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传统的《计算机组装与维修》课程实践环节存在设备不足，教学与现实脱节等情況，以3ds Max、Unity 3D等虚拟现实技术为支撑，创建计算机硬件的三维模型，模拟虚拟的实验环境，开发三维虚拟学习平台，可以很好地培养学生的动手实践能力，使教学达到良好效果。
【关键词】虚拟现实；计算机组装与维修；学习平台；Unity 3D
《计算机组装与维修》是计算机专业的基础专业课程，在教学计划中必不可缺。该课程内容涉及计算机的硬件性能指标、选购策略、硬件组装、故障排除、系统优化和日常维护等，以培养学生实际动手能力为主，强调实践。但在实际教学过程，经常面临教学设备缺乏，教学内容与现实脱节等问题； 实践操作时，频繁的拆装练习更容易对计算机部件造成损坏，导致学生只能“观看”实验，动手实践能力受到限制。
1 国内外研究现状
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。
欧美国家在虚拟现实技术的应用方面较为领先，特别是在工业、商业、教育等领域的发展较快。在工业设计领域，虚拟现实技术主要应用于产品外形设计、虚拟装配、产品仿真、设备管理等。在商业领域，则主要应用于产品的展示与推销。
在教育领域，由于虚拟现实技术能构建逼真的虚拟环境，能解决学习中的情景化及交互性的问题，因此虚拟实验室、远程教育、虚拟教学等作为一种新兴的教学模式正逐渐展现出巨大的优势和潜力。但是，这些虚拟实验室、虚拟教学等主要应用于大学，在高职院校的学科教学中的应用研究则比较少，而在高职院校《计算机组装与维修》课程中能将虚拟现实技术应用于实际教学的研究更是稀少。
因此本课题将研究如何利用虚拟现实技术，设计高职课程《计算机组装与维修》中的硬件三维模型，并通过计算机生成虚拟环境，从而实现具体的虚拟三维学习平台。
2 采用虚拟现实技术进行教学的优势
传统的组装与维修课程学习中，学生在实践课程初始阶段操作时发生硬件损坏的情况较易出现。由于操作不熟练，导致CPU损坏、内存条损坏、电源报废等情况都会发生，直接损失可达到上千元。通过三维虚拟工作平台仿真实验环境，可以避免这些损失，而学生又实际掌握了相关的实践技术。
在传统的组装与维修课程教学中，由于受到教学条件的影响和硬件设备的限制，教学环节通常是先介绍主要硬件设备的型号品牌、技术指标、组装方法等，而这些设备的展示往往滞后于当前市场的主流产品，再利用学校已有的落后的甚至接近淘汰的设备让学生进行实际组装练习。在这样的教学环节下，学生实际动手能力的训练大大受到限制。采用虚拟现实技术仿真实验设备，可以根据计算机硬件的发展方便地进行扩充和删减相关硬件设备，保持课程的先进性。
将虚拟现实技术应用于《计算机组装与维修》课程教学，从3D交互的角度进行教学，能突破学校教学中组装与维修实验室资源的瓶颈，使每个学生都参与实践动手，使知识更形象化、直观化、易于理解。学习者在虚拟场景中的进行交互学习，具有一定的沉浸感和实时交互性，学生可以投入到由计算机创建的虚拟场景中，身临其境，与真实环境感受相同，因此，虚拟现实技术创设的教学环境相较其它教学媒体创建的学习情境更有真实性、独特性、和优越性。
3 三维虚拟学习平台的设计原则
利用虚拟现实技术设计三维虚拟学习平台时，要遵循一定的教育教学理论规律，以及学生职业技能形成的规律进行，内容设计的主要依据是《计算机组装与维修》课程的教学实践内容。
3.1 科学性
科学性是设计虚拟三维学习平台的最基本原则。设计与开发过程，不仅要运用科学的教育教学原理，还要根据高职院校《计算机组装与维修》课程标准，对于实验场景中涉及的计算机零件都要遵循真实的实物属性，整个实验过程设计还应符合学生职业技能形成规律。
3.2 趣味性
