“VR+AI”教育服務平臺設計與應用研究

萬晨

（中南民族大學現(xiàn)代教育技術中心，湖北 武漢 430074）

1 引言

虛擬現(xiàn)實技術簡稱為VR技術，是以計算機技術為核心，結合計算機圖形學、立體顯示、3D環(huán)境建模、人機交互等高新技術[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，將其用于教育領域能產(chǎn)生巨大的價值和重要的意義?！都涌焱七M教育現(xiàn)代化實施方案（2018－2022年）》中提出要大力推進教育信息化，加快推進智慧教育創(chuàng)新發(fā)展，設立“智慧教育示范區(qū)”，開展國家虛擬仿真實驗教學項目等建設，實施人工智能助推教師隊伍建設行動。根據(jù)《關于開展虛擬仿真實驗教學項目的建設工作的通知》的要求，我國許多高校都建設了虛擬仿真實驗教學中心，進一步推進虛擬現(xiàn)實技術與實驗教學的深度融合，拓展實驗教學內(nèi)容的廣度和深度[8]。同時，大量學者與研究人員對VR技術在課堂教學[9-11]、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[12]、非正式學習空間[13,14]等方面的應用開展了廣泛而深入的研究。雖然VR技術帶給我們?nèi)碌慕虒W思維和服務體驗，但是VR技術在智慧校園中的應用還處于探索階段，依然面臨網(wǎng)絡帶寬不足、虛擬仿真系統(tǒng)孤島、缺乏虛擬教學資源、缺少教學過程及效果分析、評價等問題[15]。

近年來，隨著VR技術和人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）技術的迭代發(fā)展，VR系統(tǒng)在智慧校園的應用領域日益拓展，AI技術和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技術也由3I發(fā)展到4I?！癡R+AI”將會給教育環(huán)境、學習過程支持、教育評價、高校服務與管理等方面產(chǎn)生深遠影響。VR與AI的相結合可能構成終極性的教育技術，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技術的發(fā)展及其應用，為當前高校發(fā)展帶來了機遇，對加速推進智慧校園建設具有重要意義。然而通過深入研究分析發(fā)現(xiàn)，當前智慧校園發(fā)展過程中面臨著以下問題：

2.1 VR系統(tǒng)建設缺乏統(tǒng)一規(guī)劃

盡管VR技術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的虛擬課堂教學、虛擬實驗教學、虛擬實訓教學、虛擬學習空間、虛擬校園等各類虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)在實際應用中存在著仿真軟件安裝復雜、訪問速度慢、訪問入口不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)和教學資源共享困難、安全性低、兼容性差等問題[17]。這些共性問題使得VR技術在高校的教學和管理中無法發(fā)揮應有的作用。

2.2 教學模式單一、教育評價滯后

傳統(tǒng)的以教師教授為主的教學模式，在整個教學過程中教師通常按照程式化的課件教授知識，學生的學習處于被動接收的狀態(tài)，這種方式不利于學生抽象思維和創(chuàng)新能力的發(fā)展，也難以達到預期的教學效果；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

隨著智慧校園建設的不斷深入，學校建設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現(xiàn)資源共享；現(xiàn)有平臺功能簡單，缺少對學習者使用教育資源的過程分析，難以滿足學習者多樣化和個性化需求。

2.4 高校服務供給及管理方式智能化水平低

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

3 “VR+AI”教育服務平臺的設計

“VR+AI”教育服務平臺（以下簡稱“教育服務平臺”）設計目的是將虛擬現(xiàn)實和人工智能融入高校教育教學的全過程，通過利用虛擬現(xiàn)實、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云技術、5G等新一代技術的融合創(chuàng)新，助力智慧校園建設，實現(xiàn)集構建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)生態(tài)、拓展學習空間、革新教學模式與教育評價方法、創(chuàng)新學校管理與服務方式等于一體的應用服務體系。

3.1 教育服務平臺模型設計

“VR+AI”教育服務平臺通過整合校內(nèi)各項系統(tǒng)資源，實現(xiàn)教育業(yè)務流程再造，教育業(yè)務一體化建設和管理。教育服務平臺由教育業(yè)務系統(tǒng)接入、教育業(yè)務集成平臺和教育服務整合三部分組成，如圖1所示。

