虚拟现实技术应用在计算机组装与维护教学问题探索

崔翔

（郑州电力职业技术学院，河南 郑州 450000）

一、引言

虚拟现实技术在近些年随着移动通信网络、传感器技术的发展成熟，以及计算机仿真技术、人工智能、大数据的进一步发展，虚拟现实技术和设备也在近几年开始大量的应用在各个领域中。其中教育领域更是其中最为成熟的一个部分，近几年来国家和教育部也多次下文和提出指导意见，提出要适应“互联网+职业教育”新要求，全面提升教师信息技术应用能力，推动大数据、人工智能、虚拟现实等现代信息技术在教育教学中的广泛应用。计算机组装与维护课程是高职高专中信息大类的重要课程，他为计算的使用和维护培养出了大批人才，但是这门课程一直以来教学中实验和动手少，学生实践能力不理想。

虚拟现实技术由于其技术特点可以在日常的实践操作中让学生身临其境，并且可以随着计算机硬件的发展和变化，快速地了解和应用最新技术和最新设备的应用方法和特性，这是在传统实践教学中很难实现的。既降低了长期教学成本又提高了教学效果

二、虚拟现实技术

虚拟现实技术是从计算机仿真技术发展而来的一项技术，其中包含了计算机图形学、多媒体技术、传感技术、计算机网络技术、等多种技术的集合产物。虚拟现实技术通过多种传感器获得用户的指令信号，传输到服务器中，服务器通过相关软件所建立的模型，结合存储在数据库中相关参数，建立仿真模型，并且根据传感器中的方向和方位参数，将相应视角中模型生成图像信息，最后再通过VR 眼镜将图像信息传达给使用者，通过这样的紧密交互过程，虚拟现实技术就能够让使用者获得身临其境的沉浸式体验。

虚拟现实技术的提出和实践很早，但是在当时因为计算机技术、电子技术和通信技术的不成熟，一直未能得到发展，近三十年来，随着液晶显示技术和计算机技术的发展，虚拟现实技术最早开始应用在军事训练领域，但是软件和模型开发困难，设备价格昂贵，相关设备笨重体验差，对使用者的要求高等原因，一直未能获得更广泛的应用。随着近些年移动设备的发展，相关的芯片和传感器都有了新的进步，在设备成本上也下降到可以接受的程度，计算机软件技术也随着人工智能和大数据的发展而得到了新的进步。虚拟现实技术也迎来了新的发展机遇，并且被越来越多的领域所接受和应用。

虚拟现实技术在教育领域的应用历史悠久，虚拟现实具有成本低廉、安全高效、体验效果好、声光反馈强烈，学生记忆印象深刻的特点，已经成为部分学科的常见教学手段。传统的装配类实验课程会面临着设备零件陈旧，实验价格昂贵，每个学生的实验时间不足等问题，但是计算机仿真和虚拟现实设备可以让实验变得生动有趣。根据公开论文调查和结论，目前虚拟现技术已经在医疗技术、驾驶员培训、装备制造维修，建筑设计等多个教学领域得以实践，通过虚拟现实技术，不仅可以实现单人的沉浸式体验，还可以实现多人协同配合模拟实验。

三、虚拟现实技术应用在计算机组装与维护课程中的举措

（一）虚拟现实相关硬件设备的引入

虚拟现实技术的应用需要改变传统的课堂结构，在传统的装配类实验中，采取的是零件材料加上实际安装的方式，零件教具在这个过程中，由于学生大多为新手，而电脑硬件在设计上，绝大多数设备都未按照高频次拔插的强度设计，因此设备和零件的损坏速度非常快。另外计算机设备零件大多数价格较高，因此实践操作成为这门课程中的短板。其次，计算机设备发展速度很快，可以说每年都会有新零件和新设备投入使用，在实际操作中，由于条件限制，学生很难接触到最新的设备产品。再这样的现状下，相关实验的开展大多数是教师的演示性教学，学生参与度很低，动手实践的机会很少，这是完全违背高职教育培养应用性和实用型人才的目标的。

