虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

吳 宇,孫 鳳

(揚(yáng)州大學(xué),江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新,我國教育改革也逐步實(shí)現(xiàn)深入強(qiáng)化,教育方式從傳統(tǒng)校園發(fā)展至電子校園,從電子校園步入數(shù)字校園,如今大步邁向智慧校園建設(shè)的新階段。 2018 年6 月,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布《智慧校園總體框架》,明確定義:智慧校園是物理空間和信息空間有機(jī)銜接,使任何人、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能便捷地獲取資源和服務(wù),是教育信息化的更高級(jí)形態(tài)。 中共中央、國務(wù)院連續(xù)發(fā)布了《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035 遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》《中國教育現(xiàn)代化2035》等重大規(guī)劃,提出要建成“教育強(qiáng)國新高度”,要“建設(shè)智能化校園,統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái),利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革,實(shí)現(xiàn)規(guī)模化教育與個(gè)性化培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合”。 因此,在智慧校園建設(shè)中不斷進(jìn)行信息技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新,引入人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù),通過信息化手段將教學(xué)、教務(wù)管理和校園生活進(jìn)行充分融合,實(shí)現(xiàn)智慧化服務(wù)和管理的校園模式,已成為大勢所趨。

1 智慧校園的發(fā)展趨勢及瓶頸問題

美國教育信息化的發(fā)展一直處于國際領(lǐng)先地位,早在20 世紀(jì)70 年代,麻省理工學(xué)院就提出“電子化校園計(jì)劃”,1990 年美國克萊蒙特大學(xué)教授Kenneth[1]首次提出“數(shù)字校園”概念,并于同年發(fā)起“數(shù)字校園計(jì)劃(CCP)”項(xiàng)目,開始了世界高校信息化建設(shè)。 此后,1996 年、2000 年、2005 年、2010 年美國政府相繼頒布并實(shí)施了4 個(gè)“教育技術(shù)計(jì)劃”,利用信息技術(shù)促進(jìn)教育改革和發(fā)展,逐步實(shí)現(xiàn)了電子校園-數(shù)字校園-智慧校園的轉(zhuǎn)變過程[2]。 受美國影響,英國也相繼制定了“教育高速公路-前進(jìn)計(jì)劃”“2010—2012 教育發(fā)展戰(zhàn)略”,澳大利亞推出了“數(shù)字教育革命實(shí)施路線圖”,新西蘭制定了“學(xué)校數(shù)字化學(xué)習(xí)行動(dòng)計(jì)劃”,日本實(shí)施了“學(xué)校聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃”[2],推進(jìn)了世界各地教育信息化的建設(shè)轉(zhuǎn)型。 同時(shí),我國政府也在科教興國戰(zhàn)略的推動(dòng)下,積極開展高校教育信息化建設(shè)。 1995 年正式開通的中國教育與科研互聯(lián)網(wǎng)(CERNET),實(shí)現(xiàn)了校園網(wǎng)的省際互聯(lián),帶動(dòng)了我國電子校園的建設(shè)[1]。 2003 年3 月,教育部啟動(dòng)了《2003—2007 教育振興行動(dòng)計(jì)劃》,旨在加快教育信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、教育信息化資源建設(shè)與人才培養(yǎng),全面提高現(xiàn)代信息技術(shù)在教育系統(tǒng)中的應(yīng)用水平。 2010 年國務(wù)院頒布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020 年)》把教育信息化納入國家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略部署,提出“要加快教育信息化進(jìn)程,強(qiáng)化信息技術(shù)應(yīng)用,推進(jìn)數(shù)字化校園建設(shè)”。2016 年全國教育信息化工作要點(diǎn)首次納入“智慧校園”概念,在全國高校掀起了智慧校園的建設(shè)熱潮。

