（教育技术学专业论文）基于virtools的计算机硬件组装虚拟实验开发及实现.pdf

四川师范大学硕士毕业论文 基于v i r t o o l s 的计算机硬件组装虚拟实验 开发及实现 教育技术学专业 研究生吴倩指导教师黄河明教授 摘要 计算机文化基础是大学生进校之后学习的第一门计算机课程。由于其自身 的特点以及实验条件的限制，学生对系统组成只能以理论化的方式进行学习， 很难开展有效的实践活动。虚拟实验由于不受时空限制，以其安全性、交互性 得到广泛的关注。开发虚拟实验，实现以软代列1 】已经成为实验教学研究中的 重要方面。 本文在详细分析虚拟现实系统分类、特点以及相关技术的基础上重点研究 了v i r t o o l sd e v 。利用该技术可以开发桌面虚拟现实系统，降低虚拟现实 系统的开发成本，对于促进实验教学的模式改革有重大作用。 笔者从自身对计算机文化基础课程的教学经验出发，切实结合虚拟现实技 术、教育心理学等方面理论和方法，设计了计算机硬件组装虚拟实验平台的功 能模块；并利用v i r t o o l sd e v ，3 d m a x ，a u t h o r w a r e 实现了计算机 硬件组装实验并对系统的关键技术进行分析；最后对虚拟现实技术开发的虚拟 实验以及传统的三维动画进行了对比分析，并对今后的实验教学新模式进行了 相关的探讨。 需要说明的是本文对虚拟实验的研究主要是侧重于pc 平台的，因为虚拟 四川师范大学硕士毕业论文 实验要想在实际教学中普及，必须走大众化道路，而目前pc 平台符合这个要 求，这也正是虚拟现实技术今后发展的方向。现在只是完成该系统的基础建设， 随着相关技术的不断发展，该实验系统还需要不断的完善和发展，使之成为现 有实验教学的有益补充，从而大大提高实验教学的伸缩性和适应性。 关键词虚拟实验室，v i r t o o l s ，计算机文化基础，实验教学 2 四川师范大学硕士毕业论文 a b s t r a c t c o m p u t e rb a s i c s i st h ef i r s t c o m p u t e rc o u 嫩f o rc o l l e g e f r e s h m e n t r a d i t i o n a l l y ，b e c a u s e o fi t sb o r nc h a r a c t e r i s t i c sa n dl a b o r a t o r yc o n d i t i o n s , e f f e c t i v ep r a c t i c ec a n n o tb ec a r r i e do u t , m a l t i n gt h e o r e t i c a ll e a r n i n gt h eo n l yw a y f o rs t u d e n t st ol e a r nc o m p u t e rs y s t e m sc o n s t r u c t i o n v i s u a ll a b sh a v ea t t r a c t e d b r o a da t t e n t i o nf o ri t ss p a c e - t i m ef t c c d o m ，s e c 血t ya n di n t e r a c t i v i t y t od e v e l o p v i s u a le x p e r i m e n t sa n dt or e a l i z es o f t w a r es u b s t i t u t i o n 1 1 】i sak e ya s p e c ti n e x p e r i m e n t a lp e d a g o g i c a ls t u d i e s t h et h e s i ss t u d i e sv i r t o o l sd e v ( v d ) d e e p l yb a s e do nt h o r o u g ha n 邮i s o f v i s u a lr e a l i t y t c g o r ：i e s ，c h a r a c t e r sa n dt e c h n o l o g i e s v dc a nb eu s e dt od e v e l o p d e s k - t o pv i s u a lr e a l i t ys y s t e m s , w h i l er e d u c i n gt h ec o s t i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ef o r t h er e f o r mo fl a bw o r ke d u c a t i o n b a s e do i lh e ro w ne x p e r i e n c ei nt e a c h i n gc o m p u t e rb a s i c sa n dt h e o r i e sa n d a p p r o a c h e si ne d u c a t i o n a lp s y c h o l o g y ，t h ew r i t e r , u s i n gv i s u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , d