萬晨

（中南民族大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，湖北 武漢 430074）

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡稱為VR技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、立體顯示、3D環(huán)境建模、人機(jī)交互等高新技術(shù)[1,2]，利用立體頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服等特殊的輸入和輸出傳感設(shè)備[3]，生成集視覺、聽覺、觸覺于一體的逼真三維世界，能突破時間、空間和其他條件的限制，帶給用戶一種身臨其境的感覺[4,5]。VR技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性的特征，也稱3I特征[6,7]，這些特征符合新時代教育的需要，將其用于教育領(lǐng)域能產(chǎn)生巨大的價值和重要的意義。《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實(shí)施方案（2018－2022年）》中提出要大力推進(jìn)教育信息化，加快推進(jìn)智慧教育創(chuàng)新發(fā)展，設(shè)立“智慧教育示范區(qū)”，開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目等建設(shè)，實(shí)施人工智能助推教師隊(duì)伍建設(shè)行動。根據(jù)《關(guān)于開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作的通知》的要求，我國許多高校都建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，進(jìn)一步推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度[8]。同時，大量學(xué)者與研究人員對VR技術(shù)在課堂教學(xué)[9-11]、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[12]、非正式學(xué)習(xí)空間[13,14]等方面的應(yīng)用開展了廣泛而深入的研究。雖然VR技術(shù)帶給我們?nèi)碌慕虒W(xué)思維和服務(wù)體驗(yàn)，但是VR技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用還處于探索階段，依然面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬不足、虛擬仿真系統(tǒng)孤島、缺乏虛擬教學(xué)資源、缺少教學(xué)過程及效果分析、評價等問題[15]。

近年來，隨著VR技術(shù)和人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）技術(shù)的迭代發(fā)展，VR系統(tǒng)在智慧校園的應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，AI技術(shù)和VR系統(tǒng)逐漸融合，且呈現(xiàn)出你中有我、我中有你的趨勢，智能化已然成為VR系統(tǒng)的一個重要特征，VR技術(shù)也由3I發(fā)展到4I?！癡R+AI”將會給教育環(huán)境、學(xué)習(xí)過程支持、教育評價、高校服務(wù)與管理等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。VR與AI的相結(jié)合可能構(gòu)成終極性的教育技術(shù)，將給教育生態(tài)系統(tǒng)帶來歷史性變革[16]。

2 智慧校園發(fā)展過程中面臨的問題

VR和AI技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用，為當(dāng)前高校發(fā)展帶來了機(jī)遇，對加速推進(jìn)智慧校園建設(shè)具有重要意義。然而通過深入研究分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前智慧校園發(fā)展過程中面臨著以下問題：

2.1 VR系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃

盡管VR技術(shù)對我國教育改革具有重大推動作用，但大部分高校目前建設(shè)的虛擬課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)、虛擬學(xué)習(xí)空間、虛擬校園等各類虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在著仿真軟件安裝復(fù)雜、訪問速度慢、訪問入口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)和教學(xué)資源共享困難、安全性低、兼容性差等問題[17]。這些共性問題使得VR技術(shù)在高校的教學(xué)和管理中無法發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2.2 教學(xué)模式單一、教育評價滯后

傳統(tǒng)的以教師教授為主的教學(xué)模式，在整個教學(xué)過程中教師通常按照程式化的課件教授知識，學(xué)生的學(xué)習(xí)處于被動接收的狀態(tài)，這種方式不利于學(xué)生抽象思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展，也難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果；加之教育過程中數(shù)據(jù)收集不全面、教育評價方式單一僵化，這些都制約著高校教育的發(fā)展。

2.3 教育資源共享困難、資源利用率低

隨著智慧校園建設(shè)的不斷深入，學(xué)校建設(shè)的教育資源也越來越豐富。但在教育資源的整合與共享上也存在一些問題，主要包括：梳理整合種類眾多、數(shù)量眾多、形式眾多的教育資源難度大、人力成本高；教育資源存儲格式不一，平臺間相互封閉，使得不同資源平臺間難于實(shí)現(xiàn)資源共享；現(xiàn)有平臺功能簡單，缺少對學(xué)習(xí)者使用教育資源的過程分析，難以滿足學(xué)習(xí)者多樣化和個性化需求。

