萬(wàn)晨
(中南民族大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心,湖北 武漢 430074)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)于一體的逼真三維世界,能突破時(shí)間、空間和其他條件的限制,帶給用戶(hù)一種身臨其境的感覺(jué)[4,5]。VR技術(shù)具有沉浸性、交互性、想象性的特征,也稱(chēng)3I特征[6,7],這些特征符合新時(shí)代教育的需要,將其用于教育領(lǐng)域能產(chǎn)生巨大的價(jià)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(kāi)展國(guó)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(dòng)。根據(jù)《關(guān)于開(kāi)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(guó)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(shí),大量學(xué)者與研究人員對(duì)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(kāi)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(guò)程及效果分析、評(píng)價(jià)等問(wèn)題[15]。
近年來(lái),隨著VR技術(shù)和人工智能(Artificial Intelligence,簡(jiǎn)稱(chēng)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(shì),智能化已然成為VR系統(tǒng)的一個(gè)重要特征,VR技術(shù)也由3I發(fā)展到4I。“VR+AI”將會(huì)給教育環(huán)境、學(xué)習(xí)過(guò)程支持、教育評(píng)價(jià)、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(lái)歷史性變革[16]。
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(lái)了機(jī)遇,對(duì)加速推進(jìn)智慧校園建設(shè)具有重要意義。然而通過(guò)深入研究分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)前智慧校園發(fā)展過(guò)程中面臨著以下問(wèn)題:
盡管VR技術(shù)對(duì)我國(guó)教育改革具有重大推動(dòng)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(lèi)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(wèn)速度慢、訪問(wèn)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(wèn)題[17]。這些共性問(wèn)題使得VR技術(shù)在高校的教學(xué)和管理中無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有的作用。
傳統(tǒng)的以教師教授為主的教學(xué)模式,在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中教師通常按照程式化的課件教授知識(shí),學(xué)生的學(xué)習(xí)處于被動(dòng)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(guò)程中數(shù)據(jù)收集不全面、教育評(píng)價(jià)方式單一僵化,這些都制約著高校教育的發(fā)展。
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(lái)越豐富。但在教育資源的整合與共享上也存在一些問(wèn)題,主要包括:梳理整合種類(lèi)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(chǔ)格式不一,平臺(tái)間相互封閉,使得不同資源平臺(tái)間難于實(shí)現(xiàn)資源共享;現(xiàn)有平臺(tái)功能簡(jiǎn)單,缺少對(duì)學(xué)習(xí)者使用教育資源的過(guò)程分析,難以滿(mǎn)足學(xué)習(xí)者多樣化和個(gè)性化需求。
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(lài)于線下的教室、實(shí)驗(yàn)室、圖書(shū)館、會(huì)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(lài)于實(shí)體場(chǎng)所,會(huì)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間和空間產(chǎn)生限制,且各個(gè)物理場(chǎng)所相互獨(dú)立,難以全面地對(duì)所有場(chǎng)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)。
“VR+AI”教育服務(wù)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教育服務(wù)平臺(tái)”)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(guò)程,通過(guò)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(píng)價(jià)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。
“VR+AI”教育服務(wù)平臺(tái)通過(guò)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(tái)由教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入、教育業(yè)務(wù)集成平臺(tái)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(tái)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(shū)管理系統(tǒng)、場(chǎng)館管理系統(tǒng)、GIS(地理信息系統(tǒng))、車(chē)輛門(mén)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(tái)
教育業(yè)務(wù)集成平臺(tái)由人工智能融合模塊和八個(gè)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(shí)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(lèi)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(gè)教育服務(wù)業(yè)務(wù)主要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)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(píng)價(jià)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(tái)建成后,將為職能部門(mén)和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)提供信息查詢(xún)、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(chǎng)所、智能輔助學(xué)習(xí)、教學(xué)資源共享、教學(xué)智能評(píng)價(jià)等服務(wù);為運(yùn)維管理部門(mén)提供信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析、業(yè)務(wù)集成、運(yùn)維管理等服務(wù)。
“VR+AI”教育服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)從下至上依次共分為六個(gè)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(hù)層,如圖2所示。①基礎(chǔ)層:基礎(chǔ)層承載著整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ),為平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境提供支撐,包括數(shù)據(jù)庫(kù)集群、虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)器、存儲(chǔ)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(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)交換等工作,為平臺(tái)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)資源的保障,包括用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、管理數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬資源數(shù)據(jù)庫(kù)。③支撐層:支撐層為平臺(tái)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(lèi)應(yīng)用服務(wù)的融合,以及各類(lèi)應(yīng)用服務(wù)的整合,為學(xué)校各類(lèi)用戶(hù)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(píng)價(jià)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(guò)云桌面為學(xué)校各類(lèi)用戶(hù)提供良好的工作平臺(tái),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(hù)層:用戶(hù)層包括學(xué)生、教師、運(yùn)維管理部門(mén)、職能部門(mén)、學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)。