e s i g n s f u n c t i o n a lm o d a l g sf o rv i s u a l l a bp l a t f o r mo f c o m p u t e rs y s t e m s c o n s t r u c t i o n u t i l i z i n go fv 珏盯0 0 l sd e v 3 d n 【a xa n da u t h o r w a r e n l a k e 8 l a bw o r ko fc o m p u t e rh a r d w a r ea s s e m b l a g ep o s s i b l e k e yt c c h a o l o g i c so ft h e s y s t e m a r ea n a l y z e d , c o m p a r i s o nb e t w e e nd e v e l o p m e n to fv i s u a ll a b sa n d t r a d i t i o n a l3 da n i m a t i o n si sc a r r i e do u t a n dn e wp a t t e r n si nf u t u r e l a bw o r k e d u c a t i o na r ed i s c u s s e d t h es t u d yo fv i s u a ll a b si nt h i st h e s i se m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo i lp cp l a t f o r m s , w h i c hi sat r e n do fv i s u a lr e a l i t yd e v e l o p m e n t t h ep o p u l a r i z a t i o no fv i s u a ll a b si n t e a c h i n gp r a c t i c es h o u l db ei nap o p u l a rs t y l ea n dp cp l a t f o r m sa c c o r dw i t ht h i s r e q u i r e m e n t f o u n d a t i o n sa r em a d ef o rt h ev i s u a ll a bs y s t e m 砒p r e s e n t a n dt h e s y s t e mn e e d sp e r f e c t i o na n dd e v e l o p m e n ta sr e l a t e dt c c h i l o l o g i 鹤g of o r w a r d , m a k i n gi t s e l f au s e f u ls u p p l e m e n t a r yf o rp r e s e n tl a bw o r ke d u c a t i o ns ot h a t f l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y 啪b eg r e a t l yi m p r o v e d 3 四川师范大学硕士毕业论文 k e y w o r d ：v i s u a ll a b ，v i r t o o l s ，c o m p u t e rb a s i c s ，l a bw o r ke d u c a t i o n 4 四川师范大学学位论文独创性及使用授权声明 本人声明：所呈交学位论文，是本人在导师黄显明熬援指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承诺：己提交的学位论文电子版与论文纸本的内容一致。如因不符而 引起的学术声誉上的损失由本人自负。 本人同意所撰写学位论文的使用授权遵照学校的管理规定： 学校作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在大学拥 有学位论文的部分使用权，即：1 ) 己获学位的研究生必须按学校规定提交印 刷版和电子版学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索；2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位 论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 论文作者签名：辫 五甸年垆月西曰 四川师范大学硕士毕业论文 第一章：绪论 1 1 课题研究背景及来源 进入2 1 世纪以来，我国计算机及信息技术教育已经迎来第三次全国性普及 高潮。因特网悄然进入各个工作部门和家庭，进入社会生活的每个角落，深刻 影响着人们的生活，改变着人们的观念。根据教育部统一规划，2 0 0 1 年开始 在高中普遍开设信息技术课程，2 0 0 3 年开始在城市和发达地区的初中普 遍开设信息技术课程，2 0 1 0 年前将在全国的小学普遍开设信息技术 课程。由于中小学信息技术开始普及，大学计算机教育不再是零起点，水涨船 高，这将对大学计算机基础教育提出更高的要求。