虛擬現(xiàn)實技術(shù)支撐下的智慧校園標(biāo)準特征研究

1、    虛擬現(xiàn)實技術(shù)支撐下的“智慧校園”標(biāo)準特征研究    摘要：未來“智慧校園”的技術(shù)標(biāo)準特征應(yīng)包括以下幾個方面：“虛擬校園”生態(tài)環(huán)境的創(chuàng)建標(biāo)準特征利用先進的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將校園空間實體等比例全場景轉(zhuǎn)化；校園實體建筑“智慧化”建立以智慧型超級計算機為數(shù)據(jù)處理中心，以廣泛分布的超敏感應(yīng)器為信息觸角的一體智能機器，實現(xiàn)從實體校園到“虛擬校園”的實時、全息投映；“鏡像”智能系統(tǒng)連接標(biāo)準特征以“互為鏡像”為建設(shè)標(biāo)準，將實境與虛境整合成實時動態(tài)“共同體”，為社會提供高度智慧化的教育管理和服務(wù)。關(guān)鍵詞：智慧校園，虛擬現(xiàn)實技術(shù)，標(biāo)準特征基金項目韶關(guān)學(xué)院2014年度科研

2、課題(項目編號：ss2014sk02)?！爸腔坌@”是20世紀末教育理念的一次重大創(chuàng)新。從1998年1月時任美國副總統(tǒng)戈爾在加利福尼亞科學(xué)中心首倡“數(shù)字地球”的概念，到2008年11月美國ibm時任總裁兼首席執(zhí)行官彭明盛提出建設(shè)智慧地球的戰(zhàn)略愿景，“智慧校園”的理念被迅速提出并成為教育新理想的象征1。2010年，浙江大學(xué)在其信息化“十二五”規(guī)劃中正式引入了“智慧校園”概念，隨即在國內(nèi)教育界，尤其是在高教領(lǐng)域內(nèi)成為關(guān)注的熱點，并迅速帶動了“智慧化”建設(shè)的熱潮2。關(guān)于“智慧校園”的概念，基于專業(yè)背景、研究領(lǐng)域及價值取向的不同，國內(nèi)外眾多學(xué)者的表述各異，如北師大黃懷榮等人從“個性化服務(wù)”和“開放教育

3、教學(xué)環(huán)境”等角度進行定義3；翟文彬等人則從“云計算、虛擬化和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)”的角度強調(diào)智慧校園中“資源利用效率的最大化”4；百度詞條將其定義為“通過利用云計算、虛擬化和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，從而實現(xiàn)智慧化服務(wù)和管理的校園模式”。梳理以上概念不難發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究者均重視虛擬現(xiàn)實技術(shù)在未來“智慧校園”建設(shè)中的重大作用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱“臨境技術(shù)”，是一種利用計算機系統(tǒng)來創(chuàng)建和體驗虛擬世界的技術(shù)5，個體可以通過這一技術(shù)實現(xiàn)特定目的虛擬體驗6。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到智慧校園建設(shè)中無疑是極富遠見和想象力的。然而迄今為止，國內(nèi)外尚無學(xué)者就智慧校園建設(shè)的標(biāo)準特征提出一個宏觀模型，為“智慧校園”研究和建設(shè)指引方向。比如

4、，“智慧校園”的智慧標(biāo)準是什么？它應(yīng)該具備哪些基本功能？它和傳統(tǒng)校園有何區(qū)別？等等。由于對有關(guān)技術(shù)標(biāo)準缺乏系統(tǒng)的研究，當(dāng)前的“智慧校園”研究、建設(shè)均處于混亂和無序狀態(tài)。所謂標(biāo)準，是指由一個公認的機構(gòu)制定和批準的文件，它對活動或活動結(jié)果規(guī)定了規(guī)則、導(dǎo)則或特性值，供共同執(zhí)行和反復(fù)使用，以實現(xiàn)在預(yù)定結(jié)果領(lǐng)域內(nèi)最佳秩序的效益。顯然，早日研究并建立標(biāo)準是“智慧校園”建設(shè)科學(xué)發(fā)展的重要保障。當(dāng)前，社會各界達成技術(shù)標(biāo)準共識的困難很大，但就其研究展開合作尤其是就標(biāo)準特征達成初步共識，則具有重大的現(xiàn)實意義。筆者基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展趨勢，認為未來的“智慧校園”應(yīng)呈現(xiàn)以下標(biāo)準特征。一、“虛擬校園”生態(tài)環(huán)境的創(chuàng)建標(biāo)

