虚拟现实技术在智慧校园建设中的应用

吴 宇,孙 凤

(扬州大学,江苏 扬州 225009)

0 引言

随着信息技术的不断发展创新,我国教育改革也逐步实现深入强化,教育方式从传统校园发展至电子校园,从电子校园步入数字校园,如今大步迈向智慧校园建设的新阶段。 2018 年6 月,中国国家标准化管理委员会发布《智慧校园总体框架》,明确定义:智慧校园是物理空间和信息空间有机衔接,使任何人、任何时间、任何地点都能便捷地获取资源和服务,是教育信息化的更高级形态。 中共中央、国务院连续发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 远景目标纲要》《中国教育现代化2035》等重大规划,提出要建成“教育强国新高度”,要“建设智能化校园,统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台,利用现代技术加快推动人才培养模式改革,实现规模化教育与个性化培养的有机结合”。 因此,在智慧校园建设中不断进行信息技术的发展创新,引入人工智能、虚拟现实等新一代信息技术,通过信息化手段将教学、教务管理和校园生活进行充分融合,实现智慧化服务和管理的校园模式,已成为大势所趋。

1 智慧校园的发展趋势及瓶颈问题

美国教育信息化的发展一直处于国际领先地位,早在20 世纪70 年代,麻省理工学院就提出“电子化校园计划”,1990 年美国克莱蒙特大学教授Kenneth[1]首次提出“数字校园”概念,并于同年发起“数字校园计划(CCP)”项目,开始了世界高校信息化建设。 此后,1996 年、2000 年、2005 年、2010 年美国政府相继颁布并实施了4 个“教育技术计划”,利用信息技术促进教育改革和发展,逐步实现了电子校园-数字校园-智慧校园的转变过程[2]。 受美国影响,英国也相继制定了“教育高速公路-前进计划”“2010—2012 教育发展战略”,澳大利亚推出了“数字教育革命实施路线图”,新西兰制定了“学校数字化学习行动计划”,日本实施了“学校联网计划”[2],推进了世界各地教育信息化的建设转型。 同时,我国政府也在科教兴国战略的推动下,积极开展高校教育信息化建设。 1995 年正式开通的中国教育与科研互联网(CERNET),实现了校园网的省际互联,带动了我国电子校园的建设[1]。 2003 年3 月,教育部启动了《2003—2007 教育振兴行动计划》,旨在加快教育信息化基础设施建设、教育信息化资源建设与人才培养,全面提高现代信息技术在教育系统中的应用水平。 2010 年国务院颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020 年)》把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略部署,提出“要加快教育信息化进程,强化信息技术应用,推进数字化校园建设”。2016 年全国教育信息化工作要点首次纳入“智慧校园”概念,在全国高校掀起了智慧校园的建设热潮。

智慧校园是高校信息化建设的深入推进,也是信息技术深度整合的重要体现,其有机融合了现实校园和虚拟校园的新形态,注重强化智能校园环境、智慧科研教务和智慧管理服务。 浙江大学最先在信息化“十二五”规划中提出建设智慧型校园,随之,南京邮电大学、西南大学、同济大学、清华大学、北京大学、北京航空航天大学等高校也相继开始筹划和实施智慧校园建设[2]。 经过一系列智慧校园建设的衍生和积累,新的理念方法不断涌现,发展脉络逐渐清晰,智慧校园呈现更加开放化、交互化、个性化与智能化的特点。 然而,由于交互开放的体验缺失和信息技术的融合屏障等主客观制约因素,当前智慧校园建设中,仍以静态化的基础设施硬件建设和数据采集软件建设为主,并未充分调动潜在教育资源的智慧化动态呈现,造成了大量有用信息的浪费[3]。 主要体现在:(1)教育资源的内容丰富性和形式多样化,加大资源整合共享困难性,如果没有有效的资源呈现和共享方式,极易导致资源利用率低下,难以满足学习者的多样化共享体验和个性化需求。 (2)传统教学过程中程序化的讲授和被动的接收学习成为固定模式,极易导致学生学习积极性不高、创新能力发展受限,难以达到高质量的教学效果,也无法实现全面的教学评价,因此,当前生动形象的授课思维转变已成必需。 (3)教育管理和服务方式对线下物理空间和实体场所的完全依赖,在很大程度上限制了供给时间和服务方式,导致各项服务供给及统筹管理均处于低水平运行状态,如何突破局限实现高效的运行状态也亟须信息技术的有力支撑。