目前，大学生进校之后学习 的第一门计算机课程就是计算机文化基础。该课程面向众多非计算机专业的学 生，这部分学生占到了全体大学生的9 0 以上。由于受众面广，所以该课程 在高校基础教育中占有举足轻重的地位。 计算机文化基础课程经过多次教学改革，强调教学目标必须坚持一个方向 面向应用闭。对非计算机专业学生进行计算机教育的目的并不是要把他们 都培养成为计算机专家或专门的从业人员，而是希望他们能够将计算机与信息 技术用于其工作领域，成为既熟悉本专业知识又掌握计算机应用技术的复合型 人才。因此，对非计算机专业学生进行计算机教育，应该是要以应用为目的， 以应用为出发点。 目前高校计算机文化基础课程的内容由以下几个部分组成：( 1 ) 计算机系 统组成( 2 ) w i n d o w s 操作系统( 3 ) w o r d 字处理软件( 4 ) e x c e l 电子表格处理 软件( 5 ) p o w e r p o i n t 幻灯片制作( 6 ) 多媒体和网络概述。在理论课堂中，教 师利用计算机和投影大屏幕等现代化教学设备，可以对教学内容进行比较直观 的展示和讲解。w o r d ，e x c e l ，p o w e r p o i n t 这些操作性强、涉及图形晃面的教学 内容，通过简单的演示就可以讲解清楚；而对于比较抽象的计算机系统组成， 可以借助于视频、图片、动画等形象的描述。但是无论采用了多少先进的教学 媒体，这种教学方式仍然没有脱离“以教师为中心”的框架。学生在课堂中都 四川师范大学硕士毕业论文 是听教师的讲解。直接讲解只能达到传授知识的效果，不能达到传授知识和锻 炼思维能力的双重效果【3 j 。很多学生直言在教室里面能够听懂教学内容，但是 一旦亲手操作，就感觉问题百出。从实际教学效果中，我们清楚看到：“动手 能力靠听是得不到的”。虽然现在都提倡采用“精讲多练”的教学模式实施课 程的教学，每章节内容结束之后都会有相应的实验内容，理论课时与实验课时 比至少为1 ：1 。但是实验在整个课程教学环节中仍然是最薄弱的。在讲授第 一章的时候，大致需要花费二至三个课时的时间，每次课配一次实验。但大多 教师对第一章布置的实验内容都是打字训练。在整个系统结构内容结束之后， 很多学生只知道有主板，内存，c p u 等等东西的存在，能够书面化的说出每个 部件的功能和特点，但是要他们自己综合概述计算机的系统组成，学生仍然感 到无所适从。理论的东西尚且如此，更谈不上实际动手对系统进行操作了。我 们从很多学生身上发现：在学习完该门课程之后，移动存储设备不会使用、不 会对文件进行保存、移动和复制、对计算机的常见软、硬件故障不能进行检查 和排除、不能独立的完成项目的制作等等。而且所有学生对软件系统的应用能 力均强于对硬件系统的操作能力。这样的教学效果与我们的教学目的是完全背 离的。 基于上面的教学效果，我觉得要达到以应用为目的的教学目标，必须要注 重以下两点： ( 一) 改善课堂教学与实践环节的关系，注重实践环节。传统的方法是以课 堂教学为主，实验只是为了验证课堂教学。计算机文化基础是实践性很强的课 程，只靠听课和看书是掌握不好的，必须大力加强实践环节，引导学生通过实 践拓展知识。 一 ( 二) 必须注重软硬件知识相结合，提高学生的综合应用能力。计算机技 术的发展，己使得软硬件相互结合，相互交叉，难以分开。应当以应用为中心， 根据需要，同时学习软件和硬件知识，对硬件要具备基本的操作能力。 为了使学生具有必要的计算机系统结构知识，在计算机文化基础课程中第 一章就是计算机系统结构，系统地介绍软硬件知识和计算机系统结构。但从实 际情况看，效果并不理想，教师感到不好教，学生感到枯燥难学。教师，学生 均认为硬件缺乏实体，学匀起来感觉到非常抽象。而且现行的教材中对第一章 2 四川师范大学硕士毕业论文 都没有相关的实验让学生来切实感受硬件操作、体会系统构成，把第一章纯粹 弄成理论知识的教学。由于学校都不允许把实验室的机箱后盖打开让学生自由 观察，所以笔者在以前的系统结构实验教学中用自己的主机在机房让学生分组 观察，进行组装，激发了学生的学习兴趣，并且取得了一定的教学效果。但是 由于高校扩招，每个教学班远远超过7 0 人，让全班同学在一个半小时内依次 对一台主机进行观察，动手操作是不可能的。所以笔者又采用了拍摄装机视频 让学生进行观看实验教学方法，但是此种效果并不是很好，多数同学仍然认为 亲自动手得到的体会最深。 戴尔在1 9 4 6 年所著的教学中的视听方法一书提出了“经验之塔”的理 论：最底层的经验最具体，越往上越抽象；各种教学活动可以依其经验的具体 抽象程度，排成一个序列；教学活动应从具体经验入手，逐步进入抽象经 验【4 l 。我们的实验教学最主要就是要给学生一个“做”的经验。由于受到教学 条件的限制，利用传统的实验方法不能给学生带来“做”的经验让他们直观感 受计算机硬件和组装过程。所以我们拟引入虚拟仿真技术，利用虚拟现实技术 开发虚拟实验室，对整个计算机硬件实验的实验器件和实验过程进行模拟，为 硬件实验教学提供一个全新的环境，探索一种新的教学方法和模式。学生利用 该“实验室”做计算机硬件实验，可以获得与真实实验一样的体会，得到“做” 的经验，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 1 2 虚拟实验室在国内外研究现状 虚拟实验室也称为合作实验室，最早是在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a 的w i l l i a mw o l f 提出。