2.4 高校服務(wù)供給及管理方式智能化水平低

高校服務(wù)供給和管理工作是促進(jìn)高校事業(yè)持續(xù)發(fā)展和維護(hù)校園安全穩(wěn)定的重要保障。在傳統(tǒng)的教育服務(wù)與管理中，高校服務(wù)供給依賴于線下的教室、實(shí)驗(yàn)室、圖書館、會議室、博物館、學(xué)習(xí)交流室等物理空間，為師生教學(xué)、科研及日常生活提供支撐服務(wù)。然而實(shí)體的物理學(xué)習(xí)空間依賴于實(shí)體場所，會對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時間和空間產(chǎn)生限制，且各個物理場所相互獨(dú)立，難以全面地對所有場所進(jìn)行統(tǒng)一管理，導(dǎo)致高校在服務(wù)供給及管理方面處于低水平狀態(tài)。

3 “VR+AI”教育服務(wù)平臺的設(shè)計(jì)

“VR+AI”教育服務(wù)平臺（以下簡稱“教育服務(wù)平臺”）設(shè)計(jì)目的是將虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能融入高校教育教學(xué)的全過程，通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、5G等新一代技術(shù)的融合創(chuàng)新，助力智慧校園建設(shè)，實(shí)現(xiàn)集構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)生態(tài)、拓展學(xué)習(xí)空間、革新教學(xué)模式與教育評價方法、創(chuàng)新學(xué)校管理與服務(wù)方式等于一體的應(yīng)用服務(wù)體系。

3.1 教育服務(wù)平臺模型設(shè)計(jì)

“VR+AI”教育服務(wù)平臺通過整合校內(nèi)各項(xiàng)系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)教育業(yè)務(wù)流程再造，教育業(yè)務(wù)一體化建設(shè)和管理。教育服務(wù)平臺由教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入、教育業(yè)務(wù)集成平臺和教育服務(wù)整合三部分組成，如圖1所示。

圖1 教育服務(wù)平臺模型設(shè)計(jì)圖

（1）教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入

教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入主要是實(shí)現(xiàn)教務(wù)系統(tǒng)、學(xué)工系統(tǒng)、研究生系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、上網(wǎng)認(rèn)證系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、場館管理系統(tǒng)、GIS（地理信息系統(tǒng)）、車輛門禁系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等系統(tǒng)的業(yè)務(wù)接入、數(shù)據(jù)交換及其業(yè)務(wù)支撐方面服務(wù)。

（2）教育業(yè)務(wù)集成平臺

教育業(yè)務(wù)集成平臺由人工智能融合模塊和八個教育服務(wù)業(yè)務(wù)模塊組成。人工智能融合主要實(shí)現(xiàn)認(rèn)知模型、知識模型、情境模型、數(shù)據(jù)挖掘、智能檢索、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等與各類教育服務(wù)業(yè)務(wù)的融合及提供智能化技術(shù)支撐。八個教育服務(wù)業(yè)務(wù)主要實(shí)現(xiàn)各類教育業(yè)務(wù)的集成、配置和管理，包含的教育服務(wù)業(yè)務(wù)主要有：虛擬教學(xué)服務(wù)、輔助學(xué)習(xí)服務(wù)、教育評價服務(wù)、資源共享服務(wù)、校園公共服務(wù)、校園管理服務(wù)、決策支持服務(wù)、運(yùn)維管理服務(wù)。

（3）教育服務(wù)整合

教育服務(wù)平臺建成后，將為職能部門和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)提供信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析、智能預(yù)警、輔助決策等服務(wù)；為學(xué)生和教師提供立體教學(xué)場所、智能輔助學(xué)習(xí)、教學(xué)資源共享、教學(xué)智能評價等服務(wù)；為運(yùn)維管理部門提供信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析、業(yè)務(wù)集成、運(yùn)維管理等服務(wù)。

3.2 教育服務(wù)平臺的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

“VR+AI”教育服務(wù)平臺總體架構(gòu)從下至上依次共分為六個層次：基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層、接入層和用戶層，如圖2所示。①基礎(chǔ)層：基礎(chǔ)層承載著整個平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)，為平臺的運(yùn)行環(huán)境提供支撐，包括數(shù)據(jù)庫集群、虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)器、存儲服務(wù)器、云桌面服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等。②數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層承擔(dān)著整個平臺的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)交換等工作，為平臺運(yùn)行提供數(shù)據(jù)資源的保障，包括用戶數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫、虛擬資源數(shù)據(jù)庫。③支撐層：支撐層為平臺所有虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)和服務(wù)管理業(yè)務(wù)提供支撐，主要包括三維跟蹤、三維聲音處理、圖形處理、認(rèn)證服務(wù)、報(bào)表工具、權(quán)限管理等。④應(yīng)用層：應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)與各類應(yīng)用服務(wù)的融合，以及各類應(yīng)用服務(wù)的整合，為學(xué)校各類用戶提供所需的各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)，包括虛擬教學(xué)服務(wù)、輔助學(xué)習(xí)服務(wù)、教育評價服務(wù)、教育資源服務(wù)、校園公共服務(wù)、校園管理服務(wù)、決策支持服務(wù)、運(yùn)維管理服務(wù)。⑤接入層：接入層支持多樣化的設(shè)備接入，并通過云桌面為學(xué)校各類用戶提供良好的工作平臺，包括計(jì)算機(jī)、立體頭盔、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服和云桌面系統(tǒng)等。⑥用戶層：用戶層包括學(xué)生、教師、運(yùn)維管理部門、職能部門、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)。

