元宇宙技術(shù)驅(qū)動下的新型智慧校園統(tǒng)一架構(gòu)探索

李慧娜, 張泊平, 謝黨恩, 平 源

(1. 許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 許昌 461000; 2.許昌市虛擬現(xiàn)實技術(shù)重點實驗室,河南 許昌 461000)

隨著人機交互、人工智能、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、5G/6G網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的迅速發(fā)展,“元宇宙”進入公眾視野.元宇宙基于數(shù)字空間來實現(xiàn)物理世界、虛擬世界和人類社會的高度融合,核心是對真實世界和宇宙的虛擬化、數(shù)字化[1,2].其相關(guān)技術(shù)必將助力智慧校園的建設(shè),推動元宇宙智慧校園新時代的來臨.智慧校園是一個開放的、創(chuàng)新的、協(xié)作的、智能的綜合信息服務(wù)平臺,是教育信息化發(fā)展的必然趨勢和重要目標[3,4].同時,各科研院所也在積極推進元宇宙技術(shù)的研究與應(yīng)用.上海圖書館[5]提出了虛實相生的元宇宙圖書館,武漢大學(xué)[6]提出通過元宇宙的技術(shù)體系打造虛實融合的智慧圖書館,天津商業(yè)大學(xué)[7]從用戶、服務(wù)及元宇宙經(jīng)濟系統(tǒng)特征等方面為智能化校園的發(fā)展和提高提供了相關(guān)的應(yīng)對措施.通過智慧校園平臺,校園內(nèi)的師生員工可以獲得最大程度的資源共享,提升工作效率,助推平安校園、和諧校園.但是,智慧校園對人的社會性需求關(guān)注不夠,不能提供線下學(xué)習(xí)的現(xiàn)場體驗、也不能提供工程實踐類的教學(xué)環(huán)境,使師生之間、生生之間、工作人員之間缺少面對面的合作體驗,不利于學(xué)生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng),對學(xué)校人才培養(yǎng)和人員管理都是不利的.引入元宇宙技術(shù)支持,則可很大程度上解決這些問題.在元宇宙技術(shù)指導(dǎo)下進行智慧校園的建設(shè)探索,不僅響應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略推動元宇宙的落地,而且有助于進一步提高智慧校園的科技化、智能化.

1 元宇宙智慧校園

1.1 智慧校園

自2011年教育信息化被首次納入國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略以來,互聯(lián)網(wǎng)+、云計算、人工智能等新技術(shù)被陸續(xù)引入到校園建設(shè)中來,依次出現(xiàn)了數(shù)字校園(Digit Campus)、智慧校園(Smart Campus)等不同形態(tài)的校園平臺.國家標準《智慧校園總體框架》(GB/T 36342)定義的智慧校園為“物理空間和信息空間的有機銜接,使任何人、任何時間、任何地點都能便捷地獲取資源和服務(wù)”.在國家和地方相關(guān)政策的支持與行業(yè)技術(shù)標準、信息安全體系的保障下,智慧校園平臺的整體架構(gòu)通常包括基礎(chǔ)設(shè)施層、支撐平臺層、應(yīng)用平臺層和應(yīng)用終端層,如圖1所示.

圖1 智慧校園平臺架構(gòu)

根據(jù)圖1架構(gòu),智慧校園以物聯(lián)網(wǎng)、Wifi網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)硬件設(shè)施為運行載體,在數(shù)據(jù)處理相關(guān)的存儲、分析、安全、融合等技術(shù)平臺支撐下,給多元化用戶提供各種智能應(yīng)用終端.智慧校園的推出和建設(shè),對校園的智能化運行和管理的各方面均起到了促進作用.

(1)校園管理:在萬物互聯(lián)、云計算、信息安全和人工智能技術(shù)的助力下,個體與個體、個體與外部形成了高效的泛在時空互通,打破了信息壁壘,實現(xiàn)資源共享,促進了人機合作的智能推理和智能決策,從而構(gòu)建出新的智慧校園生態(tài).

(2)教師角度:借助智慧校園平臺管理,教師可以實現(xiàn)一次登錄多平臺授權(quán)的服務(wù),獲得多任務(wù)身份的認證,便于進行科研數(shù)據(jù)的異地管理和教學(xué)內(nèi)容的實時更新,同時在虛擬的智慧教室可以開展有效的泛在教學(xué)和輔導(dǎo).

(3)學(xué)生角度:借助智慧校園,可以遠程體驗平安校園和多終端泛在學(xué)習(xí),同時也可以以自己喜歡的角色身份開展有趣的虛擬身份交流,增強學(xué)習(xí)興趣和交流合作的機會,并根據(jù)平臺系統(tǒng)自動給出的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計改進和調(diào)整學(xué)習(xí)計劃.

