詹春娥

摘? ?要：傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)為高校計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)帶來了諸多壓力，隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，虛擬實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值顯而易見。它既能保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，又能加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰吞岣呔C合素質(zhì)。文章基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件VRP，結(jié)合3Dmax建模工具以及Javascript，ASP.NET與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，對構(gòu)建開放式網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn);教學(xué)

1? ? 高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡介

為貫徹落實(shí)總書記對強(qiáng)化實(shí)踐教育工作的重要指示精神和全國高校思想政治工作大會精神，根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》以及《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》等相關(guān)要求，教育部決定進(jìn)一步將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作開展到本科高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室是一種在開放式網(wǎng)絡(luò)化下，運(yùn)用Web技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將現(xiàn)實(shí)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步升級為數(shù)字化和虛擬化。它以計算機(jī)為控制中心，利用軟件技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)模型;同時，使用模塊化和層次化的設(shè)計思想將硬件與軟件相結(jié)合，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。它借助多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將遠(yuǎn)程教育推向了一個新高度，教學(xué)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般由虛擬仿真實(shí)驗(yàn)臺和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)組成，開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展可減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入，也可降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)強(qiáng)度。虛擬實(shí)驗(yàn)臺供學(xué)生動手配置、連接、調(diào)節(jié)和使用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，有利于提高的動手操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。同時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的自動批改功能也減輕教師的工作量[1]。

2? ? 系統(tǒng)的設(shè)計理念與模塊設(shè)計

2.1? 設(shè)計理念

計算機(jī)應(yīng)用能力是高等院校學(xué)生的必備技能之一，計算機(jī)基礎(chǔ)教育成為多數(shù)高等院校教學(xué)體系必不可缺的組成部分;在教學(xué)過程中通常會受到教學(xué)課時和教學(xué)條件的限制，在硬件的組裝與維護(hù)方面使學(xué)生特別是文科專業(yè)的學(xué)生缺乏實(shí)踐的動手能力;建立基于網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室能夠打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，提高教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)更多的應(yīng)用型人才。

計算機(jī)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室采用異步教學(xué)中的多種Web瀏覽，通過互聯(lián)網(wǎng)與學(xué)生用戶進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)?；赪eb的可視化三維環(huán)境功能設(shè)計出常見的計算機(jī)硬件三維模型，設(shè)置對應(yīng)的參數(shù);同時，將每一類三維模型適當(dāng)?shù)慕M合構(gòu)成一個可視化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。網(wǎng)絡(luò)上采用客戶機(jī)/服務(wù)器的模式，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)與處理;客戶機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面操作，傳遞用戶的需求和顯示返回的數(shù)據(jù)結(jié)果;教師或者學(xué)生通過準(zhǔn)入許可證登錄進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室中，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的布置，學(xué)生通過鍵盤與鼠標(biāo)的操作進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，從而完成實(shí)驗(yàn)的教學(xué)[2]。

2.2? 主要模塊設(shè)計

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中虛擬的儀器設(shè)備能夠呈現(xiàn)出真實(shí)設(shè)備難以體現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，既鍛煉了學(xué)生的獨(dú)立思考與實(shí)際能力，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以此培養(yǎng)出更具創(chuàng)新精神與高實(shí)踐能力的人才。為了開放式計算機(jī)基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)⒅R學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)動手能力的培養(yǎng)有機(jī)融合，形成完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，整個體系包含計算機(jī)基礎(chǔ)課程資料、計算機(jī)硬件的外形展示與文字說明、臺式機(jī)與筆記本的組裝實(shí)驗(yàn)、故障的診斷實(shí)驗(yàn)、小型網(wǎng)絡(luò)的組建實(shí)驗(yàn)、教師管理模塊[3]。

（1）課程資料：該模塊以網(wǎng)頁或電子文檔的形式將計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)大綱、教學(xué)課件、電子教案與視頻教學(xué)等進(jìn)行制作與整理。