5、準特征“虛擬校園”將是未來的“智慧校園”的標(biāo)志性形態(tài)。利用各種計算機技術(shù)創(chuàng)建一個基于互聯(lián)網(wǎng)的、與現(xiàn)實校園并行的“虛擬化電子校園”，并依托各種技術(shù)工具和手段來推動高校的全方位改革，已成為世界各國高等教育改革的重要趨勢之一。然而，不論實境還是虛境，體驗者的良好體驗離不開結(jié)構(gòu)與功能良好的校園生態(tài)環(huán)境。“虛擬校園”雖然從物質(zhì)形態(tài)角度來看是虛擬存在的，但對于體驗者來說卻必須是能夠真實感應(yīng)的，這一生態(tài)環(huán)境首先必須盡可能滿足體驗者的各種生理和心理需求，因此，“虛擬校園”生態(tài)環(huán)境的創(chuàng)建標(biāo)準至關(guān)重要，它應(yīng)符合等比例、全場景、實時化的生態(tài)特征。(一)結(jié)構(gòu)特征等比例等比例結(jié)構(gòu)是指校園空間及校園內(nèi)動靜物尺寸比例的真實

6、轉(zhuǎn)化。真實的個體體驗要求使用者沉浸在虛擬環(huán)境時具有和實體環(huán)境無差別的感應(yīng)和交互，這不僅關(guān)乎個體感受，同時也涉及到使用者的體驗習(xí)慣乃至體驗安全。以某類型設(shè)備的操控技能訓(xùn)練為例，虛擬模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)該能提供完全、貼近真實的設(shè)備狀態(tài)和設(shè)備運行環(huán)境，使使用者匹配產(chǎn)生相應(yīng)的生理和心理應(yīng)激神經(jīng)反射、激素水平及責(zé)任與風(fēng)險意識等。如果使用者在虛擬環(huán)境下不能產(chǎn)生與實境同等的專注反應(yīng)，無法獲得同等效能的學(xué)習(xí)效果，虛擬訓(xùn)練將失去意義。更重要的是，體驗者如果因虛境真實感的欠缺而產(chǎn)生體驗分裂，還可能會影響到個體身心健康。比如體驗者在虛擬狀態(tài)下做有嚴格安全規(guī)范要求的實驗時，如果因操作不當(dāng)導(dǎo)致實驗失敗或意外發(fā)生卻不能同步產(chǎn)生

7、對應(yīng)的后果體驗厭惡性或懲罰性生理及心理應(yīng)激，就有可能造成使用者實體操作時的遷移性心理或經(jīng)驗錯覺，從而導(dǎo)致意外風(fēng)險的提高。因此，真實的個體體驗要求實體與虛境空間比例的高度匹配。等比例轉(zhuǎn)化還是組織功能響應(yīng)的需要。數(shù)字校園是大學(xué)作為知識型組織的重要載體7，校園中的相當(dāng)一部分組織、管理、安保及服務(wù)等功能必然要轉(zhuǎn)移到虛擬環(huán)境中，而要管理好這樣一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，也需要充分考慮等比轉(zhuǎn)化的細節(jié)處理。因為對一個復(fù)雜系統(tǒng)來說，相比于宏觀框架設(shè)計對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，因技術(shù)細節(jié)處理不良所導(dǎo)致的隱患概率可能更高。假設(shè)通過虛擬校園監(jiān)控技術(shù)偵測到某處發(fā)生突發(fā)事件，危機應(yīng)急響應(yīng)需要詳盡了解事發(fā)空間的環(huán)境資料以制訂最佳的應(yīng)對

8、方案，不精確的空間參數(shù)輕則會增加問題解決的成本，甚至引起事態(tài)升級。反之，空間參數(shù)越精確，組織功能響應(yīng)越有效。(二)組成特征全場景全場景的組成特征指校園實體的所有組成場景實體世界的基本物理結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象均應(yīng)高仿真轉(zhuǎn)化。大到晝夜更替、溫度變化，小到建筑色彩、材質(zhì)軟硬，甚至環(huán)境噪音等均應(yīng)納入虛擬環(huán)境建設(shè)的考量范疇。場景引入度越高，使用者的體驗擬真度必然越高。全場景數(shù)據(jù)開發(fā)及建構(gòu)應(yīng)基于基本功能需求分級設(shè)計，總體上的場景層級可分為以下三級。1.背景級。這一級場景承擔(dān)著為虛擬世界提供基本虛擬場景框架和環(huán)境背景的基本使命。虛擬現(xiàn)實場景是體驗者獲得體驗的主要信息來源，它不僅要保證體驗者能真實、自如、流暢地感知，而