根据实际的课堂需求，如果想要实现计算机组装与维护此类课程与虚拟现实技术相结合的实验，需要使用沉浸式虚拟现实技术，沉浸式虚拟现实技术具有身临其境的感觉，在体验过程中需要使用VR 眼镜和声光配合，代替输入人的视觉和听觉，再加上感应式装配手套，就可以模拟进入实验空间，进行相应的装配实验。此外在教学过程中需要教师进行指导，所以应该配备相应的投影展示设备，此外虚拟现实技术想要达到较为理想的响应速度和绘制较为真实而精细的模型，需要高性能的计算机作为软件运行的载体，其中对于显卡和CPU 性能要求尤为重要。因为具有真实体验的虚拟现实设备需要在极端的响应时间内反馈传感器信号和视频信息，因此现在大多数的高性能VR 眼镜都是采用有线连接的方式进行数据传输，所以在使用中比较受限制，随着5G 通信技术的发展，未来虚拟现实技术在短距离内也许能够更方便地进行应用。

（二）相关软件的开发和模型的建立

软件的开发和应用在系统中同样非常重要，自2016 年国家各部委多次下发文件推动虚拟现实技术的发展和应用以来，虚拟现实技术的开发在我国也呈现着高速发展的趋势，近几年应用在教育领域的各种虚拟现实软件也逐渐增多，特别是近两年，多家高校开发出了应用在装配类实验领域的相关软件，并投入使用获得了巨大的成功。但是在计算机组装与维护此类课程中，并没有合适应用的软件被开发出来，因此需要借鉴同类装配类虚拟现实仿真软件，并且根据计算机组装与维护课程的需要，开发出适合的实验软件。

计算机组装与维护课程的实践操作类课程，需要学生掌握计算机各种硬件的安装和拆卸，计算机硬件故障的排查与维修。从软件类型上来讲，与其他装配类实验的逻辑大致相同。但是，计算机的各类硬件的模型和运行逻辑需要同时进行新的开发。从模型方面来说，主要的方式是采用3D 技术开发高度仿真的模型，与各个硬件生产厂商进行合作，获取各种硬件的测绘参数、设备的基本运行逻辑、常见的故障和易损坏故障点。从这些真实的信息出发将计算机设备的维护、安装、维修的真实场景搬进虚拟场景中，营造合适的实验环境。从逻辑方面来说，需要根据硬件条件建立合理的物理碰撞模型，硬件装配步骤判断，虚拟计算机运行逻辑判断等逻辑和程序的设计，最终开发出使用与计算机组装与维护课程的虚拟现实设备。

（三）设计建立实验与课程相结合

根据引入的硬件设备和开发的软件与模型，需要设计出与虚拟现实技术相配合的实验。现在的课程中，计算机组装与维护课程所设计的实验是根据利用真实计算机进行的实验，并不完全适应于虚拟现实环境中，所以绝大部分实验需要重新进行设计。虚拟现实实验的好处在于，一次开发多次利用，计算机仿真技术可以将高成本和高危险性的实验变的安全低价，学生和教师不需要担心损坏实验材料，并且可以多次进行破坏性的实验，并且不用担心在常见的实验环境中需要注意的触电等损伤身体的安全事故。但是虚拟现实技术也有缺陷，在模拟条件下，很难实现在真实条件下的随机性和100%真实度。所以在虚拟现实条件下，实验的重点应集中在利用虚拟现实技术的优点，回避现有的缺点。建立实验的时候，利用虚拟现实技术展示的真实感，向学生展示多种硬件的姿态和形状，装配实验中可以多次进行，加深学生的体验，回避现在虚拟现实设备回馈感不足的缺点，避免建立感觉类的实验内容。与书本课程相结合，让学生能在沉浸式的体验中，学会知识，掌握技能。

四、结语

将虚拟现实技术和实践类教育相结合必然是未来的趋势，相较于现有的教育技术手段，虚拟现实技术体验感更强，成本更低，在大规模推广之后，单生的教育成本有可能会降低到现有的十分之一。这将是推广高等教育的重要方式。根据虚拟现实技术的技术特点和虚拟现实技术与教育相结合案例，以及软件模型开发等各个方向的分析，虚拟现实技术与计算机组装与维护课程相结合进行应用一定是可行的，并且在未来会成为整个职业教育体系中的重要技术手段。