申蔚 李天宇

摘? 要：探索可行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以有效地激發(fā)學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的熱情，提高教學(xué)質(zhì)量與效果。本項(xiàng)目針對計(jì)算機(jī)主機(jī)拆裝傳統(tǒng)教學(xué)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(gè)具有三維展示、實(shí)時(shí)交互、在線測評等功能的計(jì)算機(jī)虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)，從而有效的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐課程的不足之處。

關(guān)鍵詞：虛擬拆裝;Unity3D;仿真教學(xué)

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)（簡稱VR）技術(shù)模擬計(jì)算機(jī)等復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和拆裝過程，同時(shí)讓用戶可以通過鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套等設(shè)備進(jìn)行交互操作，在仿真環(huán)境中對虛擬物體進(jìn)行全面考察、操縱乃至拆裝維修的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，從而使教學(xué)與實(shí)驗(yàn)取得事半功倍的效果。

一、系統(tǒng)的需求分析與功能設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)《計(jì)算機(jī)組成原理》課程中的主機(jī)拆裝實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了研究。由于受場地、教學(xué)條件和成本等限制，目前主要的教學(xué)方式為教師講解，配合書本、教學(xué)課件和視頻加以輔助說明，之后帶領(lǐng)學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室展示一遍主機(jī)的拆裝過程。實(shí)踐的方式是7-8個(gè)人分為一個(gè)小組，每組分配一臺計(jì)算機(jī)主機(jī)，供學(xué)生進(jìn)行拆裝練習(xí)。這種教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方式，學(xué)生距授課教師較遠(yuǎn)，導(dǎo)致教師演示拆裝過程時(shí)學(xué)生很可能看不清或看不到。而在分組練習(xí)時(shí)，需要多人共用一臺主機(jī)，每人的練習(xí)時(shí)間十分有限。同時(shí)，供練習(xí)的計(jì)算機(jī)也多為實(shí)驗(yàn)室淘汰的舊產(chǎn)品，與當(dāng)前主流的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)存在一定差異，導(dǎo)致學(xué)到的拆裝知識與實(shí)際應(yīng)用不能準(zhǔn)確匹配。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式可以很好的解決上述問題。系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了三大功能模塊：VR教學(xué)演示、自主練習(xí)和虛擬考試。

1. VR教學(xué)演示模塊

學(xué)生不再受到實(shí)地觀察和視頻錄制角度的制約，可以自主漫游、360度觀察計(jì)算機(jī)主機(jī)的每個(gè)零部件，同時(shí)系統(tǒng)將以文字或音頻的方式給出對應(yīng)的功能說明。教學(xué)演示主要以三維動(dòng)畫的方式展示計(jì)算機(jī)主機(jī)的拆裝過程，學(xué)生可根據(jù)需求選擇觀看步驟，并進(jìn)行重復(fù)多次的學(xué)習(xí)。

2. 自主練習(xí)模塊

學(xué)生既可以通過鼠標(biāo)、鍵盤加顯示器等傳統(tǒng)設(shè)備，也可以通過外接數(shù)據(jù)手套加VR眼鏡等專用設(shè)備進(jìn)行主機(jī)的拆裝練習(xí)。在此模塊中，學(xué)生可在模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)用學(xué)習(xí)到的拆裝知識進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，鞏固、加深自己的記憶，也可自行探索其它安裝順序，當(dāng)硬件被正確安裝后系統(tǒng)會播放音頻提示作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

3. 虛擬考試模塊

系統(tǒng)可以提供拆裝操作的考核，并對學(xué)習(xí)情況和效果進(jìn)行評價(jià)與統(tǒng)計(jì)分析。在該模塊中，學(xué)生將在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)布的題目要求，從包括干擾項(xiàng)的多個(gè)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(yù)設(shè)了分值，可以根據(jù)操作步驟和完成情況進(jìn)行計(jì)分，并將測試記錄到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

二、虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)流程

教學(xué)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(jìn)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(xué)演示設(shè)計(jì)并制作了場景動(dòng)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(bǔ)足3ds Max默認(rèn)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(jìn)行預(yù)渲染。

