李慧娜, 張泊平, 謝黨恩, 平 源

(1. 許昌學院 信息工程學院,河南 許昌 461000; 2.許昌市虛擬現實技術重點實驗室,河南 許昌 461000)

隨著人機交互、人工智能、數字孿生、區(qū)塊鏈、5G/6G網絡等信息技術的迅速發(fā)展,“元宇宙”進入公眾視野.元宇宙基于數字空間來實現物理世界、虛擬世界和人類社會的高度融合,核心是對真實世界和宇宙的虛擬化、數字化[1,2].其相關技術必將助力智慧校園的建設,推動元宇宙智慧校園新時代的來臨.智慧校園是一個開放的、創(chuàng)新的、協作的、智能的綜合信息服務平臺,是教育信息化發(fā)展的必然趨勢和重要目標[3,4].同時,各科研院所也在積極推進元宇宙技術的研究與應用.上海圖書館[5]提出了虛實相生的元宇宙圖書館,武漢大學[6]提出通過元宇宙的技術體系打造虛實融合的智慧圖書館,天津商業(yè)大學[7]從用戶、服務及元宇宙經濟系統特征等方面為智能化校園的發(fā)展和提高提供了相關的應對措施.通過智慧校園平臺,校園內的師生員工可以獲得最大程度的資源共享,提升工作效率,助推平安校園、和諧校園.但是,智慧校園對人的社會性需求關注不夠,不能提供線下學習的現場體驗、也不能提供工程實踐類的教學環(huán)境,使師生之間、生生之間、工作人員之間缺少面對面的合作體驗,不利于學生團隊協作能力的培養(yǎng),對學校人才培養(yǎng)和人員管理都是不利的.引入元宇宙技術支持,則可很大程度上解決這些問題.在元宇宙技術指導下進行智慧校園的建設探索,不僅響應國家發(fā)展戰(zhàn)略推動元宇宙的落地,而且有助于進一步提高智慧校園的科技化、智能化.

1 元宇宙智慧校園

1.1 智慧校園

自2011年教育信息化被首次納入國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略以來,互聯網+、云計算、人工智能等新技術被陸續(xù)引入到校園建設中來,依次出現了數字校園(Digit Campus)、智慧校園(Smart Campus)等不同形態(tài)的校園平臺.國家標準《智慧校園總體框架》(GB/T 36342)定義的智慧校園為“物理空間和信息空間的有機銜接,使任何人、任何時間、任何地點都能便捷地獲取資源和服務”.在國家和地方相關政策的支持與行業(yè)技術標準、信息安全體系的保障下,智慧校園平臺的整體架構通常包括基礎設施層、支撐平臺層、應用平臺層和應用終端層,如圖1所示.

圖1 智慧校園平臺架構

根據圖1架構,智慧校園以物聯網、Wifi網絡等基礎硬件設施為運行載體,在數據處理相關的存儲、分析、安全、融合等技術平臺支撐下,給多元化用戶提供各種智能應用終端.智慧校園的推出和建設,對校園的智能化運行和管理的各方面均起到了促進作用.

(1)校園管理:在萬物互聯、云計算、信息安全和人工智能技術的助力下,個體與個體、個體與外部形成了高效的泛在時空互通,打破了信息壁壘,實現資源共享,促進了人機合作的智能推理和智能決策,從而構建出新的智慧校園生態(tài).

(2)教師角度:借助智慧校園平臺管理,教師可以實現一次登錄多平臺授權的服務,獲得多任務身份的認證,便于進行科研數據的異地管理和教學內容的實時更新,同時在虛擬的智慧教室可以開展有效的泛在教學和輔導.

(3)學生角度:借助智慧校園,可以遠程體驗平安校園和多終端泛在學習,同時也可以以自己喜歡的角色身份開展有趣的虛擬身份交流,增強學習興趣和交流合作的機會,并根據平臺系統自動給出的學習數據統計改進和調整學習計劃.

1.2 元宇宙智慧校園

智慧校園能實現校園教學、科研、管理、服務等的智能化,但是仍舊無法解決面對面的、更人性化、更智能化的沉浸式、定制化需求.元宇宙集合5G/6G技術、云計算、區(qū)塊鏈、物聯網等技術,為人類提供一個平行于現實世界的跨時空、可交互虛擬空間.把元宇宙技術引入到智慧校園建設中來,可以很好地解決上面提到的問題,讓校園中不同的角色都可以在現實校園的平行宇宙中獲得身臨其境的體驗.

(1)復刻現實,超越現實:傳統的智慧校園,用戶在體驗其便利的同時,直接面對的是毫無溫度的硬件設備或應用界面;而元宇宙智慧校園可以為用戶打造出真實的校園環(huán)境,實現跨時間、跨天氣的完美空間復刻.讓用戶不僅僅能看到、體驗到真實的場景,而且能超越現實瞬間轉換季節(jié)和天氣、在不同校區(qū)和教室、實驗室間瞬移,同時在現實中并不存在的虛擬會議室和展廳中進行超現實體驗.起步對現實校園的環(huán)境復刻,同時又提供現實校園中不存在的物理環(huán)境,極大地豐富校園環(huán)境,拓展新時代校園虛擬場景功能.

