“VR+AI”教育服务平台设计与应用研究

万晨

（中南民族大学现代教育技术中心，湖北 武汉 430074）

1 引言

虚拟现实技术简称为VR技术，是以计算机技术为核心，结合计算机图形学、立体显示、3D环境建模、人机交互等高新技术[1,2]，利用立体头盔式显示器、数据手套、数据衣服等特殊的输入和输出传感设备[3]，生成集视觉、听觉、触觉于一体的逼真三维世界，能突破时间、空间和其他条件的限制，带给用户一种身临其境的感觉[4,5]。VR技术具有沉浸性、交互性、想象性的特征，也称3I特征[6,7]，这些特征符合新时代教育的需要，将其用于教育领域能产生巨大的价值和重要的意义。《加快推进教育现代化实施方案（2018－2022年）》中提出要大力推进教育信息化，加快推进智慧教育创新发展，设立“智慧教育示范区”，开展国家虚拟仿真实验教学项目等建设，实施人工智能助推教师队伍建设行动。根据《关于开展虚拟仿真实验教学项目的建设工作的通知》的要求，我国许多高校都建设了虚拟仿真实验教学中心，进一步推进虚拟现实技术与实验教学的深度融合，拓展实验教学内容的广度和深度[8]。同时，大量学者与研究人员对VR技术在课堂教学[9-11]、创新创业教育[12]、非正式学习空间[13,14]等方面的应用开展了广泛而深入的研究。虽然VR技术带给我们全新的教学思维和服务体验，但是VR技术在智慧校园中的应用还处于探索阶段，依然面临网络带宽不足、虚拟仿真系统孤岛、缺乏虚拟教学资源、缺少教学过程及效果分析、评价等问题[15]。

近年来，随着VR技术和人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）技术的迭代发展，VR系统在智慧校园的应用领域日益拓展，AI技术和VR系统逐渐融合，且呈现出你中有我、我中有你的趋势，智能化已然成为VR系统的一个重要特征，VR技术也由3I发展到4I。“VR+AI”将会给教育环境、学习过程支持、教育评价、高校服务与管理等方面产生深远影响。VR与AI的相结合可能构成终极性的教育技术，将给教育生态系统带来历史性变革[16]。

2 智慧校园发展过程中面临的问题

VR和AI技术的发展及其应用，为当前高校发展带来了机遇，对加速推进智慧校园建设具有重要意义。然而通过深入研究分析发现，当前智慧校园发展过程中面临着以下问题：

2.1 VR系统建设缺乏统一规划

尽管VR技术对我国教育改革具有重大推动作用，但大部分高校目前建设的虚拟课堂教学、虚拟实验教学、虚拟实训教学、虚拟学习空间、虚拟校园等各类虚拟现实仿真系统在实际应用中存在着仿真软件安装复杂、访问速度慢、访问入口不统一、数据和教学资源共享困难、安全性低、兼容性差等问题[17]。这些共性问题使得VR技术在高校的教学和管理中无法发挥应有的作用。

2.2 教学模式单一、教育评价滞后

传统的以教师教授为主的教学模式，在整个教学过程中教师通常按照程式化的课件教授知识，学生的学习处于被动接收的状态，这种方式不利于学生抽象思维和创新能力的发展，也难以达到预期的教学效果；加之教育过程中数据收集不全面、教育评价方式单一僵化，这些都制约着高校教育的发展。

2.3 教育资源共享困难、资源利用率低

随着智慧校园建设的不断深入，学校建设的教育资源也越来越丰富。但在教育资源的整合与共享上也存在一些问题，主要包括：梳理整合种类众多、数量众多、形式众多的教育资源难度大、人力成本高；教育资源存储格式不一，平台间相互封闭，使得不同资源平台间难于实现资源共享；现有平台功能简单，缺少对学习者使用教育资源的过程分析，难以满足学习者多样化和个性化需求。

2.4 高校服务供给及管理方式智能化水平低

高校服务供给和管理工作是促进高校事业持续发展和维护校园安全稳定的重要保障。在传统的教育服务与管理中，高校服务供给依赖于线下的教室、实验室、图书馆、会议室、博物馆、学习交流室等物理空间，为师生教学、科研及日常生活提供支撑服务。然而实体的物理学习空间依赖于实体场所，会对学习者的学习时间和空间产生限制，且各个物理场所相互独立，难以全面地对所有场所进行统一管理，导致高校在服务供给及管理方面处于低水平状态。