它用来描述一个网络化的实验室环境，致力于 构筑一个综合不同工具和技术并网络化的科学研究集成环境。在这个环境中， 科学家们可以非常有效地利用地理上分布不同的各种资源来从事科研活动。科 研人员不管其地理位置分布如何，都能共同从事研究与同事们相互交流， 使用仪器、共享数据和资源，所有这些活动不必面对面进行，可以在分布式网 络环境支持下；通过电子邮件系统、多媒体会议系统等手段来完成。因此， 3 四川师范大学硕士毕业论文 w o l f 形象地称之为“无墙的研究中心”【5 1 。目前，联合国教科文组织( u n e s c o ) 采用已经被广泛接受的定义：( x r m u a ll a b o r a t o r y ，简称v l ) 是一种为了实现 远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息通讯技术产生并发布结 果的电子工作室) 1 6 。从上述定义当中我们可以总结出：虚拟实验室其实就是 利用一些相关技术开发的一种电子工作室。这里的相关技术包括很多，比如三 维建模技术、网络通信技术、多传感交互技术、高分辨率显示技术、数据库技 术【7 】等等。 美国从1 9 6 5 年虚拟现实雏形出现至今，已经有了近四十年的研究历史。但 是直到八十年代，虚拟现实才被投入到教育中，所以它在教育领域的应用历史 还只有二十年左右。目前虚拟现实在美国教育中的应用形式主要表现在：虚拟 校园，虚拟实验室，虚拟演播室、分子建模等方面。很多高等学府开发了相当 好的虚拟教学系统用于服务教学。涵盖了计算机网络、数学、人工智能n 生 命科学 9 1 、化掣堋、物理、生物工犁1 1 1 2 3 1 、通讯、图形图像、农业科学等 教学科研领域。北卡罗来纳大学( u n c ) 的计算机系是进行虚拟现实研究最 早最著名的大学。他们主要研究：分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑 仿真等。除了美国之外，其他国家大学也投身于虚拟实验室的建设中来。德国 的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚 拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学 开发了远程示波器实验和压力实验。 开发一套具有实际使用价值、沉浸感好的虚拟系统需要昂贵的设备和经费 的支持。由于虚拟现实高昂的成本和使用经费多年来限制了虚拟现实技术在我 国的研究和应用。近年来，由于科技的进步，虚拟现实技术的应用成本大幅下 降、图像效果极大改善、功能日益丰富，我国开始逐步对虚拟现实进行了研究 应用。但是由于研究历史短暂，和美、英等国产生了一定的差距。我们真正的 研究历史也只有十年左右。1 9 9 6 年，天津大学在s g i 硬件平台上，基于v r m l 国际标准，最早开发了虚拟校园，至此开启了虚拟现实在我国教育领域应用的 序幕。从此虚拟校园、虚拟实验技术不断的投入教育领域使用。清华大学利用 虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室 将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚 4 四川师范大学硕士毕业论文 拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于 一体，组成虚拟仪器系统。最近，浙江旅游职业学院与杭州。神州视景”共同 开发了国内第一个运用虚拟现实技术的模拟导游实验室，仅1 2 0 平方米的面 积，坐上虚拟的汽车，通过界面操作，就像自己在真实环境中一样，每到一个 景点还有文字解说，如果想细看某个局部小物体，只要鼠标一点就可以放大， 并且通过切换，还可以像在飞机上一样看到全景，真实体验西湖、灵隐、岳庙 等景点的不同感受。该校管理系副主任介绍说：“以前学校上实训课时，每次 都要出动很多大巴，费用相当大，到各个景点学习又要花费大量的时间，还要 充分考虑学生的安全问题，天气问题等。现在，学校花2 2 0 万元建立这个实验 室后，学生学习起来非常方便，可以随意更改路线，设置一些细节，在短时间 内“亲临”现场感受景点，就像玩游戏一样。” 其实像这样的“实验室”已经开发不少，而且广泛应用在物理，化学等等 理工学科。这些虚拟实验系统都是采用各种各样的虚拟现实技术和相关设备开 发设计出来的。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是构想 的实验室。包括相应实验室环境，有关的实验仪器设备，实验对象以及实验信 息资源等。在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实 验项目l l ”。但是从目前能够查到的资料来看，有很多关于虚拟装配的实验室 大多应用在工程中，还有一些基于f l a s h 或者是其他技术开发的计算机硬件虚 拟实验室，由于其二维平面的特性，效果并不是很好。通过访谈调查，目前四 川高校对予计算机文化基础课程系统结构章节还没有相应的虚拟实验应用，所 以笔者认为开发一套专门针对计算机硬件实验教学的实验平台是非常有必要， 投入教学，在实际的使用过程中不断的进行改进和完善，以期弥补在这块教学 内容中的空白。 