元宇宙在数字校园建设中的应用场景探析张平昕

关键词：元宇宙；数字校园；虚拟导览；虚拟现实；新质生产力

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）18-0107-04

0 前言

随着科技的飞速发展，元宇宙的概念自2020年起逐渐进入大众的视野，并在国家政策的大力支持下持续升温。在国家市场监管总局会同中央网信办、国家发展改革委等18部门联合印发的《贯彻实施〈国家标准化发展纲要〉行动计划（2024—2025年）》中，强调了要强化下一代互联网、元宇宙等新兴领域标准化预研究，这表明国家在政策层面上开始重视元宇宙的发展。同时，工信部等七部门发布的《推动未来产业创新发展的实施意见》中，也明确指出了要突破元宇宙入口等具有爆发潜能的超级终端，构筑产业竞争新优势，并加快工业元宇宙等新兴场景推广，以场景创新带动制造业转型升级。工信部表示将继续培育壮大通用人工智能、人形机器人、元宇宙等新兴产业，发展新质生产力。

元宇宙作为一种新兴的数字化生产方式，与新质生产力有着密切的关系。新质生产力是指在信息技术和数字化经济背景下形成的具有创造性的生产方式和生产要素。

元宇宙能够提供更加智能化、个性化和创造性的生产环境。通过人工智能、虚拟现实等技术，元宇宙可以模拟和重构现实世界的各种场景和过程，为用户提供全新的创作和生产体验。

随着元宇宙概念的提出和技术的发展，越来越多的地方政府开始重视元宇宙的发展，并出台相关政策措施支持其发展。例如，湖北推进战略性新兴产业倍增计划，超前布局元宇宙等未来产业；吉林则提出培育壮大数字经济，前瞻性布局元宇宙产业；江苏也加快智能化改造数字化转型，积极发展元宇宙等未来产业。这些地方政府的举措进一步推动了元宇宙在各行各业的应用和发展。

1 元宇宙的发展趋势

元宇宙，作为一种抽象的数字世界，得益于人工智能、虚拟现实、增强现实和区块链等新兴技术的融合构建[1]。这个概念最初源自科幻作品，如《黑客帝国》和《头号玩家》，然而，随着技术的迅猛进步，元宇宙已经逐步从幻想走入现实。

元宇宙的技术演进可以追溯到早期的虚拟现实技术，该技术旨在模拟真实世界场景，并提供身临其境的体验。然而，传统的虚拟现实技术存在一定局限性，例如：全封闭的虚拟环境导致缺乏与真实世界的直接互动，同时场景单一、内容独立，更新成本较高。元宇宙多人协同平台应运而生，旨在弥补这些不足。

随着人工智能技术的突飞猛进，元宇宙得以更好地实现。人工智能技术能够使元宇宙中的虚拟场景更加真实、引人入胜。数字人技术的加入将元宇宙推向个性化定制阶段，增强用户的交互自由度。

此外，区块链技术为元宇宙开辟了新的可能性。去中心化特点使得元宇宙中的虚拟资产具备真实性和独立所有权，用户能够在元宇宙中自由购买、销售和交易各类虚拟资产，从而创造出一个真实的经济生态体系。

2 元宇宙在各行业中的应用场景

本文作者团队通过收集大量资料以及行业调研，发现元宇宙展现出在多个关键领域带来重大影响的潜力。在教育领域，其沉浸式和互动性特点提供了学习环境的革新机会。学生可以在虚拟环境中进行实践性学习，体验真实世界中难以实现的实训内容。此外，元宇宙还可为远程教育提供更为身临其境的学习体验，弥补传统在线教育模式的一些不足之处。

在房地产领域，通过元宇宙技术，购房者可以获得更直观的房屋导览和装修方案，使其能够更深入了解物业信息。有助于提高购房者的决策效率，减少不必要的看房次数，从而提升销售效率。

