虛擬現實技術在智慧校園建設中的應用

吳 宇,孫 鳳

(揚州大學,江蘇 揚州 225009)

0 引言

隨著信息技術的不斷發展創新,我國教育改革也逐步實現深入強化,教育方式從傳統校園發展至電子校園,從電子校園步入數字校園,如今大步邁向智慧校園建設的新階段。 2018 年6 月,中國國家標準化管理委員會發布《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,是教育信息化的更高級形態。 中共中央、國務院連續發布了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 遠景目標綱要》《中國教育現代化2035》等重大規劃,提出要建成“教育強國新高度”,要“建設智能化校園,統籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺,利用現代技術加快推動人才培養模式改革,實現規模化教育與個性化培養的有機結合”。 因此,在智慧校園建設中不斷進行信息技術的發展創新,引入人工智能、虛擬現實等新一代信息技術,通過信息化手段將教學、教務管理和校園生活進行充分融合,實現智慧化服務和管理的校園模式,已成為大勢所趨。

1 智慧校園的發展趨勢及瓶頸問題

美國教育信息化的發展一直處于國際領先地位,早在20 世紀70 年代,麻省理工學院就提出“電子化校園計劃”,1990 年美國克萊蒙特大學教授Kenneth[1]首次提出“數字校園”概念,并于同年發起“數字校園計劃(CCP)”項目,開始了世界高校信息化建設。 此后,1996 年、2000 年、2005 年、2010 年美國政府相繼頒布并實施了4 個“教育技術計劃”,利用信息技術促進教育改革和發展,逐步實現了電子校園-數字校園-智慧校園的轉變過程[2]。 受美國影響,英國也相繼制定了“教育高速公路-前進計劃”“2010—2012 教育發展戰略”,澳大利亞推出了“數字教育革命實施路線圖”,新西蘭制定了“學校數字化學習行動計劃”,日本實施了“學校聯網計劃”[2],推進了世界各地教育信息化的建設轉型。 同時,我國政府也在科教興國戰略的推動下,積極開展高校教育信息化建設。 1995 年正式開通的中國教育與科研互聯網(CERNET),實現了校園網的省際互聯,帶動了我國電子校園的建設[1]。 2003 年3 月,教育部啟動了《2003—2007 教育振興行動計劃》,旨在加快教育信息化基礎設施建設、教育信息化資源建設與人才培養,全面提高現代信息技術在教育系統中的應用水平。 2010 年國務院頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020 年)》把教育信息化納入國家信息化發展整體戰略部署,提出“要加快教育信息化進程,強化信息技術應用,推進數字化校園建設”。2016 年全國教育信息化工作要點首次納入“智慧校園”概念,在全國高校掀起了智慧校園的建設熱潮。

智慧校園是高校信息化建設的深入推進,也是信息技術深度整合的重要體現,其有機融合了現實校園和虛擬校園的新形態,注重強化智能校園環境、智慧科研教務和智慧管理服務。 浙江大學最先在信息化“十二五”規劃中提出建設智慧型校園,隨之,南京郵電大學、西南大學、同濟大學、清華大學、北京大學、北京航空航天大學等高校也相繼開始籌劃和實施智慧校園建設[2]。 經過一系列智慧校園建設的衍生和積累,新的理念方法不斷涌現,發展脈絡逐漸清晰,智慧校園呈現更加開放化、交互化、個性化與智能化的特點。 然而,由于交互開放的體驗缺失和信息技術的融合屏障等主客觀制約因素,當前智慧校園建設中,仍以靜態化的基礎設施硬件建設和數據采集軟件建設為主,并未充分調動潛在教育資源的智慧化動態呈現,造成了大量有用信息的浪費[3]。 主要體現在:(1)教育資源的內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和共享方式,極易導致資源利用率低下,難以滿足學習者的多樣化共享體驗和個性化需求。 (2)傳統教學過程中程序化的講授和被動的接收學習成為固定模式,極易導致學生學習積極性不高、創新能力發展受限,難以達到高質量的教學效果,也無法實現全面的教學評價,因此,當前生動形象的授課思維轉變已成必需。 (3)教育管理和服務方式對線下物理空間和實體場所的完全依賴,在很大程度上限制了供給時間和服務方式,導致各項服務供給及統籌管理均處于低水平運行狀態,如何突破局限實現高效的運行狀態也亟須信息技術的有力支撐。

