虚拟现实在《计算机组成原理》课程教学中的应用探索

刘跃华　何静

摘 要

新工科背景下对计算机组成原理课程的教学提出了新的要求，虚拟现实技术作为信息技术领域的一项热门技术已广泛运用到现实生活中，特别是在教育方面，虚拟现实技术的引入将推动了课程教学模式的改革。本文基于对虚拟现实技术的研究，以计算机组成原理课程为例来探讨虚拟现实在课程教学中的应用。

关键词

虚拟现实;计算机组成原理;教学改革

中图分类号： G642;TP3-4             文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.20

1 计算机组成原理课程的教学特点

计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的核心基础课程之一，也是全国研究生招生的统考课程，该课程在计算机类专业人才的培养体系中起着重承上启下的作用，是深化计算机类专业学生学习能力的重要环节。该课程的教学目的是使学生理解计算机各个部件的工作原理，建立计算机的整机概念，从而具备计算机系统整机和部件的分析和设计能力。通过本课程的学习能为后续课程如计算机系统结构、微机原理与汇编语言、操作系统原理、编译原理等奠定坚实基础。

因本课程介绍的是现代普通计算机的组成与运行机制而不涉及具体的机型（如Intel x86系列机器），其教学内容和原理比较抽象，加之由于计算机科学与技术专业的学生普遍存在电子电路知识基础较为薄弱的问题，而计算机组成原理程中很多内容是讲解芯片内部工作過程的，因此必须辅之以实验环节来提升学生对计算机组成相关原理的感性认识。近年来，计算机组成原理实验教学的研究现状主要集中在以下两个方面：一是关于应用FPGA（现场可编程阵列）和 EDA（电子设计自动化）技术进行计算机组成的实验教学。例如应用FPGA和EDA技术设计运算器和微控制器、简单ALU（算术逻辑运算）设计、组合逻辑控制器的设计、以及FPGA结合外围接口芯片来实现了一个基于MIPS处理器的计数器设计等;二是应用虚拟仿真技术仿真计算机的工作原理，例如算术/逻辑运算实验的仿真，基于客户端技术的计算机组成原理虚拟实验系统，指令级、微体系级仿真系统等。

本校开设的计算机组成原理课程共安排了78个课时的理论和实验教学内容，是计算机科学与技术专业、软件工程专业、物联网工程专业和智慧管理班的必修专业课程，其实验教学环境采用爱迪克（AEDK-CPT）计算机组成原理教学实验系统（实验箱），该实验箱提供的实验内容如表1，虽然在实验箱上可以完成组成原理的大部分实验，但存在如下问题：一是实验箱中的实验内容不能“与时俱进”、升级换代;二是不能在课堂教学上使用以实现互动教学;三是不能实现线上教学以提升学生的自主学习的能力。随着人工智能、大数据、物联网、云计算、区块链等前沿科技的快速发展，新工科的教学理念应运而生，如何培养更多高质量的计算机类专业人才，以适应新一轮科技革命和产业革命对计算机类工程人才的需求，是计算机类专业在新一轮高等教育变革中需要解决的关键问题，在新工科背景下，计算机类专业核心课程的MOOC（慕课）建设与虚拟仿真实验教学越发被重视。

2 虚拟现实技术在课程教学中的应用

早在20世纪60年代，虚拟现实技术（VR）就已产生，局限于当时计算机的性能VR 技术的发展相对缓慢。直到20世纪80年代才开始进入人们的生活。近年来随着信息技术的发展，把VR技术引入课程教学中已成为未来教学模式的发展趋势。VR技术有三大基本特征：沉浸性、交互性和多感知性。沉浸性指使用者置身于计算机创造的虚拟环境中，成为环境中的一员，与环境之间产生相互作用，如同在现实世界中一般;交互性指使用者可以通过身体的运动和语言对虚拟环境中的对象进行交流;多感知性指使用者在虚拟环境中可获得触觉、视觉、听觉等多种感知，从而获得身临其境的感觉。目前虚拟现实仿真平台的实现可以分硬件和软件两大方面。图1给出了虚拟现实实现的基本构架。

虚拟现实设备包括头盔、数据手套输入设备、数据衣，甚至气味发生器、味觉发生器等。“头盔”则由显示器、光学系统、立体声音箱和运动跟踪系统构成。运动跟踪系统一般由发射器、接收器等电子部件组成。目前的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。通过它可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。而借助嗅觉传播技术，可以使用户获得身临其境的感受。对气味进行数字化，而且还可以借助网络在远端重新组合成气味。沉浸式虚拟现实具有一定的优势，它可以提供一个实验的机会，对现实生活中存在一定局限性的情境和对象进行实验，例如，时间段限制、身体不可接近性或者对访问具有高度危险性等情况，可以在一个安全的环境中提供实践和培训，提升学习者的参与度和学习动机。目前，两种主要的沉浸式虚拟现实类型是CAVE（洞穴自动虚拟环境）和HMD（头盔显示器）系统，参与者戴着一副特殊的3D眼镜，以获得虚拟环境的立体视图。因大多数学校计算机的配置不满足的要求，高昂的价格一直是HMD在教育环境中使用的最大障碍之一，至今HMD在教育环境中还没有真正的大规模应用。因此，我们在构建基于虚拟现实的计算机组成原理实验教学系统时，采用虚拟现实建模语言（VRML）与建模工具（如Unity、Vizard）来实现。

