王美霞，楊麗英

(江蘇航運職業(yè)技術學院智能制造與信息學院，江蘇 南通 226010)

0 引言

智慧校園作為一種全新的理念，指的是通過物理層面和信息層面，為用戶提供全面協(xié)同、個性化服務，提升校園與社會之間高效的交流[1]。智慧校園主要以學生用戶為核心，通過優(yōu)化用戶在學習與生活方面所需的服務，為提升用戶的學習與教學質量提供基礎保障[2]。智慧校園建設過程中，需要智能化的服務環(huán)境與科研環(huán)境，結合各項科學技術，建設出信息化、個性化的校園[3]。虛擬現(xiàn)實技術通過構建三維虛擬世界，使用戶通過各式各樣的感知設備，進入虛擬世界中，使學習內容展示得更加真實生動，提升用戶智能環(huán)境感知能力的同時，增加了用戶學習與教學的興趣[6]?；诖耍疚脑趥鹘y(tǒng)智慧校園建設方法的基礎上，引入虛擬現(xiàn)實技術，開展了一種新的智慧校園建設方法探究，為智慧校園更好地整合教育資源、發(fā)展學科建設作出貢獻。

1 校園主干網(wǎng)絡設計

對校園內的中心機房環(huán)境與校園主干網(wǎng)絡進行建設。根據(jù)中心機房的建設規(guī)范要求，將機房劃分為監(jiān)控區(qū)與設備區(qū)兩個區(qū)域，在中心機房環(huán)境建設中，主要對機房電源配套、綜合機柜、機房工藝等幾個方面進行建設。智慧校園的主干網(wǎng)絡設計，包括不同的設計層面[7]。首先，為主干網(wǎng)絡核心層的設備建設，本文認為應當引進大量核心設備，例如型號為9250、12500 的核心設備，型號為NEM45 的路由器，增加校園內各個位置的出口帶寬，最高能夠增加到2200M[8]。在智慧校園主干網(wǎng)絡中，分別設置以電信、移動、聯(lián)通與校內教育網(wǎng)為主的對外出口，在校內防火墻中增設NAT 轉換與服務器帶寬保障，進而實現(xiàn)校園主干網(wǎng)絡鏈路冗余與負載均衡[9]。選擇校園主干網(wǎng)絡架構，以千兆以太網(wǎng)作為架構，覆蓋校園內的教學樓、公寓樓、宿舍樓等區(qū)域。增加校園匯聚層設備數(shù)量，用于校園內各個區(qū)域的匯聚，作為網(wǎng)關與鏈路的匯聚點，匯聚層設備數(shù)量及分布情況，如表1所示。

表1 匯聚層設備數(shù)量及分布

如表1 所示，為校園內主干網(wǎng)絡匯聚層設備的布設情況，通過匯聚層設備，實現(xiàn)智慧校園網(wǎng)絡與匯聚層交換機之間的高速連接。

2 基于虛擬現(xiàn)實技術建設智慧教室

在上述校園主干網(wǎng)絡設計結束后，采用虛擬現(xiàn)實技術，建設校園內的智慧教室。首先，在各個教室中建設5G高速無線網(wǎng)絡，將各類智能設備與互聯(lián)網(wǎng)之間建立連接，開啟教室控制臺，全方位支持教師與學生之間的實時互動。采用集中聯(lián)網(wǎng)控制的方式，通過校園內的終端服務器，查看各個智慧教室中的工作與學習狀態(tài)，通過虛擬現(xiàn)實技術，開啟網(wǎng)絡教學直播。將抽象的教學內容，通過VR 虛擬的方式，更形象化地展示給學生，提高教學內容與虛擬現(xiàn)實技術的深度融合，加強學生對抽象教學內容的認知。分別從智能教學環(huán)境、可視化教學內容兩個服務方面，提升智慧教學的質量。與此同時，制作虛擬現(xiàn)實的3Dmax 實景教學模型，學生通過自主選擇的方式，選擇自己感興趣的上課教室，通過計算機，實現(xiàn)學生與智慧校園之間的交互性。在智慧教室建設完畢后，采用一致性檢驗的方法，對智慧教室建設權重向量進行一致性檢驗，判斷智慧教室的可行性。首先，設置智慧教室的一致性指標為，CI(n)其中，n表示具體的指標個數(shù)，智慧教室一致性檢驗公式為：

其中，λmax表示智慧教室權重向量最大特征根，通過檢驗后，獲取到智慧教室建設的各層指標，建立判斷矩陣，根據(jù)各層指標權重，判斷基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧教室的可行性，為建設智慧校園提供保障。

3 智慧校園整體布局

上述智慧教室建設結束后，對智慧校園進行整體的建設設計。本文構建的智慧校園環(huán)境整體結構，如圖1所示。

圖1 智慧校園環(huán)境體系結構

如圖1 所示，本文構建的智慧校園環(huán)境體系以環(huán)境感知、校園內數(shù)據(jù)傳輸、學習與服務智能分析及教學環(huán)境處理等四個部分為主，在此基礎上，對智慧校園進行全方位的建設。首先，智慧校園的環(huán)境感知作為校園內的主要感知層，通過實時采集校園內環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測校園具體情況；校園內數(shù)據(jù)傳輸，以有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡為主要載體，將校園內各項感知數(shù)據(jù)通過空間距離進行高速傳輸，實現(xiàn)校園信息資源共享；學習與服務智能分析負責對智慧教室、校內主干網(wǎng)絡、教學服務信息進行智能分析，根據(jù)不同學生及教室的需求，利用大數(shù)據(jù)分析技術、虛擬現(xiàn)實技術和云計算，實現(xiàn)各項信息數(shù)據(jù)的可視化操作；教學環(huán)境處理主要負責智慧校園內各項環(huán)境的維護，為學生與教師提供良好的教學、學習環(huán)境。本文智慧校園項目及對應的任務說明如表2所示。