“兴趣是最好的老师！”利用虚拟现实技术开发的三维虚拟学习平台是一种新的实验模式，具有较高的仿真特性，学生能很快地融入虚拟的实验情境，快速进入学习状态。但进行平台开发时，仍要考虑三维学习平台在界面设计、内容设计及交互方式等方面的趣味性，比如将每一个计算机部件的组装实验设计成进阶游戏形式，充分激发学习者的好奇心和成就感，引发学习动机。
3.3 开放性
开放性是一方面指设计的三维虚拟学习平台能让计算机组装与维修实验不受时间和空间的限制，能让学生有充足的时间和灵活的空间进行学习和实验；另一方面是指对虚拟实验内容的选择设置开放性，能让学习者按其所需自主安排、自主选择实验内容。
3.4 可扩展性
可扩展性是指设计开发的三维虚拟学习平台要保持实验中计算机零件的不断更新，可以根据计算机硬件的发展方便地进行扩充和删减计算机硬件设备，从而保持《计算机组装与维修》课程的先进性。
4 三维虚拟学习平台的实现
4.1 整体架构
将虚拟现实技术应用于《计算机组装与维修》课程，开发相应的三维虚拟学习平台，具有硬件组装演示、实践组装练习、帮助文档、平台更新等功能，帮助学生掌握计算机硬件组装技能，并了解最新的硬件发展技术，通过虚拟情境的设置使学习过程变得直观生动。三维虚拟学习平台的整体架构设计如图1。
4.2 平台具体实现
在整合高职《计算机组装与维修》课程实践教学内容的基础上，设计三维虚拟学习平台交互界面，创建课程所需的硬件设备三维模型库，再采用Unity 3D技术实现虚拟平台的交互，最后进行测试、打包，形成完善的三维虚拟学习平台。并在此基础上，不断更新模型库，保持课程先进性。 4.2.1 三维建模
三维模型创建的逼真与否是三维虚拟学习平台开发的前提和基础，将影响到实验场景的显示质量。如果模型创建不完好，将影响到学生对计算机硬件设备的感知状态。
创建三维模型，主要可以采用3ds Max软件。使用3ds Max 建模的一般流程为创建模型、设置材质与灯光、进行场景渲染等。建模时，要考虑到系统资源的分配，对于细小的但看不见的面可以利用重复贴图等方法，降低系统资源的占用，进而提高三维虚拟学习平台的运行效率。
4.2.2 交互设计
交互设计是实现三维虚拟学习平台最关键的环节。目前，对三维虚拟学习平台的开发与设计主要是基于桌面的应用系统，交互方式通过键盘和鼠标实现，Unity 3D技术是比较理想的实现方式。Unity3D多应用于创建三维视频游戏、建筑漫游、实时三维动画演示等综合型互动设计。 Unity3D支持主流的三维建模软件，其贴图技术、渲染系统符合《计算机组装与维修》课程中对模型仿真性的要求；用其开发的应用程序可以发布在Windows平台，也可以支持Windows网页浏览。
《计算机组装与维修》课程的三维虚拟学习平台需要设计和实现的交互功能主要包括：
（1）实验入口的交互：三维虚拟学习平台提供教师登录或学生登录两种方式，学生登录后可以进行计算机配置和计算机组装功能的学习，教师登录后则可以设置实验环境及根据当前实际对计算机硬件进行扩充和删减等。
（2）实验工具选择的交互：计算机的组装与维修时涉及很多拆卸及安装工具的选择，完成虚拟组装及维修功能主要是能实现三大操作：拾取模型、操作模型和释放模型，而具体操作的细节则是对模型进行移动、旋转和缩放，这些功能主要是利用鼠标和键盘实现，从而实现三维虚拟学习平台的工具交互功能。
（3）实验实时帮助的交互：学生可以查找相关的帮助文档，以便实验时操作方便，并能快速响应操作，返回操作结果；学生还可以根据各部件视频演示教学，方便地学习配置组装。
（4）实验正确性检测的交互：能对学生组装实验中计算机各部件间连接的正确性进行检测，让学生在整个实验过程中始终得到正确的引導。能对学生的实验结果提供连通性检验功能，使学生对最后的实验结果进行评定。
4.2.3 碰撞检测