娱乐产业则是元宇宙应用的天然场所之一。元宇宙社区属性的凸显使用户能够在虚拟世界中尽情享受各种娱乐活动，包括体验游乐设备、观看电影、听音乐会等。用户通过虚拟现实设备融入其中，与虚拟数字人角色互动，参与各种实时活动。这种数字化的娱乐形式符合当代用户对于个性化、互动性的需求，将为娱乐产业带来新的增长点和商机。

这些应用案例只是元宇宙技术应用的冰山一角，随着技术的不断创新与完善，元宇宙可以在更多领域挖掘潜力，因此，深入研究元宇宙技术在不同领域中的应用，并探索其潜在的商业和社会效益，具有重要的理论和实践意义。

3 数字校园的发展趋势

近年来，数字化教育逐渐成为国家教育政策的重要方向，推动数字校园建设已经成为学校发展的必然趋势。在教育部印发的《高等学校数字校园建设规范（试行）》中，明确要求推动信息技术与教育教学深度融合，提升高等学校信息化建设与应用水平，从而支撑教育高质量发展。除了学习，数字校园的建设也应该将校园生活纳入其中，为学生提供更便捷、智能的校园服务和管理，促进学校整体管理和教学效率的提升。在本文中，将探讨元宇宙技术在数字校园建设中的应用潜力，探讨如何借助元宇宙技术为教育领域带来更多创新和可能性，促进数字校园的发展和优化。

4 创作元宇宙数字校园场景

本研究旨在借助数字校园建设的契机，创新地融入元宇宙设计模式，为用户提供一个独特的校园虚拟导览和文化介绍平台（如图1所示）。该平台的目标在于帮助用户更深入地了解学校的文化和历史背景。元宇宙技术的应用为传统数字校园带来了革命性的变革，推动了新质生产力的发展，为建设校园虚拟社区、打破交流壁垒、增加社交渠道和互动性提供了更多可能。通过整合数字人技术和多人协同技术，让元宇宙校园得以真正“活”起来，实现了更加智能化和交互化的校园体验。同时，将元宇宙概念引入数字校园建设，不仅有助于学校的文化传承与推广，还能促进教育资源共享和社交互动的丰富性。本研究将为未来类似项目的发展提供有益的经验和理论支持，为构建更具活力和多样化的数字校园做出积极贡献。

5 以四川化工职业技术学院为例，搭建元宇宙校园的基本构架

5.1 虚拟校园环境的设计原理与实现

虚拟校园环境的设计原理旨在创造一个高度逼真而富有交互性的校园体验，其核心在于通过先进的计算机图形处理、无人机全景拍摄和虚拟现实技术，精准捕捉并模拟校园环境的空间结构。设计师能运用精密的三维建模技术，结合实地测量与数据收集，确保虚拟环境对真实校园进行1：1复刻，准确再现校园环境的基本要素，包括建筑物、景观和周边设施等[2]（如图2所示）。这种原场景还原策略不仅有助于新用户能够迅速熟悉校园布局和设施，还能为在校师生提供一个便捷、灵活的虚拟访问平台。在实现过程中，通过实时渲染和云渲染等技术手段，在保证视觉真实性的同时，降低系统资源消耗，降低终端设备压力，提升用户体验。

5.2 校园文化的数字化展示和传播

在虚拟校园环境中，校园文化的传承与展示是不可或缺的一部分。通过数字化手段，将校园文化与历史进行深度挖掘与整合，以多媒体形式在虚拟场景中展现，如校歌、校训等文化符号的数字化再现，以及学校发展历程和重要事件的交互式叙述。通过触发热点、虚拟数字人解说等方式，引导用户深入了解学校的每一栋建筑、每一处景观背后的文化历史故事。利用虚拟现实技术实现校园文化的沉浸式体验，让用户身临其境地感受校园文化氛围。

5.3 元宇宙互动功能的实现与拓展

元宇宙互动功能是数字校园平台的核心竞争力之一。作为一款“活”地图，虚拟导览功能是元宇宙数字校园的首要功能，利用VR技术用户可以在自由导览模式下自由探索校园，了解校园布局与设施。同时，加入多人协同操作技术，为平台搭建多人在线交互功能，增强社交互动体验。