圖1 教育服務平臺模型設計圖

（1）教育業(yè)務系統(tǒng)接入

教育業(yè)務系統(tǒng)接入主要是實現(xiàn)教務系統(tǒng)、學工系統(tǒng)、研究生系統(tǒng)、人事系統(tǒng)、上網(wǎng)認證系統(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)務接入、數(shù)據(jù)交換及其業(yè)務支撐方面服務。

（2）教育業(yè)務集成平臺

教育業(yè)務集成平臺由人工智能融合模塊和八個教育服務業(yè)務模塊組成。人工智能融合主要實現(xiàn)認知模型、知識模型、情境模型、數(shù)據(jù)挖掘、智能檢索、機器學習、深度學習等與各類教育服務業(yè)務的融合及提供智能化技術支撐。八個教育服務業(yè)務主要實現(xiàn)各類教育業(yè)務的集成、配置和管理，包含的教育服務業(yè)務主要有：虛擬教學服務、輔助學習服務、教育評價服務、資源共享服務、校園公共服務、校園管理服務、決策支持服務、運維管理服務。

（3）教育服務整合

教育服務平臺建成后，將為職能部門和學校領導提供信息查詢、統(tǒng)計分析、智能預警、輔助決策等服務；為學生和教師提供立體教學場所、智能輔助學習、教學資源共享、教學智能評價等服務；為運維管理部門提供信息查詢、統(tǒng)計分析、業(yè)務集成、運維管理等服務。

3.2 教育服務平臺的總體架構設計

“VR+AI”教育服務平臺總體架構從下至上依次共分為六個層次：基礎層、數(shù)據(jù)層、應用支撐層、應用層、接入層和用戶層，如圖2所示。①基礎層：基礎層承載著整個平臺架構的基礎，為平臺的運行環(huán)境提供支撐，包括數(shù)據(jù)庫集群、虛擬現(xiàn)實服務器、存儲服務器、云桌面服務器、網(wǎng)絡設備、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關等。②數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層承擔著整個平臺的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)交換等工作，為平臺運行提供數(shù)據(jù)資源的保障，包括用戶數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計數(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)實業(yè)務和服務管理業(yè)務提供支撐，主要包括三維跟蹤、三維聲音處理、圖形處理、認證服務、報表工具、權限管理等。④應用層：應用層實現(xiàn)智能服務與各類應用服務的融合，以及各類應用服務的整合，為學校各類用戶提供所需的各項應用服務，包括虛擬教學服務、輔助學習服務、教育評價服務、教育資源服務、校園公共服務、校園管理服務、決策支持服務、運維管理服務。⑤接入層：接入層支持多樣化的設備接入，并通過云桌面為學校各類用戶提供良好的工作平臺，包括計算機、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：用戶層包括學生、教師、運維管理部門、職能部門、學校領導。

圖2 教育服務平臺總體架構圖

3.3 教育服務平臺的功能設計

“VR+AI”教育服務平臺主要包含虛擬教學服務、輔助學習服務、教育評價服務等八項服務功能。①虛擬教學服務：實現(xiàn)各種虛擬教學場景、教學活動的統(tǒng)一設計和管理，主要功能包括：虛擬課堂教學、虛擬實驗教學、虛擬實訓教學。②輔助學習服務：為學生的學習過程和各類學習場景提供智能化的支持，主要功能包括：AI教師助理、智能導師、虛擬學伴。③教學評價服務：對各種教學活動、教學過程和教學結果數(shù)據(jù)進行采集和分析，實現(xiàn)全面綜合性的教學評價，主要功能包括：教師教學評估、學習效果評價、學習預警與規(guī)劃。④教育資源服務：設定統(tǒng)一的用戶標準、資源標準、服務標準、管理標準，實現(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：為師生提供虛擬的非正式的學習和工作空間，主要包括：虛擬圖書館、虛擬博物館、虛擬會議室、虛擬學習室。⑥校園管理服務：通過將實體校園空間、安防監(jiān)控系統(tǒng)及資產(chǎn)管理系統(tǒng)向虛擬場景轉換，實現(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：為高校管理者提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和管理決策支持，主要包括：教學綜合分析、學生狀態(tài)分析、校園安全分析、系統(tǒng)使用分析。⑧運維管理服務：實現(xiàn)服務平臺各功能模塊統(tǒng)一運維監(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、平臺運行維護組成。

