材無法讓學生真實的去模仿電腦組裝的過程，缺乏自己動手組裝的虛擬仿真環境，學生始終很難真正掌握計算機的組裝過程。

2.2 研究現狀

2016 年，北京科技大學教師以其現有的國家級鋼鐵生產教學中心的教學資源為基礎，開發了自動化實訓虛擬仿真實踐教學系統，學生可以親身體驗自動化系統的設計、開發和調試，提高了學習效果［6］；汕頭大學物理實驗教學中心教師經過調研和經驗總結，2018 年提出了校級物理虛擬仿真實驗中心建設方案，2019 年完成虛擬仿真教學平臺建設，并于2020 年進行了虛擬仿真實驗的教學實踐［7］；2020 年，云南農業大學資源與環境學院教師打破了傳統實驗室教學中學生無法完成田間種植以及缺少儀器測試的局限性，建設了“土壤-生態綜合實驗課程虛擬仿真實驗教學課程共享平臺”［8］；南京工程學院計算機工程學院教師構建了斷路器虛擬仿真實驗系統，解決了斷路器實驗教學中學生人數多、實驗資源與學時少、實訓師資缺乏等難題，提高了實驗教學質量［9］。

3 虛擬仿真平臺建設

3.1 平臺建設方案

針對《計算機組裝與維護》課程教學所搭建的虛擬仿真教學平臺，圍繞課程知識結構，設計了教師端和學生端兩種登錄模式，以虛擬現實和3D 仿真為技術支撐，通過Unity 3D、Maya 和3D Studio Max開發工具進行開發，使用時需搭配虛擬現實設備，平臺的建設方案如圖1 所示。

圖1 平臺的建設方案Fig.1 Platform construction plan

平臺學習內容豐富，包含了學習模式、綜合實訓以及考核模式。 在學習模式中，平臺針對各個計算機配件的實物都進行了虛擬建模，有完整的計算機配件選購組裝過程的演示，教學平臺涉及知識點16個，具體見表1；綜合實訓模式中，依靠虛擬環境，學生可以更加清晰的了解每個配件的安裝、拆卸及維護，自行選擇不同類型的配件進行組裝；在考核模式中，平臺將虛擬實驗和現實實驗相融合，要求學生獨立完成課程理論考核和實訓考核。

表1 仿真教學平臺中的實訓模塊及知識點Tab.1 Practical training modules and knowledge points in the simulation teaching platform

3.2 儀器設備

平臺使用過程中涉及儀器設備有學生機、教師機、VR 套裝、一體機及平臺運行管理的服務器；軟件有計算機組裝虛擬仿真軟件、計算機組裝VR 系統以及實驗室綜合管理平臺。 具體軟硬件配置及描述見表2。

表2 虛擬仿真實驗軟硬件配置表Tab.2 Virtual simulation experiment software and hardware configuration

4 虛擬仿真平臺實訓應用

《計算機組裝與維護》課程通過虛擬仿真平臺進行教學，以學生自主學習為主，教師講授、指導學生實訓操作為輔。

4.1 實訓步驟

（1）通過教師講授和指導，學生自主開展計算機組裝實訓，理解計算機硬件的基礎知識，能夠熟悉仿真實訓軟件的操作方法；

（2）學生自由選擇不同等級的配件裝機，熟悉裝機的整個流程，培養學生自主設計實訓方案、自己控制實訓過程、自主分析實訓結果的能力；

（3）通過仿真系統記錄學生操作的步驟和結果；

（4）系統導出記錄，生成并打印電子版實驗報告，同時對錯誤操作和設計進行糾錯。

4.2 實訓效果

教師在平臺考核模式下，對學生考核過程中操作的完整性、科學性進行評判，同時對錯誤操作給予糾正并記錄，并可選擇導出師生操作記錄。

虛擬仿真教學平臺為教師提供了優質的教學環境，教學過程中不再受現實條件限制的制約，提高了教學的效率；也能夠調動每一位學生的學習積極性，使其切實參與其中，提高動手能力；平臺在保證教學效果的同時，節約了教學的成本。

通過虛擬仿真教學平臺在實訓教學中的應用，訓練了學生對計算機組裝與維護的實際操作能力，培養學生在學習中不斷發現問題、解決問題的能力。平臺對學生的實訓過程、結果、報告等信息進行記錄，教師可以針對特殊的、共性的問題進行分類記錄，總結并分析常見錯誤，形成資源庫，供之后的學生學習借鑒。

5 結束語

計算機組裝與維護虛擬仿真教學平臺的建設實現了實訓教學內容和教學方式的多樣化，該平臺實現了信息技術與實驗教學的深度融合，以項目化教學的形式將計算機硬件認識、計算機硬件選擇搭配、計算機硬件組裝過程、計算機啟動錯誤檢查等理論課程與實踐有機結合在了一起。

計算機組裝與維護虛擬仿真教學平臺的應用改善了材料成本高、時間消耗長等真實教學狀況，達到理論與實踐相結合的教學模式和教學效果，虛擬仿真技術改善了當前的教育環境和教學效果，使紙質理論真正的轉變為親身實踐，讓知識內化于心，外化于行。