1 3 论文的研究内容与成果 本论文主要是以计算机文化基础课程系统结构章节实验内容薄弱为出发 点，旨在开发一种虚拟实验平台以打破学生对系统结构的神秘感，熟悉主机箱 5 四川师范大学硕士毕业论文 的内部结构。要进行虚拟实验首先就要有虚拟仪器，因此制作虚拟仪器和虚拟 实验场景是构建虚拟实验室的关键问题。并且此虚拟实验室开发出来主要针对 教学环节，因此对虚拟实验的开发原则及对教学的意义也是研究的重点内容。 所以在该论文中主要研究以下几方面的内容： ( 一) 研究虚拟现实技术的发展情况以及基于虚拟现实技术开发的虚拟现实 系统的分类。目前虚拟现实系统分为三大类：沉浸式虚拟系统、桌面虚拟系统、 增强式虚拟系统。桌面虚拟系统开发成本低，容易实现，对运行平台要求不高。 根据目前教学实际条件的限制，笔者拟研发的“计算机硬件虚拟组装实验”是 一种桌面虚拟现实系统，利用网页进行发布，因此需要详细研究基于w e b 的 桌面虚拟现实系统的特点以及应用条件。 ( 二) 虚拟仪器和场景的制作。主要考虑两方面：一是它呈现给实验者的外 观，即它外在的几何特征( 长、宽、高、颜色等) 一定要真实；二是模型的大 小，面数，贴图的尺寸对整个虚拟实验过程的运行会不会有影响，如果有影响， 有什么样的方法和策略对模型进行优化。 ( 三) 虚拟实验的制作必须考虑用什么工具制作和如何制作的问题。网上实 验包含两类：一类是“演示型”实验，只对实验现象进行演示，实验者仅为观 众：另一类是“操作型”实验，实验者亲自参与实验，是实验的主导者。因为 我们需要开发的实验是学生自己动手对虚拟硬件进行组装，所以是一种“操作 型”的实验。操作型实验开发要难于演示型实验，主要涉及到两个方面问题： ( 1 ) 实验现象的演示。在特定的事件发生时，如何调出相应的事件，实验 过程是如何触发、如何实现的。 ( 2 ) 虚拟硬件板卡操作的实现。如虚拟硬件的移动，放置等。即如何实现 实验者与虚拟硬件之间的交互。 ( 四) 开发出来的虚拟实验希望有实际使用价值，需要接受实践的检验，并 且对于实际教学有什么样的影响需要总结，对下一步的工作进行梳理和展望， 并根据实际情况和教学理论的指导探讨虚拟实验的开发原则和对教学的意义。 本论文的成果是：经过三年研究生的学习和研究，对虚拟现实技术有了一 定的认识和了解，并在现代学习理论的指导下总结了虚拟现实技术在大学计算 机基础教学中的应用形式和对实验教学改革的意义和作用；切实结合虚拟现实 6 四川师范大学硕士毕业论文 技术和多媒体技术，设计了一套低成本的计算机虚拟组装系统，进行试点实验 教学，总结了系统的优，缺点；3 d m a x 软件可以实现虚拟环境的创设，而且 利用该软件制作的三维动画也可以在一定程度上实现虚拟，所以笔者在基于虚 拟现实技术和三维动画的研究基础上，总结了桌面虚拟现实系统和传统三维动 画的异同点。 1 4 研究思路和方法 1 4 1 研究思路 ( 一) 根据实际教学经验，搜集，整理，分析各高校计算机文化基础课程教 学的相关资料，完成本课题研究的必要性和可行性论证。 ( 二) 根据虚拟现实技术、网络技术、多媒体技术的结合，研发桌面虚拟现 实系统，提供一种虚拟实验环境。 ( - - - ) 将研发的虚拟实验教学环境应用到教学中，以一个班为标准进行试点， 对实际使用效果进行考察和访谈，对目前的工作进行总结并对下一步的修改工 作进行展望。 1 4 2 研究方法 ( 一) 文献研究法：为了了解国内外虚拟现实技术在教学中的应用情况，笔 者查阅了国内外大量文献资料。这些文献包括虚拟现实技术发展的历程、动态： 虚拟现实技术在教学中应用的相关理论研究、应用实践及经验总结等方面。在 文献阅读的基础之上，笔者对国外相关虚拟现实的教学应用及虚拟环境的构建 进行了了解和剖析。这种了解主要从两个方面进行，一方面从系统的整体架构 上了解相关虚拟现实教学应用的理论基础及应用领域，从理论的角度分析虚拟 现实技术应用于计算机教学的必要性和可行性；另一方面力求了解相关系统在 技术上采用的方法和手段。 7 四川师范大学硕士毕业论文 ( 二) 访谈调查法：对四川地区高校从事计算机文化基础课程的老师进行了 访谈，探讨了关于该课程实验环节的教学情况，对笔者进行课题内容研究的可 行性分析和需求分析论证奠定了坚实的基础。 ( 三) 行动研究法：以解决计算机硬件组装实验为目的，具体研究当代三大 学习理论的各自特点，基于学习理论的指导，设计虚拟实验平台的功能模块； 详细研究了v i r t o o l sd e v 的b b 组合以及交互设计方式，结合3 d m a x ， a u t h o r w a r e 进行虚拟实验平台的具体开发；对虚拟实验制作过程分析优 化策略，实施设计方案，是整个论文建构的基础。 ( 四) 实践反思法：开发出来的实验平台最终目的是希望应用到教学中，所 以采取小面积试点的方法，对实践进行总结，反思，对下一步的工作进行展望。 1 5 论文结构 本论文共分七章，内容如下： 第一章首先介绍了本论文的研究背景，研究内容、成果、方法以及研究意 义。详细分析了目前高校计算机文化基础课程的实验现状，指出现阶段的实验 教学特别是硬件实验教学非常落后，整个课程改革的重点之一应该是实验部 分，课程的教学目标应该是以培养学生的实际动手能力和应用能力为主。 第二章详细论述了拟开发的计算机组装虚拟实验平台的需求分析；以及作 为一个桌面虚拟现实系统应该达到的基本功能及整体性能要求；根据对系统的 总体分析和性能要求最终选定的开发架构和工具进行介绍。 