智慧校園是高校信息化建設(shè)的深入推進(jìn),也是信息技術(shù)深度整合的重要體現(xiàn),其有機(jī)融合了現(xiàn)實(shí)校園和虛擬校園的新形態(tài),注重強(qiáng)化智能校園環(huán)境、智慧科研教務(wù)和智慧管理服務(wù)。 浙江大學(xué)最先在信息化“十二五”規(guī)劃中提出建設(shè)智慧型校園,隨之,南京郵電大學(xué)、西南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校也相繼開始籌劃和實(shí)施智慧校園建設(shè)[2]。 經(jīng)過一系列智慧校園建設(shè)的衍生和積累,新的理念方法不斷涌現(xiàn),發(fā)展脈絡(luò)逐漸清晰,智慧校園呈現(xiàn)更加開放化、交互化、個(gè)性化與智能化的特點(diǎn)。 然而,由于交互開放的體驗(yàn)缺失和信息技術(shù)的融合屏障等主客觀制約因素,當(dāng)前智慧校園建設(shè)中,仍以靜態(tài)化的基礎(chǔ)設(shè)施硬件建設(shè)和數(shù)據(jù)采集軟件建設(shè)為主,并未充分調(diào)動(dòng)潛在教育資源的智慧化動(dòng)態(tài)呈現(xiàn),造成了大量有用信息的浪費(fèi)[3]。 主要體現(xiàn)在:(1)教育資源的內(nèi)容豐富性和形式多樣化,加大資源整合共享困難性,如果沒有有效的資源呈現(xiàn)和共享方式,極易導(dǎo)致資源利用率低下,難以滿足學(xué)習(xí)者的多樣化共享體驗(yàn)和個(gè)性化需求。 (2)傳統(tǒng)教學(xué)過程中程序化的講授和被動(dòng)的接收學(xué)習(xí)成為固定模式,極易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、創(chuàng)新能力發(fā)展受限,難以達(dá)到高質(zhì)量的教學(xué)效果,也無法實(shí)現(xiàn)全面的教學(xué)評(píng)價(jià),因此,當(dāng)前生動(dòng)形象的授課思維轉(zhuǎn)變已成必需。 (3)教育管理和服務(wù)方式對(duì)線下物理空間和實(shí)體場所的完全依賴,在很大程度上限制了供給時(shí)間和服務(wù)方式,導(dǎo)致各項(xiàng)服務(wù)供給及統(tǒng)籌管理均處于低水平運(yùn)行狀態(tài),如何突破局限實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)行狀態(tài)也亟須信息技術(shù)的有力支撐。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智慧校園建設(shè)中的應(yīng)用

為滿足智慧校園的智能化服務(wù)和開放性體驗(yàn),“虛擬校園”將成為一種提升智慧校園建設(shè)的標(biāo)識(shí)形態(tài)[4]?！疤摂M校園”是利用互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)筑一個(gè)多媒體、全方位的沒有明顯校園界限的校園,具有高度的信息開放性、時(shí)間自由性和學(xué)習(xí)自主性,其最大的優(yōu)勢在于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的互動(dòng)性和直觀性體驗(yàn)。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有超越現(xiàn)實(shí)的虛擬性,是伴隨多媒體技術(shù)發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)新技術(shù),它利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨率顯示技術(shù),生成三維逼真的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠打破傳統(tǒng)校園的物理邊界,實(shí)現(xiàn)虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間一體發(fā)展、線上業(yè)務(wù)和線下業(yè)務(wù)交互融合,智能感知和智慧應(yīng)用依托共享,呈現(xiàn)出新型的智慧校園形態(tài)[5]。 目前,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)著力應(yīng)用于智慧校園建設(shè)中的環(huán)境共享、教學(xué)服務(wù)、科研展示、智慧閱讀、會(huì)議交流和信息管理等多個(gè)方面[6]。

2.1 開放共享的虛擬智慧校園環(huán)境

校園環(huán)境不僅承載著一所學(xué)校的人文自然景觀,還積淀著教育實(shí)踐過程中演化和創(chuàng)造出來的精神文化素養(yǎng),是學(xué)校育人的重要抓手。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,使得智慧校園的環(huán)境建設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)物理校園和虛擬校園的有機(jī)融合,能夠突破時(shí)間和空間的限制,通過虛擬三維空間的塑造和虛擬人文動(dòng)態(tài)的呈現(xiàn)交互展示一所學(xué)校的文化底蘊(yùn)。 揚(yáng)州大學(xué)吳濤等[7]結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)校園全景漫游導(dǎo)航系統(tǒng),用戶可以通過該系統(tǒng)進(jìn)入三維虛擬可視化界面,遠(yuǎn)程獲取揚(yáng)州大學(xué)360°無縫實(shí)景展示的校園風(fēng)景。 利用三維虛擬空間進(jìn)行校園展示,空間內(nèi)的樓宇建筑、道路綠化、人文信息等都能夠直觀呈現(xiàn)在眼前,視覺效果和場景感知變得輕松易得,位置查詢、線路指引、新生入學(xué)導(dǎo)航、學(xué)校招生宣傳、校園活動(dòng)分享、校內(nèi)信息推廣等輔助工具為校園工作和生活帶來諸多便利,使體驗(yàn)者身臨其境,沉浸感強(qiáng)烈,也為學(xué)校教學(xué)、招生等工作提供助力。 要達(dá)到虛擬校園的暢游效果和智慧互動(dòng),還需要增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為支持,通過實(shí)時(shí)視頻控制技術(shù)和多傳感器信息融合技術(shù)等,進(jìn)一步彌補(bǔ)細(xì)節(jié)的缺失、定位的精準(zhǔn)、交互的實(shí)時(shí)和感知的智能等方面。

2.2 生動(dòng)直觀的虛擬智慧教學(xué)服務(wù)