1.2 元宇宙智慧校園

智慧校園能實現(xiàn)校園教學(xué)、科研、管理、服務(wù)等的智能化,但是仍舊無法解決面對面的、更人性化、更智能化的沉浸式、定制化需求.元宇宙集合5G/6G技術(shù)、云計算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),為人類提供一個平行于現(xiàn)實世界的跨時空、可交互虛擬空間.把元宇宙技術(shù)引入到智慧校園建設(shè)中來,可以很好地解決上面提到的問題,讓校園中不同的角色都可以在現(xiàn)實校園的平行宇宙中獲得身臨其境的體驗.

(1)復(fù)刻現(xiàn)實,超越現(xiàn)實:傳統(tǒng)的智慧校園,用戶在體驗其便利的同時,直接面對的是毫無溫度的硬件設(shè)備或應(yīng)用界面;而元宇宙智慧校園可以為用戶打造出真實的校園環(huán)境,實現(xiàn)跨時間、跨天氣的完美空間復(fù)刻.讓用戶不僅僅能看到、體驗到真實的場景,而且能超越現(xiàn)實瞬間轉(zhuǎn)換季節(jié)和天氣、在不同校區(qū)和教室、實驗室間瞬移,同時在現(xiàn)實中并不存在的虛擬會議室和展廳中進行超現(xiàn)實體驗.起步對現(xiàn)實校園的環(huán)境復(fù)刻,同時又提供現(xiàn)實校園中不存在的物理環(huán)境,極大地豐富校園環(huán)境,拓展新時代校園虛擬場景功能.

(2)協(xié)同合作,沉浸社交:元宇宙智慧校園除了實景復(fù)刻外,更重要的是還擁有完整的、自由的社交體系.伴隨著互聯(lián)網(wǎng)長大的新一代大學(xué)生,在很多方面變得數(shù)字化,社交方面也不例外,他們更習(xí)慣于互聯(lián)網(wǎng)社交.在數(shù)字人技術(shù)的加持下,用戶可以在線協(xié)同學(xué)習(xí)和完成實操實驗、協(xié)同游戲和參與大型活動,在元宇宙校園中做在真實校園中想做而不能做的事情——跑酷、探索、養(yǎng)成……,盡情釋放自我,在豐富的元宇宙校園生活中打破人與人之間的合作和社交界限、寄托情感、攜手進步.

(3)智學(xué)平臺,因材施教: 以學(xué)生為中心,在教學(xué)過程中“因材施教”,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自我提升的意識及能力,這一直是教育工作者追求的目標和在教學(xué)過程中實踐的原則.但是,傳統(tǒng)的線下教學(xué)模式,一名老師要面對幾十甚至幾百名學(xué)生,無法對每個學(xué)生都做到因材施教.元宇宙智慧校園可以給不同用戶的唯一數(shù)字分身分配合適的虛擬教師,進行智學(xué)相伴,真正做到“因材施教”.個性化、定制化的智慧導(dǎo)師、智能學(xué)伴可以助力每位學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使其學(xué)有所獲、學(xué)有所成.

(4)精準管理,安全守護:校園安全是校園管理的重中之重,常見的有國家安全、網(wǎng)絡(luò)安全、消防安全、實驗室安全、財產(chǎn)安全等,涉及校園用戶工作、學(xué)習(xí)、生活的方方面面.借助萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能,元宇宙智慧校園可以實時關(guān)注和檢測用戶的行為安全和設(shè)備的使用安全,大大提高了校園的安全級別,對師生進行實時安全守護.

2 元宇宙智慧校園構(gòu)建

智慧校園是傳統(tǒng)校園信息化建設(shè)發(fā)展到高級階段的產(chǎn)物,具有遠程泛在訪問、信息智慧共享、協(xié)同合作便利等特點.引入元宇宙技術(shù)的智慧校園在此基礎(chǔ)上致力于打造一個虛實結(jié)合沉浸式校園,為教師、學(xué)生、家長、員工、校外人員等多元用戶群體提供泛在的細粒度精準化服務(wù).經(jīng)調(diào)研,本文提出元宇宙智慧校園由基礎(chǔ)設(shè)施層、巨量數(shù)據(jù)層、技術(shù)支撐層、智能業(yè)務(wù)層、泛在應(yīng)用層及作為支撐并貫穿始終的規(guī)范標準和安全措施組成,其架構(gòu)設(shè)計如圖2所示.