9、且應(yīng)能從生理、心理兩方面潛移默化地消解由實境進入虛境的分裂感。因此，背景級場景設(shè)計需要在宏觀層面滿足體驗者的基本體驗需求。僅從視覺角度而言，完整的場景設(shè)計必須包括場景效果、場景平面、氣氛渲染、光線明暗及色彩色調(diào)等要素。由于背景場景是為所有體驗者打造的公共體驗平臺，通常不需要支持個性化需求。當(dāng)然，淡化個性化的前提是與功能相統(tǒng)一的風(fēng)格差別校園作為特定的文化和教育場所，理應(yīng)與其他社會生態(tài)區(qū)有顯著的區(qū)分，自然、簡潔、寧靜、祥和，兼具科學(xué)和人文氣質(zhì)是所有高校校園生態(tài)應(yīng)當(dāng)共有的特征。2.體驗級。體驗級場景有高于背景級體驗的感應(yīng)標(biāo)準，背景級只需要從視覺和聽覺兩個角度即可為體驗者提供貼近實境的臨境感，而體驗級

10、別則需要在此基礎(chǔ)上添加更多的生理感應(yīng)通道和增強更細微的場景細節(jié)。如除視覺與聽覺外，觸覺和嗅覺在現(xiàn)實世界中對個體的行為同樣產(chǎn)生重要的影響，那么在虛境中就必須考慮這兩類生理體驗的解決方案。不僅如此，體驗級的場景設(shè)計還意味著對背景場景必不可少的精細化改造，如某具體場景除需要表現(xiàn)形態(tài)和色澤等宏觀特征外，對其微觀的材質(zhì)、紋理、溫度、硬度等特征亦需精細考慮。場景標(biāo)準提升至體驗級意味著某些功能開發(fā)要考慮滿足體驗者的個性化需求。以模擬運動訓(xùn)練為例，假設(shè)體驗者在虛擬空間中進入運動模式，幼年、中青年及老年體驗者顯然應(yīng)該適用不同的分級模式。此類個性化分級既是擬真體驗的需要，也是系統(tǒng)維護體驗者人身安全的必要設(shè)置。3.

11、實驗級。構(gòu)建“虛擬校園”的最大價值在于實現(xiàn)其“虛擬化”的教育教學(xué)功能為學(xué)習(xí)者提供“虛擬化”的學(xué)習(xí)空間及有別于實體環(huán)境教學(xué)的全新學(xué)習(xí)模式。無論是從降低教育成本角度，還是從教育模式創(chuàng)新的角度來說，“虛擬教室”或“虛擬實驗室”所具有的發(fā)展?jié)摿捅容^優(yōu)勢都是實體教學(xué)環(huán)境所不可比擬的，因為在“虛擬教室”里，數(shù)據(jù)可以無限地損毀和重建，而成本卻可以小到忽略不計8。通過遠程網(wǎng)絡(luò)終端，一個九歲的孩子可以在廣東韶關(guān)某學(xué)校的智能教室中進入清華大學(xué)的量子材料“虛擬實驗室”，觀察夸克組合成復(fù)合粒子的過程9。這些功能的實現(xiàn)必須建立在實驗級的虛擬場景基礎(chǔ)之上。以一具虛擬生物活體為例，非實驗級的生物活體通常僅需要呈現(xiàn)出其視覺

12、形象和運動影像，并不需要對其生理結(jié)構(gòu)和生命體征作更深入的建構(gòu)，但實驗級的目標(biāo)體則可能需要從系統(tǒng)、器官、組織乃至細胞等各個解剖層面進行精細搭建。因此，只要虛擬技術(shù)成熟，理論上所有自然科學(xué)學(xué)科的研究對象均可實現(xiàn)虛擬化建構(gòu)，并依據(jù)功能需要進行各種量級的結(jié)構(gòu)開發(fā)大到生物解剖，小到量子觀測，從超宏觀到超微觀滿足所有學(xué)習(xí)及研究的可能性。二、校園實體建筑“智慧化”的建設(shè)標(biāo)準特征“虛擬校園”不單是校園實體靜態(tài)的全息鏡像，還應(yīng)是校園實體動態(tài)的實時反映鏡像。因而以實體校園為標(biāo)準進行擬真虛擬建模，并通過鋪設(shè)在實體校園中的“智慧化”信息采集和監(jiān)測設(shè)備，將實體校園與“虛擬校園”整合為實時動態(tài)“共同體”至關(guān)重要。校園實體