（2）硬件展示與說明：該模塊以三維立體的方式展示計算機(jī)的各硬件部件，同時，配以文字的介紹說明。

（3）組裝實(shí)驗(yàn)：該模塊包括臺式機(jī)與筆記本的組裝與拆卸虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

（4）故障的診斷實(shí)驗(yàn)：該模塊描述了微機(jī)故障的特征，要求做故障排除的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

（5）組建小型網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)：該模塊可以二維網(wǎng)頁的形式來進(jìn)行網(wǎng)線的制作、路由器的配置、ADSL連接配置，從而進(jìn)一步組建局域網(wǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

（6）管理模塊：角色可以有系統(tǒng)管理員、教師和學(xué)生，由系統(tǒng)管理員做用戶與權(quán)限的管理，教師用戶來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的布置、成績的收集管理，學(xué)生則完成實(shí)驗(yàn)操作。

3? ? 實(shí)驗(yàn)?zāi)K的創(chuàng)建

系統(tǒng)創(chuàng)建過程中，各模塊既可采用HTML網(wǎng)頁或電子文檔的形式展現(xiàn)，也可采用FLASH來演示微機(jī)各部件的工作原理，同時，采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件VRP，結(jié)合專業(yè)的三維建模軟件3DMAX以及Javascript，ASP.NET與數(shù)據(jù)庫等技術(shù)之上來完成整個系統(tǒng)建立。創(chuàng)建虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)室分為模型建立、制作交互文檔、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布3個階段。

3.1? 數(shù)字模型的建立

微機(jī)的各部件采用3DMAX進(jìn)行建模。建模時應(yīng)遵循以下3點(diǎn)：（1）收集相對準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)，以保證模型的形象與逼真。（2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單個硬件應(yīng)予三維模型的層次結(jié)構(gòu)分別建模，并將所有模型整合起來。（3）建模過程中，不僅要刪除冗余分段，而且面片數(shù)要盡可能少，降低整個模型的復(fù)雜度以優(yōu)化模型。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對顯示速度的要求，3DMAX建模后還需進(jìn)行材質(zhì)編輯和燈光效果的設(shè)置，最好利用烘焙貼圖技術(shù)來對模型的紋理進(jìn)行優(yōu)化，以提高渲染速度。烘焙貼圖就是把MAX中物體的光影以貼圖形式帶到VRP中來，以此更具真實(shí)感，烘焙方式有LightingMap，Completemap。不同類型的材質(zhì)采取不同的烘焙方式，材質(zhì)貼圖僅支持jpg，bmp，dds的圖片格式;燈光按照3DSmax的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。模型烘焙時需要注意以下3點(diǎn)：（1）選擇恰當(dāng)?shù)暮姹悍绞?，Completemap光感好但烘焙效果相對模糊，Lightmap貼圖較清晰但光感弱。（2）按照模型材質(zhì)與大小設(shè)置貼圖尺寸參數(shù)，一般小模型、玻璃與金屬材質(zhì)不必烘焙。（3）為了方便管理，按照模型烘焙的類型與貼圖尺寸將模型分類并存放在同一個圖層中。

利用VRP編輯器進(jìn)一步導(dǎo)出場景：（1）通過VRP-for-Max插件導(dǎo)入3DMAX的建模文件。（2）選取導(dǎo)出類型（靜態(tài)模型，剛體、柔體動畫、相機(jī)等）。（3）確定模型命名。（4）導(dǎo)出VRP格式文件。導(dǎo)出的文件通過后期編輯進(jìn)行優(yōu)化[4]。

