基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園建設(shè)研究

王美霞，楊麗英

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與信息學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引言

智慧校園作為一種全新的理念，指的是通過物理層面和信息層面，為用戶提供全面協(xié)同、個(gè)性化服務(wù)，提升校園與社會(huì)之間高效的交流[1]。智慧校園主要以學(xué)生用戶為核心，通過優(yōu)化用戶在學(xué)習(xí)與生活方面所需的服務(wù)，為提升用戶的學(xué)習(xí)與教學(xué)質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障[2]。智慧校園建設(shè)過程中，需要智能化的服務(wù)環(huán)境與科研環(huán)境，結(jié)合各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，建設(shè)出信息化、個(gè)性化的校園[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過構(gòu)建三維虛擬世界，使用戶通過各式各樣的感知設(shè)備，進(jìn)入虛擬世界中，使學(xué)習(xí)內(nèi)容展示得更加真實(shí)生動(dòng)，提升用戶智能環(huán)境感知能力的同時(shí)，增加了用戶學(xué)習(xí)與教學(xué)的興趣[6]?；诖耍疚脑趥鹘y(tǒng)智慧校園建設(shè)方法的基礎(chǔ)上，引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開展了一種新的智慧校園建設(shè)方法探究，為智慧校園更好地整合教育資源、發(fā)展學(xué)科建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

1 校園主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

對校園內(nèi)的中心機(jī)房環(huán)境與校園主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)。根據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)規(guī)范要求，將機(jī)房劃分為監(jiān)控區(qū)與設(shè)備區(qū)兩個(gè)區(qū)域，在中心機(jī)房環(huán)境建設(shè)中，主要對機(jī)房電源配套、綜合機(jī)柜、機(jī)房工藝等幾個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)。智慧校園的主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括不同的設(shè)計(jì)層面[7]。首先，為主干網(wǎng)絡(luò)核心層的設(shè)備建設(shè)，本文認(rèn)為應(yīng)當(dāng)引進(jìn)大量核心設(shè)備，例如型號為9250、12500 的核心設(shè)備，型號為NEM45 的路由器，增加校園內(nèi)各個(gè)位置的出口帶寬，最高能夠增加到2200M[8]。在智慧校園主干網(wǎng)絡(luò)中，分別設(shè)置以電信、移動(dòng)、聯(lián)通與校內(nèi)教育網(wǎng)為主的對外出口，在校內(nèi)防火墻中增設(shè)NAT 轉(zhuǎn)換與服務(wù)器帶寬保障，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)校園主干網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余與負(fù)載均衡[9]。選擇校園主干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以千兆以太網(wǎng)作為架構(gòu)，覆蓋校園內(nèi)的教學(xué)樓、公寓樓、宿舍樓等區(qū)域。增加校園匯聚層設(shè)備數(shù)量，用于校園內(nèi)各個(gè)區(qū)域的匯聚，作為網(wǎng)關(guān)與鏈路的匯聚點(diǎn)，匯聚層設(shè)備數(shù)量及分布情況，如表1所示。

表1 匯聚層設(shè)備數(shù)量及分布

如表1 所示，為校園內(nèi)主干網(wǎng)絡(luò)匯聚層設(shè)備的布設(shè)情況，通過匯聚層設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智慧校園網(wǎng)絡(luò)與匯聚層交換機(jī)之間的高速連接。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建設(shè)智慧教室

在上述校園主干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)束后，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建設(shè)校園內(nèi)的智慧教室。首先，在各個(gè)教室中建設(shè)5G高速無線網(wǎng)絡(luò)，將各類智能設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間建立連接，開啟教室控制臺，全方位支持教師與學(xué)生之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)。采用集中聯(lián)網(wǎng)控制的方式，通過校園內(nèi)的終端服務(wù)器，查看各個(gè)智慧教室中的工作與學(xué)習(xí)狀態(tài)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開啟網(wǎng)絡(luò)教學(xué)直播。將抽象的教學(xué)內(nèi)容，通過VR 虛擬的方式，更形象化地展示給學(xué)生，提高教學(xué)內(nèi)容與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深度融合，加強(qiáng)學(xué)生對抽象教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知。分別從智能教學(xué)環(huán)境、可視化教學(xué)內(nèi)容兩個(gè)服務(wù)方面，提升智慧教學(xué)的質(zhì)量。與此同時(shí)，制作虛擬現(xiàn)實(shí)的3Dmax 實(shí)景教學(xué)模型，學(xué)生通過自主選擇的方式，選擇自己感興趣的上課教室，通過計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生與智慧校園之間的交互性。在智慧教室建設(shè)完畢后，采用一致性檢驗(yàn)的方法，對智慧教室建設(shè)權(quán)重向量進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，判斷智慧教室的可行性。首先，設(shè)置智慧教室的一致性指標(biāo)為，CI(n)其中，n表示具體的指標(biāo)個(gè)數(shù)，智慧教室一致性檢驗(yàn)公式為：