(2)協同合作,沉浸社交:元宇宙智慧校園除了實景復刻外,更重要的是還擁有完整的、自由的社交體系.伴隨著互聯網長大的新一代大學生,在很多方面變得數字化,社交方面也不例外,他們更習慣于互聯網社交.在數字人技術的加持下,用戶可以在線協同學習和完成實操實驗、協同游戲和參與大型活動,在元宇宙校園中做在真實校園中想做而不能做的事情——跑酷、探索、養(yǎng)成……,盡情釋放自我,在豐富的元宇宙校園生活中打破人與人之間的合作和社交界限、寄托情感、攜手進步.

(3)智學平臺,因材施教: 以學生為中心,在教學過程中“因材施教”,激發(fā)學生的學習興趣和自我提升的意識及能力,這一直是教育工作者追求的目標和在教學過程中實踐的原則.但是,傳統的線下教學模式,一名老師要面對幾十甚至幾百名學生,無法對每個學生都做到因材施教.元宇宙智慧校園可以給不同用戶的唯一數字分身分配合適的虛擬教師,進行智學相伴,真正做到“因材施教”.個性化、定制化的智慧導師、智能學伴可以助力每位學生的學習興趣,使其學有所獲、學有所成.

(4)精準管理,安全守護:校園安全是校園管理的重中之重,常見的有國家安全、網絡安全、消防安全、實驗室安全、財產安全等,涉及校園用戶工作、學習、生活的方方面面.借助萬物互聯的物聯網技術和人工智能,元宇宙智慧校園可以實時關注和檢測用戶的行為安全和設備的使用安全,大大提高了校園的安全級別,對師生進行實時安全守護.

2 元宇宙智慧校園構建

智慧校園是傳統校園信息化建設發(fā)展到高級階段的產物,具有遠程泛在訪問、信息智慧共享、協同合作便利等特點.引入元宇宙技術的智慧校園在此基礎上致力于打造一個虛實結合沉浸式校園,為教師、學生、家長、員工、校外人員等多元用戶群體提供泛在的細粒度精準化服務.經調研,本文提出元宇宙智慧校園由基礎設施層、巨量數據層、技術支撐層、智能業(yè)務層、泛在應用層及作為支撐并貫穿始終的規(guī)范標準和安全措施組成,其架構設計如圖2所示.

圖2 元宇宙智慧校園統一架構

2.1 規(guī)范和安全保障層

元宇宙智慧校園的建設涉及多方面的人、物、技術,需要規(guī)范標準確保工程建設.根據規(guī)范的內容,規(guī)范標準分為“硬規(guī)范”和“軟規(guī)范”.“硬規(guī)范”包括布局規(guī)范、環(huán)境規(guī)范、設施規(guī)范等,主要用來規(guī)范實體施工中涉及的人和物.“軟規(guī)范”包括軟件技術標準規(guī)范、信息數據規(guī)范、管理制度規(guī)范、法律規(guī)范、倫理規(guī)范等,軟件技術標準規(guī)范統一各接口標準、代碼編寫標準等,信息數據規(guī)范確保數據的存儲、傳送、交換等統一且高效,管理制度規(guī)范使校園管理有據可依,法律規(guī)范、倫理規(guī)范確保元宇宙虛擬世界中的行為、隱私、認知等的合法性、規(guī)范性.

同樣,高效、全面、有力的安全措施是保障元宇宙智慧校園正常運行和良好體驗的基石.元宇宙智慧校園除了要面臨傳統的校園安全問題,同時也必會遭遇新安全問題的沖擊.“硬安全”主要指傳統的水、火、電、食品、交通、醫(yī)療、實驗室等安全問題.“軟安全”除了傳統的滲透攻擊、漏洞利用、病毒攻擊等各種信息安全外,還有因為元宇宙比傳統網絡會更加頻繁地對用戶敏感信息、隱私信息、行為習慣等采集和智能分析所帶來的安全隱患.

2.2 基礎設施層

基礎設施層是元宇宙智慧校園的設施保障,用來提供現實和虛擬的設施,包括“實體設施”和“虛擬設施”.“實體設施”包括各種網絡設備、辦公自動化設備、傳感器設備、虛實交互的終端設備等,用來提供元宇宙校園平臺的硬件支撐.“虛擬設施”包括3ds Max、Unity、UE虛幻等模型制作和3D引擎平臺,還包括基于引擎平臺開發(fā)出來地對現實校園復現和升級改造的虛擬校園.

2.3 巨量數據層

元宇宙智慧校園除了需要存儲和管理傳統智慧校園的大量人員、設備、教學、科研、財務等數字化信息,同時也要對隨著虛擬校園平臺的加入而產生的大量數字信息資源做妥善存儲和管理.相應地,與不同種類數字信息對應的人員數據庫、教學資源數據庫、財務數據庫、科研數據庫等資源數據庫被分別存儲在文件服務器、管理服務器、資源服務器等服務器中.分布存儲在各服務器上的巨量數據為校園平臺的人性化、定制化、標準化、智慧化提供了數據支撐.