2 虛擬現實技術在智慧校園建設中的應用

為滿足智慧校園的智能化服務和開放性體驗,“虛擬校園”將成為一種提升智慧校園建設的標識形態[4]。“虛擬校園”是利用互聯網構筑一個多媒體、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、時間自由性和學習自主性,其最大的優勢在于虛擬現實技術帶來的互動性和直觀性體驗。 虛擬現實技術具有超越現實的虛擬性,是伴隨多媒體技術發展起來的計算機新技術,它利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨率顯示技術,生成三維逼真的虛擬環境。虛擬現實技術能夠打破傳統校園的物理邊界,實現虛擬空間和現實空間一體發展、線上業務和線下業務交互融合,智能感知和智慧應用依托共享,呈現出新型的智慧校園形態[5]。 目前,虛擬現實技術著力應用于智慧校園建設中的環境共享、教學服務、科研展示、智慧閱讀、會議交流和信息管理等多個方面[6]。

2.1 開放共享的虛擬智慧校園環境

校園環境不僅承載著一所學校的人文自然景觀,還積淀著教育實踐過程中演化和創造出來的精神文化素養,是學校育人的重要抓手。 虛擬現實技術的發展,使得智慧校園的環境建設能夠實現物理校園和虛擬校園的有機融合,能夠突破時間和空間的限制,通過虛擬三維空間的塑造和虛擬人文動態的呈現交互展示一所學校的文化底蘊。 揚州大學吳濤等[7]結合虛擬現實技術設計了一個校園全景漫游導航系統,用戶可以通過該系統進入三維虛擬可視化界面,遠程獲取揚州大學360°無縫實景展示的校園風景。 利用三維虛擬空間進行校園展示,空間內的樓宇建筑、道路綠化、人文信息等都能夠直觀呈現在眼前,視覺效果和場景感知變得輕松易得,位置查詢、線路指引、新生入學導航、學校招生宣傳、校園活動分享、校內信息推廣等輔助工具為校園工作和生活帶來諸多便利,使體驗者身臨其境,沉浸感強烈,也為學校教學、招生等工作提供助力。 要達到虛擬校園的暢游效果和智慧互動,還需要增強現實技術作為支持,通過實時視頻控制技術和多傳感器信息融合技術等,進一步彌補細節的缺失、定位的精準、交互的實時和感知的智能等方面。

2.2 生動直觀的虛擬智慧教學服務

智慧校園要求學生的學習方式相比傳統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呈現方式,從傳統的“聽講”課堂,發展為網絡可視化的“智慧虛擬”課堂。 目前,很多教研工作已逐漸融合了內容方式的三維虛擬呈現,如針對實驗類課程的仿真演示、針對實習實踐類課程的虛擬設備操作等。 通過虛擬現實技術模擬靜態教具和知識理論的動態呈現,幫助學生發展空間觀念和想象能力,從一維認知拓展為二維和三維之間的關系,打破時空限制,使得教學內容更加形象生動,教學形式更加豐富多彩,寓教于樂。虛擬現實技術的運用和推廣,還需要相關單位和教師轉變傳統的教學觀念,積極采用創新的教學模式和手段,與傳統教學方法相互結合,取長補短。 比如在體育訓練和教學領域,虛擬現實技術可以通過過程智能化監控采集學員的基本動作數字信息進行分析模擬,糾正錯誤,提高訓練效果。 從持續發展來看,如何避免新型技術在課堂應用中產生的虛擬感,讓學生獲得抽象知識的具象體驗,進一步增強學習興趣,成為智慧教學的重要目標。 此外,針對實踐教學的虛擬實訓平臺建設、針對在線課程的服務不掉線管理和考核評價體系優化,也應成為重點關注方向。

2.3 無所不能的虛擬智慧科學研究

在知識創新引領時代進步和經濟發展的今天,教育的高質量建設和科研實驗的高質量發展成為主要的系統化工程。 然而,在固有的空間場景下,受疫情、限時、跨地域等多重因素制約,很多實驗項目無法順利開展,學生參與學習的機會也大受影響。 基于此,虛擬現實技術的有機運用,可以為科研實驗的講演展示、控制實施提供有力支撐,既能夠突破時空局限,又能夠增加真切深刻的實驗操作體驗感,同時可以有效避免實驗操作風險帶來的安全隱患。 目前,北京航空航天大學、浙江大學等已經相繼建立了分布式飛行模擬實驗室、建筑虛擬規劃研究室等虛擬實驗室,并取得了顯著成效[8]。 虛擬現實技術打破了昂貴的技術設備瓶頸,相比真實技術設備有著可復用、成本低、操作簡單、易維護的優勢。 在時代進程中,基于虛擬現實技術運用的智慧科研發展,更應著力追求高度開放、信息共享、互動協作、安全智能的智慧科研平臺。