其中，λmax表示智慧教室權(quán)重向量最大特征根，通過檢驗(yàn)后，獲取到智慧教室建設(shè)的各層指標(biāo)，建立判斷矩陣，根據(jù)各層指標(biāo)權(quán)重，判斷基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧教室的可行性，為建設(shè)智慧校園提供保障。

3 智慧校園整體布局

上述智慧教室建設(shè)結(jié)束后，對智慧校園進(jìn)行整體的建設(shè)設(shè)計(jì)。本文構(gòu)建的智慧校園環(huán)境整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智慧校園環(huán)境體系結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，本文構(gòu)建的智慧校園環(huán)境體系以環(huán)境感知、校園內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸、學(xué)習(xí)與服務(wù)智能分析及教學(xué)環(huán)境處理等四個(gè)部分為主，在此基礎(chǔ)上，對智慧校園進(jìn)行全方位的建設(shè)。首先，智慧校園的環(huán)境感知作為校園內(nèi)的主要感知層，通過實(shí)時(shí)采集校園內(nèi)環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測校園具體情況；校園內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，以有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)為主要載體，將校園內(nèi)各項(xiàng)感知數(shù)據(jù)通過空間距離進(jìn)行高速傳輸，實(shí)現(xiàn)校園信息資源共享；學(xué)習(xí)與服務(wù)智能分析負(fù)責(zé)對智慧教室、校內(nèi)主干網(wǎng)絡(luò)、教學(xué)服務(wù)信息進(jìn)行智能分析，根據(jù)不同學(xué)生及教室的需求，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的可視化操作；教學(xué)環(huán)境處理主要負(fù)責(zé)智慧校園內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境的維護(hù)，為學(xué)生與教師提供良好的教學(xué)、學(xué)習(xí)環(huán)境。本文智慧校園項(xiàng)目及對應(yīng)的任務(wù)說明如表2所示。

表2 中，對智慧校園建設(shè)項(xiàng)目做了說明以及對各個(gè)子項(xiàng)目進(jìn)行分解，通過VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對建設(shè)任務(wù)進(jìn)行精細(xì)化模擬，逐層分解項(xiàng)目內(nèi)容，完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園建設(shè)。

表2 智慧校園建設(shè)項(xiàng)目

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了對上述本文提出的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園建設(shè)方法的可行性作出進(jìn)一步客觀分析，進(jìn)行了如下文所述的實(shí)驗(yàn)分析。選取某地區(qū)M 學(xué)院，作為本次研究的目標(biāo)，該學(xué)院當(dāng)前已經(jīng)完成了數(shù)字化校園的建設(shè)，各個(gè)教學(xué)樓與實(shí)驗(yàn)樓均接入了校園網(wǎng)，學(xué)生宿舍也布設(shè)了千兆網(wǎng)絡(luò)端口，實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為學(xué)生與教師提供了穩(wěn)定方便的無線網(wǎng)絡(luò)。M學(xué)院現(xiàn)階段擁有電子校務(wù)系統(tǒng)、學(xué)工系統(tǒng)、財(cái)務(wù)系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)、人事系統(tǒng)等，整體信息化管理水平相對較高。然而，學(xué)院內(nèi)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施相對落后，部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備購置年限較長，運(yùn)行時(shí)間將近十年，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)故障，不利于校園內(nèi)引入高速網(wǎng)絡(luò)連接，無法滿足校園用戶高并發(fā)時(shí)的使用需求。另一方面，M 學(xué)院校園網(wǎng)的主干帶寬不足，降低了校內(nèi)辦公區(qū)核心交換機(jī)與防火墻的使用性能與安全，無法滿足網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知以及入侵病毒檢測的需求。自2019年開始，M 學(xué)院逐漸引進(jìn)智慧校園理念，然而，近兩年來，智慧校園建設(shè)的效果不佳。將上述本文設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園建設(shè)方法應(yīng)用到M學(xué)院中，建設(shè)流程，如圖2所示。