圖2 教育服務(wù)平臺總體架構(gòu)圖

3.3 教育服務(wù)平臺的功能設(shè)計(jì)

“VR+AI”教育服務(wù)平臺主要包含虛擬教學(xué)服務(wù)、輔助學(xué)習(xí)服務(wù)、教育評價服務(wù)等八項(xiàng)服務(wù)功能。①虛擬教學(xué)服務(wù)：實(shí)現(xiàn)各種虛擬教學(xué)場景、教學(xué)活動的統(tǒng)一設(shè)計(jì)和管理，主要功能包括：虛擬課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)。②輔助學(xué)習(xí)服務(wù)：為學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和各類學(xué)習(xí)場景提供智能化的支持，主要功能包括：AI教師助理、智能導(dǎo)師、虛擬學(xué)伴。③教學(xué)評價服務(wù)：對各種教學(xué)活動、教學(xué)過程和教學(xué)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，實(shí)現(xiàn)全面綜合性的教學(xué)評價，主要功能包括：教師教學(xué)評估、學(xué)習(xí)效果評價、學(xué)習(xí)預(yù)警與規(guī)劃。④教育資源服務(wù)：設(shè)定統(tǒng)一的用戶標(biāo)準(zhǔn)、資源標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、管理標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源統(tǒng)籌規(guī)劃、開放共享、統(tǒng)一管理及智能化推薦，主要功能包括：教育資源分類、教育資源檢索、教育資源共享、教育資源推薦。⑤校園公共服務(wù)：為師生提供虛擬的非正式的學(xué)習(xí)和工作空間，主要包括：虛擬圖書館、虛擬博物館、虛擬會議室、虛擬學(xué)習(xí)室。⑥校園管理服務(wù)：通過將實(shí)體校園空間、安防監(jiān)控系統(tǒng)及資產(chǎn)管理系統(tǒng)向虛擬場景轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)校園現(xiàn)代化安全管理，主要包括：虛擬校園地圖、虛擬安防監(jiān)控、虛擬資產(chǎn)管理。⑦決策支持服務(wù)：為高校管理者提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和管理決策支持，主要包括：教學(xué)綜合分析、學(xué)生狀態(tài)分析、校園安全分析、系統(tǒng)使用分析。⑧運(yùn)維管理服務(wù)：實(shí)現(xiàn)服務(wù)平臺各功能模塊統(tǒng)一運(yùn)維監(jiān)控和管理，由平臺配置分析、平臺故障診斷、平臺安全監(jiān)測、平臺運(yùn)行維護(hù)組成。

4 “VR+AI”教育服務(wù)平臺的在教育教學(xué)中的應(yīng)用分析

4.1 整合虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)及人工智能

通過教育服務(wù)平臺統(tǒng)籌規(guī)劃校內(nèi)各類虛擬業(yè)務(wù)系統(tǒng)，具體包括：統(tǒng)籌規(guī)劃系統(tǒng)的訪問入口、基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境、硬件接口、軟件開發(fā)接口、數(shù)據(jù)對接標(biāo)準(zhǔn)、安全訪問策略等，以此提升高校虛擬業(yè)務(wù)構(gòu)建和模塊整合的能力。同時以人工智能作為智能支撐手段，不斷滲透和融合至各虛擬仿真系統(tǒng)，并針對各類虛擬仿真場景構(gòu)建認(rèn)知模型、知識模型、情境模型，實(shí)現(xiàn)集交流、協(xié)作、分享和探究于一體的教育服務(wù)平臺。