智慧校園要求學(xué)生的學(xué)習(xí)方式相比傳統(tǒng)校園更加豐富和多樣化。 尤其是近幾年新冠疫情帶來的地域限制和交流屏障,刺激教育工作者不斷研究新的知識(shí)呈現(xiàn)方式,從傳統(tǒng)的“聽講”課堂,發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)可視化的“智慧虛擬”課堂。 目前,很多教研工作已逐漸融合了內(nèi)容方式的三維虛擬呈現(xiàn),如針對(duì)實(shí)驗(yàn)類課程的仿真演示、針對(duì)實(shí)習(xí)實(shí)踐類課程的虛擬設(shè)備操作等。 通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬靜態(tài)教具和知識(shí)理論的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn),幫助學(xué)生發(fā)展空間觀念和想象能力,從一維認(rèn)知拓展為二維和三維之間的關(guān)系,打破時(shí)空限制,使得教學(xué)內(nèi)容更加形象生動(dòng),教學(xué)形式更加豐富多彩,寓教于樂。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用和推廣,還需要相關(guān)單位和教師轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念,積極采用創(chuàng)新的教學(xué)模式和手段,與傳統(tǒng)教學(xué)方法相互結(jié)合,取長補(bǔ)短。 比如在體育訓(xùn)練和教學(xué)領(lǐng)域,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過過程智能化監(jiān)控采集學(xué)員的基本動(dòng)作數(shù)字信息進(jìn)行分析模擬,糾正錯(cuò)誤,提高訓(xùn)練效果。 從持續(xù)發(fā)展來看,如何避免新型技術(shù)在課堂應(yīng)用中產(chǎn)生的虛擬感,讓學(xué)生獲得抽象知識(shí)的具象體驗(yàn),進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣,成為智慧教學(xué)的重要目標(biāo)。 此外,針對(duì)實(shí)踐教學(xué)的虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)、針對(duì)在線課程的服務(wù)不掉線管理和考核評(píng)價(jià)體系優(yōu)化,也應(yīng)成為重點(diǎn)關(guān)注方向。

2.3 無所不能的虛擬智慧科學(xué)研究

在知識(shí)創(chuàng)新引領(lǐng)時(shí)代進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的今天,教育的高質(zhì)量建設(shè)和科研實(shí)驗(yàn)的高質(zhì)量發(fā)展成為主要的系統(tǒng)化工程。 然而,在固有的空間場景下,受疫情、限時(shí)、跨地域等多重因素制約,很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法順利開展,學(xué)生參與學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)也大受影響。 基于此,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有機(jī)運(yùn)用,可以為科研實(shí)驗(yàn)的講演展示、控制實(shí)施提供有力支撐,既能夠突破時(shí)空局限,又能夠增加真切深刻的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)感,同時(shí)可以有效避免實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)帶來的安全隱患。 目前,北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等已經(jīng)相繼建立了分布式飛行模擬實(shí)驗(yàn)室、建筑虛擬規(guī)劃研究室等虛擬實(shí)驗(yàn)室,并取得了顯著成效[8]。 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了昂貴的技術(shù)設(shè)備瓶頸,相比真實(shí)技術(shù)設(shè)備有著可復(fù)用、成本低、操作簡單、易維護(hù)的優(yōu)勢。 在時(shí)代進(jìn)程中,基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用的智慧科研發(fā)展,更應(yīng)著力追求高度開放、信息共享、互動(dòng)協(xié)作、安全智能的智慧科研平臺(tái)。

2.4 觸手可及的虛擬智慧閱讀系統(tǒng)

為了引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí),智慧校園建設(shè)對(duì)其硬件配套設(shè)施提出了多元化和豐富化要求。 圖書館作為重要的知識(shí)融載陣地,成為數(shù)字建設(shè)和服務(wù)升級(jí)的重要對(duì)象。 中國國家圖書館、上海圖書館等已經(jīng)開始使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字圖書館。 而基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智慧閱讀建設(shè),呈現(xiàn)出更多優(yōu)勢,成為更值得創(chuàng)新發(fā)展和推行應(yīng)用的方向。 首先,其在大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)支持下?lián)碛械暮Ａ抠Y源是傳統(tǒng)圖書館不可比擬的。 其次,智慧閱讀系統(tǒng)脫離了圖書館閱讀的固有思維方式,不僅可以利用高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的閱讀,還可以通過虛擬設(shè)備平臺(tái)自由選擇閱讀環(huán)境,突破文字圖片的一維呈現(xiàn)方式,跨越媒介的限制,實(shí)現(xiàn)與書中情景的有效融合,提高閱讀效率。 最后,智慧閱讀系統(tǒng)還可以通過云計(jì)算處理進(jìn)行個(gè)性偏好的智能分析和推送服務(wù),針對(duì)不同讀者不同階段的需求推薦需要的書籍,大大減少尋找書籍過程的時(shí)間浪費(fèi),有效提升所求即所需的良好感知。