使用Unity 3D技术实现虚拟学习平台还需要注意碰撞检测。现实中计算机的零件与拆装工具均为实体部件，在组装与维修中会遇到各种碰撞，如果不加以检测，会导致计算机的零件、工具之间相互穿透，使实验过程失去逼真性。要避免这种情况，可以利用Unity 3D的两种碰撞检测方式：碰撞器检测和触发器检测，从而实现碰撞检测功能，使计算机零件、工具之间不能相互穿透。
4.2.4 平台的发布
应用Unity 3D技术开发的应用程序可以发布在Windows平台，也可以支持Windows网页浏览，因此在三维虚拟学习平台发布可以考虑其使用范围来设置发布方式。学习平台实现的初级阶段可以仅发布成Windows平台，在学校机房中提供虚拟实验环境，一方面操控快捷方便，一方面便于对学习平台进行测试与改进。当学习平台的使用趋于成熟时，可以发布成网页浏览方式，不再受限于学校这单一的虚拟实验环境，脱离时间与空间的限制，从而达到更好的学习效果。
5 结语
总之，开发《计算机组装与维修》课程的三维虚拟学习平台，能打破学生学习计算机组装与维修的时间与空间的限制；减少计算机硬件设备的损耗，为学校节约了教育成本；这一新的学习模式，能提高学生的学习兴趣，利于他们自主学习，快速提高职业技能。但时，虚拟学习平台不能完全替代实践操作，两者需要相辅相成，起到合力作用。
参考文献
[1]华艳.基于Virtools的虚拟仿真客户培训系统的设计与研究[J].电脑与电信，2014，12：61-63.
[2]李晓静，成艳真.三维虚拟工作平台应用于高职组装与维护课程教学的研究[J]. 电脑学习，2011，02：65-66.
[3]柴群，梁剑波.基于Virtools的虚拟装配实验室的设计——以计算机组装为例[J].电脑知识与技术，2012，18：4522-4524.
[4]百度百科. Unity3D. http：//baike.baidu.com/view/2299410.htm？fr=aladdin，2014.
作者简介
华艳（1976-），女，江苏省无锡市人。硕士学位。现为无锡城市职业技术学院副教授。研究方向为高职教育、多媒体计算机应用。
作者单位
无锡城市职业技术学院 江苏省无锡市 214153
【关键词】虚拟现实；计算机组装与维修；学习平台；Unity 3D
《计算机组装与维修》是计算机专业的基础专业课程，在教学计划中必不可缺。该课程内容涉及计算机的硬件性能指标、选购策略、硬件组装、故障排除、系统优化和日常维护等，以培养学生实际动手能力为主，强调实践。但在实际教学过程，经常面临教学设备缺乏，教学内容与现实脱节等问题； 实践操作时，频繁的拆装练习更容易对计算机部件造成损坏，导致学生只能“观看”实验，动手实践能力受到限制。
1 国内外研究现状
虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是一项综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。
欧美国家在虚拟现实技术的应用方面较为领先，特别是在工业、商业、教育等领域的发展较快。在工业设计领域，虚拟现实技术主要应用于产品外形设计、虚拟装配、产品仿真、设备管理等。在商业领域，则主要应用于产品的展示与推销。
在教育领域，由于虚拟现实技术能构建逼真的虚拟环境，能解决学习中的情景化及交互性的问题，因此虚拟实验室、远程教育、虚拟教学等作为一种新兴的教学模式正逐渐展现出巨大的优势和潜力。但是，这些虚拟实验室、虚拟教学等主要应用于大学，在高职院校的学科教学中的应用研究则比较少，而在高职院校《计算机组装与维修》课程中能将虚拟现实技术应用于实际教学的研究更是稀少。
因此本课题将研究如何利用虚拟现实技术，设计高职课程《计算机组装与维修》中的硬件三维模型，并通过计算机生成虚拟环境，从而实现具体的虚拟三维学习平台。
2 采用虚拟现实技术进行教学的优势