圖2 元宇宙智慧校園統(tǒng)一架構(gòu)

2.1 規(guī)范和安全保障層

元宇宙智慧校園的建設(shè)涉及多方面的人、物、技術(shù),需要規(guī)范標準確保工程建設(shè).根據(jù)規(guī)范的內(nèi)容,規(guī)范標準分為“硬規(guī)范”和“軟規(guī)范”.“硬規(guī)范”包括布局規(guī)范、環(huán)境規(guī)范、設(shè)施規(guī)范等,主要用來規(guī)范實體施工中涉及的人和物.“軟規(guī)范”包括軟件技術(shù)標準規(guī)范、信息數(shù)據(jù)規(guī)范、管理制度規(guī)范、法律規(guī)范、倫理規(guī)范等,軟件技術(shù)標準規(guī)范統(tǒng)一各接口標準、代碼編寫標準等,信息數(shù)據(jù)規(guī)范確保數(shù)據(jù)的存儲、傳送、交換等統(tǒng)一且高效,管理制度規(guī)范使校園管理有據(jù)可依,法律規(guī)范、倫理規(guī)范確保元宇宙虛擬世界中的行為、隱私、認知等的合法性、規(guī)范性.

同樣,高效、全面、有力的安全措施是保障元宇宙智慧校園正常運行和良好體驗的基石.元宇宙智慧校園除了要面臨傳統(tǒng)的校園安全問題,同時也必會遭遇新安全問題的沖擊.“硬安全”主要指傳統(tǒng)的水、火、電、食品、交通、醫(yī)療、實驗室等安全問題.“軟安全”除了傳統(tǒng)的滲透攻擊、漏洞利用、病毒攻擊等各種信息安全外,還有因為元宇宙比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)會更加頻繁地對用戶敏感信息、隱私信息、行為習(xí)慣等采集和智能分析所帶來的安全隱患.

2.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是元宇宙智慧校園的設(shè)施保障,用來提供現(xiàn)實和虛擬的設(shè)施,包括“實體設(shè)施”和“虛擬設(shè)施”.“實體設(shè)施”包括各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、辦公自動化設(shè)備、傳感器設(shè)備、虛實交互的終端設(shè)備等,用來提供元宇宙校園平臺的硬件支撐.“虛擬設(shè)施”包括3ds Max、Unity、UE虛幻等模型制作和3D引擎平臺,還包括基于引擎平臺開發(fā)出來地對現(xiàn)實校園復(fù)現(xiàn)和升級改造的虛擬校園.

2.3 巨量數(shù)據(jù)層

元宇宙智慧校園除了需要存儲和管理傳統(tǒng)智慧校園的大量人員、設(shè)備、教學(xué)、科研、財務(wù)等數(shù)字化信息,同時也要對隨著虛擬校園平臺的加入而產(chǎn)生的大量數(shù)字信息資源做妥善存儲和管理.相應(yīng)地,與不同種類數(shù)字信息對應(yīng)的人員數(shù)據(jù)庫、教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫、財務(wù)數(shù)據(jù)庫、科研數(shù)據(jù)庫等資源數(shù)據(jù)庫被分別存儲在文件服務(wù)器、管理服務(wù)器、資源服務(wù)器等服務(wù)器中.分布存儲在各服務(wù)器上的巨量數(shù)據(jù)為校園平臺的人性化、定制化、標準化、智慧化提供了數(shù)據(jù)支撐.

2.4 技術(shù)支撐層

技術(shù)支撐層是確保元宇宙智慧校園平臺構(gòu)建、數(shù)據(jù)處理、虛實結(jié)合、功能實現(xiàn)、安全運行等的關(guān)鍵核心層,保障元宇宙校園平臺的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的智慧、高效運行,包括通信技術(shù)、算力、去中心化、現(xiàn)實技術(shù)、人機交互、數(shù)據(jù)生成和處理等技術(shù)單元.

“通信技術(shù)”包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和萬物互聯(lián)技術(shù),確保物和物、人和人、人和物、現(xiàn)實和虛擬等各元素之間的信息暢通,是元宇宙智慧校園各元素之間的“高速”通道.

“算力”包括云計算、分布式計算、量子計算、多核芯片等軟硬件技術(shù),用來支持元宇宙智慧校園巨量數(shù)據(jù)分析、融合和推送、服務(wù)定制和個性化、跨時空多終端實時控制等.

“去中心化”打破傳統(tǒng)的中心化規(guī)則,建立各元素平等、資源和服務(wù)共享的機制,是確保信息安全、經(jīng)濟體系安全、節(jié)約有限資源的重要技術(shù),涉及區(qū)塊鏈、邊緣計算、分布式、加密算法等.