2.5 暢所欲言的虛擬智能會(huì)議系統(tǒng)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種重要的內(nèi)容和成果展示手段,可以與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合起來,構(gòu)建更具體驗(yàn)感和感知度的虛擬智能會(huì)議系統(tǒng)。 在虛擬會(huì)議的交流過程中,參會(huì)成員可以暢所欲言,體驗(yàn)不再局限于單純文字、聲音的豐富內(nèi)容,也可以盡情展現(xiàn)豐富表情、動(dòng)作的行為藝術(shù),還可以同時(shí)利用“虛擬人物”避免不必要的隱私泄露和安全風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)會(huì)議中虛擬背景的設(shè)置就是一種重要方式。 然而,虛擬會(huì)議的最大挑戰(zhàn)之一是參會(huì)者很難一一參與其中并做出貢獻(xiàn),因此,有針對(duì)性地開發(fā)必要的循環(huán)互動(dòng)技術(shù)來提高參與度是目前亟待解決的一大問題。 除了業(yè)內(nèi)的會(huì)議交流,虛擬智慧會(huì)議系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生、家長與學(xué)校間更高效的溝通,即使老師和家長不在學(xué)生身邊,通過智慧系統(tǒng)也可以對(duì)學(xué)生的生活學(xué)習(xí)進(jìn)行全程全方位監(jiān)護(hù),更有利于避免學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)的敷衍與馬虎,有利于及時(shí)解決學(xué)生生活中遇到的困難與疑惑,也能夠通過智慧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)學(xué)校和家長隨時(shí)隨地的無障礙溝通。

2.6 全面互聯(lián)的虛擬智能信息管理

信息管理的便捷性和高效性是智慧校園的重要組成部分,能夠充分體現(xiàn)智慧校園架構(gòu)的人性化和智能化服務(wù)。 為了提升校園管理的智慧水平,需要建立虛實(shí)融合的智慧信息管理平臺(tái),通過虛擬場景信息與真實(shí)環(huán)境的精確匹配和智能互動(dòng),實(shí)現(xiàn)教育管理的科學(xué)評(píng)估、過程管控、智能決策和安全預(yù)警等。 如北京某高校采用虛實(shí)融合一體化監(jiān)控系統(tǒng)在校園實(shí)現(xiàn)了三維空間的自動(dòng)巡邏,結(jié)合人工智能算法,對(duì)校園生活、考試過程、財(cái)務(wù)信息等進(jìn)行全天候安全監(jiān)測和預(yù)警[6]。 在智能信息管理的環(huán)境下,師生也可以盡情體驗(yàn)智慧校園生活,如智能人臉識(shí)別和體溫感知系統(tǒng)的建立,能夠在特殊時(shí)期發(fā)揮自動(dòng)識(shí)別本校師生并測量體溫的積極作用;如智慧校園學(xué)習(xí)生活卡的開發(fā),可以兼?zhèn)湟豢ㄍㄏM(fèi)購物的生活功能,上課簽到、請(qǐng)銷假、參與社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)等特殊功能,以及手機(jī)綁定、智慧借閱書籍和查詢校園信息等全方位管理功能。 有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支撐,校園管理的資源配置、智能分析、響應(yīng)處理均可高效實(shí)現(xiàn),而如何加強(qiáng)虛實(shí)環(huán)境的無縫融合和管理應(yīng)用的沉浸體驗(yàn)性成為更重要的關(guān)鍵。 能夠真正提升用戶存在感、增強(qiáng)用戶直覺性的智能化信息管理平臺(tái),應(yīng)該更加強(qiáng)調(diào)用戶的核心地位,注重系統(tǒng)和用戶之間交互性的開發(fā),讓每一個(gè)用戶體驗(yàn)到便捷、高效、安全、人性化的服務(wù)。

3 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展為智慧校園建設(shè)提供了更多的創(chuàng)新思路和技術(shù)支撐,智慧校園也為虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)突破和創(chuàng)新發(fā)展提供了切實(shí)的載體和研究對(duì)象,兩者相輔相成,為未來智慧教育的發(fā)展創(chuàng)造出無限的可能。 尤其是經(jīng)歷過新冠疫情的沖擊和過渡,人們真切體會(huì)到了“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的巨大作用,有了教育前期的充分探索和準(zhǔn)備,才能有效實(shí)現(xiàn)疫情防控期間的“停課不停學(xué)”。 未來,類似虛擬現(xiàn)實(shí)等新型信息技術(shù)將成為助力世界教育發(fā)展變革的主線工具和建設(shè)方向。 基于此,更要繼續(xù)開拓創(chuàng)新,探索“虛擬現(xiàn)實(shí)+智慧校園”的教育信息化新模式。