2.4 觸手可及的虛擬智慧閱讀系統

為了引導學生的自主學習,智慧校園建設對其硬件配套設施提出了多元化和豐富化要求。 圖書館作為重要的知識融載陣地,成為數字建設和服務升級的重要對象。 中國國家圖書館、上海圖書館等已經開始使用虛擬現實技術構建數字圖書館。 而基于虛擬現實的智慧閱讀建設,呈現出更多優勢,成為更值得創新發展和推行應用的方向。 首先,其在大數據和云平臺支持下擁有的海量資源是傳統圖書館不可比擬的。 其次,智慧閱讀系統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網絡實現隨時隨地的閱讀,還可以通過虛擬設備平臺自由選擇閱讀環境,突破文字圖片的一維呈現方式,跨越媒介的限制,實現與書中情景的有效融合,提高閱讀效率。 最后,智慧閱讀系統還可以通過云計算處理進行個性偏好的智能分析和推送服務,針對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間浪費,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議系統

虛擬現實技術作為一種重要的內容和成果展示手段,可以與移動網絡通信技術結合起來,構建更具體驗感和感知度的虛擬智能會議系統。 在虛擬會議的交流過程中,參會成員可以暢所欲言,體驗不再局限于單純文字、聲音的豐富內容,也可以盡情展現豐富表情、動作的行為藝術,還可以同時利用“虛擬人物”避免不必要的隱私泄露和安全風險,當前網絡會議中虛擬背景的設置就是一種重要方式。 然而,虛擬會議的最大挑戰之一是參會者很難一一參與其中并做出貢獻,因此,有針對性地開發必要的循環互動技術來提高參與度是目前亟待解決的一大問題。 除了業內的會議交流,虛擬智慧會議系統還可以實現學生、家長與學校間更高效的溝通,即使老師和家長不在學生身邊,通過智慧系統也可以對學生的生活學習進行全程全方位監護,更有利于避免學生對學習任務的敷衍與馬虎,有利于及時解決學生生活中遇到的困難與疑惑,也能夠通過智慧系統實現學校和家長隨時隨地的無障礙溝通。

2.6 全面互聯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,能夠充分體現智慧校園架構的人性化和智能化服務。 為了提升校園管理的智慧水平,需要建立虛實融合的智慧信息管理平臺,通過虛擬場景信息與真實環境的精確匹配和智能互動,實現教育管理的科學評估、過程管控、智能決策和安全預警等。 如北京某高校采用虛實融合一體化監控系統在校園實現了三維空間的自動巡邏,結合人工智能算法,對校園生活、考試過程、財務信息等進行全天候安全監測和預警[6]。 在智能信息管理的環境下,師生也可以盡情體驗智慧校園生活,如智能人臉識別和體溫感知系統的建立,能夠在特殊時期發揮自動識別本校師生并測量體溫的積極作用;如智慧校園學習生活卡的開發,可以兼備一卡通消費購物的生活功能,上課簽到、請銷假、參與社會實踐活動等特殊功能,以及手機綁定、智慧借閱書籍和查詢校園信息等全方位管理功能。 有了虛擬現實技術的支撐,校園管理的資源配置、智能分析、響應處理均可高效實現,而如何加強虛實環境的無縫融合和管理應用的沉浸體驗性成為更重要的關鍵。 能夠真正提升用戶存在感、增強用戶直覺性的智能化信息管理平臺,應該更加強調用戶的核心地位,注重系統和用戶之間交互性的開發,讓每一個用戶體驗到便捷、高效、安全、人性化的服務。

3 結語

虛擬現實技術的發展為智慧校園建設提供了更多的創新思路和技術支撐,智慧校園也為虛擬現實的技術突破和創新發展提供了切實的載體和研究對象,兩者相輔相成,為未來智慧教育的發展創造出無限的可能。 尤其是經歷過新冠疫情的沖擊和過渡,人們真切體會到了“互聯網+教育”的巨大作用,有了教育前期的充分探索和準備,才能有效實現疫情防控期間的“停課不停學”。 未來,類似虛擬現實等新型信息技術將成為助力世界教育發展變革的主線工具和建設方向。 基于此,更要繼續開拓創新,探索“虛擬現實+智慧校園”的教育信息化新模式。