計算機組成原理虛擬學(xué)習(xí)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

鄭磊 沈家東

摘要：介紹虛擬學(xué)習(xí)平臺的實現(xiàn)過程，系統(tǒng)采用Unity3D為主引擎，以UGUI為核心建立整個界面，Tomcat為服務(wù)器，MySQL為系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫，C#為主要開發(fā)語言，使用PHP鏈接Unity3D及服務(wù)器。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以幫助學(xué)生掌握計算機系統(tǒng)的硬件組成，理解計算機各功能部件的工作過程及原理，在高校硬件類課程的教學(xué)過程中發(fā)揮著重要的作用。

關(guān)鍵詞：計算機組成原理;虛擬學(xué)習(xí)平臺;Unity3D;MySQL;仿真實驗

Abstract： This paper introduces the realization process of virtual learning platform. The system uses Unity3D as the main engine and UGUI as the core to build the whole interface. Tomcat as the server， MySQL as the background database of the system， C# as the main development language， and PHP to link Unity3D and the server. The application of this system can help students master the hardware composition of the computer system， understand the working process and principle of each functional part of the computer， and play an important role in the teaching process of hardware courses in colleges and universities.

Key words：principle of computer composition; virtual learning platform; Unity3D; MySQL;? simulation experiments

1 引言

計算機組成原理是計算機專業(yè)的核心課程，其主要講解計算機硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，各個功能部件的組成及其工作過程。由于很多知識點抽象且難以理解，并且大多數(shù)都具有較高的技術(shù)性，因此課程難度較大，其教學(xué)內(nèi)容難以通過課堂講授和硬件實驗被學(xué)生理解并掌握[1-3]。然而，學(xué)習(xí)并掌握計算機的整個工作過程，可以幫助學(xué)生形成完整的計算機硬件工作原理模型，建立計算機系統(tǒng)的整機概念。

本文所開發(fā)的虛擬學(xué)習(xí)平臺采用Unity3D為主引擎，以UGUI為核心建立整個界面，C#為主要開發(fā)語言，服務(wù)器為Tomcat，數(shù)據(jù)庫為MySQL，用PHP鏈接Unity3D及服務(wù)器。該系統(tǒng)將理論與實驗相結(jié)合，不僅能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)計算機組成原理中涉及的電子電路等硬件相關(guān)的理論知識，而且還能讓學(xué)生動手實踐，通過虛擬平臺實現(xiàn)運算器、主存容量擴充、中斷服務(wù)等仿真實驗。

2 需求分析

2.1 用戶對象分析

整個平臺的主體用戶分為三類：學(xué)生、教師及管理員。學(xué)生可以通過該平臺下載教案;可以進行在線練習(xí)、模擬測驗來檢驗自己的學(xué)習(xí)成果;進行基于該平臺的仿真實驗來了解線下實驗的大致流程;能與教師產(chǎn)生互動以解決自己無法解決的問題。教師可以通過該平臺管理教案，以保證學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的時效性;可以對題庫進行更新。管理員可以對其他權(quán)限的用戶，即學(xué)生、教師進行管理。

2.2 系統(tǒng)性能分析

1）可用性：虛擬學(xué)習(xí)平臺應(yīng)該使用簡單，界面清晰，響應(yīng)迅捷，讓初次使用的用戶不需要經(jīng)過培訓(xùn)就能很快理解使用方法。

2）可維護性：虛擬學(xué)習(xí)平臺不需要用戶太多信息，但要確保安全，例如在數(shù)據(jù)庫中的部分信息不能用明碼表示。此外，平臺在部署到服務(wù)器后，除了維護者可以給予管理員權(quán)限外，要盡量減少維護者對服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫進行錯誤修復(fù)的次數(shù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功能模塊設(shè)計

