计算机硬件组装虚拟实验系统设计与实现

陈 耀

（茂名职业技术学院，广东 茂名 525000）

1. 引言

在计算机硬件组装与维护教学过程中，由于高校硬件设施的匮乏或者更新速度难以与计算机硬件发展速度接轨，难以满足学生实际操作需要，由此设计一套计算机硬件组装虚拟实验系统辅助学生进行操作演示，提高学生的实际操作能力。本文以高校计算机硬件组装教材内容为蓝本，利用网络技术、3D技术等搭建计算机硬件组装虚拟实验平台，充分考虑系统的实用性，简单易懂便于操作，在计算机硬件组装教学中具有良好的辅助作用。

2. 设计构思

2.1 功能介绍

本文所设计的计算机硬件组装虚拟实验系统是根据教学课程内容建立循序渐进、由浅入深的虚拟学习环境，其主要功能是根据教材内容逐步进行虚拟实践，在操作过程中利用3D技术学生可以从多角度浏览硬件模型，并且通过对硬件的性能和参数进行最优匹配，虚拟动手操作计算机硬件各部件的拆卸等。在遇到计算机硬件组装常见故障时，系统会给出问题指向，帮助学生快速判断出错误位置。

2.2 设计原则

计算机硬件组装虚拟实验系统设计要以实用性为原则，充分考虑系统的易用性、逼真性、安全性、交互性、共享性和可扩展性。易用性是考虑学生操作系统的简便性和易懂性，根据教材可循序渐进引导学生熟练使用该系统；逼真性是指虚拟实验与实际操作的相似性，在虚拟环境下利用3D技术虚拟构建计算机各硬件模型，通过场景的优化、渲染使学生能够沉浸在实验中；安全性是考虑系统用户操作数据的权限控制，增加数据备份功能，防止用户数据丢失；交互性是指提高用户与系统之间的交互功能，不仅可以通过鼠标、键盘等传统输入设备进行操作，还可以增加手柄、触摸屏等实现人机和谐交流；共享性是学生与学生之间、学生与教师之间可以通过网络进行信息共享，并且可以实现远程指导和交流；可扩展性是指在计算机硬件技术不断更新的环境下可以不断地增加各种类型的硬件模型到系统中，增加系统的动态扩展性，使学生及时掌握最新的计算机硬件技术。

2.3 运行环境搭建

本文所设计的计算机硬件组装虚拟实验系统采用Quest 3D为开发工具，利用3D MAX软件和Sketchup软件进行建模，数据存储采用MySql数据库。

3. 系统设计

3.1 系统结构

本文所设计的计算机硬件组装虚拟实验系统采用C/S架构，系统结构如图1所示：

图1 计算机硬件组装虚拟实验系统结构

在服务器端利用Quest3D封装的交互模型建立虚拟实验系统，并对用户的操作数据进行存储；共享网络可以是建立在机房的局域网络也可以应用互联网络；用户在客户端通过Quest Viewer执行硬件组装虚拟应用程序完成计算机硬件组装的三维模拟浏览、虚拟演示、模拟操作等，系统还具有更新功能，通过下载数据库的最新数据，完成虚拟硬件的型号、参数更新。

3.2 设计流程

根据计算机硬件学习资料内容进行需求分析、虚拟硬件模型设计与动画制作、人机交互设计和性能测试、系统流程设计，在需求分析中结合学生学习特点和教学大纲，确定系统功能模块，对系统的角色、权限、数据库、界面等进行规划；通过对计算机硬件的外形、接口、参数等进行硬件模型设计，应用部分现有3D Warehouse等模型库中的硬件模型提高系统的开发效率，对一些需要进行精细设计的模型可采用Sketchup工具对现有模型进行修改或者是应用3D MAX软件进行制作，再通过Deep exploration软件对模型优化使其达到与现实硬件产品精度、参数的统一；人机交互建立硬件组装场景，利用Quest 3D软件进行虚拟实现，完成人与系统的交互功能；最后对系统进行测试，如发现问题进行逐步改进。

3.3 模块设计

根据系统架构和功能分析，系统模块主要分为计算机硬件理论知识学习模块、硬件组装技能练习模块和系统管理模块。

计算机硬件理论知识学习模块是呈现计算机硬件图片和文字说明的理论型模块，该模块主要以理论知识学习和计算机模型浏览为主，学生可以通过客户端从任意角度浏览硬件模型，当鼠标置于模型既定位置时提示硬件信息参数及文字说明。

