虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)教學(xué)問題探索

崔翔

（鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

一、引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近些年隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器技術(shù)的發(fā)展成熟，以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和設(shè)備也在近幾年開始大量的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。其中教育領(lǐng)域更是其中最為成熟的一個(gè)部分，近幾年來國(guó)家和教育部也多次下文和提出指導(dǎo)意見，提出要適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”新要求，全面提升教師信息技術(shù)應(yīng)用能力，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息技術(shù)在教育教學(xué)中的廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程是高職高專中信息大類的重要課程，他為計(jì)算的使用和維護(hù)培養(yǎng)出了大批人才，但是這門課程一直以來教學(xué)中實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手少，學(xué)生實(shí)踐能力不理想。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由于其技術(shù)特點(diǎn)可以在日常的實(shí)踐操作中讓學(xué)生身臨其境，并且可以隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和變化，快速地了解和應(yīng)用最新技術(shù)和最新設(shè)備的應(yīng)用方法和特性，這是在傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中很難實(shí)現(xiàn)的。既降低了長(zhǎng)期教學(xué)成本又提高了教學(xué)效果

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是從計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展而來的一項(xiàng)技術(shù)，其中包含了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、等多種技術(shù)的集合產(chǎn)物。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過多種傳感器獲得用戶的指令信號(hào)，傳輸?shù)椒?wù)器中，服務(wù)器通過相關(guān)軟件所建立的模型，結(jié)合存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)參數(shù)，建立仿真模型，并且根據(jù)傳感器中的方向和方位參數(shù)，將相應(yīng)視角中模型生成圖像信息，最后再通過VR 眼鏡將圖像信息傳達(dá)給使用者，通過這樣的緊密交互過程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就能夠讓使用者獲得身臨其境的沉浸式體驗(yàn)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的提出和實(shí)踐很早，但是在當(dāng)時(shí)因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的不成熟，一直未能得到發(fā)展，近三十年來，隨著液晶顯示技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早開始應(yīng)用在軍事訓(xùn)練領(lǐng)域，但是軟件和模型開發(fā)困難，設(shè)備價(jià)格昂貴，相關(guān)設(shè)備笨重體驗(yàn)差，對(duì)使用者的要求高等原因，一直未能獲得更廣泛的應(yīng)用。隨著近些年移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展，相關(guān)的芯片和傳感器都有了新的進(jìn)步，在設(shè)備成本上也下降到可以接受的程度，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)也隨著人工智能和大數(shù)據(jù)的發(fā)展而得到了新的進(jìn)步。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，并且被越來越多的領(lǐng)域所接受和應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用歷史悠久，虛擬現(xiàn)實(shí)具有成本低廉、安全高效、體驗(yàn)效果好、聲光反饋強(qiáng)烈，學(xué)生記憶印象深刻的特點(diǎn)，已經(jīng)成為部分學(xué)科的常見教學(xué)手段。傳統(tǒng)的裝配類實(shí)驗(yàn)課程會(huì)面臨著設(shè)備零件陳舊，實(shí)驗(yàn)價(jià)格昂貴，每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間不足等問題，但是計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備可以讓實(shí)驗(yàn)變得生動(dòng)有趣。根據(jù)公開論文調(diào)查和結(jié)論，目前虛擬現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療技術(shù)、駕駛員培訓(xùn)、裝備制造維修，建筑設(shè)計(jì)等多個(gè)教學(xué)領(lǐng)域得以實(shí)踐，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)單人的沉浸式體驗(yàn)，還可以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同配合模擬實(shí)驗(yàn)。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程中的舉措

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)硬件設(shè)備的引入

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用需要改變傳統(tǒng)的課堂結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的裝配類實(shí)驗(yàn)中，采取的是零件材料加上實(shí)際安裝的方式，零件教具在這個(gè)過程中，由于學(xué)生大多為新手，而電腦硬件在設(shè)計(jì)上，絕大多數(shù)設(shè)備都未按照高頻次拔插的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因此設(shè)備和零件的損壞速度非常快。另外計(jì)算機(jī)設(shè)備零件大多數(shù)價(jià)格較高，因此實(shí)踐操作成為這門課程中的短板。其次，計(jì)算機(jī)設(shè)備發(fā)展速度很快，可以說每年都會(huì)有新零件和新設(shè)備投入使用，在實(shí)際操作中，由于條件限制，學(xué)生很難接觸到最新的設(shè)備產(chǎn)品。再這樣的現(xiàn)狀下，相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展大多數(shù)是教師的演示性教學(xué)，學(xué)生參與度很低，動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)很少，這是完全違背高職教育培養(yǎng)應(yīng)用性和實(shí)用型人才的目標(biāo)的。