13、建筑“智慧化”建設(shè)應(yīng)具備以下標(biāo)準特征。(一)感響應(yīng)標(biāo)準特征全覆型智能信息感響應(yīng)系統(tǒng)智能信息感應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)該是集視、聽、嗅、溫濕度測量、壓力與重力感應(yīng)、空間定位、目標(biāo)跟蹤、生命體身份識別乃至生命體征測量等功能于一體的超復(fù)雜、超靈敏度的智慧型數(shù)據(jù)收集及處理系統(tǒng)。顯然，這樣一個系統(tǒng)應(yīng)該是以一個智慧型超級計算機為數(shù)據(jù)處理中心，以廣泛分布的超敏感應(yīng)器為信息觸角的一體化的巨型人工智能機器系統(tǒng)，其信息感應(yīng)分布之廣、響應(yīng)靈敏度之高、瞬時數(shù)據(jù)負荷之大、超算處理能力之強和當(dāng)前廣泛采用的電子眼、紅外感應(yīng)、壓力感應(yīng)和超算等技術(shù)有跨時代的區(qū)別。1.全場景感應(yīng)系統(tǒng)。虛擬校園首先應(yīng)該是全場景感應(yīng)的，即實體校園的任一空間單位在任

14、一時間點上發(fā)生的生命活動和有“響應(yīng)意義”的物理、化學(xué)變化均應(yīng)被即時感應(yīng)、采集、貯存到虛擬校園環(huán)境之中。所謂有“響應(yīng)意義”的物理、化學(xué)變化，指的是對個體的擬真體驗“有意義”及對校園提供安全維護及運行服務(wù)“有意義”的環(huán)境事件，如溫度的變化、地表的濕滑狀態(tài)、設(shè)備設(shè)施的運行狀態(tài)等。環(huán)境事件的實質(zhì)是空間能量分布的連續(xù)性變化。顯然，準確把握并設(shè)定好各類環(huán)境事件的能量變化“閾值”，使之“有意義”，不僅有利于捕捉到關(guān)鍵的環(huán)境變化信息，而且有助于避免大量的無效作業(yè)。以“體感溫度”為例，假設(shè)感應(yīng)系統(tǒng)的溫度感應(yīng)靈敏度是0.1度，但人體對小于0.5度以下的溫度變化并無明顯的感知，則溫度響應(yīng)系統(tǒng)就應(yīng)該將0.5度的溫度變

15、化設(shè)定為響應(yīng)“閾值”，因為只有0.5度以上的溫度變動對人體感應(yīng)是有“響應(yīng)意義”的。考慮到全場景感應(yīng)系統(tǒng)承載功能的復(fù)雜性與多樣性，它可能需要在實體環(huán)境建設(shè)之初，部分材料或設(shè)施即作為設(shè)計內(nèi)容的一部分“一體化”地融合到實體環(huán)境的建設(shè)之中。這樣的建設(shè)方式意味著此類感應(yīng)設(shè)備必須突破一些技術(shù)瓶頸：低成本大規(guī)模建設(shè)、大規(guī)模應(yīng)用的成本預(yù)算；長壽命一旦植入必須確保長時間的無障礙運行，以降低運行的成本及風(fēng)險；智慧性多功能復(fù)合感應(yīng)及盡可能“smart”的數(shù)據(jù)采集、貯存及傳導(dǎo)方式；能量維持創(chuàng)新、持久且極低能耗的能量取得、保有及耗散方式；全場景全方位、無死角、無錯漏的全維信息監(jiān)控等。此外，系統(tǒng)還應(yīng)滿足簡單便捷的維護需求

16、、確保無環(huán)境危害的運行模式等一系列嚴苛要求。2.全場景響應(yīng)系統(tǒng)。虛擬校園還必須全場景響應(yīng)，即響應(yīng)系統(tǒng)必須對所有有“響應(yīng)意義”的感應(yīng)作出“有意義”的反應(yīng)，同時感應(yīng)系統(tǒng)實時監(jiān)控響應(yīng)系統(tǒng)的反饋，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理中心進行進程診斷，對響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)強度進行調(diào)控，如此往復(fù)循環(huán)，直至“響應(yīng)意義”實現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。從感應(yīng)到響應(yīng)，全場景感應(yīng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、全場景響應(yīng)系統(tǒng)三位一體，構(gòu)成一個完整的感應(yīng)響應(yīng)弧。從響應(yīng)類型來看，響應(yīng)大致可分為預(yù)警響應(yīng)與干預(yù)響應(yīng)兩大層級。預(yù)警響應(yīng)是指根據(jù)當(dāng)前的事態(tài)發(fā)展趨勢做出的某種大概率事件預(yù)判及針對性的系列事前處置措施，如為防止校園踩踏事件的發(fā)生，感應(yīng)系統(tǒng)一旦偵測到某區(qū)域人群密度達到某一準危險級別時，預(yù)警程序立即啟動加強目標(biāo)區(qū)域的感應(yīng)與監(jiān)控，上調(diào)目標(biāo)區(qū)域安保措施的戒備級別，對目標(biāo)區(qū)域出入路徑交通或人流進行針對性管制等。如果以上預(yù)警響應(yīng)未能有效阻止局