基于Unity的仿真教学系统的设计与研究

俞晓妮 贾婷君

（沈阳职业技术学院，辽宁 沈阳 110045）

引言

仿真教学是用计算机来模拟真实自然现象或社会现象，学生模拟扮演某一角色进行技能训练的一种教学方法。它能在很大程度上弥补客观条件的不足，为学生提供近似真实的训练环境，提高学生职业技能。仿真教学系统是虚拟现实技术、计算机技术、网络技术与专业理论知识多方面结合的结晶。不仅能克服学生实验的时间与空间上的限制，还能摆脱原有设备条件的约束。让学生在虚拟交互的实验中，降低了硬件的损坏率，避免了学习的盲目性，提高了实验的成功率，因此设计虚拟仿真实验教学系统具有可行性和必要性。

一、平台的选择

本系统基于Unity3D平台开发设计， Unity集成了MonoDeveloper编译平台，以C#和JavaScript为主要的编码语言，可发布至Windows、Android、IOS或OSX平台，也可利用插件Unity web player直接发布至网页。对于小型开发者选择该引擎非常适合。

二、基于Unity的仿真教学系统的设计需求

（一）基于Unity的仿真教学系统设计开发原则

1.人性化原则。在信息时代下，开发仿真教学系统本意是为了提高线上教育平台的直观性和柔性化，能够实现以学生为主体的教学活动。因此基于Unity引擎的计算机组仿真教学系统开发设计必须要具有人性化的功能特点，能够辅助完成计算机组装的理论教学，展开系列的实践教学活动。

2.易操作特点。基于Unity的仿真教学系统的开发是面向学生和教师的，该系统在操作控制上必须具有易操作性，可以在多种教学场所、教学平台上实现，需要适应Pc端和手机端。

3.可扩展性特点。伴随着社会的发展，各专业学科的知识内容都不是一层不变的，而是会随着社会需求出现新的知识内容和实践需求的。因此开发一个成熟的仿真教学系统平台需要拥有可扩展性，能够在系统框架不变的情况下实现功能模块的拓展。

（二）基于Unity的仿真教学系统设计开发的需求

1.仿真教学系统平台开发设计需要满足课程需要。计算机组装课程是一门实践性较强的学科，其需要学生能够充分掌握计算机的部件组成情况，能够动手完成计算机部件组装，并且满足学生的仿真活动，给出计算机实验分数。因此基于Unity的仿真教学系统的开发和设计需要满足三个模块需求，即计算机组成部件仿真实训室、计算机组装演示实训室以及计算机组装仿真交互考核实训室。

2.仿真教学系统平台开发设计要具有兼容性。仿真教学系统平台的开发设计并不是满足某一个学校的某一个专业而实现的，而是要实现多个学校多个专业的需求。因此需要设计开发的系统能够拥有动态化的控制技术和方法。

三、基于Unity的仿真教学系统平台的设计

仿真教学系统主要是由在线虚拟仿真技术、C#相关技术、三维模型创建及优化技术、碰撞监测、界面设计及优化、脚本优化等技术组成。

（一）虚拟仿真技术。虚拟仿真技术成为虚拟显示技术，其本质是通过计算机虚拟出来一个环境，由此营造出一个真实的世界，通过这一技术让计算机组装课程教学能够更加的真实，学生也可以依靠视觉、听觉等进行交互仿真。

（二）人机交互界面的设计及优化。在仿真教学系统中借助人机交互技术，可以有效地导入人对计算机的操控，从而更好地发挥计算机对人的影响。通过人机交互界面设计及优化可以让仿真教学系统在操作和应用上更加人性化，操作性也更强。