第三章详细论述了v t r t o o l s 的特点，编辑环境和方法。v t r t o o l s 是虚拟现实 领域的技术，其基本目标是在因特网上建立交互式三维虚拟环境。它和其他相 关软件比如v r m l 不同，它不能作为三维实体的建模工具，但是支持对外部 三维模型的导入。v i r t o o l s 主要是做为实现交互式虚拟操作的编辑工具。 第四章详细论述了虚拟实验环境的创建。虚拟实验环境和虚拟仪器模型主 要基于3 d m a x 创建，然后导入v i r t o o l sd e v 中进行三维交互设置。模型 的开发和对模型的交互功能设置使用两种不同的编辑环境。因此在此章详细论 8 四川师范大学硕士毕业论文 述了v i r t o o l sd e v 对模型的要求以及模型的优化策略。 第五章详细论述了行为主义学习理论、认知主义学习理论、建构主义学习 理论与虚拟实验的相互影响和关系，并阐述基于建构主义的实验教学开发原 则。我们拟开发的虚拟实验就应该以三种学习理论以及建构主义实验原则为理 论基础进行设计。 第六章详细论述了基于三种学习理论相结合对虚拟实验平台功能模块的总 体设计，详细介绍“计算机硬件组装虚拟实验”的关键技术，介绍了数据库连 接以及虚拟交互设计的b b 脚本以及优化c m o 文件的策略，莉用脚本程序仿 真了计算机硬件组装的实验过程。， 第七章对于开发出来的实验平台在少数同学中进行了试点，对实验平台的 特点和目前的不足进行了详细的剖析，并基于对3 d m a x 和虚拟现实技术的 研究，总结了虚拟现实技术生成的桌面虚拟环境和3 d m a x 生成的三维动画 环境的异同点，并对今后进步的工作进行了展望。 1 6 研究意义 实验在计算机教学中占有十分重要的地位，而且是教学活动中一个必不可 少的环节。实验可以加深学生对所学理论知识的理解，增强学习兴趣，锻炼动 手能力及在实践中发现问题，分析问题和解决问题的能力。对于计算机这种实 践性很强的课程，实验教学环节对学好该课程是至关重要的。学生通过足够的 验证性实验和定数量的综合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知 识，获得一定的综合测试技能和实践能力，并初步具有处理实际工作的能力。 缺少了实验动手的机会，课程的教学效果将大打折扣。随着虚拟实验室技术和 多媒体计算机技术的高速发展，将此技术用于实验教学已成为现实，为实验的 发展带来了新的契机，同时也为高等教育的现代化带来了新的机遇。总的来说， 虚拟实验对于大学基础教育及计算机教育来说有以下优点： ( 一) 实现教育资源共享，节约设备投入，解决高校扩招带来的学生规模与 实验基础设施严重比例失调的问题墒e 着我国高等教育体制的深化改革以及招 9 四川师范大学硕士毕业论文 生规模扩大方针实施以来，学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验 教学的困境。为了改善实验水平和环境，学校每年要投入大量的经费。如果要 采取实物教学，就需要配置大量的计算机硬件设备，这对学校来说是个比较大 的投入。但是如果引入虚拟实验，则能够促进和实现教育科研设备的资源共享， 从而可以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投 入，从根本上解决实验经费严重短缺问题，有利于从整体上改善办学条件和提 高教学水平。 ( 二) 可有效地提高学生的动手能力。虚拟实验允许学生按自己的设想动手， 在网上参与或从事实验研究，允许学生失败，允许犯错误，允许仪器设备损 坏或灾难性事故的发生；并通过正，反两方面增加和培养学生的想象力 和创造力。在计算机硬件组装过程中，涉及到板卡的位置，正反以及跳线的极 性等。如果连接错误，一旦通电，就会造成硬件的损坏。这个是学校固定资产 不允许发生的情况。所以一旦引入虚拟实验，学生就可以放心大胆的进行硬件 组装，如果出现错误，系统可以显示出错误的结果，让学生有深刻的印象。那 么在真实环境下组装时，就可以尽量避免这些错误的发生。 ( 三) 为学生提供一个人机交互，界面友好，边学边做的开放式学习环境， 高度激发学生学习动机。虚拟实验教学可以集文字，图形，图像，动画，声音 于一体，具有人工智能和超级链接的能力，采用基于自然方式的交互作用提高 了学生的学习兴趣。在这种虚拟的环境中，学生的各种感觉( 视觉、听觉、动 觉、力觉和触觉等) 与虚拟的学习情境相互联系和作用，而不像在一般的计算 机辅助教学中，学生只能接受到视觉和听觉的信息，这样就大大提高了学生的 学习兴趣和学习效果。 ( 四) 增强并扩展了实验教学的功能，提高了实验教学效率，优化了实验教 学过程，突破了传统实验教学手段，为学生构建了一种全新的实验教学模式， 也为实现开放式实验教学提供了强有力的支持，在教学方面表现出越来越大的 潜力，是广大教师研究实验教学新模式的大好时机。归纳起来，虚拟实验对实 验教学具有多方面的促进作用：( 1 ) 可以精确地演示某些特征、过程等，以支 持理论学习；( 2 ) 允许在很近的地方考察一个对象，提供从物体的内部进行观 察的机会，培养观察分析、计划组织和问题解决能力；( 3 ) 允许学习者根据自 四川师范大学硕士毕业论文 己的节奏来完成实验体验，实验时间不会像以前局限在两节课的时间，只要拥 有一台多媒体微机，学生就可以通过网络访问教学内容，完成实验任务，而且 还可以不必亲自到实验室去，解决了传统实验教学中时间、空间绝对的问题。 ( 4 ) 虚拟实验可以是设计者想象出来的内容，也可以是真实实验环境的模拟， 可以利用虚拟来仿真最新的设备和技术，学生利用虚拟实验可以不受学校教学 条件的限制，接触到大量最新的仪器，对于开阔学生眼界有非常重要的意义 ( 5 ) 允许多个学生通过网络共同合作完成一项实验，增进了学生之间的合作， 加强了协作式教学模式在实验教学中的应用，培养了学生的团队精神。 i i 四川师范大学硕士毕业论文 第二章虚拟实验室系统分析和设计 2 1 实验平台的需求分析 自然教学中，实验作为帮助学生获得科学知识的重要手段，在教学中占有 较大比例，实验教学受到很大重视。随着教学手段的更新，教学过程的优化， 教学密度得到加大，培养学生创新能力被提到一个新的高度。根据笔者的教学 实践：学生通过完成教师精心准备的实验内容，可以激发学生创作的兴趣。在 进行p o w e r p i n t ，w o r d ，e x c e l 等内容上机时笔者均采用案例实验教学，利用“宋 词欣赏”幻灯片，贺卡制作等实例，通过美观的图片，动画，音乐等素材吸引 学生的注意，激发他们对学习的兴趣。学生会很有激情的去完成这些例子，并 且很多学生会在这些方法技巧的基础上去构思他们自己想做的东西。加强学生 上机环节学习，对于提高学生的软件应用能力得到了非常明显的效果。但是计 算机系统由软件系统和硬件系统两部分组成，缺一不可。目前计算机作为一种 普及家电走进了千家万户，学生不应该只能够使用计算机常用应用软件，而且 应该具备硬件的相关操作能力，能够对简单的硬件错误进行自我排查和检修， 而不是一旦系统有问题，就求助于他人或维修机构。但是从现实情况来看，计 算机硬件及其组装对于广大学生来说是个神秘的禁区，机箱里面到底有些什 么? 他们的结构如何? 一个一个的问号一直浮现在学生的脑海里。为了打破这 个神秘的禁区，就需要设置相应的计算机硬件实验室。目前各个高校都设置的 有专门的计算机实验室，配备了台式计算机，投影，多媒体系统等等，教师可 以利用这些设备进行实验的演示教学和观察教学，学生也能够利用计算机进行 上机实践，培养动手能力。对于计算机专业的学生来说，他们能够使用硬件实 验室来提升他们的专业能力。但是计算机文化基础课程是面向广大的非计算机 学生，我们需要消除的是广大非计算机学生对于计算机硬件的神秘感，为数不 多的计算机硬件实验室不能满足这样大量的实验需求，公共计算机实验室也不 允许学生去打开机箱后盖去亲眼观察，亲手操作硬件。而且由于扩招，实验室 的课程安排非常紧凑，学生也很难在非实验时间去进行实验。所以基于上述的 1 2 四川师范大学硕士毕业论文 种种原因，笔者认为有必要研制一套基于虚拟现实技术的计算机硬件虚拟实验 平台，专门用于计算机文化基础中第一章系统结构的上机实验，通过突破传统 实验方法，进而改变学生学习计算机文化基础系统结构章节中纯粹纸上 谈兵的现象，使学生的理论学习及动手能力都得到根本性的增强和提高。 2 2 实验平台总体分析 本论文设计目标是借助于计算机，虚拟现实和多媒体技术，开发大学计算 机文化基础硬件组装的网上虚拟实验室。基于教学内容开发，服务于教学。当 前，应用于教学中的虚拟实验室系统设计的根本点在于：按照实验教学的基本 要求，建立虚拟实验室的各种实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样， 运用各种虚拟实验仪器和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，完成各 种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所 取得的效果。与传统的实验教学相比，虚拟实验其内容可以更加丰富，广阔， 同时学生可以不受时间和地点的限制，利用计算机和网络随时进行实验操作， 根据自己的节奏来组织和完成实验，根据自己的设计模式来完成实验。综合以 上的虚拟实验室系统设计的思想，该实验作为一个虚拟实验环境，应该符合两 方面的要求。 ( 一) 作为一个虚拟现实环境，系统应该具有基本的虚拟现实功能和特征。 虚拟现实技术是一种逼真地模拟人在自然环境中视觉，听觉，运动等行为的人 机界面技术。1 9 6 5 年，有着“计算机图形学之父”之称的i v a ns u t l a e r l a n 发表 了一篇终极显示的论文，奠定了他作为虚拟现实先驱者的地位。文中这样 写到：“计算机屏幕犹如一个窗口，通过这个窗口，我们就可以看到一个虚拟 世界。这个世界看起来真实，听起来真实，摸起来真实! ”( 1 5 1 在他的这一经 典描述中主要包含以下三个要点：( 1 ) 计算机生成的虚拟世界看起来像真的， 听起来像真的，触摸起来像真的。( 2 ) 计算机生成的虚拟世界应该给人一种身 临其境的沉浸感。( 3 ) 人能以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作。这 三个要点构成了虚拟现实技术的基本特点：沉浸性，交互性，多感知性i 埘。 四川师范大学硕士毕业论文 一个理想的虚拟环境应该达到使用户难以分辨真假的程度，让人沉浸其中。 基于上述虚拟现实系统的基本特征，我们开发出来的虚拟实验就必须要让学生 感觉是像在真实环境里面实验，实现比较好的沉浸感。因此首先应该对虚拟实 验环境进行仿真建构。构建具有逼真三维效果的空间场景和硬件实体，这些场 景和硬件实体应该与真实世界的几何特征和物理特征基本相同。