表2 中，對智慧校園建設項目做了說明以及對各個子項目進行分解，通過VR 虛擬現(xiàn)實技術，對建設任務進行精細化模擬，逐層分解項目內容，完成基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園建設。

表2 智慧校園建設項目

4 實驗分析

為了對上述本文提出的基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園建設方法的可行性作出進一步客觀分析，進行了如下文所述的實驗分析。選取某地區(qū)M 學院，作為本次研究的目標，該學院當前已經(jīng)完成了數(shù)字化校園的建設，各個教學樓與實驗樓均接入了校園網(wǎng)，學生宿舍也布設了千兆網(wǎng)絡端口，實現(xiàn)了校園內無線網(wǎng)絡覆蓋，為學生與教師提供了穩(wěn)定方便的無線網(wǎng)絡。M學院現(xiàn)階段擁有電子校務系統(tǒng)、學工系統(tǒng)、財務系統(tǒng)、教務系統(tǒng)、人事系統(tǒng)等，整體信息化管理水平相對較高。然而，學院內的基礎網(wǎng)絡設施相對落后，部分網(wǎng)絡設備購置年限較長，運行時間將近十年，導致設備運行過程中容易出現(xiàn)故障，不利于校園內引入高速網(wǎng)絡連接，無法滿足校園用戶高并發(fā)時的使用需求。另一方面，M 學院校園網(wǎng)的主干帶寬不足，降低了校內辦公區(qū)核心交換機與防火墻的使用性能與安全，無法滿足網(wǎng)絡安全態(tài)勢感知以及入侵病毒檢測的需求。自2019年開始，M 學院逐漸引進智慧校園理念，然而，近兩年來，智慧校園建設的效果不佳。將上述本文設計的基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園建設方法應用到M學院中，建設流程，如圖2所示。

圖2 M學院智慧校園建設流程

圖2 為M 學院智慧校園建設流程，結合虛擬現(xiàn)實AR 與VR 技術，首先，在校園內各個無線網(wǎng)絡安裝面板，以定位、跟蹤疊加的形式，配置一臺IP-SAN 服務器，采用專用光纖，連接服務器與FC交換機，在交換機中添加服務器信息，增強校園信息的交互作用，提升交換機數(shù)據(jù)存儲的安全性，避免交換機存在數(shù)據(jù)丟失的隱患。結合虛擬現(xiàn)實技術，對智慧校園信息門戶平臺內的數(shù)據(jù)，進行非結構化處理，提升校園建設數(shù)據(jù)整理的效率與質量，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)信息快速處理、提取的目標。根據(jù)信息化技術與網(wǎng)絡技術，在校內建設符合教學需求的智慧型教室與智慧型實驗室，創(chuàng)設沉浸式教學情境，配合智慧校園的工作，充分利用校內網(wǎng)絡空間的靈活性，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)自主學習、自主交流互動的目標。針對智慧校園安全防護水平較低的問題，在網(wǎng)絡接口處，配置網(wǎng)絡安全設備，以數(shù)據(jù)應用為核心，制定網(wǎng)絡安全保護規(guī)則制度，通過移動互聯(lián)與人工智能技術，提升智慧校園安全防護水平?；谔摂M現(xiàn)實技術，采用扁平化網(wǎng)絡架構與IPV4、IPV6 雙協(xié)議，通過智慧校園網(wǎng)絡集中管理的方式，將雙核心交換機與服務器相連，根據(jù)智慧校園的實際建設情況，通過虛擬現(xiàn)實技術，虛擬一臺智慧校園核心交換機，作為鏈路備份，保證智慧校園ISP 切換與鏈路負載之間的平衡，滿足M 學院用戶并發(fā)訪問量較大的需求。為了驗證本文基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園的有效性，將其與傳統(tǒng)的校園模式的應用效果進行對比，結果如表3所示。

表3 智慧校園與傳統(tǒng)校園應用效果對比

根據(jù)表3 對比結果可知，在兩種校園模式中，本文設計的基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園，其校園內網(wǎng)絡速度較快，能夠為各項應用提供有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡支撐，為校園內部各項應用與服務提供可靠的網(wǎng)絡環(huán)境；無線網(wǎng)絡能夠支持最新的WI-FI6 標準，符合海量網(wǎng)絡訪問的需求，支持主流設備達到5.8Ghz 頻段，兼容性得到了顯著提升；云數(shù)據(jù)中心在組織劃分與調度中，更加精細化，管控、監(jiān)測校園內的各項服務問題與故障，實現(xiàn)校園業(yè)務、數(shù)據(jù)與資源的統(tǒng)一管理，而且，對校園自動化運維也具較大優(yōu)勢；5G 網(wǎng)絡建設較傳統(tǒng)校園模式相比，能夠實現(xiàn)教學的遠程直播，通過VR 虛擬技術，仿真教師教學，有效補充了校園自建網(wǎng)絡存在的不足，實現(xiàn)校園5G信號高密度覆蓋。

5 結束語

綜上所述，傳統(tǒng)的校園模式在教學、實驗、實踐、服務過程中存在一定的不足，制約了校園內個性化學習與教學服務的效果，基于此，本文引入虛擬現(xiàn)實技術，開展了基于虛擬現(xiàn)實技術的智慧校園建設研究。通過本文的研究，將校園內優(yōu)秀的教學資源網(wǎng)絡化，實現(xiàn)了校園教學移動化、智能化的建設目標，結合VR 虛擬現(xiàn)實技術，模擬仿真教學，從視覺、觸覺、聽覺等不同方面提升學生的情境體驗感，全面感知教學物理環(huán)境，促進實現(xiàn)校園個性化服務的目標。