圖2 M學(xué)院智慧校園建設(shè)流程

圖2 為M 學(xué)院智慧校園建設(shè)流程，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)AR 與VR 技術(shù)，首先，在校園內(nèi)各個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)安裝面板，以定位、跟蹤疊加的形式，配置一臺IP-SAN 服務(wù)器，采用專用光纖，連接服務(wù)器與FC交換機(jī)，在交換機(jī)中添加服務(wù)器信息，增強(qiáng)校園信息的交互作用，提升交換機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性，避免交換機(jī)存在數(shù)據(jù)丟失的隱患。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對智慧校園信息門戶平臺內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化處理，提升校園建設(shè)數(shù)據(jù)整理的效率與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)信息快速處理、提取的目標(biāo)。根據(jù)信息化技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在校內(nèi)建設(shè)符合教學(xué)需求的智慧型教室與智慧型實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)設(shè)沉浸式教學(xué)情境，配合智慧校園的工作，充分利用校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)空間的靈活性，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)自主學(xué)習(xí)、自主交流互動(dòng)的目標(biāo)。針對智慧校園安全防護(hù)水平較低的問題，在網(wǎng)絡(luò)接口處，配置網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，以數(shù)據(jù)應(yīng)用為核心，制定網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)規(guī)則制度，通過移動(dòng)互聯(lián)與人工智能技術(shù)，提升智慧校園安全防護(hù)水平?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與IPV4、IPV6 雙協(xié)議，通過智慧校園網(wǎng)絡(luò)集中管理的方式，將雙核心交換機(jī)與服務(wù)器相連，根據(jù)智慧校園的實(shí)際建設(shè)情況，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬一臺智慧校園核心交換機(jī)，作為鏈路備份，保證智慧校園ISP 切換與鏈路負(fù)載之間的平衡，滿足M 學(xué)院用戶并發(fā)訪問量較大的需求。為了驗(yàn)證本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園的有效性，將其與傳統(tǒng)的校園模式的應(yīng)用效果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 智慧校園與傳統(tǒng)校園應(yīng)用效果對比

根據(jù)表3 對比結(jié)果可知，在兩種校園模式中，本文設(shè)計(jì)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園，其校園內(nèi)網(wǎng)絡(luò)速度較快，能夠?yàn)楦黜?xiàng)應(yīng)用提供有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)支撐，為校園內(nèi)部各項(xiàng)應(yīng)用與服務(wù)提供可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；無線網(wǎng)絡(luò)能夠支持最新的WI-FI6 標(biāo)準(zhǔn)，符合海量網(wǎng)絡(luò)訪問的需求，支持主流設(shè)備達(dá)到5.8Ghz 頻段，兼容性得到了顯著提升；云數(shù)據(jù)中心在組織劃分與調(diào)度中，更加精細(xì)化，管控、監(jiān)測校園內(nèi)的各項(xiàng)服務(wù)問題與故障，實(shí)現(xiàn)校園業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)與資源的統(tǒng)一管理，而且，對校園自動(dòng)化運(yùn)維也具較大優(yōu)勢；5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)較傳統(tǒng)校園模式相比，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)的遠(yuǎn)程直播，通過VR 虛擬技術(shù)，仿真教師教學(xué)，有效補(bǔ)充了校園自建網(wǎng)絡(luò)存在的不足，實(shí)現(xiàn)校園5G信號高密度覆蓋。

5 結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)的校園模式在教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐、服務(wù)過程中存在一定的不足，制約了校園內(nèi)個(gè)性化學(xué)習(xí)與教學(xué)服務(wù)的效果，基于此，本文引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開展了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智慧校園建設(shè)研究。通過本文的研究，將校園內(nèi)優(yōu)秀的教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了校園教學(xué)移動(dòng)化、智能化的建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合VR 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬仿真教學(xué)，從視覺、觸覺、聽覺等不同方面提升學(xué)生的情境體驗(yàn)感，全面感知教學(xué)物理環(huán)境，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)校園個(gè)性化服務(wù)的目標(biāo)。