传统的组装与维修课程学习中，学生在实践课程初始阶段操作时发生硬件损坏的情况较易出现。由于操作不熟练，导致CPU损坏、内存条损坏、电源报废等情况都会发生，直接损失可达到上千元。通过三维虚拟工作平台仿真实验环境，可以避免这些损失，而学生又实际掌握了相关的实践技术。
在传统的组装与维修课程教学中，由于受到教学条件的影响和硬件设备的限制，教学环节通常是先介绍主要硬件设备的型号品牌、技术指标、组装方法等，而这些设备的展示往往滞后于当前市场的主流产品，再利用学校已有的落后的甚至接近淘汰的设备让学生进行实际组装练习。在这样的教学环节下，学生实际动手能力的训练大大受到限制。采用虚拟现实技术仿真实验设备，可以根据计算机硬件的发展方便地进行扩充和删减相关硬件设备，保持课程的先进性。
将虚拟现实技术应用于《计算机组装与维修》课程教学，从3D交互的角度进行教学，能突破学校教学中组装与维修实验室资源的瓶颈，使每个学生都参与实践动手，使知识更形象化、直观化、易于理解。学习者在虚拟场景中的进行交互学习，具有一定的沉浸感和实时交互性，学生可以投入到由计算机创建的虚拟场景中，身临其境，与真实环境感受相同，因此，虚拟现实技术创设的教学环境相较其它教学媒体创建的学习情境更有真实性、独特性、和优越性。
3 三维虚拟学习平台的设计原则
利用虚拟现实技术设计三维虚拟学习平台时，要遵循一定的教育教学理论规律，以及学生职业技能形成的规律进行，内容设计的主要依据是《计算机组装与维修》课程的教学实践内容。
3.1 科学性
科学性是设计虚拟三维学习平台的最基本原则。设计与开发过程，不仅要运用科学的教育教学原理，还要根据高职院校《计算机组装与维修》课程标准，对于实验场景中涉及的计算机零件都要遵循真实的实物属性，整个实验过程设计还应符合学生职业技能形成规律。
3.2 趣味性
“兴趣是最好的老师！”利用虚拟现实技术开发的三维虚拟学习平台是一种新的实验模式，具有较高的仿真特性，学生能很快地融入虚拟的实验情境，快速进入学习状态。但进行平台开发时，仍要考虑三维学习平台在界面设计、内容设计及交互方式等方面的趣味性，比如将每一个计算机部件的组装实验设计成进阶游戏形式，充分激发学习者的好奇心和成就感，引发学习动机。
3.3 开放性
开放性是一方面指设计的三维虚拟学习平台能让计算机组装与维修实验不受时间和空间的限制，能让学生有充足的时间和灵活的空间进行学习和实验；另一方面是指对虚拟实验内容的选择设置开放性，能让学习者按其所需自主安排、自主选择实验内容。
3.4 可扩展性
可扩展性是指设计开发的三维虚拟学习平台要保持实验中计算机零件的不断更新，可以根据计算机硬件的发展方便地进行扩充和删减计算机硬件设备，从而保持《计算机组装与维修》课程的先进性。
4 三维虚拟学习平台的实现
4.1 整体架构
将虚拟现实技术应用于《计算机组装与维修》课程，开发相应的三维虚拟学习平台，具有硬件组装演示、实践组装练习、帮助文档、平台更新等功能，帮助学生掌握计算机硬件组装技能，并了解最新的硬件发展技术，通过虚拟情境的设置使学习过程变得直观生动。三维虚拟学习平台的整体架构设计如图1。
4.2 平台具体实现
在整合高职《计算机组装与维修》课程实践教学内容的基础上，设计三维虚拟学习平台交互界面，创建课程所需的硬件设备三维模型库，再采用Unity 3D技术实现虚拟平台的交互，最后进行测试、打包，形成完善的三维虚拟学习平台。并在此基础上，不断更新模型库，保持课程先进性。 4.2.1 三维建模
三维模型创建的逼真与否是三维虚拟学习平台开发的前提和基础，将影响到实验场景的显示质量。如果模型创建不完好，将影响到学生对计算机硬件设备的感知状态。
创建三维模型，主要可以采用3ds Max软件。使用3ds Max 建模的一般流程为创建模型、设置材质与灯光、进行场景渲染等。建模时，要考虑到系统资源的分配，对于细小的但看不见的面可以利用重复贴图等方法，降低系统资源的占用，进而提高三维虚拟学习平台的运行效率。