3 “VR+AI”教育服务平台的设计

“VR+AI”教育服务平台（以下简称“教育服务平台”）设计目的是将虚拟现实和人工智能融入高校教育教学的全过程，通过利用虚拟现实、人工智能、物联网、云技术、5G等新一代技术的融合创新，助力智慧校园建设，实现集构建虚拟现实系统生态、拓展学习空间、革新教学模式与教育评价方法、创新学校管理与服务方式等于一体的应用服务体系。

3.1 教育服务平台模型设计

“VR+AI”教育服务平台通过整合校内各项系统资源，实现教育业务流程再造，教育业务一体化建设和管理。教育服务平台由教育业务系统接入、教育业务集成平台和教育服务整合三部分组成，如图1所示。

图1 教育服务平台模型设计图

（1）教育业务系统接入

教育业务系统接入主要是实现教务系统、学工系统、研究生系统、人事系统、上网认证系统、图书管理系统、场馆管理系统、GIS（地理信息系统）、车辆门禁系统、安防监控系统、资产管理系统等系统的业务接入、数据交换及其业务支撑方面服务。

（2）教育业务集成平台

教育业务集成平台由人工智能融合模块和八个教育服务业务模块组成。人工智能融合主要实现认知模型、知识模型、情境模型、数据挖掘、智能检索、机器学习、深度学习等与各类教育服务业务的融合及提供智能化技术支撑。八个教育服务业务主要实现各类教育业务的集成、配置和管理，包含的教育服务业务主要有：虚拟教学服务、辅助学习服务、教育评价服务、资源共享服务、校园公共服务、校园管理服务、决策支持服务、运维管理服务。

（3）教育服务整合

教育服务平台建成后，将为职能部门和学校领导提供信息查询、统计分析、智能预警、辅助决策等服务；为学生和教师提供立体教学场所、智能辅助学习、教学资源共享、教学智能评价等服务；为运维管理部门提供信息查询、统计分析、业务集成、运维管理等服务。

3.2 教育服务平台的总体架构设计

“VR+AI”教育服务平台总体架构从下至上依次共分为六个层次：基础层、数据层、应用支撑层、应用层、接入层和用户层，如图2所示。①基础层：基础层承载着整个平台架构的基础，为平台的运行环境提供支撑，包括数据库集群、虚拟现实服务器、存储服务器、云桌面服务器、网络设备、物联网网关等。②数据层：数据层承担着整个平台的数据存储、数据管理和数据交换等工作，为平台运行提供数据资源的保障，包括用户数据库、统计数据库、管理数据库、虚拟环境数据库、虚拟资源数据库。③支撑层：支撑层为平台所有虚拟现实业务和服务管理业务提供支撑，主要包括三维跟踪、三维声音处理、图形处理、认证服务、报表工具、权限管理等。④应用层：应用层实现智能服务与各类应用服务的融合，以及各类应用服务的整合，为学校各类用户提供所需的各项应用服务，包括虚拟教学服务、辅助学习服务、教育评价服务、教育资源服务、校园公共服务、校园管理服务、决策支持服务、运维管理服务。⑤接入层：接入层支持多样化的设备接入，并通过云桌面为学校各类用户提供良好的工作平台，包括计算机、立体头盔、数据手套、数据衣服和云桌面系统等。⑥用户层：用户层包括学生、教师、运维管理部门、职能部门、学校领导。

图2 教育服务平台总体架构图

3.3 教育服务平台的功能设计

“VR+AI”教育服务平台主要包含虚拟教学服务、辅助学习服务、教育评价服务等八项服务功能。①虚拟教学服务：实现各种虚拟教学场景、教学活动的统一设计和管理，主要功能包括：虚拟课堂教学、虚拟实验教学、虚拟实训教学。②辅助学习服务：为学生的学习过程和各类学习场景提供智能化的支持，主要功能包括：AI教师助理、智能导师、虚拟学伴。③教学评价服务：对各种教学活动、教学过程和教学结果数据进行采集和分析，实现全面综合性的教学评价，主要功能包括：教师教学评估、学习效果评价、学习预警与规划。④教育资源服务：设定统一的用户标准、资源标准、服务标准、管理标准，实现优质数字教育资源统筹规划、开放共享、统一管理及智能化推荐，主要功能包括：教育资源分类、教育资源检索、教育资源共享、教育资源推荐。⑤校园公共服务：为师生提供虚拟的非正式的学习和工作空间，主要包括：虚拟图书馆、虚拟博物馆、虚拟会议室、虚拟学习室。⑥校园管理服务：通过将实体校园空间、安防监控系统及资产管理系统向虚拟场景转换，实现校园现代化安全管理，主要包括：虚拟校园地图、虚拟安防监控、虚拟资产管理。⑦决策支持服务：为高校管理者提供数据统计分析和管理决策支持，主要包括：教学综合分析、学生状态分析、校园安全分析、系统使用分析。⑧运维管理服务：实现服务平台各功能模块统一运维监控和管理，由平台配置分析、平台故障诊断、平台安全监测、平台运行维护组成。