2 虚拟现实技术在智慧校园建设中的应用

为满足智慧校园的智能化服务和开放性体验,“虚拟校园”将成为一种提升智慧校园建设的标识形态[4]。“虚拟校园”是利用互联网构筑一个多媒体、全方位的没有明显校园界限的校园,具有高度的信息开放性、时间自由性和学习自主性,其最大的优势在于虚拟现实技术带来的互动性和直观性体验。 虚拟现实技术具有超越现实的虚拟性,是伴随多媒体技术发展起来的计算机新技术,它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨率显示技术,生成三维逼真的虚拟环境。虚拟现实技术能够打破传统校园的物理边界,实现虚拟空间和现实空间一体发展、线上业务和线下业务交互融合,智能感知和智慧应用依托共享,呈现出新型的智慧校园形态[5]。 目前,虚拟现实技术着力应用于智慧校园建设中的环境共享、教学服务、科研展示、智慧阅读、会议交流和信息管理等多个方面[6]。

2.1 开放共享的虚拟智慧校园环境

校园环境不仅承载着一所学校的人文自然景观,还积淀着教育实践过程中演化和创造出来的精神文化素养,是学校育人的重要抓手。 虚拟现实技术的发展,使得智慧校园的环境建设能够实现物理校园和虚拟校园的有机融合,能够突破时间和空间的限制,通过虚拟三维空间的塑造和虚拟人文动态的呈现交互展示一所学校的文化底蕴。 扬州大学吴涛等[7]结合虚拟现实技术设计了一个校园全景漫游导航系统,用户可以通过该系统进入三维虚拟可视化界面,远程获取扬州大学360°无缝实景展示的校园风景。 利用三维虚拟空间进行校园展示,空间内的楼宇建筑、道路绿化、人文信息等都能够直观呈现在眼前,视觉效果和场景感知变得轻松易得,位置查询、线路指引、新生入学导航、学校招生宣传、校园活动分享、校内信息推广等辅助工具为校园工作和生活带来诸多便利,使体验者身临其境,沉浸感强烈,也为学校教学、招生等工作提供助力。 要达到虚拟校园的畅游效果和智慧互动,还需要增强现实技术作为支持,通过实时视频控制技术和多传感器信息融合技术等,进一步弥补细节的缺失、定位的精准、交互的实时和感知的智能等方面。

2.2 生动直观的虚拟智慧教学服务

智慧校园要求学生的学习方式相比传统校园更加丰富和多样化。 尤其是近几年新冠疫情带来的地域限制和交流屏障,刺激教育工作者不断研究新的知识呈现方式,从传统的“听讲”课堂,发展为网络可视化的“智慧虚拟”课堂。 目前,很多教研工作已逐渐融合了内容方式的三维虚拟呈现,如针对实验类课程的仿真演示、针对实习实践类课程的虚拟设备操作等。 通过虚拟现实技术模拟静态教具和知识理论的动态呈现,帮助学生发展空间观念和想象能力,从一维认知拓展为二维和三维之间的关系,打破时空限制,使得教学内容更加形象生动,教学形式更加丰富多彩,寓教于乐。虚拟现实技术的运用和推广,还需要相关单位和教师转变传统的教学观念,积极采用创新的教学模式和手段,与传统教学方法相互结合,取长补短。 比如在体育训练和教学领域,虚拟现实技术可以通过过程智能化监控采集学员的基本动作数字信息进行分析模拟,纠正错误,提高训练效果。 从持续发展来看,如何避免新型技术在课堂应用中产生的虚拟感,让学生获得抽象知识的具象体验,进一步增强学习兴趣,成为智慧教学的重要目标。 此外,针对实践教学的虚拟实训平台建设、针对在线课程的服务不掉线管理和考核评价体系优化,也应成为重点关注方向。

2.3 无所不能的虚拟智慧科学研究

在知识创新引领时代进步和经济发展的今天,教育的高质量建设和科研实验的高质量发展成为主要的系统化工程。 然而,在固有的空间场景下,受疫情、限时、跨地域等多重因素制约,很多实验项目无法顺利开展,学生参与学习的机会也大受影响。 基于此,虚拟现实技术的有机运用,可以为科研实验的讲演展示、控制实施提供有力支撑,既能够突破时空局限,又能够增加真切深刻的实验操作体验感,同时可以有效避免实验操作风险带来的安全隐患。 目前,北京航空航天大学、浙江大学等已经相继建立了分布式飞行模拟实验室、建筑虚拟规划研究室等虚拟实验室,并取得了显著成效[8]。 虚拟现实技术打破了昂贵的技术设备瓶颈,相比真实技术设备有着可复用、成本低、操作简单、易维护的优势。 在时代进程中,基于虚拟现实技术运用的智慧科研发展,更应着力追求高度开放、信息共享、互动协作、安全智能的智慧科研平台。