圖2 教育服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)圖
“VR+AI”教育服務(wù)平臺(tái)主要包含虛擬教學(xué)服務(wù)、輔助學(xué)習(xí)服務(wù)、教育評(píng)價(jià)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(chǎng)景、教學(xué)活動(dòng)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(guò)程和各類(lèi)學(xué)習(xí)場(chǎng)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(píng)價(jià)服務(wù):對(duì)各種教學(xué)活動(dòng)、教學(xué)過(guò)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(píng)價(jià),主要功能包括:教師教學(xué)評(píng)估、學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)、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(hù)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(kāi)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(lèi)、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(shū)館、虛擬博物館、虛擬會(huì)議室、虛擬學(xué)習(xí)室。⑥校園管理服務(wù):通過(guò)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(chǎng)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(tái)各功能模塊統(tǒng)一運(yùn)維監(jiān)控和管理,由平臺(tái)配置分析、平臺(tái)故障診斷、平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)、平臺(tái)運(yùn)行維護(hù)組成。
通過(guò)教育服務(wù)平臺(tái)統(tǒng)籌規(guī)劃校內(nèi)各類(lèi)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(wèn)入口、基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境、硬件接口、軟件開(kāi)發(fā)接口、數(shù)據(jù)對(duì)接標(biāo)準(zhǔn)、安全訪問(wèn)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(shí)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(duì)各類(lèi)虛擬仿真場(chǎng)景構(gòu)建認(rèn)知模型、知識(shí)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(tái)。
通過(guò)教育服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建實(shí)體物理空間對(duì)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(gè)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)、科研及日常活動(dòng)。學(xué)校能對(duì)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(dòng),使學(xué)習(xí)空間變得更加多元化、多樣化、個(gè)性化和智能化,以滿(mǎn)足不同的學(xué)習(xí)和教學(xué)業(yè)務(wù)的需求,通過(guò)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。
將教育服務(wù)平臺(tái)應(yīng)于教學(xué),教師能根據(jù)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)對(duì)象靈活定制教學(xué)場(chǎng)景和教學(xué)內(nèi)容,滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化需求。通過(guò)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(chǎng)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(gè)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(shí)對(duì)教育過(guò)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(duì)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(gè)性化發(fā)展,使得教育評(píng)價(jià)手段更豐富、評(píng)價(jià)過(guò)程更科學(xué)、評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確。
教育服務(wù)平臺(tái)利用數(shù)據(jù)挖掘、智能檢索和深度學(xué)習(xí)技術(shù),對(duì)各類(lèi)教育資源平臺(tái)的資源自動(dòng)抓取,并對(duì)資源格式、內(nèi)容及學(xué)習(xí)者訪問(wèn)資源的需求和行為進(jìn)行分析和識(shí)別,實(shí)現(xiàn)特征相近的資源自動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)及智能分類(lèi)管理。智能完成各類(lèi)資源格式轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)資源格式和訪問(wèn)接口的統(tǒng)一。針對(duì)智能發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者對(duì)資源的需求,實(shí)現(xiàn)教育資源精準(zhǔn)推送,滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求。
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(chē)、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(duì)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(gè)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(guò)對(duì)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(shí)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(tái)應(yīng)用于構(gòu)建數(shù)字孿生智慧平安校園將會(huì)成為智慧校園建設(shè)的新起點(diǎn)。
隨著教育改革的不斷深入和發(fā)展,高校過(guò)去傳統(tǒng)的教學(xué)模式、教育評(píng)價(jià)方式和管理方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求。依托“VR+AI”技術(shù)構(gòu)建教育服務(wù)平臺(tái),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(guò)構(gòu)建虛擬智慧學(xué)習(xí)空間、教育資源服務(wù)平臺(tái)、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(píng)、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。