基于虚拟现实技术的智慧校园建设研究

王美霞，杨丽英

(江苏航运职业技术学院智能制造与信息学院，江苏 南通 226010)

0 引言

智慧校园作为一种全新的理念，指的是通过物理层面和信息层面，为用户提供全面协同、个性化服务，提升校园与社会之间高效的交流[1]。智慧校园主要以学生用户为核心，通过优化用户在学习与生活方面所需的服务，为提升用户的学习与教学质量提供基础保障[2]。智慧校园建设过程中，需要智能化的服务环境与科研环境，结合各项科学技术，建设出信息化、个性化的校园[3]。虚拟现实技术通过构建三维虚拟世界，使用户通过各式各样的感知设备，进入虚拟世界中，使学习内容展示得更加真实生动，提升用户智能环境感知能力的同时，增加了用户学习与教学的兴趣[6]。基于此，本文在传统智慧校园建设方法的基础上，引入虚拟现实技术，开展了一种新的智慧校园建设方法探究，为智慧校园更好地整合教育资源、发展学科建设作出贡献。

1 校园主干网络设计

对校园内的中心机房环境与校园主干网络进行建设。根据中心机房的建设规范要求，将机房划分为监控区与设备区两个区域，在中心机房环境建设中，主要对机房电源配套、综合机柜、机房工艺等几个方面进行建设。智慧校园的主干网络设计，包括不同的设计层面[7]。首先，为主干网络核心层的设备建设，本文认为应当引进大量核心设备，例如型号为9250、12500 的核心设备，型号为NEM45 的路由器，增加校园内各个位置的出口带宽，最高能够增加到2200M[8]。在智慧校园主干网络中，分别设置以电信、移动、联通与校内教育网为主的对外出口，在校内防火墙中增设NAT 转换与服务器带宽保障，进而实现校园主干网络链路冗余与负载均衡[9]。选择校园主干网络架构，以千兆以太网作为架构，覆盖校园内的教学楼、公寓楼、宿舍楼等区域。增加校园汇聚层设备数量，用于校园内各个区域的汇聚，作为网关与链路的汇聚点，汇聚层设备数量及分布情况，如表1所示。

表1 汇聚层设备数量及分布

如表1 所示，为校园内主干网络汇聚层设备的布设情况，通过汇聚层设备，实现智慧校园网络与汇聚层交换机之间的高速连接。

2 基于虚拟现实技术建设智慧教室

在上述校园主干网络设计结束后，采用虚拟现实技术，建设校园内的智慧教室。首先，在各个教室中建设5G高速无线网络，将各类智能设备与互联网之间建立连接，开启教室控制台，全方位支持教师与学生之间的实时互动。采用集中联网控制的方式，通过校园内的终端服务器，查看各个智慧教室中的工作与学习状态，通过虚拟现实技术，开启网络教学直播。将抽象的教学内容，通过VR 虚拟的方式，更形象化地展示给学生，提高教学内容与虚拟现实技术的深度融合，加强学生对抽象教学内容的认知。分别从智能教学环境、可视化教学内容两个服务方面，提升智慧教学的质量。与此同时，制作虚拟现实的3Dmax 实景教学模型，学生通过自主选择的方式，选择自己感兴趣的上课教室，通过计算机，实现学生与智慧校园之间的交互性。在智慧教室建设完毕后，采用一致性检验的方法，对智慧教室建设权重向量进行一致性检验，判断智慧教室的可行性。首先，设置智慧教室的一致性指标为，CI(n)其中，n表示具体的指标个数，智慧教室一致性检验公式为：

其中，λmax表示智慧教室权重向量最大特征根，通过检验后，获取到智慧教室建设的各层指标，建立判断矩阵，根据各层指标权重，判断基于虚拟现实技术的智慧教室的可行性，为建设智慧校园提供保障。

3 智慧校园整体布局

上述智慧教室建设结束后，对智慧校园进行整体的建设设计。本文构建的智慧校园环境整体结构，如图1所示。

图1 智慧校园环境体系结构

如图1 所示，本文构建的智慧校园环境体系以环境感知、校园内数据传输、学习与服务智能分析及教学环境处理等四个部分为主，在此基础上，对智慧校园进行全方位的建设。首先，智慧校园的环境感知作为校园内的主要感知层，通过实时采集校园内环境动态数据，监测校园具体情况；校园内数据传输，以有线网络与无线网络为主要载体，将校园内各项感知数据通过空间距离进行高速传输，实现校园信息资源共享；学习与服务智能分析负责对智慧教室、校内主干网络、教学服务信息进行智能分析，根据不同学生及教室的需求，利用大数据分析技术、虚拟现实技术和云计算，实现各项信息数据的可视化操作；教学环境处理主要负责智慧校园内各项环境的维护，为学生与教师提供良好的教学、学习环境。本文智慧校园项目及对应的任务说明如表2所示。

