虛擬拆裝教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

申蔚 李天宇

摘? 要：探索可行的虛擬仿真實驗教學模式，可以有效地激發(fā)學生參與課程學習的熱情，提高教學質(zhì)量與效果。本項目針對計算機主機拆裝傳統(tǒng)教學過程中存在的弊端，綜合使用3ds Max、Unity3D、MySQL等軟件開發(fā)了一個具有三維展示、實時交互、在線測評等功能的計算機虛擬拆裝教學系統(tǒng)，從而有效的彌補了傳統(tǒng)實踐課程的不足之處。

關(guān)鍵詞：虛擬拆裝;Unity3D;仿真教學

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）05-0072-04

Abstract： Aiming at the drawbacks in the traditional teaching process of computer host disassembly and assembly， this project has developed a computer virtual disassembly and assembly teaching system with the functions of three-dimensional display， real-time interaction， online evaluation and other functions by using 3ds Max， Unity3D， MySQL and other software， so as to effectively make up for the shortcomings of traditional practice courses.

Keywords： virtual disassembly; Unity3D; simulation teaching

虛擬拆裝仿真教學是指利用虛擬現(xiàn)實（簡稱VR）技術(shù)模擬計算機等復雜機械設備的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和拆裝過程，同時讓用戶可以通過鼠標、數(shù)據(jù)手套等設備進行交互操作，在仿真環(huán)境中對虛擬物體進行全面考察、操縱乃至拆裝維修的學習訓練，從而使教學與實驗取得事半功倍的效果。

一、系統(tǒng)的需求分析與功能設計

本項目結(jié)合計算機專業(yè)《計算機組成原理》課程中的主機拆裝實驗教學進行了研究。由于受場地、教學條件和成本等限制，目前主要的教學方式為教師講解，配合書本、教學課件和視頻加以輔助說明，之后帶領(lǐng)學生到實驗室展示一遍主機的拆裝過程。實踐的方式是7-8個人分為一個小組，每組分配一臺計算機主機，供學生進行拆裝練習。這種教學和實驗方式，學生距授課教師較遠，導致教師演示拆裝過程時學生很可能看不清或看不到。而在分組練習時，需要多人共用一臺主機，每人的練習時間十分有限。同時，供練習的計算機也多為實驗室淘汰的舊產(chǎn)品，與當前主流的計算機結(jié)構(gòu)存在一定差異，導致學到的拆裝知識與實際應用不能準確匹配。

虛擬仿真實驗的教學方式可以很好的解決上述問題。系統(tǒng)主要設計了三大功能模塊：VR教學演示、自主練習和虛擬考試。

1. VR教學演示模塊

學生不再受到實地觀察和視頻錄制角度的制約，可以自主漫游、360度觀察計算機主機的每個零部件，同時系統(tǒng)將以文字或音頻的方式給出對應的功能說明。教學演示主要以三維動畫的方式展示計算機主機的拆裝過程，學生可根據(jù)需求選擇觀看步驟，并進行重復多次的學習。

2. 自主練習模塊

學生既可以通過鼠標、鍵盤加顯示器等傳統(tǒng)設備，也可以通過外接數(shù)據(jù)手套加VR眼鏡等專用設備進行主機的拆裝練習。在此模塊中，學生可在模擬的實驗環(huán)境中運用學習到的拆裝知識進行反復練習，鞏固、加深自己的記憶，也可自行探索其它安裝順序，當硬件被正確安裝后系統(tǒng)會播放音頻提示作為判斷標準。

3. 虛擬考試模塊

系統(tǒng)可以提供拆裝操作的考核，并對學習情況和效果進行評價與統(tǒng)計分析。在該模塊中，學生將在規(guī)定時間內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)布的題目要求，從包括干擾項的多個部件中選出正確的加以安裝。系統(tǒng)對正確的硬件和安裝流程預設了分值，可以根據(jù)操作步驟和完成情況進行計分，并將測試記錄到對應的數(shù)據(jù)庫中。