4.2.2 交互设计
交互设计是实现三维虚拟学习平台最关键的环节。目前，对三维虚拟学习平台的开发与设计主要是基于桌面的应用系统，交互方式通过键盘和鼠标实现，Unity 3D技术是比较理想的实现方式。Unity3D多应用于创建三维视频游戏、建筑漫游、实时三维动画演示等综合型互动设计。 Unity3D支持主流的三维建模软件，其贴图技术、渲染系统符合《计算机组装与维修》课程中对模型仿真性的要求；用其开发的应用程序可以发布在Windows平台，也可以支持Windows网页浏览。
《计算机组装与维修》课程的三维虚拟学习平台需要设计和实现的交互功能主要包括：
（1）实验入口的交互：三维虚拟学习平台提供教师登录或学生登录两种方式，学生登录后可以进行计算机配置和计算机组装功能的学习，教师登录后则可以设置实验环境及根据当前实际对计算机硬件进行扩充和删减等。
（2）实验工具选择的交互：计算机的组装与维修时涉及很多拆卸及安装工具的选择，完成虚拟组装及维修功能主要是能实现三大操作：拾取模型、操作模型和释放模型，而具体操作的细节则是对模型进行移动、旋转和缩放，这些功能主要是利用鼠标和键盘实现，从而实现三维虚拟学习平台的工具交互功能。
（3）实验实时帮助的交互：学生可以查找相关的帮助文档，以便实验时操作方便，并能快速响应操作，返回操作结果；学生还可以根据各部件视频演示教学，方便地学习配置组装。
（4）实验正确性检测的交互：能对学生组装实验中计算机各部件间连接的正确性进行检测，让学生在整个实验过程中始终得到正确的引導。能对学生的实验结果提供连通性检验功能，使学生对最后的实验结果进行评定。
4.2.3 碰撞检测
使用Unity 3D技术实现虚拟学习平台还需要注意碰撞检测。现实中计算机的零件与拆装工具均为实体部件，在组装与维修中会遇到各种碰撞，如果不加以检测，会导致计算机的零件、工具之间相互穿透，使实验过程失去逼真性。要避免这种情况，可以利用Unity 3D的两种碰撞检测方式：碰撞器检测和触发器检测，从而实现碰撞检测功能，使计算机零件、工具之间不能相互穿透。
4.2.4 平台的发布
应用Unity 3D技术开发的应用程序可以发布在Windows平台，也可以支持Windows网页浏览，因此在三维虚拟学习平台发布可以考虑其使用范围来设置发布方式。学习平台实现的初级阶段可以仅发布成Windows平台，在学校机房中提供虚拟实验环境，一方面操控快捷方便，一方面便于对学习平台进行测试与改进。当学习平台的使用趋于成熟时，可以发布成网页浏览方式，不再受限于学校这单一的虚拟实验环境，脱离时间与空间的限制，从而达到更好的学习效果。
5 结语
总之，开发《计算机组装与维修》课程的三维虚拟学习平台，能打破学生学习计算机组装与维修的时间与空间的限制；减少计算机硬件设备的损耗，为学校节约了教育成本；这一新的学习模式，能提高学生的学习兴趣，利于他们自主学习，快速提高职业技能。但时，虚拟学习平台不能完全替代实践操作，两者需要相辅相成，起到合力作用。
参考文献
[1]华艳.基于Virtools的虚拟仿真客户培训系统的设计与研究[J].电脑与电信，2014，12：61-63.
[2]李晓静，成艳真.三维虚拟工作平台应用于高职组装与维护课程教学的研究[J]. 电脑学习，2011，02：65-66.
[3]柴群，梁剑波.基于Virtools的虚拟装配实验室的设计——以计算机组装为例[J].电脑知识与技术，2012，18：4522-4524.
[4]百度百科. Unity3D. http：//baike.baidu.com/view/2299410.htm？fr=aladdin，2014.
作者简介
华艳（1976-），女，江苏省无锡市人。硕士学位。现为无锡城市职业技术学院副教授。研究方向为高职教育、多媒体计算机应用。
作者单位
无锡城市职业技术学院 江苏省无锡市 214153