（二）交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的交互功能在Unity 3D軟件中完成。在導(dǎo)入模型并重新賦予貼圖后，通過編寫C#腳本代碼實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫演示模塊、拆裝練習(xí)模塊和自我測驗(yàn)?zāi)K的功能。同時(shí)，系統(tǒng)還添加了學(xué)生注冊登錄的用戶界面，以及用PHP連接的用于記錄學(xué)生成績的MySQL數(shù)據(jù)庫。最終，對程序進(jìn)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(luò)平臺，這樣可以使學(xué)生不受設(shè)備和場地等因素的限制，通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和拆裝練習(xí)。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(xiàng)目在網(wǎng)頁中正常運(yùn)行。同時(shí)，由HTML5標(biāo)記語言實(shí)現(xiàn)Web交互式三維場景的渲染、發(fā)布和運(yùn)行。

與此同時(shí)，系統(tǒng)也提供了本地沉浸式的虛擬拆裝運(yùn)行平臺，即通過使用數(shù)據(jù)手套等專用VR設(shè)備，以更接近人類自然交互的方式來完成培訓(xùn)。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(dá)到真實(shí)的展示效果，使用者獲得的沉浸感也越強(qiáng)。但與此同時(shí)，高精度也會給系統(tǒng)帶來極大的處理負(fù)擔(dān)，出現(xiàn)運(yùn)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(shí)技術(shù)帶入教學(xué)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(wù)需求采用了不同的精細(xì)度建模方法。

為保證教學(xué)效果，對一些需要重點(diǎn)講解的關(guān)鍵部件盡可能地還原實(shí)物。制作較精細(xì)的模型，外觀及尺寸數(shù)據(jù)與真實(shí)物體保持一致。但同時(shí)也對其做了適當(dāng)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(diǎn)等，直接使用基于實(shí)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(fēng)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(yùn)算資源集中在硬件模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)時(shí)的圖形計(jì)算上，防止出現(xiàn)畫面卡頓、抖動(dòng)、切換場景時(shí)加載時(shí)間過長等問題，從而保證在虛擬練習(xí)等人機(jī)交互過程中的流暢性。此類模型包括：機(jī)箱、工作臺、輔助拆裝工具等。

（二）材質(zhì)的貼圖與導(dǎo)出

使用虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的用戶主要交互對象為硬件模型，因此在制作時(shí)，使用高質(zhì)量渲染引擎V-Ray對硬件模型的每種材質(zhì)進(jìn)行了單獨(dú)編輯，設(shè)置了漫反射、衰減等光效變化，賦予了細(xì)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(jìn)行預(yù)渲染。具體實(shí)現(xiàn)技巧如下：

1. 因?yàn)閁nity 3D默認(rèn)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(jìn)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(gè)可編輯多邊形，對模型進(jìn)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(jìn)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(dǎo)出為.fbx文件，再導(dǎo)入至Unity 3D中。通過Unity 3D的著色器Shader，將硬件模型的材質(zhì)設(shè)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(biāo)直到與灰模貼合。

（三）信息提示交互功能的實(shí)現(xiàn)

此功能主要實(shí)現(xiàn)在教學(xué)展示過程中，鼠標(biāo)滑過相應(yīng)關(guān)鍵部件時(shí)，在鼠標(biāo)指針右下角位置實(shí)時(shí)提供該部件的名稱等提示，當(dāng)有提示時(shí)用戶可以點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵查看該部件的詳細(xì)信息，再次點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵可取消信息框。

實(shí)現(xiàn)此功能首先需要在模型的相應(yīng)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(dāng)鼠標(biāo)滑過、離開和點(diǎn)擊碰撞體時(shí)要實(shí)現(xiàn)的功能，繼而分別把各個(gè)部件的信息提示腳本掛載到相應(yīng)帶有碰撞體組件的模型上。

（四）數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

虛擬教學(xué)拆裝系統(tǒng)選擇的數(shù)據(jù)庫管理工具為phpMyAdmin。phpMyAdmin是一個(gè)安裝在Web服務(wù)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(yuǎn)程管理MySQL數(shù)據(jù)庫，查詢已注冊的學(xué)生人數(shù)、學(xué)號姓名、考試成績，或手動(dòng)修改、刪除部分學(xué)生信息，操作十分便捷。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)分為三部分：學(xué)生信息、裝配信息和模型庫。

學(xué)生信息存儲的數(shù)據(jù)較少，僅需存儲學(xué)生的學(xué)號、姓名、密碼等身份認(rèn)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(yù)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(shí)現(xiàn)部件的自動(dòng)對齊。