二、虛擬拆裝教學系統(tǒng)的開發(fā)流程

教學系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1所示。其中的主要工作如下：

（一）三維建模和渲染

首先，使用3ds Max軟件進行三維模型的創(chuàng)建，賦予各部件材質(zhì)與貼圖，并為拆裝的教學演示設計并制作了場景動畫。V-Ray渲染引擎能為三維模型添加逼真的紋理與光影效果，可以有效地補足3ds Max默認材質(zhì)在擬真程度上的不足。在此過程中，為保留V-Ray逼真的渲染效果，需要在3ds Max中對硬件模型進行預渲染。

（二）交互設計

系統(tǒng)的交互功能在Unity 3D軟件中完成。在導入模型并重新賦予貼圖后，通過編寫C#腳本代碼實現(xiàn)動畫演示模塊、拆裝練習模塊和自我測驗模塊的功能。同時，系統(tǒng)還添加了學生注冊登錄的用戶界面，以及用PHP連接的用于記錄學生成績的MySQL數(shù)據(jù)庫。最終，對程序進行測試、優(yōu)化后發(fā)布。

（三）系統(tǒng)的打包發(fā)布

Unity 3D的一大特色是能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品在不同平臺的發(fā)布。本系統(tǒng)的主要發(fā)布方式為網(wǎng)絡平臺，這樣可以使學生不受設備和場地等因素的限制，通過網(wǎng)絡隨時進行自主學習和拆裝練習。選擇將系統(tǒng)發(fā)布為WebGL數(shù)據(jù)包，使用Unity 3D生成嵌入式代碼，并將代碼嵌入到NetBeans平臺的網(wǎng)站中，即可將Unity 3D項目在網(wǎng)頁中正常運行。同時，由HTML5標記語言實現(xiàn)Web交互式三維場景的渲染、發(fā)布和運行。

與此同時，系統(tǒng)也提供了本地沉浸式的虛擬拆裝運行平臺，即通過使用數(shù)據(jù)手套等專用VR設備，以更接近人類自然交互的方式來完成培訓。如圖2所示。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）建模精度的取舍

理論上來講，三維模型的精度越高，越能夠達到真實的展示效果，使用者獲得的沉浸感也越強。但與此同時，高精度也會給系統(tǒng)帶來極大的處理負擔，出現(xiàn)運行畫面遲緩、虛擬交互操作卡頓等現(xiàn)象。而如果三維模型過于粗糙，帶給使用者的沉浸感就會減少乃至消失，無法體現(xiàn)出將虛擬現(xiàn)實技術(shù)帶入教學系統(tǒng)中的意義所在。所以在遵循資源最優(yōu)化的原則下，本系統(tǒng)結(jié)合不同的任務需求采用了不同的精細度建模方法。

為保證教學效果，對一些需要重點講解的關(guān)鍵部件盡可能地還原實物。制作較精細的模型，外觀及尺寸數(shù)據(jù)與真實物體保持一致。但同時也對其做了適當簡化，對于部分模型中需要大量多邊形構(gòu)建的部分，如主板基板的凹凸電路、CPU底部的觸點等，直接使用基于實物照片的高分辨率貼圖代替。此類模型包括：主板、CPU、CPU散熱風扇、內(nèi)存條、顯卡等。

場景和輔助部件的模型僅制作簡模，刪除多余的面片Poly和網(wǎng)格Mesh，保證系統(tǒng)將最大運算資源集中在硬件模型的移動、旋轉(zhuǎn)時的圖形計算上，防止出現(xiàn)畫面卡頓、抖動、切換場景時加載時間過長等問題，從而保證在虛擬練習等人機交互過程中的流暢性。此類模型包括：機箱、工作臺、輔助拆裝工具等。