表2 中，对智慧校园建设项目做了说明以及对各个子项目进行分解，通过VR 虚拟现实技术，对建设任务进行精细化模拟，逐层分解项目内容，完成基于虚拟现实技术的智慧校园建设。

表2 智慧校园建设项目

4 实验分析

为了对上述本文提出的基于虚拟现实技术的智慧校园建设方法的可行性作出进一步客观分析，进行了如下文所述的实验分析。选取某地区M 学院，作为本次研究的目标，该学院当前已经完成了数字化校园的建设，各个教学楼与实验楼均接入了校园网，学生宿舍也布设了千兆网络端口，实现了校园内无线网络覆盖，为学生与教师提供了稳定方便的无线网络。M学院现阶段拥有电子校务系统、学工系统、财务系统、教务系统、人事系统等，整体信息化管理水平相对较高。然而，学院内的基础网络设施相对落后，部分网络设备购置年限较长，运行时间将近十年，导致设备运行过程中容易出现故障，不利于校园内引入高速网络连接，无法满足校园用户高并发时的使用需求。另一方面，M 学院校园网的主干带宽不足，降低了校内办公区核心交换机与防火墙的使用性能与安全，无法满足网络安全态势感知以及入侵病毒检测的需求。自2019年开始，M 学院逐渐引进智慧校园理念，然而，近两年来，智慧校园建设的效果不佳。将上述本文设计的基于虚拟现实技术的智慧校园建设方法应用到M学院中，建设流程，如图2所示。

图2 M学院智慧校园建设流程

图2 为M 学院智慧校园建设流程，结合虚拟现实AR 与VR 技术，首先，在校园内各个无线网络安装面板，以定位、跟踪叠加的形式，配置一台IP-SAN 服务器，采用专用光纤，连接服务器与FC交换机，在交换机中添加服务器信息，增强校园信息的交互作用，提升交换机数据存储的安全性，避免交换机存在数据丢失的隐患。结合虚拟现实技术，对智慧校园信息门户平台内的数据，进行非结构化处理，提升校园建设数据整理的效率与质量，实现海量数据信息快速处理、提取的目标。根据信息化技术与网络技术，在校内建设符合教学需求的智慧型教室与智慧型实验室，创设沉浸式教学情境，配合智慧校园的工作，充分利用校内网络空间的灵活性，实现互联网自主学习、自主交流互动的目标。针对智慧校园安全防护水平较低的问题，在网络接口处，配置网络安全设备，以数据应用为核心，制定网络安全保护规则制度，通过移动互联与人工智能技术，提升智慧校园安全防护水平。基于虚拟现实技术，采用扁平化网络架构与IPV4、IPV6 双协议，通过智慧校园网络集中管理的方式，将双核心交换机与服务器相连，根据智慧校园的实际建设情况，通过虚拟现实技术，虚拟一台智慧校园核心交换机，作为链路备份，保证智慧校园ISP 切换与链路负载之间的平衡，满足M 学院用户并发访问量较大的需求。为了验证本文基于虚拟现实技术的智慧校园的有效性，将其与传统的校园模式的应用效果进行对比，结果如表3所示。

表3 智慧校园与传统校园应用效果对比

根据表3 对比结果可知，在两种校园模式中，本文设计的基于虚拟现实技术的智慧校园，其校园内网络速度较快，能够为各项应用提供有线网络与无线网络支撑，为校园内部各项应用与服务提供可靠的网络环境；无线网络能够支持最新的WI-FI6 标准，符合海量网络访问的需求，支持主流设备达到5.8Ghz 频段，兼容性得到了显著提升；云数据中心在组织划分与调度中，更加精细化，管控、监测校园内的各项服务问题与故障，实现校园业务、数据与资源的统一管理，而且，对校园自动化运维也具较大优势；5G 网络建设较传统校园模式相比，能够实现教学的远程直播，通过VR 虚拟技术，仿真教师教学，有效补充了校园自建网络存在的不足，实现校园5G信号高密度覆盖。

5 结束语

综上所述，传统的校园模式在教学、实验、实践、服务过程中存在一定的不足，制约了校园内个性化学习与教学服务的效果，基于此，本文引入虚拟现实技术，开展了基于虚拟现实技术的智慧校园建设研究。通过本文的研究，将校园内优秀的教学资源网络化，实现了校园教学移动化、智能化的建设目标，结合VR 虚拟现实技术，模拟仿真教学，从视觉、触觉、听觉等不同方面提升学生的情境体验感，全面感知教学物理环境，促进实现校园个性化服务的目标。