4 “VR+AI”教育服務平臺的在教育教學中的應用分析

4.1 整合虛擬現(xiàn)實業(yè)務及人工智能

通過教育服務平臺統(tǒng)籌規(guī)劃校內(nèi)各類虛擬業(yè)務系統(tǒng)，具體包括：統(tǒng)籌規(guī)劃系統(tǒng)的訪問入口、基礎運行環(huán)境、硬件接口、軟件開發(fā)接口、數(shù)據(jù)對接標準、安全訪問策略等，以此提升高校虛擬業(yè)務構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建認知模型、知識模型、情境模型，實現(xiàn)集交流、協(xié)作、分享和探究于一體的教育服務平臺。

4.2 虛實融合的智慧學習空間

通過教育服務平臺構建實體物理空間對應的虛擬空間，實現(xiàn)物理和虛擬學習空間的元素融合，打破物理學習空間和虛擬空間的邊界，實現(xiàn)線上與線下空間的融合。學習者能根據(jù)自己個性化的需求自主地穿梭于物理或虛擬的學習空間進行教學、科研及日?；顒印W校能對線上和線下學習空間統(tǒng)一設計和規(guī)劃，根據(jù)不同的學習空間設計不同學習目標、學習內(nèi)容和學習活動，使學習空間變得更加多元化、多樣化、個性化和智能化，以滿足不同的學習和教學業(yè)務的需求，通過將物理和虛擬學習空間融合能促進學生發(fā)展，提高學校的教學質(zhì)量和服務水平。

4.3 智能化的教學模式及教育評價方式

將教育服務平臺應于教學，教師能根據(jù)教學目標、教學對象靈活定制教學場景和教學內(nèi)容，滿足學生個性化需求。通過AI教師助理、智能導師和虛擬學伴為學生提供精準的幫助和支持，提升學生與虛擬教學場景的交互體驗，幫助學生更好適應虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的身份轉換，激發(fā)學生的學習興趣。變傳統(tǒng)的“一刀切”教學方式，為以學生為中心的個性化教學、合作式教學和探究式教學等多種教學方式。同時對教育過程中多維度、多層面海量數(shù)據(jù)進行智能采集、建模、分析和研判，對學生的學習情況全面診斷，并配合精準的智能導學，促進學生健康、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、評價結果更準確。

4.4 教育資源的智能整合與共享

教育服務平臺利用數(shù)據(jù)挖掘、智能檢索和深度學習技術，對各類教育資源平臺的資源自動抓取，并對資源格式、內(nèi)容及學習者訪問資源的需求和行為進行分析和識別，實現(xiàn)特征相近的資源自動進行關聯(lián)及智能分類管理。智能完成各類資源格式轉換，實現(xiàn)平臺資源格式和訪問接口的統(tǒng)一。針對智能發(fā)現(xiàn)學習者對資源的需求，實現(xiàn)教育資源精準推送，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、安防設備、基礎設施等都在虛擬環(huán)境中建立對應的數(shù)字孿生體，使得物理世界和虛擬世界不再是相互獨立的，而是一個有機的整體?，F(xiàn)實環(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現(xiàn)，達到物理空間和數(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、分析及應用，構建數(shù)字孿生智慧平安校園，實現(xiàn)校園全要素數(shù)字化和虛擬化、校園全狀態(tài)實時化和可視化，為全方位保障師生安全、學校資產(chǎn)和能源安全提供技術支撐，使高校的管理更加科學化、精細化和智能化。將教育服務平臺應用于構建數(shù)字孿生智慧平安校園將會成為智慧校園建設的新起點。

5 結語

隨著教育改革的不斷深入和發(fā)展，高校過去傳統(tǒng)的教學模式、教育評價方式和管理方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)實需求。依托“VR+AI”技術構建教育服務平臺，將傳統(tǒng)教育業(yè)務轉變?yōu)樘摂M教育業(yè)務，通過構建虛擬智慧學習空間、教育資源服務平臺、虛實結合的校園服務與管理系統(tǒng)，輔助高校實現(xiàn)教、學、評、管等方面的變革和創(chuàng)新，促進高校智慧校園建設，提升高校教育質(zhì)量和管理水平。