硬件组装技能练习模块是由部分图片、视频等组合而成的人机互动模块，该模块可由学生虚拟实验计算机硬件的组装与匹配，并且能够给出匹配结果和最优选择。

系统管理模块是对系统的功能、用户及安全进行管理，系统管理员可增加和删除系统的登录用户，能够对硬件模型进行更新，并且能够对系统应用的各项数据进行监控和数据备份，保护系统的安全。

4. 系统实现

4.1 交互界面实现

计算机组装虚拟实验系统交互界面采用导航栏形式方便用户快速熟悉系统菜单中的各项功能，快捷菜单设计在系统界面的顶部，以隐性树形结构显示，将一级分类显示在主界面顶部，当鼠标点击一级分类下拉出二级分类，当鼠标置于二级分类时标有◢符号的分类显示三级分类，便于用户依照顺序定位系统功能，在主画面区可显示硬件3D图像，并可用鼠标、键盘、触摸屏等对虚拟硬件进行移动、旋转、放大、缩小，便于用户详细观察硬件的各个细节，同时主显示界面可以播放RMVB、AVI、3GP等格式的视频文件，学生可以选择计算机组装的细节教学视频进行学习。

4.2 主要功能实现

用户与系统进行交互首先登录系统进入用户登录模块，该模块利用Quest 3D中的DBDriverMysql、DBinfo、DBQuery、DBValue等连接信道与数据库进行连接，确认用户身份进入系统；其次系统视频演示实验与动画实验功能实现操作界面与人的交互，视频演示是教学模型，教师可以将硬件组装实际操作视频播放给学生观看，动画实验功能是学生通过系统可以在虚拟环境下以动画形式操作计算机各硬件的组装，通过调用Quest 3D中的Media Texture、MediaTexture Command、Trigger、UserInput等信道完成该功能；用户在进行硬件组装虚拟练习时，通过鼠标、键盘、触摸屏等对虚拟环境下的CPU、显卡、内存、电源、主板等进行组装，系统可正确判断各虚拟硬件放置位置是否正确，通过Quset 3D中userinput、expression value、set value等节点进行实现；在遇到新型硬件时，系统可扩展添加新型硬件的图片、参数，建立虚拟模型，并保存在MySQL模型数据库中。

4.3 故障排除交互实现

学生在进行计算机硬件组装虚拟实验系统操作时，操作错误系统会弹出错误提示，譬如：在完成计算机硬件组装虚拟实验进行模拟开机时，提示开机错误，并显示显卡错误、声卡错误或者是内存条错误等信息的提示，该功能的实现可采用模拟树的方式进行设计，在模拟树下增加判断型节点，节点内容包括：主板、CPU、显卡、硬盘、内存、光驱、电源、鼠标、键盘、显示器，当任一节点未正确安装，则无法完成计算机虚拟开机，弹出提示框辅助学生找到故障所在，并对故障原因加以解释说明。

5. 结束语

将计算机硬件组装实验以虚拟的形式提供给学生进行学习，不仅能够降低高校经营成本，而且可降低学生的操作风险，提高学生的学习兴趣。本文所采用的Quest 3D、3DMAX、Sketchup、Mysql等软件，结合教学教材内容将计算机硬件实体3D建模，并建立计算机硬件组装虚拟环境，有效提高了学生实际操作能力，同时也降低了教师教学的压力，在高校计算机硬件课程教学中具有非常重要的现实意义。

[1]顾容，苏豫全，孙国良.计算机硬件组装虚拟实验系统的研究与实现[J].计算机应用与软件，2012，(04).

[2]杨海瑞.计算机硬件组装虚拟实验系统研究探讨[J].软件，2014，(03).

[3]刘均，冯志林.计算机组成原理仿真实验系统设计与实现[J].浙江工业大学学报，2009，(05).

[4]汤宁.基于actionscript的计算机硬件组装仿真实验系统设计和实现[J].计算机光盘软件与应用，2013，(08).

[5]崔洋，陈光，沈佳.基于B/S模式的网络虚拟实验系统的设计与实现[J].计算机与现代化，2013，(05).