（三）仿真教学系统效率的优化。虚拟仿真教学系统是实时计算、实时更新的。用户操作在某一时刻状态是不可预见的，所有状态也不能一直保存在系统的内存中，这就要求仿真教学系统具有较高的实时性。虚拟环境是不断动态创建和删除变化的。整个系统要存储不断变化的系统状态，还要承担与输入、输出通信等功能，导致巨大的计算量。这就要求仿真教学系统具有高速的处理器和图形加速能力。基于Unity的仿真教学系统设计最重要的是绘制技术。减少或消除绘制过程中的瓶颈可有效提高系统性能。可在应用程序阶段提高CPU的速度，也可以在保证绘制质量的前提下尽量减少建模使用的多边形数目，降低场景的复杂度，还可以采用编程技巧来实现。例如代码编写时少应用除法运算。在几何处理阶段，通过减少光源数目或更改光源类型的方法减少计算量。但有些优化技术是牺牲绘制质量来提高执行速度。

（四）仿真教学系统开发流程

由于虚拟环境中的模型和纹理贴图都来源于真实素材，开发之前需要采集图片、声音等多媒体资源，通过Photoshop和3ds Max来处理贴图和构建三维模型。将其导入到Unity3D引擎中，创建GUI界面，编写交互脚本代码，这也是系统功能实现的最重要环节。最后对建立的互动仿真教学系统进行发布，即PC端或手机端。对教师和学生进行培训，让教师和学生参与到仿真教学系统的共建与优化中，完善仿真教学系统。

四、基于Unity的仿真教学系统平台的实现

（一）仿真教学系统的实现。计算机组件仿真教学系统是在Web服务器基础上搭建起来的，采用的是浏览器/服务器的架构。学生或教师通过客户端向Web服务器发送请求，网站后端经过业务处理，向原先建立好的数据库提取数据，向客户端反馈相关处理结果，由浏览器解析后显示在前端，本文采用的是mysql数据库来存储数据。

（二）仿真教学系统的学习模块的实现。在计算机组件仿真教学系统中，课程学习模块较为复杂，不利于学生的个性化学习，同时各种计算机组件实践活动更是需要不定时的更新。当前课程学习模块的实现是在三大课程项目中创建系列课程。

（三）仿真教学系统实验考核模块的实现。实验考核模块是需要能够通过仿真系统对用户操作活动进行信息数据采集之后根据用户数据编码与事先录入的标准操作编码进行对比评分，存入到mysql数据库中。通过还原对比的方式显示在实验考核模块中。

五、基于Unity的仿真教学系统平台的测试

（一）基于Unity的仿真教学系统平台的测试

在进行Unity仿真教学系统的平台设计与实现之后，需要完成对该系统软件功能和数据的验证。其测试需要从以下三方面进行。

1.仿真教学系统的登陆和加工测试。在进行仿真教学系统登陆测试时，需要在教学系统中注册一个用户账号，然后登陆到仿真系统的客户端，在仿真教学平台上选择课程内容，启动课程功能作用，进行整个仿真教学平台的功能测试。

2.用户在仿真教学系统上的操作存储测试。计算机组件仿真教学系统的课程功能较为丰富，且要求满足的大量学生同时登陆使用该系统，因此在仿真教学系统的实现测试时，需要做好其操作存储功能的测试。当前主要是通过同时输入多组不同的账号密码，来测试账号的验证功能。如，根据设置的账号和密码都是错误的情况下，查看系统是否可以直接正确给出“提示”，之后将正确和错误的账号密码分别输入进行登陆验证，查看给出的提示情况。

（二）基于Unity的仿真教学系统平台的结果分析

通过上述所展开的仿真教学系统平台的功能测试结果可知，该系统具有较高的操作性，整体功能也较为完整顺畅。而本次设计的仿真教学系统基本能够满足计算机组装的教学需求，但是仍旧有许多可供改进的地方。可根据教学需求不断调整仿真软件的参数，使得软件反应能力更强，更加灵活。

六、结束语

综上所述，在应用型教学活动中，开发具有实践教学作用的仿真教学系统成为各个学科教学的新需求。当前利用Unity引擎开发仿真教学系统平台，其具有仿真强度高、体验感强的特点，能够激发学生的学习兴趣，并且解决传统教学存在的不足，有效推动现代教育教学的发展。