本虛擬學(xué)習(xí)平臺分為三大模塊：學(xué)生模塊、教師模塊及管理員模塊。學(xué)生模塊具有課程學(xué)習(xí)、課后練習(xí)、模擬測試、在線實驗、留言等功能;教師模塊具有教案管理，題庫管理，實驗管理、留言處理等功能;管理員具有用戶管理、公告管理等功能。系統(tǒng)功能流程圖如圖1所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

該系統(tǒng)使用7張數(shù)據(jù)庫表：用戶表、章節(jié)表、小節(jié)表、題庫表、留言表、公告表、實驗表。其中部分?jǐn)?shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)描述如下：

tbl_users表記錄用戶信息及權(quán)限，uid作為主鍵，rights作為索引，如表1所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

在該虛擬平臺中，要實現(xiàn)多個模塊的不同功能，其中登錄注冊、公告是公有功能，放在最開始的菜單及各模塊的主界面中。緊接著是學(xué)生模塊、教師模塊、管理員模塊的依次實現(xiàn)。

4.1 公有模塊

4.1.1 登錄注冊

登錄注冊界面是進入虛擬學(xué)習(xí)平臺時最先看到的界面。登錄時需要遞交用戶名，用戶密碼及用戶登錄權(quán)限，注冊時遞交用戶名，用戶密碼及用戶昵稱，通過序列化類TempUser和數(shù)據(jù)庫交換信息后根據(jù)成功與否進入到相應(yīng)的模塊界面。此序列化類主要用于序列化為Json后發(fā)送給服務(wù)器或者從服務(wù)器獲得的Json字符串反序列化為類對象。

4.1.2 主菜單及公告

在對應(yīng)模塊的主菜單界面右邊都會顯示公告欄，這里根據(jù)時間順序記錄最新的公告，用戶可以根據(jù)公告獲得最近的信息。 該界面對應(yīng)7種功能：左邊5個功能模塊，右邊的公告，以及右上角的返回開始菜單。公告欄使用序列化類TempAnnouncement與數(shù)據(jù)庫通信，在每次進入該界面時通過AnnoucementViewer類初始化信息。

4.2 學(xué)生模塊

4.2.1 課程學(xué)習(xí)

在本模塊中，學(xué)生可以獲取每個小節(jié)的概覽，并下載對應(yīng)小節(jié)的課件。具體界面如圖2。

通過點擊下載教案，可以從服務(wù)器獲得相應(yīng)地址，并根據(jù)地址將教案下載到指定位置。其中用到TempChapter、TempSection等序列化類與數(shù)據(jù)庫通信以獲得章節(jié)、小節(jié)信息。若無課件可以下載，則會在“返回”按鈕的左邊給出提示。由于Unity3D并沒有直接打開“選擇文件/保存文件”的相關(guān)API，“下載教案”功能都是由重載系統(tǒng)的動態(tài)鏈接庫來實現(xiàn)的。

4.2.2? 課后練習(xí)

通過該模塊，學(xué)生可以選定章節(jié)與題目數(shù)量，從題庫中抽取題目來進行練習(xí)。練習(xí)完成后可以查看點評來查漏補缺。具體界面如圖3。點擊“隨機生成習(xí)題”后，根據(jù)章節(jié)和題目數(shù)量，從題庫中抽取題目并展示在左邊的板塊里，題目對應(yīng)的序列化類TempQuestion自身提供了題干、答案、點評等所有信息。

4.2.3? 模擬測驗

通過該模塊學(xué)生可以檢驗自己對課程知識點的掌握程度。整個測驗?zāi)J(rèn)持續(xù)60分鐘，總分100分，學(xué)生可以自己指定題目數(shù)量?？梢蕴崆敖痪?，也可以等時間截止后自動交卷。交卷后可以獲得題目點評及最終分?jǐn)?shù)，并可以繼續(xù)開啟新的模擬試題。具體界面如圖4。在這里點擊“返回”不能直接回到學(xué)生主菜單，會出現(xiàn)確認(rèn)按鈕和取消按鈕，以避免測驗到一半時誤操作。