2.4 触手可及的虚拟智慧阅读系统

为了引导学生的自主学习,智慧校园建设对其硬件配套设施提出了多元化和丰富化要求。 图书馆作为重要的知识融载阵地,成为数字建设和服务升级的重要对象。 中国国家图书馆、上海图书馆等已经开始使用虚拟现实技术构建数字图书馆。 而基于虚拟现实的智慧阅读建设,呈现出更多优势,成为更值得创新发展和推行应用的方向。 首先,其在大数据和云平台支持下拥有的海量资源是传统图书馆不可比拟的。 其次,智慧阅读系统脱离了图书馆阅读的固有思维方式,不仅可以利用高速移动网络实现随时随地的阅读,还可以通过虚拟设备平台自由选择阅读环境,突破文字图片的一维呈现方式,跨越媒介的限制,实现与书中情景的有效融合,提高阅读效率。 最后,智慧阅读系统还可以通过云计算处理进行个性偏好的智能分析和推送服务,针对不同读者不同阶段的需求推荐需要的书籍,大大减少寻找书籍过程的时间浪费,有效提升所求即所需的良好感知。

2.5 畅所欲言的虚拟智能会议系统

虚拟现实技术作为一种重要的内容和成果展示手段,可以与移动网络通信技术结合起来,构建更具体验感和感知度的虚拟智能会议系统。 在虚拟会议的交流过程中,参会成员可以畅所欲言,体验不再局限于单纯文字、声音的丰富内容,也可以尽情展现丰富表情、动作的行为艺术,还可以同时利用“虚拟人物”避免不必要的隐私泄露和安全风险,当前网络会议中虚拟背景的设置就是一种重要方式。 然而,虚拟会议的最大挑战之一是参会者很难一一参与其中并做出贡献,因此,有针对性地开发必要的循环互动技术来提高参与度是目前亟待解决的一大问题。 除了业内的会议交流,虚拟智慧会议系统还可以实现学生、家长与学校间更高效的沟通,即使老师和家长不在学生身边,通过智慧系统也可以对学生的生活学习进行全程全方位监护,更有利于避免学生对学习任务的敷衍与马虎,有利于及时解决学生生活中遇到的困难与疑惑,也能够通过智慧系统实现学校和家长随时随地的无障碍沟通。

2.6 全面互联的虚拟智能信息管理

信息管理的便捷性和高效性是智慧校园的重要组成部分,能够充分体现智慧校园架构的人性化和智能化服务。 为了提升校园管理的智慧水平,需要建立虚实融合的智慧信息管理平台,通过虚拟场景信息与真实环境的精确匹配和智能互动,实现教育管理的科学评估、过程管控、智能决策和安全预警等。 如北京某高校采用虚实融合一体化监控系统在校园实现了三维空间的自动巡逻,结合人工智能算法,对校园生活、考试过程、财务信息等进行全天候安全监测和预警[6]。 在智能信息管理的环境下,师生也可以尽情体验智慧校园生活,如智能人脸识别和体温感知系统的建立,能够在特殊时期发挥自动识别本校师生并测量体温的积极作用;如智慧校园学习生活卡的开发,可以兼备一卡通消费购物的生活功能,上课签到、请销假、参与社会实践活动等特殊功能,以及手机绑定、智慧借阅书籍和查询校园信息等全方位管理功能。 有了虚拟现实技术的支撑,校园管理的资源配置、智能分析、响应处理均可高效实现,而如何加强虚实环境的无缝融合和管理应用的沉浸体验性成为更重要的关键。 能够真正提升用户存在感、增强用户直觉性的智能化信息管理平台,应该更加强调用户的核心地位,注重系统和用户之间交互性的开发,让每一个用户体验到便捷、高效、安全、人性化的服务。

3 结语

虚拟现实技术的发展为智慧校园建设提供了更多的创新思路和技术支撑,智慧校园也为虚拟现实的技术突破和创新发展提供了切实的载体和研究对象,两者相辅相成,为未来智慧教育的发展创造出无限的可能。 尤其是经历过新冠疫情的冲击和过渡,人们真切体会到了“互联网+教育”的巨大作用,有了教育前期的充分探索和准备,才能有效实现疫情防控期间的“停课不停学”。 未来,类似虚拟现实等新型信息技术将成为助力世界教育发展变革的主线工具和建设方向。 基于此,更要继续开拓创新,探索“虚拟现实+智慧校园”的教育信息化新模式。