2.4 技術支撐層

技術支撐層是確保元宇宙智慧校園平臺構建、數據處理、虛實結合、功能實現、安全運行等的關鍵核心層,保障元宇宙校園平臺的各種業(yè)務應用的智慧、高效運行,包括通信技術、算力、去中心化、現實技術、人機交互、數據生成和處理等技術單元.

“通信技術”包括網絡技術和萬物互聯技術,確保物和物、人和人、人和物、現實和虛擬等各元素之間的信息暢通,是元宇宙智慧校園各元素之間的“高速”通道.

“算力”包括云計算、分布式計算、量子計算、多核芯片等軟硬件技術,用來支持元宇宙智慧校園巨量數據分析、融合和推送、服務定制和個性化、跨時空多終端實時控制等.

“去中心化”打破傳統的中心化規(guī)則,建立各元素平等、資源和服務共享的機制,是確保信息安全、經濟體系安全、節(jié)約有限資源的重要技術,涉及區(qū)塊鏈、邊緣計算、分布式、加密算法等.

“顯示技術”除傳統的多任務界面外,還包括裸眼3D、地理空間顯示技術、XR技術、DT技術等.其中裸眼3D技術使用戶不用借助可穿戴終端設備就能體驗虛擬3D智慧校園,基于地理空間顯示技術的AR/VR/XR技術方便進行特色空間位置的定位、導航、宣傳等,XR技術確保虛實共生的元宇宙智慧校園平臺的呈現,DT技術使現實中的人、物、景在虛擬世界有了數字分身.有了這些“顯示技術”的加持,元宇宙智慧校園能更好地服務用戶.

“人機交互”在元宇宙智慧校園平臺中除了傳統的鍵盤、鼠標等交互方式外,更多地指語音、體感、圖像、手勢、腦機等自然的智能感知控制交互.人機交互的智能化可以使交互更加自然,給用戶帶來更好的平臺沉浸感體驗.

“數據生成與處理”包括AI技術、大數據技術、數據安全服務技術、數據推送技術等等,主要對巨量數據層中數據庫存儲的數據進行智能的、安全的、快速有效的挖掘、分析、融合和推送,精準探索元宇宙校園中數據的相關性、用戶的行為習慣等,為業(yè)務層對用戶提供針對性服務提供支持.

2.5 智能業(yè)務層

參照《智慧校園總體框架》(GB/T36342-2018)國家標準,智能業(yè)務層是校園平臺所提供的應用和服務的體系,包括面向用戶的智能環(huán)境、智能資源、智能管理、智能服務等服務應用,每個智能服務應用具體都包括現實、虛擬和虛實交叉結合.以智能環(huán)境為例,其包含實體環(huán)境、虛擬環(huán)境和虛實相結合的增強環(huán)境,實體環(huán)境指現實世界中的智慧教室、辦公設備、實驗室及相關儀器、建筑環(huán)境、交通環(huán)境、綠化環(huán)境等等,虛擬環(huán)境指在元宇宙智慧校園中與現實校園共生的虛擬校園,虛實交叉結合則是指在XR技術支持下的現實和虛擬校園共顯、共享、和用戶交互的環(huán)境.

2.6 泛在應用層

泛在應用層涉及元宇宙智慧校園的用戶及提供給用戶訪問的門戶,包括泛在用戶和泛在門戶.“泛在用戶”包括跨時空的機器人、數字人和自然人,其中自然人包括教師、學生、家長、校外人員等;機器人是由校園平臺提供的智能AI人,可以根據用戶特點和需求做到千人千面;數字人是自然人的數字孿生,在元宇宙校園中是唯一和自然人用戶對應的虛擬形象.“泛在門戶”包括瀏覽器、移動端APP、可穿戴終端應用等,為用戶提供實時的跨地域、多終端泛在訪問.“泛在用戶”通過“泛在門戶”訪問元宇宙智慧校園,跨越時空共享智慧數據、與孿生智慧虛擬校園和虛擬小伙伴協同成長.

3 結語

元宇宙智慧校園可以在對真實校園進行復刻的基礎上,拓展校園空間;讓師生、校友可以時刻“云回家”,增強不同校園角色間的交流和互動,助力社交能力和合作能力的培養(yǎng),關愛心理健康發(fā)展;在XR技術加持下提供沉浸式實驗環(huán)境,讓抽象的知識具象化、實踐操作遠程化;大數據和人工智能技術助推的智慧學伴和智慧導師陪伴可進行一對一陪伴學習、因材施教的教育理念被完全執(zhí)行.總而言之,元宇宙技術指導下的智慧校園作為現實校園的平行虛擬空間,可以為師生提供超出想象的教育場地,助力教學質量和辦學水平的提升,為教育教學新理念的實施擘畫出美好的未來.