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虚拟现实在《计算机组成原理》课程教学中的应用探索

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刘跃华何静

摘要

新工科背景下对计算机组成原理课程的教学提出了新的要求，虚拟现实技术作为信息技术领域的一项热门技术已广泛运用到现实生活中，特别是在教育方面，虚拟现实技术的引入将推动了课程教学模式的改革。本文基于对虚拟现实技术的研究，以计算机组成原理课程为例来探讨虚拟现实在课程教学中的应用。

关键词

虚拟现实;计算机组成原理;教学改革

：G642;TP3-4??????：A

DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.04.20

1计算机组成原理课程的教学特点

计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的核心基础课程之一，也是全国研究生招生的统考课程，该课程在计算机类专业人才的培养体系中起着重承上启下的作用，是深化计算机类专业学生学习能力的重要环节。该课程的教学目的是使学生理解计算机各个部件的工作原理，建立计算机的整机概念，从而具备计算机系统整机和部件的分析和设计能力。通过本课程的学习能为后续课程如计算机系统结构、微机原理与汇编语言、操作系统原理、编译原理等奠定坚实基础。

因本课程介绍的是现代普通计算机的组成与运行机制而不涉及具体的机型（如Intelx86系列机器），其教学内容和原理比较抽象，加之由于计算机科学与技术专业的学生普遍存在电子电路知识基础较为薄弱的问题，而计算机组成原理程中很多内容是讲解芯片内部工作過程的，因此必须辅之以实验环节来提升学生对计算机组成相关原理的感性认识。近年来，计算机组成原理实验教学的研究现状主要集中在以下两个方面：一是关于应用FPGA（现场可编程阵列）和EDA（电子设计自动化）技术进行计算机组成的实验教学。例如应用FPGA和EDA技术设计运算器和微控制器、简单ALU（算术逻辑运算）设计、组合逻辑控制器的设计、以及FPGA结合外围接口芯片来实现了一个基于MIPS处理器的计数器设计等;二是应用虚拟仿真技术仿真计算机的工作原理，例如算术/逻辑运算实验的仿真，基于客户端技术的计算机组成原理虚拟实验系统，指令级、微体系级仿真系统等。

本校开设的计算机组成原理课程共安排了78个课时的理论和实验教学内容，是计算机科学与技术专业、软件工程专业、物联网工程专业和智慧管理班的必修专业课程，其实验教学环境采用爱迪克（AEDK-CPT）计算机组成原理教学实验系统（实验箱），该实验箱提供的实验内容如表1，虽然在实验箱上可以完成组成原理的大部分实验，但存在如下问题：一是实验箱中的实验内容不能“与时俱进”、升级换代;二是不能在课堂教学上使用以实现互动教学;三是不能实现线上教学以提升学生的自主学习的能力。随着人工智能、大数据、物联网、云计算、区块链等前沿科技的快速发展，新工科的教学理念应运而生，如何培养更多高质量的计算机类专业人才，以适应新一轮科技革命和产业革命对计算机类工程人才的需求，是计算机类专业在新一轮高等教育变革中需要解决的关键问题，在新工科背景下，计算机类专业核心课程的MOOC（慕课）建设与虚拟仿真实验教学越发被重视。

2虚拟现实技术在课程教学中的应用

早在20世纪60年代，虚拟现实技术（VR）就已产生，局限于当时计算机的性能VR技术的发展相对缓慢。直到20世纪80年代才开始进入人们的生活。近年来随着信息技术的发展，把VR技术引入课程教学中已成为未来教学模式的发展趋势。VR技术有三大基本特征：沉浸性、交互性和多感知性。沉浸性指使用者置身于计算机创造的虚拟环境中，成为环境中的一员，与环境之间产生相互作用，如同在现实世界中一般;交互性指使用者可以通过身体的运动和语言对虚拟环境中的对象进行交流;多感知性指使用者在虚拟环境中可获得触觉、视觉、听觉等多种感知，从而获得身临其境的感觉。目前虚拟现实仿真平台的实现可以分硬件和软件两大方面。图1给出了虚拟现实实现的基本构架。

虚拟现实设备包括头盔、数据手套输入设备、数据衣，甚至气味发生器、味觉发生器等。“头盔”则由显示器、光学系统、立体声音箱和运动跟踪系统构成。运动跟踪系统一般由发射器、接收器等电子部件组成。目前的跟踪系统有电磁、机械、光学、超声等。数据手套通过手指上的弯曲、扭曲传感器和手掌上的弯度、弧度传感器，确定手及关节的位置和方向。通过它可测量出手的位置和形状，从而实现环境中的虚拟手及其对虚拟物体的操纵。而借助嗅觉传播技术，可以使用户获得身临其境的感受。对气味进行数字化，而且还可以借助网络在远端重新组合成气味。沉浸式虚拟现实具有一定的优势，它可以提供一个实验的机会，对现实生活中存在一定局限性的情境和对象进行实验，例如，时间段限制、身体不可接近性或者对访问具有高度危险性等情况，可以在一个安全的环境中提供实践和培训，提升学习者的参与度和学习动机。目前，两种主