虚拟现实在实验教学中的应用

2023-03-07

实验教学是学科教学特别是理工学科教学中的一个非常重要的环节, 是院校教学活动的重要组成部分, 是实施素质教育的重要手段。多媒体技术 (MT) 和信息技术 (IT) 的发展为学科教学、实验和实训的发展带来了新的契机, 同时也为高等教育的现代化带来新的机遇、需求和挑战。自然而然, 虚拟现实实验室的建设与应用也同样至关重要了。通过虚拟现实实验室对一些现实实验的虚拟不仅能够提高现代教育的教学效果, 更重要的是那些缺乏实验条件的实验可以通过对实验设备的虚拟来完成实验, 从而达到提高学生掌握知识和技能的效率, 达到优化教学过程和提高教学质量的目的。

我院在《微机安装与维护》实验课上率先提出课程虚拟实验教学和虚拟化数字设备专业教学训练实验改革的构想, 研制开发了“微机系统虚拟安装”等部分虚拟实验教学软件, 并应用于教学, 取得了较好的教学效益, 打造了比较完整的符合自身需要的《微机组装与维护虚拟实验室》仿真系统。

整个系统采用C/S技术和基于Web三层结构技术的混和形式实现。C/S技术将主要的应用逻辑在客户端给予实现。基于Web的三层结构将主要的应用逻辑在中间层的应用服务器上给予实现。第一层为客户端程序即用户界面程序, 它通过使用中间层部件提供的业务服务来实现其功能, 本身不进行任何业务数据处理, 所以客户端配制很简单, 只需安装Windows操作系统即可, 客户利用IE浏览器完成操作。中间层是应用服务层, 包括许多提供各种服务的独立的中间层部件, 对数据库的访问均采用对象嵌入引擎的方法, 避免了使用ODBC需要设置的不便。第三层是数据服务层, 系统采用MS SQL Server作为数据库服务器。在基于Web的三层结构中, 系统管理员只需对应用服务器进行维护, 而在客户端实现了零维护, 提高了工作效率。

整个系统由五大部分组成即微机模拟组装、BIOS模拟设置、模拟分区、操作系统模拟安装和故障模拟, 模拟了一个完整的由装机到装系统和维护的过程。

1 基于VRML的微机模拟组装系统

微机虚拟安装系统基于虚拟现实技术通过VRML等工具设计而成, 完全应用计算机操作模拟微机组装过程, 其特点是操作方便、易于理解和模拟仿真程度高, 减少了实际操作中由于操作错误造成的计算机硬件损坏。微机虚拟安装系统主要有两大功能: (1) 用3Dmax软件建立了计算机各个部件的模型, 可以让学生直观的认识各种板卡, 并能从各个角度进行观察, 而且可以对其进行放缩、旋转等操作。 (2) 模拟了各个板卡的安装, 其中包括我们在安装过程中需要注意的各种事项等。

2 BIOS模拟设置

由于BIOS设置和计算机底层硬件紧密相关, 任意不恰当的修改都会影响计算机的使用。“BIOS模拟设置程序”正是为了避免学生对BIOS任意修改以造成计算机性能下降、不能引导启动或者对硬件屏蔽不能使用而开发的一套模拟仿真软件。本系统按照真实的BIOS设置程序而开发。学生通过模拟设置软件的练习可以达到对主要BIOS参数值的理解、认识, 并能够对一些主要参数进行设置。

3 模拟分区

分区是一个具有破坏性的命令, 我们不能轻易使用它。不恰当的分区无疑会造成硬盘数据丢失, 另外对于频繁的分区、格式化操作还会影响硬盘的使用寿命。在实验教学的过程中如果使用真实的Fdisk软件无疑会造成人力、物力的浪费和损失。基于此点我们开发了Fdisk分区模拟软件。此软件按照真实的分区软件进行设计与开发, 其功能和使用方法完全和真实的分区软件一样。让用户熟悉其操作流程, 掌握其使用方法, 避免因不恰当的使用对计算机硬件与数据造成的破坏。

4 操作系统模拟安装

这部分真实再现了Windows XP/2000操作系统完整的安装过程。模拟程序由于是再现系统的安装过程, 因此大部分的功能模拟是采用加载图片的方式, 进度条采用时间控件控制, 分区信息从分区软件生成的配置文件读取。

5 故障模拟

软件采用当前比较成熟的技术C/S机制, 由学生端和教师端组成。学生可以直接在本机进行模拟训练。学生可以随机抽题、顺序抽题和自主抽题来进行有针对性的训练, 在每道题模拟结束后, 学生将要选择一个与之对应的错误分析, 最后系统将给出相应答案供学生参考。教师可以在服务器端进行设置相应题目, 对学生进行测试, 成绩提交到数据库中。题目是模拟计算机常出现的一些故障, 如内存报警、CPU报警、硬盘不识别等, 经过训练, 提高学生维护计算机的能力。

虚拟现实应用于教育营造了“自主学习”的环境, 由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比, 虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃, 在城市规划、工业、医学、娱乐、军事航天等各个行业中发挥着越来越重要的作用。

摘要：虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃, 它在实验教学中扮演着越来越重要的角色。建立虚拟实验室, 通过虚拟软件进行虚拟实验在院校已经展开, 既节省了资源又提高了教学质量。

关键词：虚拟现实,实验教学