2.1 虚拟现实建模语言的应用

VRML是描述虚拟场景的一种标准语言，它可以创建场景和三维造型，具有良好的交互功能，且支持C、C++、数据库、Java等语言的接口，其强大编程能力使图形、动画的制作与控制更加方便。在运用VRML制作本课程的教学课件中，可以将文本、多维动画、小视频等多种媒体信息整合起来，再造真实场景。用VRML制作的课件具有多媒体集成、3D渲染和场景逼真等特点，会激发学生们的学习欲望，加深学生对知识的理解。在课堂教学中用虚拟现实技术造型语言来制作课件，就可以把教学中能应用到的各种元素（文字、图片、动画、视频）做成三维交互的形式，让课件“飞起来”，还可以跟学生进行互动，学生不仅可以很好掌握课件中的知识，也有身临其境的体验。

2.2 Vizard开发工具的应用

在Vizard软件中用户能够快速创建交互漫游的虚拟场景、能够实现具有沉浸感的虚拟现实项目、能够在虚拟场景中应用各种多媒体资源、能够在虚拟场景中添加各种角色并控制其动作行为、用户在Vizard平台中采用Python语言进行程序开发。下面是在一个本实验项目中实现一个虚拟场景的一段Python代码：

Import viz#引入viz库

viz.go（）#初始化绘图环境，构建虚拟的三维场景

object=viz.addChild（'ALU.ive'）#为虚拟场景添加模型文件

object.alpha（.5）#设置模型的透明度

viz.MainView.setPosition（[0，0，-2]）#设置主视点的位置

2.3 Unity开发工具的应用

Unity拥有强大的跨平台能力和快速上手的特性，被广泛应用到虚拟仿真、增强现实等方面，是全球应用较为广泛的VR开发平台，如腾讯公司出品的王者荣耀、暴雪娱乐出品的炉石传说等作品均使用Unity 3D开发。Unity工具中的VRTK（Virtual Reality Toolkit）提供了一系列实现虚拟场景的脚本和插件，可以在Unity5.0以上版本中借用該插件快速构建VR解决方案，如：虚拟空间内的多种运动方式、互动性、通过射线或触摸与Unity 3D中的目标互动、虚拟空间内对象的物理特性（光照、纹理等）、二维三维的控制等。如在实验项目的开发过程中，要实现虚拟场景中一个对象的旋，在Unity 3D中，用transform组件来获取一个物体的位置，用transform的RotateAround方法可以实现场景旋转，其脚本中关键代码如下：

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

利用以上技术和开发工具，我们初步构建了一个“基于虚拟现实的计算机组成课程教学系统”，该系统包含有：基于VRML的教学课件、基于VR的算术逻辑运算实验系统、基于VR的指令解释实验系统、基于VR的存储器扩展实验系统、基于VR的微命令发生系统等构件。该系统在本校2017级计算机科学与技术专业、软件工程专业的7个班教学中得到了尝试应用。与传统教学相比，本教学系统可以发布于本课程的精品课程教学网站上，通过实验教学系统学生可以提前预习实验原理、步骤及流程，通过自主学习形成一套实验方法。在课堂教学上也可以应用该仿真系统进行实验演示，教师与学生互动环节增加，可以大幅提升学生的自主实验能力，其操作能力明显增强，从而加深了学生对本课程理论知识的理解。

3 结语

虚拟现实技术将会对未来计算机组成原理课程的教学带来新的变革，把VR运用到课程教学中，可以营造一个有较强真实感的仿真教学环境，有效地拓展教学的时空范围，有助于学生更好地理解各单元的知识点，增强学习的积极性。随着我国新工科背景下课程教学改革的推进，虚拟仿真实验教学环境将广泛应用于课程的教学中。虚拟现实在我校本课程的教学应用还处于起步阶段，通过后期运行及实践，将不断完善教学系统，不能让教学改革流于形式，使学生更有兴趣参与进来，以提高课程的教学效果和教学质量。

参考文献

[1]Kim MJ. Research trends in rehabilitation program for disabled applying virtual reality technology in Korea[J].Journal of Digital Convergence，2015， 13（2）：381-391.

[2]钱锋，陈学亮.虚拟现实现状综述和关键技术研究[J].计算机研究与发展，2016（08）：40-45.

[3] 工业和信息化部中国电子技术标准化研究院，虚拟现实产业发展白皮书[DB/OL].http：//www.cbdio.com/BigData/2016-09/18/content_52665，2016，4.

[4]李玲，王非.基于网络的虚拟现实技术在高校实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2014，12（3）：38-40.

[5]刘祖珉.虚拟现实在大学计算机课程教学中的应用研究[J].2017.（03）：62-65.

[18]董春华，赵昆明.虚拟现实技术在建筑类课程教学中的研究与应用[J].中国轻工教育，2015（4）：93-96.

[6] 周其楼，孙汉群.基于虚拟旅游的旅游管理专业本科教学探讨[J].江苏第二师范学院学报（自然科学），2016，33（6）：64-66.

[7]安维华，李晓鸥，徐岩.Vizard虚拟现实开发指南[M].北京：清华大学出版社，2017.