4 “VR+AI”教育服务平台的在教育教学中的应用分析

4.1 整合虚拟现实业务及人工智能

通过教育服务平台统筹规划校内各类虚拟业务系统，具体包括：统筹规划系统的访问入口、基础运行环境、硬件接口、软件开发接口、数据对接标准、安全访问策略等，以此提升高校虚拟业务构建和模块整合的能力。同时以人工智能作为智能支撑手段，不断渗透和融合至各虚拟仿真系统，并针对各类虚拟仿真场景构建认知模型、知识模型、情境模型，实现集交流、协作、分享和探究于一体的教育服务平台。

4.2 虚实融合的智慧学习空间

通过教育服务平台构建实体物理空间对应的虚拟空间，实现物理和虚拟学习空间的元素融合，打破物理学习空间和虚拟空间的边界，实现线上与线下空间的融合。学习者能根据自己个性化的需求自主地穿梭于物理或虚拟的学习空间进行教学、科研及日常活动。学校能对线上和线下学习空间统一设计和规划，根据不同的学习空间设计不同学习目标、学习内容和学习活动，使学习空间变得更加多元化、多样化、个性化和智能化，以满足不同的学习和教学业务的需求，通过将物理和虚拟学习空间融合能促进学生发展，提高学校的教学质量和服务水平。

4.3 智能化的教学模式及教育评价方式

将教育服务平台应于教学，教师能根据教学目标、教学对象灵活定制教学场景和教学内容，满足学生个性化需求。通过AI教师助理、智能导师和虚拟学伴为学生提供精准的帮助和支持，提升学生与虚拟教学场景的交互体验，帮助学生更好适应虚拟现实环境下的身份转换，激发学生的学习兴趣。变传统的“一刀切”教学方式，为以学生为中心的个性化教学、合作式教学和探究式教学等多种教学方式。同时对教育过程中多维度、多层面海量数据进行智能采集、建模、分析和研判，对学生的学习情况全面诊断，并配合精准的智能导学，促进学生健康、全面、个性化发展，使得教育评价手段更丰富、评价过程更科学、评价结果更准确。

4.4 教育资源的智能整合与共享

教育服务平台利用数据挖掘、智能检索和深度学习技术，对各类教育资源平台的资源自动抓取，并对资源格式、内容及学习者访问资源的需求和行为进行分析和识别，实现特征相近的资源自动进行关联及智能分类管理。智能完成各类资源格式转换，实现平台资源格式和访问接口的统一。针对智能发现学习者对资源的需求，实现教育资源精准推送，满足用户个性化需求。

4.5 数字孪生智慧平安校园

虚拟校园、虚拟安防、虚拟资产等系统与智能感知终端、人工智能融合后能将校园物理世界所有的人、车、物、道路、楼宇、安防设备、基础设施等都在虚拟环境中建立对应的数字孪生体，使得物理世界和虚拟世界不再是相互独立的，而是一个有机的整体。现实环境中的任何变化，在虚拟环境的孪生体上都可以等效实现，达到物理空间和数字空间的双向映射。通过对数字孪生体的数据采集、分析及应用，构建数字孪生智慧平安校园，实现校园全要素数字化和虚拟化、校园全状态实时化和可视化，为全方位保障师生安全、学校资产和能源安全提供技术支撑，使高校的管理更加科学化、精细化和智能化。将教育服务平台应用于构建数字孪生智慧平安校园将会成为智慧校园建设的新起点。

5 结语

随着教育改革的不断深入和发展，高校过去传统的教学模式、教育评价方式和管理方式已经无法满足现实需求。依托“VR+AI”技术构建教育服务平台，将传统教育业务转变为虚拟教育业务，通过构建虚拟智慧学习空间、教育资源服务平台、虚实结合的校园服务与管理系统，辅助高校实现教、学、评、管等方面的变革和创新，促进高校智慧校园建设，提升高校教育质量和管理水平。