基于虛擬現實技術的智慧校園建設研究

王美霞，楊麗英

(江蘇航運職業技術學院智能制造與信息學院，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，為用戶提供全面協同、個性化服務，提升校園與社會之間高效的交流[1]。智慧校園主要以學生用戶為核心，通過優化用戶在學習與生活方面所需的服務，為提升用戶的學習與教學質量提供基礎保障[2]。智慧校園建設過程中，需要智能化的服務環境與科研環境，結合各項科學技術，建設出信息化、個性化的校園[3]。虛擬現實技術通過構建三維虛擬世界，使用戶通過各式各樣的感知設備，進入虛擬世界中，使學習內容展示得更加真實生動，提升用戶智能環境感知能力的同時，增加了用戶學習與教學的興趣[6]。基于此，本文在傳統智慧校園建設方法的基礎上，引入虛擬現實技術，開展了一種新的智慧校園建設方法探究，為智慧校園更好地整合教育資源、發展學科建設作出貢獻。

1 校園主干網絡設計

對校園內的中心機房環境與校園主干網絡進行建設。根據中心機房的建設規范要求，將機房劃分為監控區與設備區兩個區域，在中心機房環境建設中，主要對機房電源配套、綜合機柜、機房工藝等幾個方面進行建設。智慧校園的主干網絡設計，包括不同的設計層面[7]。首先，為主干網絡核心層的設備建設，本文認為應當引進大量核心設備，例如型號為9250、12500 的核心設備，型號為NEM45 的路由器，增加校園內各個位置的出口帶寬，最高能夠增加到2200M[8]。在智慧校園主干網絡中，分別設置以電信、移動、聯通與校內教育網為主的對外出口，在校內防火墻中增設NAT 轉換與服務器帶寬保障，進而實現校園主干網絡鏈路冗余與負載均衡[9]。選擇校園主干網絡架構，以千兆以太網作為架構，覆蓋校園內的教學樓、公寓樓、宿舍樓等區域。增加校園匯聚層設備數量，用于校園內各個區域的匯聚，作為網關與鏈路的匯聚點，匯聚層設備數量及分布情況，如表1所示。

表1 匯聚層設備數量及分布

如表1 所示，為校園內主干網絡匯聚層設備的布設情況，通過匯聚層設備，實現智慧校園網絡與匯聚層交換機之間的高速連接。

2 基于虛擬現實技術建設智慧教室

在上述校園主干網絡設計結束后，采用虛擬現實技術，建設校園內的智慧教室。首先，在各個教室中建設5G高速無線網絡，將各類智能設備與互聯網之間建立連接，開啟教室控制臺，全方位支持教師與學生之間的實時互動。采用集中聯網控制的方式，通過校園內的終端服務器，查看各個智慧教室中的工作與學習狀態，通過虛擬現實技術，開啟網絡教學直播。將抽象的教學內容，通過VR 虛擬的方式，更形象化地展示給學生，提高教學內容與虛擬現實技術的深度融合，加強學生對抽象教學內容的認知。分別從智能教學環境、可視化教學內容兩個服務方面，提升智慧教學的質量。與此同時，制作虛擬現實的3Dmax 實景教學模型，學生通過自主選擇的方式，選擇自己感興趣的上課教室，通過計算機，實現學生與智慧校園之間的交互性。在智慧教室建設完畢后，采用一致性檢驗的方法，對智慧教室建設權重向量進行一致性檢驗，判斷智慧教室的可行性。首先，設置智慧教室的一致性指標為，CI(n)其中，n表示具體的指標個數，智慧教室一致性檢驗公式為：

其中，λmax表示智慧教室權重向量最大特征根，通過檢驗后，獲取到智慧教室建設的各層指標，建立判斷矩陣，根據各層指標權重，判斷基于虛擬現實技術的智慧教室的可行性，為建設智慧校園提供保障。

3 智慧校園整體布局

上述智慧教室建設結束后，對智慧校園進行整體的建設設計。本文構建的智慧校園環境整體結構，如圖1所示。

圖1 智慧校園環境體系結構

如圖1 所示，本文構建的智慧校園環境體系以環境感知、校園內數據傳輸、學習與服務智能分析及教學環境處理等四個部分為主，在此基礎上，對智慧校園進行全方位的建設。首先，智慧校園的環境感知作為校園內的主要感知層，通過實時采集校園內環境動態數據，監測校園具體情況；校園內數據傳輸，以有線網絡與無線網絡為主要載體，將校園內各項感知數據通過空間距離進行高速傳輸，實現校園信息資源共享；學習與服務智能分析負責對智慧教室、校內主干網絡、教學服務信息進行智能分析，根據不同學生及教室的需求，利用大數據分析技術、虛擬現實技術和云計算，實現各項信息數據的可視化操作；教學環境處理主要負責智慧校園內各項環境的維護，為學生與教師提供良好的教學、學習環境。本文智慧校園項目及對應的任務說明如表2所示。