根據(jù)實(shí)際的課堂需求，如果想要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)此類課程與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，需要使用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有身臨其境的感覺，在體驗(yàn)過程中需要使用VR 眼鏡和聲光配合，代替輸入人的視覺和聽覺，再加上感應(yīng)式裝配手套，就可以模擬進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空間，進(jìn)行相應(yīng)的裝配實(shí)驗(yàn)。此外在教學(xué)過程中需要教師進(jìn)行指導(dǎo)，所以應(yīng)該配備相應(yīng)的投影展示設(shè)備，此外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)想要達(dá)到較為理想的響應(yīng)速度和繪制較為真實(shí)而精細(xì)的模型，需要高性能的計(jì)算機(jī)作為軟件運(yùn)行的載體，其中對(duì)于顯卡和CPU 性能要求尤為重要。因?yàn)榫哂姓鎸?shí)體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備需要在極端的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)反饋傳感器信號(hào)和視頻信息，因此現(xiàn)在大多數(shù)的高性能VR 眼鏡都是采用有線連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以在使用中比較受限制，隨著5G 通信技術(shù)的發(fā)展，未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在短距離內(nèi)也許能夠更方便地進(jìn)行應(yīng)用。

（二）相關(guān)軟件的開發(fā)和模型的建立

軟件的開發(fā)和應(yīng)用在系統(tǒng)中同樣非常重要，自2016 年國(guó)家各部委多次下發(fā)文件推動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用以來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的開發(fā)在我國(guó)也呈現(xiàn)著高速發(fā)展的趨勢(shì)，近幾年應(yīng)用在教育領(lǐng)域的各種虛擬現(xiàn)實(shí)軟件也逐漸增多，特別是近兩年，多家高校開發(fā)出了應(yīng)用在裝配類實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的相關(guān)軟件，并投入使用獲得了巨大的成功。但是在計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)此類課程中，并沒有合適應(yīng)用的軟件被開發(fā)出來，因此需要借鑒同類裝配類虛擬現(xiàn)實(shí)仿真軟件，并且根據(jù)計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程的需要，開發(fā)出適合的實(shí)驗(yàn)軟件。

計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程的實(shí)踐操作類課程，需要學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)各種硬件的安裝和拆卸，計(jì)算機(jī)硬件故障的排查與維修。從軟件類型上來講，與其他裝配類實(shí)驗(yàn)的邏輯大致相同。但是，計(jì)算機(jī)的各類硬件的模型和運(yùn)行邏輯需要同時(shí)進(jìn)行新的開發(fā)。從模型方面來說，主要的方式是采用3D 技術(shù)開發(fā)高度仿真的模型，與各個(gè)硬件生產(chǎn)廠商進(jìn)行合作，獲取各種硬件的測(cè)繪參數(shù)、設(shè)備的基本運(yùn)行邏輯、常見的故障和易損壞故障點(diǎn)。從這些真實(shí)的信息出發(fā)將計(jì)算機(jī)設(shè)備的維護(hù)、安裝、維修的真實(shí)場(chǎng)景搬進(jìn)虛擬場(chǎng)景中，營(yíng)造合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。從邏輯方面來說，需要根據(jù)硬件條件建立合理的物理碰撞模型，硬件裝配步驟判斷，虛擬計(jì)算機(jī)運(yùn)行邏輯判斷等邏輯和程序的設(shè)計(jì)，最終開發(fā)出使用與計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

（三）設(shè)計(jì)建立實(shí)驗(yàn)與課程相結(jié)合

根據(jù)引入的硬件設(shè)備和開發(fā)的軟件與模型，需要設(shè)計(jì)出與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相配合的實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在的課程中，計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是根據(jù)利用真實(shí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，并不完全適應(yīng)于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，所以絕大部分實(shí)驗(yàn)需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的好處在于，一次開發(fā)多次利用，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以將高成本和高危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)變的安全低價(jià)，學(xué)生和教師不需要擔(dān)心損壞實(shí)驗(yàn)材料，并且可以多次進(jìn)行破壞性的實(shí)驗(yàn)，并且不用擔(dān)心在常見的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中需要注意的觸電等損傷身體的安全事故。但是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有缺陷，在模擬條件下，很難實(shí)現(xiàn)在真實(shí)條件下的隨機(jī)性和100%真實(shí)度。所以在虛擬現(xiàn)實(shí)條件下，實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)應(yīng)集中在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，回避現(xiàn)有的缺點(diǎn)。建立實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示的真實(shí)感，向?qū)W生展示多種硬件的姿態(tài)和形狀，裝配實(shí)驗(yàn)中可以多次進(jìn)行，加深學(xué)生的體驗(yàn)，回避現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備回饋感不足的缺點(diǎn)，避免建立感覺類的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。與書本課程相結(jié)合，讓學(xué)生能在沉浸式的體驗(yàn)中，學(xué)會(huì)知識(shí)，掌握技能。

四、結(jié)語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和實(shí)踐類教育相結(jié)合必然是未來的趨勢(shì)，相較于現(xiàn)有的教育技術(shù)手段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)體驗(yàn)感更強(qiáng)，成本更低，在大規(guī)模推廣之后，單生的教育成本有可能會(huì)降低到現(xiàn)有的十分之一。這將是推廣高等教育的重要方式。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育相結(jié)合案例，以及軟件模型開發(fā)等各個(gè)方向的分析，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)課程相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用一定是可行的，并且在未來會(huì)成為整個(gè)職業(yè)教育體系中的重要技術(shù)手段。