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

四、教學(xué)效果的數(shù)據(jù)分析

課程開設(shè)正值疫情防控期間，學(xué)生們無法在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)的上機(jī)操作練習(xí)，這也正好給本研究投入應(yīng)用提供了一個(gè)非常好的契機(jī)。為了更好的了解虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)的使用效果，我們通過網(wǎng)課教學(xué)平臺提供的統(tǒng)計(jì)功能，從學(xué)習(xí)時(shí)長、測驗(yàn)得分、問卷調(diào)查等多個(gè)維度對教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，并與往屆在專業(yè)實(shí)驗(yàn)室使用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行虛擬訓(xùn)練的效果進(jìn)行了對比。

（一）VR教學(xué)和自主練習(xí)模塊的數(shù)據(jù)分析

本學(xué)期共有67名學(xué)生參加了虛擬主機(jī)拆裝訓(xùn)練，最終的數(shù)據(jù)分析顯示：所有學(xué)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(xué)生的自主練習(xí)次數(shù)均為3遍以上。其中，有76.12%的學(xué)生人數(shù)比例練習(xí)了4遍，占總?cè)藬?shù)的最多，其次是練習(xí)5遍的人數(shù)比例占到了14.93%，如圖4所示。其中，練習(xí)次數(shù)總排名居于前三位的同學(xué)，測試成績分別獲得了100、100、99的高分?jǐn)?shù)。這說明自主練習(xí)對提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)成績是非常有幫助的。

（二）不同實(shí)踐模式的對比

在調(diào)查問卷中，對虛擬拆裝教學(xué)的滿意度結(jié)果顯示：75.3%的學(xué)生喜歡這種教學(xué)模式，而有24.7%的學(xué)生希望在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中操作，填寫的主要原因是認(rèn)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(shí)踐教學(xué)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(shí)驗(yàn)室使用數(shù)據(jù)手套進(jìn)行過虛擬訓(xùn)練的10位同學(xué)進(jìn)行了用戶體驗(yàn)的對比。其中主要的描述指標(biāo)包括：

準(zhǔn)確性：完成任務(wù)的正確率

容錯(cuò)性：由于遮擋、噪音等造成的識別誤差

舒適性：長時(shí)間操作造成的疲勞度、不良反應(yīng)等

復(fù)雜度：交互復(fù)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(shè)備，有新鮮感，同時(shí)操作的沉浸感會較強(qiáng);完成任務(wù)的正確率、誤差的識別率均與使用鼠標(biāo)鍵盤的網(wǎng)絡(luò)版沒有顯著差異;但使用數(shù)據(jù)手套會在交互復(fù)雜度上略微高一些，而且還受到數(shù)量、成本、使用地點(diǎn)等限制。綜合上述因素，同學(xué)們還是認(rèn)為網(wǎng)頁嵌入式的拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)更具有實(shí)用性和教學(xué)推廣價(jià)值。

五、結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)作為一門新興的科學(xué)，目前也尚有諸多因素限制它在教育領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。例如，自身技術(shù)還不夠成熟，用于教育和培訓(xùn)的應(yīng)用系統(tǒng)依然較少，硬件設(shè)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(xué)人員構(gòu)建一種全新、多變的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)手段，而且為學(xué)習(xí)者提供了一種可以進(jìn)行交互、直觀、自主探索的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)方法，從而有效地激發(fā)學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的熱情，在多方面提高教與學(xué)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(yàn)，本系統(tǒng)計(jì)劃在后續(xù)的升級改良中，嘗試實(shí)現(xiàn)自然交互，即通過手勢識別技術(shù)，輔助深度學(xué)習(xí)等算法，實(shí)現(xiàn)無需懸空操作的雙手動(dòng)作，特別是對雙手交叉換位等動(dòng)作，在算法層加以改進(jìn)，從而使用戶體驗(yàn)大幅提升，為更多課程的教學(xué)改革提供可行性參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)雨靈.基于Unity3D的虛擬維修教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，2019（11）：128-130.

[2]馬思群.基于Unity3D的動(dòng)車轉(zhuǎn)向架虛擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017（4）：33-37.

[3]楊志文.基于Unity3D的組合夾具虛擬拆裝教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018（4）：8-16.

[4]易小琳.網(wǎng)上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2002（11）：243-258.

[5]Jayaram S.et al. VADE： A virtual assembly design environment[J]. America： IEEE Computer Graphics and Application， 1999：43-45.

[6]Wenjin Tao. Augmented， Virtual， and Mixed Reality Applications in Advanced Manufacturing[J]. America： Missouri University of Science and Technology， 2019：4-7.