表2 中，對智慧校園建設項目做了說明以及對各個子項目進行分解，通過VR 虛擬現實技術，對建設任務進行精細化模擬，逐層分解項目內容，完成基于虛擬現實技術的智慧校園建設。

表2 智慧校園建設項目

4 實驗分析

為了對上述本文提出的基于虛擬現實技術的智慧校園建設方法的可行性作出進一步客觀分析，進行了如下文所述的實驗分析。選取某地區M 學院，作為本次研究的目標，該學院當前已經完成了數字化校園的建設，各個教學樓與實驗樓均接入了校園網，學生宿舍也布設了千兆網絡端口，實現了校園內無線網絡覆蓋，為學生與教師提供了穩定方便的無線網絡。M學院現階段擁有電子校務系統、學工系統、財務系統、教務系統、人事系統等，整體信息化管理水平相對較高。然而，學院內的基礎網絡設施相對落后，部分網絡設備購置年限較長，運行時間將近十年，導致設備運行過程中容易出現故障，不利于校園內引入高速網絡連接，無法滿足校園用戶高并發時的使用需求。另一方面，M 學院校園網的主干帶寬不足，降低了校內辦公區核心交換機與防火墻的使用性能與安全，無法滿足網絡安全態勢感知以及入侵病毒檢測的需求。自2019年開始，M 學院逐漸引進智慧校園理念，然而，近兩年來，智慧校園建設的效果不佳。將上述本文設計的基于虛擬現實技術的智慧校園建設方法應用到M學院中，建設流程，如圖2所示。

圖2 M學院智慧校園建設流程

圖2 為M 學院智慧校園建設流程，結合虛擬現實AR 與VR 技術，首先，在校園內各個無線網絡安裝面板，以定位、跟蹤疊加的形式，配置一臺IP-SAN 服務器，采用專用光纖，連接服務器與FC交換機，在交換機中添加服務器信息，增強校園信息的交互作用，提升交換機數據存儲的安全性，避免交換機存在數據丟失的隱患。結合虛擬現實技術，對智慧校園信息門戶平臺內的數據，進行非結構化處理，提升校園建設數據整理的效率與質量，實現海量數據信息快速處理、提取的目標。根據信息化技術與網絡技術，在校內建設符合教學需求的智慧型教室與智慧型實驗室，創設沉浸式教學情境，配合智慧校園的工作，充分利用校內網絡空間的靈活性，實現互聯網自主學習、自主交流互動的目標。針對智慧校園安全防護水平較低的問題，在網絡接口處，配置網絡安全設備，以數據應用為核心，制定網絡安全保護規則制度，通過移動互聯與人工智能技術，提升智慧校園安全防護水平?；谔摂M現實技術，采用扁平化網絡架構與IPV4、IPV6 雙協議，通過智慧校園網絡集中管理的方式，將雙核心交換機與服務器相連，根據智慧校園的實際建設情況，通過虛擬現實技術，虛擬一臺智慧校園核心交換機，作為鏈路備份，保證智慧校園ISP 切換與鏈路負載之間的平衡，滿足M 學院用戶并發訪問量較大的需求。為了驗證本文基于虛擬現實技術的智慧校園的有效性，將其與傳統的校園模式的應用效果進行對比，結果如表3所示。

表3 智慧校園與傳統校園應用效果對比

根據表3 對比結果可知，在兩種校園模式中，本文設計的基于虛擬現實技術的智慧校園，其校園內網絡速度較快，能夠為各項應用提供有線網絡與無線網絡支撐，為校園內部各項應用與服務提供可靠的網絡環境；無線網絡能夠支持最新的WI-FI6 標準，符合海量網絡訪問的需求，支持主流設備達到5.8Ghz 頻段，兼容性得到了顯著提升；云數據中心在組織劃分與調度中，更加精細化，管控、監測校園內的各項服務問題與故障，實現校園業務、數據與資源的統一管理，而且，對校園自動化運維也具較大優勢；5G 網絡建設較傳統校園模式相比，能夠實現教學的遠程直播，通過VR 虛擬技術，仿真教師教學，有效補充了校園自建網絡存在的不足，實現校園5G信號高密度覆蓋。

5 結束語

綜上所述，傳統的校園模式在教學、實驗、實踐、服務過程中存在一定的不足，制約了校園內個性化學習與教學服務的效果，基于此，本文引入虛擬現實技術，開展了基于虛擬現實技術的智慧校園建設研究。通過本文的研究，將校園內優秀的教學資源網絡化，實現了校園教學移動化、智能化的建設目標，結合VR 虛擬現實技術，模擬仿真教學，從視覺、觸覺、聽覺等不同方面提升學生的情境體驗感，全面感知教學物理環境，促進實現校園個性化服務的目標。