高 倩
安徽林业职业技术学院,安徽 合肥 230031
虚拟现实技术,又称 VR(Vitual Reality),是集计算机模拟仿真技术、多媒体技术、传感器技术为一体的综合性科学研究体系,具有沉浸性、交互性、创造性等特点,有着仿真性、自主性、开放性、安全性等优势,主要通过三维仿真技术模拟现实真实环境,让人通过传感器外设如头盔、手套、眼镜等与虚拟现实发生交互,以获得真实体验感。目前,虚拟现实技术已经受到社会的广泛关注,为人类的生活带来了新的机遇,有效地促进了社会的进步与发展,在医学、军事、旅游、市场营销、教育等许多领域产生了变革性的影响。近年来,虚拟现实技术在教育领域也逐渐受到专家学者的认可,如通过虚拟现实技术建立虚拟仿真实验室、进行场景交互式体验教学、开展模拟训练体验教学、构造虚拟实物等[1]。
虚拟实验系统是指借助虚拟现实、模拟仿真、传感器、超媒体、互联网能技术所构造的,能够模拟真实实验场景及操作环节实验反馈的软硬件操作环境。近年来,虚拟实验系统越来越受到专家学者的关注,主要研究体现在虚拟实验系统的设计与开发、虚拟实验系统关键技术的研究、以及虚拟实验系统构建方法策略和实践等方面[2]。本研究将以计算机组装维护课程为例,通过设计虚拟实验系统,运用3ds max 软件建模虚拟实验室和三维硬件模型,并将模型导入到Unity 3D 软件中,实现硬件模型的展示和实验交互功能等,以期为更好地改进教学方式,激发学生学习兴趣,促进知识理解。
计算机组装维护是一门对实践动手能力要求很高的课程,学生通过对台式计算机进行拆卸,了解计算机的内部的硬件构造、装配位置及方法,掌握CPU、主板、内存条、输入输出设备、机箱、电源等的工作原理、故障警报方法、故障处理方法。由计算机组装维护的课程内容和授课目标可见,熟练掌握计算机硬件的基本原理、构造及故障处理是建立在熟练实践的基础上的,因此这门课程的学习,需要多观察、反复练习,在实践中获取经验。如果我们建立计算机组装维护虚拟实验系统,可以节省教学和实验经费,学生用虚拟的计算机硬件进行组装,即使操作出现失误,也不会损坏耗材。因此,建立计算机组装维护虚拟实验系统是符合学习者认知规律,对知识的掌握有促进作用的。
针对本系统的目标用户对象——大中专计算机相关专业学生的学习需求进行调查,通过调查,了解了学生对于计算机组装维护课程实验的基本需求、困惑和亟需解决的问题。
针对问卷“你在计算机组装维护实验中,遇到的问题是什么?”的调查结果,结果显示,29.3%的学生认为“除了实验课,没有机会进行实验”;28.6%的学生认为“实验过程中缺少观摩指导”;23%的学生认为“还未充分掌握知识点,课程已结束”;10.9%的学生认为“实验时间不够长”。
由问卷可知:学生在实验课以外,很难有机会进行计算机组装维护实验,因此一定程度上影响了学生实践技能的培养。另外,在实验过程中,由于缺乏系统的观摩指导时间,往往以小组为单位进行组装实验,对实验结果的正确性也缺乏论证。因此,建立计算机组装维护虚拟实验系统,可以让学生在课前课后随时随地开展实验,复习巩固知识点[3]。在虚拟实验系统中,加入实验观摩指导模块,让学生可以直观地了解计算机硬件部件的外形、功能及组装位置和方法,观摩后,再进行实验,可以提高实验结果的正确性。
通过对虚拟实验系统的主要模块进行了设计,如图1 所示。该虚拟现实实验平台从主菜单界面进入后,主要分为三个功能模块:硬件构造观摩模块、虚拟组装模块和经验积累模块。
图1 计算机组装维护系统模块示意图
硬件构造模块主要是在系统中进行计算机硬件各部件的三维模型展示,从视觉上,让学生直观地了解硬件的构造及组装位置等,并且以学习视频的形式,向学习者介绍各硬件部件的功能。
虚拟组装模块可以让学习者在三维虚拟环境中,自由选择硬件部件,在主板上进行模拟组装,从模型库中选择相应的部件,安装到主板各卡槽内,使得计算机主机能够成功运行,通过视频的形式,进行硬件组装维护展示,并指导组装实验顺利进行。
经验积累模块,主要训练学习者对硬件故障排除的掌握。故障排除实践练习,可让学习者迅速找到有问题的部件,更换后,使硬件系统运行正常。通过主动动手实践,顺利掌握原本枯燥难懂的硬件故障提示,在真机出现问题时,也能迅速排除故障。
计算机组装维护虚拟实验系统的构建需要靠三维建模来支撑,首先要搭建虚拟实验室环境,让学习者有身临其境的感觉,为下一步沉浸式实验提供环境基础。可以通过3ds max 建模构造还原真实的组装维护实验室,并且要在实验室内装配组装实验台,所有的实验部件都将在实验台上进行组装。其次,要将计算机的各硬件部件如主板、CPU、内存条、CPU 风扇、网卡、显卡等用3ds max 进行建模并贴图加材质灯光效果以贴近真实感。
3ds max 中的建模方式主要包括多边形建模、NURBS 建模、面片建模等方式,以3ds max 建模CPU 风扇为例,可以把CPU 风扇分解为两部分,扇叶部分和扇叶保护罩,扇叶部分我们可以先用二维线条画出扇叶的横截面,通过“挤出”修改器,得出扇叶的三维模型。扇叶保护罩也可以先编辑横截面的二维线条,再通过“车削”修改器,得到三维保护罩,通过布尔运算等,得出保护网状的扇叶保护罩。在建模完成后,需要对模型进行优化,删除不必要的面,减少渲染时间,进行材质贴图,体现模型的材质效果。
4.2.1 三维模型的导入
在3ds max 中完成计算机组装维护硬件部件及虚拟实验室场景的建模后,需要把这些三维模型作为素材导入到Unity 3D 软件中,以实现虚拟实验中的交互功能。前期建模及贴图完成后,将所建好的模型,选择3ds max 界面左上角“文件”——“导出”,导出为 Autodesk(*FBX)格式,导入到 Unity 中存放于Assets 文件夹中,这样在Unity 3D 的项目面板中可以浏览三维模型资源。
4.2.2 “硬件构造观摩”模块的Unity 实现
Unity3D 是由Unity Technologies 开发的一款可以实现三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具,是一个全面整合的专业游戏引擎。其有着可视化的综合编辑窗口,可以对导入的资源进行参数设置并添加脚本使其具有交互特性。
“硬件构造观摩”模块主要包括“硬件三维展示”和“硬件功能介绍”两部分,当把三维场景和部件模型导入到Unity 3D 后,就要为各模型添加相应的脚本,脚本语言一般为JavaScript 和C#,以实现硬件模型的自动旋转为例,可以创建一个JavaScript脚本加以实现,具体代码如下:
如要详细了解某一个硬件的功能,可以点击该部件,这时会弹出该部件的信息窗口,向学习者展示硬件的具体功能,可以在Unity 中用JavaScript 脚本加以实现,具体代码如下:
虚拟现实技术具有仿真性、自主性、开放性、安全性的特点。在计算机硬件组装维护教学时,建立一款虚拟现实实验系统能够为学生提供一个自主、开发、交互、科学的学习实验平台,能够满足学生的实验需求,打破时空条件限制,丰富教学形式,培养学生的主观能动性和学习兴趣。