（二）材質(zhì)的貼圖與導出

使用虛擬拆裝教學系統(tǒng)的用戶主要交互對象為硬件模型，因此在制作時，使用高質(zhì)量渲染引擎V-Ray對硬件模型的每種材質(zhì)進行了單獨編輯，設置了漫反射、衰減等光效變化，賦予了細致的紋理和1024*1024分辨率的高清貼圖，確保模型的逼真程度。由于Unity 3D無法讀取V-Ray材質(zhì)，為保留V-Ray渲染效果，需要在3ds Max中對硬件模型進行預渲染。具體實現(xiàn)技巧如下：

1. 因為Unity 3D默認的貼圖通道與3ds Max不同，因此首先需要對硬件模型的貼圖進行整體轉(zhuǎn)移。在硬件模型制作完成后，將所有零件組合為一個可編輯多邊形，對模型進行UVW展開，使貼圖布線貼合模型，之后將貼圖移入第2貼圖通道。

2. 進行V-Ray貼圖的烘焙，通過V-Ray渲染器，將模型在無光環(huán)境下的灰度深淺與在光線照射下每種材質(zhì)反射的光線顏色表現(xiàn)，烘焙為灰度貼圖與高光貼圖。

3. 渲染結(jié)束后將硬件模型的材質(zhì)調(diào)整為灰模，由3ds Max導出為.fbx文件，再導入至Unity 3D中。通過Unity 3D的著色器Shader，將硬件模型的材質(zhì)設為Legacy類型，兩種V-Ray貼圖分別作為漫反射貼圖和高光貼圖，調(diào)整貼圖的平鋪大小與UV坐標直到與灰模貼合。

（三）信息提示交互功能的實現(xiàn)

此功能主要實現(xiàn)在教學展示過程中，鼠標滑過相應關(guān)鍵部件時，在鼠標指針右下角位置實時提供該部件的名稱等提示，當有提示時用戶可以點擊鼠標左鍵查看該部件的詳細信息，再次點擊鼠標左鍵可取消信息框。

實現(xiàn)此功能首先需要在模型的相應位置上添加Collider碰撞體組件，再編寫信息框彈出的腳本，分別指定當鼠標滑過、離開和點擊碰撞體時要實現(xiàn)的功能，繼而分別把各個部件的信息提示腳本掛載到相應帶有碰撞體組件的模型上。

（四）數(shù)據(jù)庫的設計

虛擬教學拆裝系統(tǒng)選擇的數(shù)據(jù)庫管理工具為phpMyAdmin。phpMyAdmin是一個安裝在Web服務器中、以PHP為基礎(chǔ)的MySQL數(shù)據(jù)庫圖形化管理工具，讓管理者可用Web接口管理和操作MySQL數(shù)據(jù)庫。教師無需安裝額外軟件，通過瀏覽器即可登錄phpMyAdmin教師權(quán)限賬戶，遠程管理MySQL數(shù)據(jù)庫，查詢已注冊的學生人數(shù)、學號姓名、考試成績，或手動修改、刪除部分學生信息，操作十分便捷。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設計分為三部分：學生信息、裝配信息和模型庫。

學生信息存儲的數(shù)據(jù)較少，僅需存儲學生的學號、姓名、密碼等身份認證信息以及考試成績，數(shù)據(jù)構(gòu)造簡單，建立單表即可完成。

裝配信息需要記錄各部件的位置關(guān)系、拆裝序列等參數(shù)，還需要記錄三維模型文件的加載、正確的裝配關(guān)系、以及預定義的數(shù)據(jù)格式文件。將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與專門的裝配檢測算法相結(jié)合，從而判斷出操作是否正確。如果安裝位置和順序均匹配，則可以實現(xiàn)部件的自動對齊。

拆裝教學系統(tǒng)具有良好的可擴展性，主機及其各部件被存儲在一個專門的三維模型庫中，并可根據(jù)當前主流的型號定期制作和導入新的模型，解決了實體教具因硬件發(fā)展而落后淘汰，難以更新?lián)Q代、維護升級，成本高昂的問題。

