浦慧忠

摘 要：以真实的计算机课程学习的改造需求为研发背景，根据自身特点和项目的总体开发要求和建设目标，结合课题“组装与维修课程虚拟三维学习平台的实践研究”，提出了一种基于Virtools结合3DMAX等其他技术的虚拟仿真学习系统的开发，对相关主要环节进行优化处理，为课程学习平台的搭建提供有力支持。

关键词：虚拟现实；Virtools；计算机组装与维护；建模；交互

中图分类号： TP399 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2015）06-

Abstract： In view of real reform demand of computer courses as research and development background ， meanwhile according to their own characteristics， overall development requirements and construction goal of the project， the paper combines with the subject "virtual 3 D assembly and maintenance course learning platform practice research"， puts forward a kind of virtual simulation study system development based on Virtools coordinating with other production software technologies such as 3DMAX ， also optimizes the processing of major link， which could provide strong support for the curriculum learning platform construction.

Key words： Virtual Reality；Virtools；Computer Assembly and Maintenance；Modeling； Alternately

0 引 言

如何提升学生的学习效率始终是研究学界探讨热议的中心问题。现在比较流行体验式学习即“做中学”（learn by doing）。举个例子，一个小孩想探究海底动物之间的关系，可以通过在虚拟现实世界里的一片海洋的海底中去畅游，并探索海底动物之间关系及海流变化。上述这种类似学习体验都是极为丰富、又颇为有趣的。所以将虚拟现实技术应用于教育教学将是教育技术发展的一个全新飞跃，因其营造了这样一个“自主学习”的环境：由学生通过自身与周围相关信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式取代曾经的“以教促学”的传统学习方式 [1]，也就成功在即，现实可期了。本文将对这一课题内容展开研究论述。

《计算机组装与维护》课程是计算机类专业高职学生必修的一门专业基础课，动手实践性很强。课程内容主要涉及计算机硬件的选择、安装与调试、操作系统的安装与调试、驱动程序的安装、常用软件的安装等。在目前现有的实际环境中，由于学校经费的限制，很多实验室的计算机硬件更新迟缓，设备落后、老化且数量匮乏，不能满足体验式教学的需要，往往是教师示范多，学生动手少，无法保证每个学生都得到亲自动手的机会。而如果能成功构建一个虚拟的仿真实训系统，就可以很好地解决上述问题，这一方面有利于教师课堂教学的展开，另一方面也有利于学生进行体验式学习，迅捷掌握技能，达到事半功倍、现实理想的教学效果。

1 国内外研究现状及趋势

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，可以利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，并可使用户沉浸到该环境中。上个世纪 90 年代，国外就已经开启了虚拟现实这方面的研究，时至今日，虚拟现实技术的研究在欧美发达国家已经堪称普及。其中，美国更是已将虚拟现实列入其科研发展的战略规划中。

与国外相比，国内虚拟现实技术的研究起步较晚，但却受到特别重视。国内的部分重点高校，如清华大学、华中理工大学、四川大学、复旦大学、上海交通大学等，都已经展开虚拟现实的研究并取得了一定的研究成果。

具体到基于计算机硬件的虚拟现实的研究和应用方面，国内在理论研究中进行了较多探索，而基于特定实训项目的研究却因受到众多条件的限制，开发出的成果还比较少。一些早期的虚拟实验中主要用到的都是二维单机版，只适合课堂教学的辅助演示，并且在这类虚拟实训系统中学生操作的实验仪器就是一些图案和符号，枯燥抽象，不利于学生的理解和掌握。虽然近几年也有一些三维的虚拟实训设计，对相关器件提供了写实模拟，但大多交互功能都不强，更大程度上只适用于课堂教学演示，沒有设计针对学生的操作技能进行演练和提升的环节，不利于学生开展和实现探究性学习[2]。而现阶段对于计算机组装与维护的实训要求已日趋高端精细，也更加注重计算机与人的交互体验，在实现上大多都采用 Java 3D、VRML 等语言研制开发，并且还要能实现3D效果。

总的来说，虚拟现实技术的研究正处于起步与发展状态，并没有形成完整的技术体系，还有许多关键技术尚需研究探索，获得全面解决。

2 理论依据

虚拟现实技术主要有以下四种基本应用类型：（1）桌面虚拟现实。其最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。（2）沉浸的虚拟现实。（3）增强现实的虚拟现实。（4）分布式虚拟现实[3]。

一个虚拟仿真实训系统的构建过程一般分为三维场景、实物的建模和交互两个步骤。通过前期的网上调查研究、各种技术分析比对，最终选用3DS Max 软件来进行三维场景以及实物的建模，选用 Virtools 软件来进行各类模型之间的交互。

Virtools软件具有强大的3D互动展示功能[4][5]。具体包含了创作应用程序、动作引擎、渲染引擎、Web播放器、软件开发工具包（SDK）等几个部分。采用Virtools开发项目还具有开发难度低、开发周期短、真实性好、交互性强等特点[6]。因此，本项目开发采用Virtools 技术，Virtools软件操作平台如图1所示。

3 具体实施

该虚拟仿真实训系统采用基于Virtools技术再结合3DMAX或Maya、sketchup、VRML、Java等其他技术[7]，来模拟计算机组装与维护课程中的计算机硬件部分，诸如中央处理器CPU、主板、内存条、风扇、显卡、硬盘、光驱、机箱等安装及调试；计算机软件部分则可描述为Windows操作系统的安装、驱动程序的安装、应用软件的安装等。在此基础上，即能进行动态的仿真实验并实现交互，从而达到虚拟现实所要求的沉浸感、真实感和交互性。该系统的实现步骤可分述如下。