4.2.4? 在線實驗

通過該模塊，學(xué)生可以下載實驗指導(dǎo)書，并進行在線仿真實驗，通過實驗，學(xué)生可以了解實驗過程，為后續(xù)進行線下實驗積累理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗。選擇指定實驗后，進入仿真實驗室。點擊左邊的控件庫可以將里面的部件放入右邊的實驗畫布。每個控件都必須有id，畫布右上角顯示了實驗要求，右中是開始運行，右下角是實驗結(jié)果，若開始運行后實驗過程中連線錯誤，或者在一定時間后指定id的控件輸出錯誤，那會顯示錯誤原因，若成功輸出實驗成功的數(shù)據(jù)，則會顯示成功?？丶呻S意拖拽，編輯、刪除，仿真實驗室如圖5所示。

由于是學(xué)生本地運行實驗，進行一系列邏輯操作，與數(shù)據(jù)庫的通訊僅限于交換多個實驗條目，具體實現(xiàn)邏輯都在本地進行解析。在保證控件id一致且鏈接方向一致時，本模塊即可以判斷實驗成功。譬如如果需要用到寄存器，如果學(xué)生不按部就班使用寄存器控件，而是試圖串聯(lián)其他控件組成寄存器來完成實驗，也許結(jié)果會對，但本模塊并不會認(rèn)為實驗最終正確[4-7]。

4.3? 教師模塊

4.3.1? 教案管理

該模塊教師可以對課程的每個章節(jié)的每個小節(jié)內(nèi)容進行編輯?？删庉嫷膬?nèi)容是小節(jié)的名稱、概述。除此以外，還可以通過該界面上傳課件。當(dāng)一個小節(jié)被刪除時，對應(yīng)課件也會被相應(yīng)的刪除[8]。具體界面如圖6。

點擊章節(jié)后會顯示對應(yīng)小節(jié)，點擊小節(jié)后有個過渡操作來保證安全性，即需要進行“創(chuàng)建新小節(jié)”和“編輯該小節(jié)”的選擇。除此以外，新小節(jié)不能直接上傳課件。創(chuàng)建好后由數(shù)據(jù)庫分配id，之后可以再次編輯，上傳課件，這樣可以避免誤操作。

4.3.2? 試題管理

教師可以在該模塊進行題庫管理。由于虛擬學(xué)習(xí)平臺結(jié)構(gòu)較為簡便，使用該平臺后所需要的維護越少越好，并且力求學(xué)生能實時獲得知識，所以只有3種客觀題型，即選擇題、填空題和判斷題。教師可以自由給指定的章節(jié)增加題目或刪除題目。具體界面如圖7。

點擊章節(jié)后即可獲得隸屬該章節(jié)下所有題目，并且能對單個題目進行任意修改操作。點擊新建題目、CSV批量導(dǎo)入即可在本章節(jié)下加入新題目。例如填空題內(nèi)會有相應(yīng)的提示來處理多答案、多填空的情況。

4.3.3? 實驗管理

教師可以通過該模塊進行實驗管理，為學(xué)生提供新的實驗實踐內(nèi)容并提升學(xué)生的動手能力。該模塊的學(xué)習(xí)成本較高，因為實驗邏輯大概都是通過字符串?dāng)?shù)據(jù)再解析的，缺乏可讀性和通用性。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了計算機組成原理虛擬學(xué)習(xí)平臺的開發(fā)和實現(xiàn)過程，系統(tǒng)實現(xiàn)了課程學(xué)習(xí)、課后練習(xí)、在線實驗、用戶管理、公告管理等功能。通過使用該系統(tǒng)，能夠充分激發(fā)學(xué)生對計算機硬件的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實踐動手能力，是硬件類課程教學(xué)的有效補充。

參考文獻(xiàn)：

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[8] 吳有林.多媒體課件設(shè)計與開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

【通聯(lián)編輯：王力】