“顯示技術(shù)”除傳統(tǒng)的多任務(wù)界面外,還包括裸眼3D、地理空間顯示技術(shù)、XR技術(shù)、DT技術(shù)等.其中裸眼3D技術(shù)使用戶不用借助可穿戴終端設(shè)備就能體驗虛擬3D智慧校園,基于地理空間顯示技術(shù)的AR/VR/XR技術(shù)方便進行特色空間位置的定位、導(dǎo)航、宣傳等,XR技術(shù)確保虛實共生的元宇宙智慧校園平臺的呈現(xiàn),DT技術(shù)使現(xiàn)實中的人、物、景在虛擬世界有了數(shù)字分身.有了這些“顯示技術(shù)”的加持,元宇宙智慧校園能更好地服務(wù)用戶.

“人機交互”在元宇宙智慧校園平臺中除了傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標等交互方式外,更多地指語音、體感、圖像、手勢、腦機等自然的智能感知控制交互.人機交互的智能化可以使交互更加自然,給用戶帶來更好的平臺沉浸感體驗.

“數(shù)據(jù)生成與處理”包括AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)安全服務(wù)技術(shù)、數(shù)據(jù)推送技術(shù)等等,主要對巨量數(shù)據(jù)層中數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)進行智能的、安全的、快速有效的挖掘、分析、融合和推送,精準探索元宇宙校園中數(shù)據(jù)的相關(guān)性、用戶的行為習(xí)慣等,為業(yè)務(wù)層對用戶提供針對性服務(wù)提供支持.

2.5 智能業(yè)務(wù)層

參照《智慧校園總體框架》(GB/T36342-2018)國家標準,智能業(yè)務(wù)層是校園平臺所提供的應(yīng)用和服務(wù)的體系,包括面向用戶的智能環(huán)境、智能資源、智能管理、智能服務(wù)等服務(wù)應(yīng)用,每個智能服務(wù)應(yīng)用具體都包括現(xiàn)實、虛擬和虛實交叉結(jié)合.以智能環(huán)境為例,其包含實體環(huán)境、虛擬環(huán)境和虛實相結(jié)合的增強環(huán)境,實體環(huán)境指現(xiàn)實世界中的智慧教室、辦公設(shè)備、實驗室及相關(guān)儀器、建筑環(huán)境、交通環(huán)境、綠化環(huán)境等等,虛擬環(huán)境指在元宇宙智慧校園中與現(xiàn)實校園共生的虛擬校園,虛實交叉結(jié)合則是指在XR技術(shù)支持下的現(xiàn)實和虛擬校園共顯、共享、和用戶交互的環(huán)境.

2.6 泛在應(yīng)用層

泛在應(yīng)用層涉及元宇宙智慧校園的用戶及提供給用戶訪問的門戶,包括泛在用戶和泛在門戶.“泛在用戶”包括跨時空的機器人、數(shù)字人和自然人,其中自然人包括教師、學(xué)生、家長、校外人員等;機器人是由校園平臺提供的智能AI人,可以根據(jù)用戶特點和需求做到千人千面;數(shù)字人是自然人的數(shù)字孿生,在元宇宙校園中是唯一和自然人用戶對應(yīng)的虛擬形象.“泛在門戶”包括瀏覽器、移動端APP、可穿戴終端應(yīng)用等,為用戶提供實時的跨地域、多終端泛在訪問.“泛在用戶”通過“泛在門戶”訪問元宇宙智慧校園,跨越時空共享智慧數(shù)據(jù)、與孿生智慧虛擬校園和虛擬小伙伴協(xié)同成長.

3 結(jié)語

元宇宙智慧校園可以在對真實校園進行復(fù)刻的基礎(chǔ)上,拓展校園空間;讓師生、校友可以時刻“云回家”,增強不同校園角色間的交流和互動,助力社交能力和合作能力的培養(yǎng),關(guān)愛心理健康發(fā)展;在XR技術(shù)加持下提供沉浸式實驗環(huán)境,讓抽象的知識具象化、實踐操作遠程化;大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)助推的智慧學(xué)伴和智慧導(dǎo)師陪伴可進行一對一陪伴學(xué)習(xí)、因材施教的教育理念被完全執(zhí)行.總而言之,元宇宙技術(shù)指導(dǎo)下的智慧校園作為現(xiàn)實校園的平行虛擬空間,可以為師生提供超出想象的教育場地,助力教學(xué)質(zhì)量和辦學(xué)水平的提升,為教育教學(xué)新理念的實施擘畫出美好的未來.