3.1 建模

采用3D模型建立实训平台及计算机硬件模型，画面要求真实，动态仿真实验交互过程和实验现象。sketchup软件可以非常方便地建立计算机硬件的3D模型，同时可以利用goole3D模型库里的现有模型，再利用3DMAX建立各种复杂计算机硬件（如CPU、主板等）三维物体，并将这些物体导出为VRML文件，导入VRML文件中进行二次开发，从而形成丰富多彩的虚拟现实世界，构建完成三维场景设计。图2和图3分别为3DMAX导出文件和Virtools导入文件的过程。

计算机硬件实物模型包括：中央处理器CPU、主板、内存条、硬盘、显卡、风扇、机箱、电源、光驱、音箱、显示器、鼠标、键盘等。由于这些实物器件是主要的交互对象，而且还将涉及到后期计算机硬件三维模型的展示，因此要求这部分模型制作要具有较高精细程度。

以主板为例，其上有内存插槽、硬盘和光驱接口、中央处理器CPU底座、中央处理器、中央处理器风扇及安装架、散热器、电容器、键盘、显示等外设接口及各种电子元件等。为此，首先分开依次建模，然后组合成整体的方法来创建主板上众多的元件。在3DS Max中具体实现是通过挤出修改器、旋转、布尔运算等功能，再进行 Group（组合），调整确定了各元件在主板上面的相应位置，最后渲染输出。

3.2 交互

由于交互是整个虚拟仿真系统的核心，Virtools将结合使用Java和VRML技术实现组装过程的交互，如图4所示。利用Java编程语言进行二次开发，使整个场景具有交互性，利于教学对象、即学习者可以随意的漫游在虚拟的实验场景中了解组装维护的全过程，而免除了因多次实验、可能损坏实际计算机硬件设备的顾虑及风险。

计算机硬件的组装分为演示和手动两部分.演示部分以视频播放为主，包括实物演示和三维虚拟演示。由于该环节主要是自动演示设计，交互功能不多，易于实現，此处不过多表述。

手动组装部分是学生自主进行探究性的实训部分，交互要求很高。以中央处理器CPU的安装为例，系统并未给出正确位置的提示，而是事先设定一个位置热区，学生在学习了相关硬件知识后通过鼠标移动来找寻CPU安装的正确位置，当CPU移动到系统事先设置的热区附近时，CPU会自动摆放在正确的位置上，整个过程即视为成功。如果CPU没有正确摆放，在学生提交实验后，系统会自行判断并指出错误之处，要求重新返回并加以改正，直至安装正确为止。在整个过程中，系统还会设置一些常见的错误障碍，如内存条的安装正反面，硬盘接线的颜色等，让学生找错并自行更正。CPU正确位置热区的设置程序可以描述为：Key Waiter实现 CPU 的移动方式，CPU m 实现 CPU 正确位置的计算，Set Position、Get Position 确定 CPU 在主板上的正确位置并和主板建立连接，具体如图5所示。CPU m为 VSL 脚本语言自行编写的 BB，程序代码略。最后还有结果评价程序及其代码。

3.3 其他功能

系统实现中，还包括有共享、纠错、自学、测验等功能。其中，共享提供计算机组装与维护过程中的视频和学习资料，供学生进行自主学习，以便熟悉整个组装与维护的过程，从而提高自己动手操作实践的能力，高效掌握技能。纠错则定制了错误提示功能，可以针对学生在实训过程中的错误操作给予适时的提示，并对出现错误的地方提供相关学习资料，使学生掌握相关知识，避免重复出现类似错误。自学就是提供所有硬件设备库，通过软件做好的模型导入到硬件设备库，实训时可以对硬件进行选择，库中不仅保存设备的3D模型数据，还保存各个部件的相关技术参数资料，学生可以通过虚拟仿真系统了解各个部件的种类，特性和功能。最后，测验将能够提供一种类似于比赛的模式进行组装与维护的测试，通过计时，打分等环节实现对课程学习的综合评价总结。

4 结束语

通过研究发现，虚拟仿真实训系统在计算机实践教学中具有至关重要的意义，既可以达到节约经费，缩短时间，丰富资源的目的，又可以获得直观、真实的效果，使教师的实验教学手段更趋多样化、数字化，从而有利于培养学生对这门课程的学习兴趣，增强动手能力，乃至在学生科学意识和创新精神的综合培养上，发挥其积极且关键的现实作用。

参考文献：

[1]D·A·库伯著 .体验学习—让学习成为学习和发展的源泉[M].王灿明，朱水萍，等译.上海：华东师范大学出版社，2008.

[2]瞿曌.网上虚拟实验的研究与教学[J].开放教育研究，2004（4）：62-64.

[3]申蔚.虚拟现实技术[M].北京：北京希望电子出版社，2002.

[4]刘明昆.三维游戏设计师宝典-Virtools 开发工具篇[M].成都：四川电子音像出版中心，2005.

[5]刘明昆.三维游戏设计师宝典-Virtools 技术实战篇[M]. 汕头：汕头大学出版社，2006.

[6]王乐，陈定方，尹念东.基于Virtools的分布式虚拟现实技术研究[J].湖北工业大学学报，2005，20（3）：22-24.

[7]崔光佐，程旭，杨芙清.基于WWW的网上虚拟实验室设计与实现[J].北京大学学报，2004，（6）：43-46.