3.2? 交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

VRP的設(shè)置對象主要包括動作、事件與場景3類要素，VRP交互設(shè)計是在腳本編輯器里建立事件、動作和場景的相互關(guān)系。其中，動作包括對物體移動、旋轉(zhuǎn)、平動、縮放等，選擇攝像機(jī)做視角切換、著色、顯示/隱藏物體、交互控制和粒子特效等。事件包括場景開始事件、鼠標(biāo)和鍵盤事件、計時器和自定義事件等。場景包括文件中后期加入的界面、聲音、材質(zhì)等交互現(xiàn)象。交互操作主要是基于事件驅(qū)動，在用戶觸發(fā)事件或事件自發(fā)（如鼠標(biāo)或鍵盤操作等）時，該事件對應(yīng)的場景則做出相應(yīng)的動作。

3.3? 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

用支持網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的vrpie格式將VRP對象導(dǎo)出，并將它存放在Web服務(wù)器上，也可網(wǎng)上其他媒體素材進(jìn)行合成，形成界面友好直觀、真實(shí)感強(qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，用戶通過網(wǎng)絡(luò)或本地機(jī)對虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行使用。學(xué)生通過鼠標(biāo)對實(shí)驗(yàn)設(shè)備模型的旋轉(zhuǎn)或移動等多角度地觀察，用遠(yuǎn)程瀏覽的方式掌握硬件結(jié)構(gòu)及屬性;通過組裝和拆卸對象等操作，完成老師布置的實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室技術(shù)既能減少實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投入成本，又可應(yīng)用在遠(yuǎn)程教學(xué)網(wǎng)站上，以更好地實(shí)現(xiàn)金屬焊接等實(shí)踐教學(xué)[5]。

4? ? 網(wǎng)絡(luò)測試的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)管理主要由教師在教師管理模塊中承擔(dān)完成，教師在虛擬實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建課程或?qū)嶒?yàn)，添加對應(yīng)的班級學(xué)生，并將實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)任務(wù)與實(shí)驗(yàn)要求發(fā)布給學(xué)生。虛擬實(shí)驗(yàn)室中可實(shí)現(xiàn)無紙化的網(wǎng)絡(luò)測試功能，考查學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能等基礎(chǔ)知識及實(shí)驗(yàn)的操作能力的同時，自動批改功能還可以減輕教師的工作量，測試與成績管理可由數(shù)據(jù)庫管理模塊、組卷與閱卷模塊和信息管理庫等來實(shí)現(xiàn)。采用ASP技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫SQL Server，同時，使用Javascript腳本語言，以此來實(shí)現(xiàn)頁面上網(wǎng)絡(luò)信息的處理。學(xué)生提交試卷時，系統(tǒng)把答案存入臨時數(shù)據(jù)庫中并與正確答案進(jìn)行對比，得出學(xué)生成績后將學(xué)生的答案從臨時數(shù)據(jù)庫中刪除，顯示最終成績[6]。

5? ? 結(jié)語

隨著計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育成為普及教育的有效手段，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)作為理論研究、實(shí)驗(yàn)研究后的又一種重要的科學(xué)研究方法，它既能更好地提高學(xué)生的動手能力又能降低辦學(xué)成本，在高校學(xué)生規(guī)模不斷擴(kuò)大的今天，積極地把虛擬化技術(shù)運(yùn)用到教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

[參考文獻(xiàn)]

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[5]杜玉寶，孫淑強(qiáng)，亓文濤.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化平臺的建設(shè)與思考[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（9）：26-28.

[6]武燁.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].科技資訊，2018（8）：273-274.

Research on virtual simulation laboratory for open computer foundation

Zhan Chune

（Huali College of Guangdong University of Technology， Guangzhou 511325， China）

Abstract：The traditional experimental teaching has brought a lot of pressure to the computer basic teaching in colleges and universities. As virtual experiment technology matures， the value of virtual laboratories in education is evident. It can not only guarantee the quality of experimental teaching， but also strengthen the studentsexperimental ability and improve the comprehensive quality. Based on virtual reality software VRP， combined with 3Dmax， Javascript， ASP and database technologies， this paper discusses the construction of an open network computer based virtual simulation laboratory system.

Key words：virtual simulation; experiment; teaching