学生进行实验 时，能够体验到具有基本真实感的三维视觉空间。本虚拟实验室需要进行建模 的实验实体有实验室场景( 包括地面，灯光，实验台) ，计算机硬件设备( 包 括显示器，机箱，主板，内存条，显卡，电源，光驱，数据线，电源线，键盘， 鼠标等) 。 ( 二) 作为一个虚拟现实环境，模拟真实的实验过程，就必须对虚拟实验的 过程进行仿真和控制。实验的过程即是人与实验仪器互相作用过程。此环节属 于对虚拟现实系统的交互功能设计。对于一个好的虚拟现实系统来说，用户应 该可以如同在真实的环境中一样与虚拟环境中的人物、事物发生交互。使用者 可以通过相关设备与虚拟现实系统进行交互，比如说3 d 鼠标，数据手套，特 殊头盔等。但是此系统开发出来拟应用于教学领域，对于学校来说，上述设备 不是都具有的，所以我们可以利用键盘、鼠标等基本设备与系统进行交互。对 于实验交互功能的设置，笔者认为主要集中在三个方面： ( 1 ) 实验现象的演示。在特定的事件发生时，如何调出相应的事件，实验 过程是如何触发、如何实现的。系统根据实验者的操作步骤送入后台进行计算 以后，将操作结果以相应形式反馈给实验者。实验过程和计算、反馈过程是同 步的，即需要显示实验过程的真实性。 ( 2 ) 虚拟硬件板卡操作的实现。如虚拟硬件的移动，放置等。即如何实现 实验者与虚拟硬件之间的交互。对于计算机组装来说，每个硬件都有自己固定 1 4 四川师范大学硕士毕业论文 的插槽，当学生选中一个硬件时，应该能够从硬件陈列区移动选中硬件到相应 的插槽和接口位置处进行安装； ( 3 ) 虚拟实验不光能够对实现现象进行演示和交互操作，而且应该具有基 本的辩识能力，对用户的错误操作和正确操作能够正确的区分，并且根据辩识 的结果，给出操作标记，指出实验者的下一步操作。 2 3 实验平台的性能要求 ( 一) 基于w e b 的桌面虚拟系统。虚拟现实真实性包括空间特征的真实性、 物理特征的真实性和交互方式的真实性。目前虚拟现实系统根据真实世界和虚 拟世界的隔离和融合为轴可以分为三种类型旧：沉浸式虚拟系统，桌面虚拟 现实系统，增强式虚拟现实系统 ( 1 ) 沉浸式虚拟现实系统：操作者活动在被人所感知的虚拟世界中，他和 真实世界是隔离的，即看不到真实世界，昕不到真实世界等。利用头盔显示器、 数据手套、三维鼠标等传感跟踪装置与虚拟世界进行交互。由于这种系统把用 户的视觉，听觉和其它感觉封闭起来，产生一种身在虚拟环境中的错觉，能够 使人全心投入并沉浸其中。这种系统的沉浸感相当好，但是需要的专用设备复 杂而且昂贵，难以在教育领域普及推广。 ( 2 ) 桌面虚拟现实系统：运用软件编程的方法在显示器上显示三维场景， 操作者活动在真实世界，计算机的屏幕作为参与者观察虚拟世界的一个窗口， 并通过鼠标，键盘等输设备与之进行交互。由于用户坐在显示器前，通过屏幕 观察虚拟世界并与之交互，参与者往往会受到周围现实环境的干扰而缺乏沉浸 感，难以做到完全投入，是一种初级的虚拟状态，但因其结构简单，成本相对 较低，易于普及推广，因而在各领域应用较为广泛。目前很多应用在教育领域 的虚拟实验都是该种系统。 基于上述特点，本课题拟开发的就是配备基本的微机系统、运用软件实现 可视化三维场景的基于w e b 的桌面虚拟实验系统。所谓基于w e b 的虚拟实 验就是在w e b 中创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物 四川师范大学硕士毕业论文 体代表一个实验对象。通过鼠标的点击及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。 主要具有以下三个特点： ( 1 ) 完全基于w e bz 客户端除了需要一些浏览特殊数据格式的p l u g i n 插件 以外不需要其他的客户端软件支持。分布在各地的用户只要访问特定的网址便 可以进入这个虚拟环境中进行学习。 ( 2 ) 三维的立体环境：利用计算机建立三维空间的模拟实验环境。在场景 中能够从不同的视角观察一个实验对象，并且能够事先设置多个焦点视角，用 户可以直接在这些视角之间做切换。 ， ( 3 ) 使用鼠标或者键盘和可视化实验对象进行交互。虚拟实验对象和用户 之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互。例如在计算机硬件虚拟实验 中可以将所有硬件板卡用三维方式表现出来，用户通过鼠标操作他们，完成实 验。 ( 二) 速度和图形效果要求：由于本系统目前是拟针对单机环境的，所以运 行速度受计算机图形渲染速度的影响，这个取决于实验者机器的配置，是系统 无法控制的。但是为了能够在学生机房里面应用该虚拟实验系统，系统设计时 应该尽量采取各种优化策略，从建模到交互设置到网页发布，尽量控制软件的 规模，进行实验的优化。 ( 三) 可移植性：要求系统在移植到其他平台上尽量少或不进行改动。系统 开发时所采用的平台是w i n d o w s x p 平台，砸浏览器模式。如果最后虚拟实验 的运行平台交了，也能够适应新平台，移植性必须要好。 ( 四) 实验仪器的扩充添加：由于计算机硬件的更新速度是相当快，所以系 统在功能层次上要求能够扩充新的器材。创建一个硬件资源库，将市面上最新 的硬件资源进行建模后存放到资源库中，学生可以自己定制实验，即学生可以 根据自己配机的目的来选择各种型号、规格的硬件来进行计算机的自我组装， 而不是对现有的几个