4.2 虛實(shí)融合的智慧學(xué)習(xí)空間

通過教育服務(wù)平臺構(gòu)建實(shí)體物理空間對應(yīng)的虛擬空間，實(shí)現(xiàn)物理和虛擬學(xué)習(xí)空間的元素融合，打破物理學(xué)習(xí)空間和虛擬空間的邊界，實(shí)現(xiàn)線上與線下空間的融合。學(xué)習(xí)者能根據(jù)自己個性化的需求自主地穿梭于物理或虛擬的學(xué)習(xí)空間進(jìn)行教學(xué)、科研及日?；顒?。學(xué)校能對線上和線下學(xué)習(xí)空間統(tǒng)一設(shè)計(jì)和規(guī)劃，根據(jù)不同的學(xué)習(xí)空間設(shè)計(jì)不同學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)活動，使學(xué)習(xí)空間變得更加多元化、多樣化、個性化和智能化，以滿足不同的學(xué)習(xí)和教學(xué)業(yè)務(wù)的需求，通過將物理和虛擬學(xué)習(xí)空間融合能促進(jìn)學(xué)生發(fā)展，提高學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量和服務(wù)水平。

4.3 智能化的教學(xué)模式及教育評價方式

將教育服務(wù)平臺應(yīng)于教學(xué)，教師能根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)對象靈活定制教學(xué)場景和教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生個性化需求。通過AI教師助理、智能導(dǎo)師和虛擬學(xué)伴為學(xué)生提供精準(zhǔn)的幫助和支持，提升學(xué)生與虛擬教學(xué)場景的交互體驗(yàn)，幫助學(xué)生更好適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的身份轉(zhuǎn)換，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。變傳統(tǒng)的“一刀切”教學(xué)方式，為以學(xué)生為中心的個性化教學(xué)、合作式教學(xué)和探究式教學(xué)等多種教學(xué)方式。同時對教育過程中多維度、多層面海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能采集、建模、分析和研判，對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況全面診斷，并配合精準(zhǔn)的智能導(dǎo)學(xué)，促進(jìn)學(xué)生健康、全面、個性化發(fā)展，使得教育評價手段更豐富、評價過程更科學(xué)、評價結(jié)果更準(zhǔn)確。

4.4 教育資源的智能整合與共享

教育服務(wù)平臺利用數(shù)據(jù)挖掘、智能檢索和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，對各類教育資源平臺的資源自動抓取，并對資源格式、內(nèi)容及學(xué)習(xí)者訪問資源的需求和行為進(jìn)行分析和識別，實(shí)現(xiàn)特征相近的資源自動進(jìn)行關(guān)聯(lián)及智能分類管理。智能完成各類資源格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)平臺資源格式和訪問接口的統(tǒng)一。針對智能發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者對資源的需求，實(shí)現(xiàn)教育資源精準(zhǔn)推送，滿足用戶個性化需求。

4.5 數(shù)字孿生智慧平安校園

虛擬校園、虛擬安防、虛擬資產(chǎn)等系統(tǒng)與智能感知終端、人工智能融合后能將校園物理世界所有的人、車、物、道路、樓宇、安防設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施等都在虛擬環(huán)境中建立對應(yīng)的數(shù)字孿生體，使得物理世界和虛擬世界不再是相互獨(dú)立的，而是一個有機(jī)的整體。現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的任何變化，在虛擬環(huán)境的孿生體上都可以等效實(shí)現(xiàn)，達(dá)到物理空間和數(shù)字空間的雙向映射。通過對數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)采集、分析及應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)字孿生智慧平安校園，實(shí)現(xiàn)校園全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、校園全狀態(tài)實(shí)時化和可視化，為全方位保障師生安全、學(xué)校資產(chǎn)和能源安全提供技術(shù)支撐，使高校的管理更加科學(xué)化、精細(xì)化和智能化。將教育服務(wù)平臺應(yīng)用于構(gòu)建數(shù)字孿生智慧平安校園將會成為智慧校園建設(shè)的新起點(diǎn)。

5 結(jié)語

隨著教育改革的不斷深入和發(fā)展，高校過去傳統(tǒng)的教學(xué)模式、教育評價方式和管理方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實(shí)需求。依托“VR+AI”技術(shù)構(gòu)建教育服務(wù)平臺，將傳統(tǒng)教育業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M教育業(yè)務(wù)，通過構(gòu)建虛擬智慧學(xué)習(xí)空間、教育資源服務(wù)平臺、虛實(shí)結(jié)合的校園服務(wù)與管理系統(tǒng)，輔助高校實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、評、管等方面的變革和創(chuàng)新，促進(jìn)高校智慧校園建設(shè)，提升高校教育質(zhì)量和管理水平。