四、教學效果的數(shù)據(jù)分析

課程開設正值疫情防控期間，學生們無法在學校的實驗室進行真實的上機操作練習，這也正好給本研究投入應用提供了一個非常好的契機。為了更好的了解虛擬拆裝教學系統(tǒng)的使用效果，我們通過網(wǎng)課教學平臺提供的統(tǒng)計功能，從學習時長、測驗得分、問卷調(diào)查等多個維度對教學質(zhì)量進行了數(shù)據(jù)分析，并與往屆在專業(yè)實驗室使用數(shù)據(jù)手套進行虛擬訓練的效果進行了對比。

（一）VR教學和自主練習模塊的數(shù)據(jù)分析

本學期共有67名學生參加了虛擬主機拆裝訓練，最終的數(shù)據(jù)分析顯示：所有學生觀看視頻的平均反芻比為245.73%，最高反芻比389.41%，如圖3所示。所有學生的自主練習次數(shù)均為3遍以上。其中，有76.12%的學生人數(shù)比例練習了4遍，占總?cè)藬?shù)的最多，其次是練習5遍的人數(shù)比例占到了14.93%，如圖4所示。其中，練習次數(shù)總排名居于前三位的同學，測試成績分別獲得了100、100、99的高分數(shù)。這說明自主練習對提高教學質(zhì)量和學習成績是非常有幫助的。

（二）不同實踐模式的對比

在調(diào)查問卷中，對虛擬拆裝教學的滿意度結(jié)果顯示：75.3%的學生喜歡這種教學模式，而有24.7%的學生希望在真實的實驗環(huán)境中操作，填寫的主要原因是認為遇到問題面對面的交流會更清楚。這在一定程度上說明了課堂實踐教學也具有其不可取代的重要性。

在調(diào)查問卷中，我們還請往屆在專業(yè)實驗室使用數(shù)據(jù)手套進行過虛擬訓練的10位同學進行了用戶體驗的對比。其中主要的描述指標包括：

準確性：完成任務的正確率

容錯性：由于遮擋、噪音等造成的識別誤差

舒適性：長時間操作造成的疲勞度、不良反應等

復雜度：交互復雜度

易用性;帶給用戶的心理感受

普遍的感受是使用數(shù)據(jù)手套這類專業(yè)的VR設備，有新鮮感，同時操作的沉浸感會較強;完成任務的正確率、誤差的識別率均與使用鼠標鍵盤的網(wǎng)絡版沒有顯著差異;但使用數(shù)據(jù)手套會在交互復雜度上略微高一些，而且還受到數(shù)量、成本、使用地點等限制。綜合上述因素，同學們還是認為網(wǎng)頁嵌入式的拆裝訓練系統(tǒng)更具有實用性和教學推廣價值。

五、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實作為一門新興的科學，目前也尚有諸多因素限制它在教育領(lǐng)域的廣泛應用。例如，自身技術(shù)還不夠成熟，用于教育和培訓的應用系統(tǒng)依然較少，硬件設備比較昂貴等。但是，它的“沉浸性”“交互性”與“構(gòu)想性”，不但非常有利于教學人員構(gòu)建一種全新、多變的教學環(huán)境和教學手段，而且為學習者提供了一種可以進行交互、直觀、自主探索的學習環(huán)境和學習方法，從而有效地激發(fā)學生參與課程學習的熱情，在多方面提高教與學的質(zhì)量和效果。為了創(chuàng)造更加自然沉浸的三維交互體驗，本系統(tǒng)計劃在后續(xù)的升級改良中，嘗試實現(xiàn)自然交互，即通過手勢識別技術(shù)，輔助深度學習等算法，實現(xiàn)無需懸空操作的雙手動作，特別是對雙手交叉換位等動作，在算法層加以改進，從而使用戶體驗大幅提升，為更多課程的教學改革提供可行性參考。

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