其次，交友功能是元宇宙数字校园的拓展方向。引进数字人技术，用户可以在虚拟空间中创建自己的数字人角色，与其他用户进行实时交流。通过打破班级、专业之间的界限，促进不同背景、不同兴趣的学生之间的交流与合作。

此外，平台还可以设计公告栏、通知栏、宣传栏等数字化展板，方便学生随时获取校园信息。同时，支持在线课程、虚拟实验等教学功能，为学生提供更加灵活、便捷的学习方式。

6 探析元宇宙在数字校园建设中的挑战与解决策略

在建设元宇宙数字校园的过程中，项目团队面临着诸多挑战，本文将针对这些挑战，提出相应的解决策略。

6.1 环境模型构建的挑战与策略

元宇宙校园的核心在于构建一个高度逼真的虚拟环境，这需要对校园内的各种建筑、设施和景观进行精细的建模。然而，由于校园环境模型庞大且复杂，1：1复刻需要收集全方面的数据，如尺寸数据、建筑全景等，这成为了一个重要的挑战。

解决策略：

1） 统一模型标准：制定并推广统一的建模标准，确保不同技术团队成员建的模型能在统一虚拟场景中进行适配，减少建模过程中的混乱和错误，提高建模效率。

2） 利用无人机与全景技术进行数据采集：采用无人机技术进行校园航拍，结合全景相机拍摄，为建模提供全面、细致的数据支持，提高数据采集的效率和准确性，为建模提供丰富的素材[3]。

团队结合无人机与全景相机拍摄，为学校制作了全景校园图（如图3所示）：https：//www.720yun.com/t/cdvkzm8lzpe？scene_id=83420295

6.2 终端适配的挑战与策略

元宇宙校园平台需要适配多种终端类型，包括学校官网、本地应用以及虚拟现实眼镜等。不同的终端类型对系统的加载速度、配置要求等方面提出了不同的挑战。

当在学校官网挂载体验时，鉴于元宇宙数字校园项目的复杂性和庞大体量，所需的资源加载对于网络带宽有着较高的要求。如果参观者的网速未达标，可能会影响使用感受，限制项目的普及度。

其次，将其封装为一个应用文件，并供用户下载到本地进行安装，但对终端电脑的配置要求较高，这可能会限制部分用户的参与。另一方面，大文件下载对用户的网络带宽和存储空间也构成了压力，可能会降低用户的下载意愿。

最后，作为元宇宙虚拟校园，其最佳体验需要搭配虚拟现实头显设备使用。然而，并非所有用户都有虚拟现实头显设备，这可能会成为用户参与元宇宙数字校园体验的一个障碍。因此，我们需要寻找一种解决方案，使得即使在没有虚拟现实眼镜的情况下，用户也能获得良好的体验。

解决策略：

1） 云渲染技术应用：通过云渲染技术，将项目挂载在学校的云渲染服务器上，利用服务器GPU进行运算，降低对终端电脑的配置要求，同时解决因网速和内存问题导致的加载困难。

2） 媒介切换功能：系统提供媒介切换功能，用户可根据自身情况选择PC版或VR版进行体验。PC版无须头显设备，通过键盘鼠标实现导览交互功能；VR 版则适配手柄，通过移动推进和热点触发的方式进行导览和校园文化展示。

6.3 长期维护与更新的挑战与策略

元宇宙校园作为一个持续发展的项目，需要长期的维护和更新来保持其活力和吸引力。然而，长期的维护和更新也带来了一系列挑战，如资源投入、技术更新等。

解决策略：

1） 建立定期巡检和维护计划：制定并定期执行巡检和维护计划，对系统进行性能评估、资源管理、故障排除等工作，确保系统的稳定运行和良好的性能。

2） 建立用户反馈机制：及时收集用户的意见和建议，了解用户的需求和痛点，并根据这些反馈进行相应的调整和改进，提升用户体验满意度。

3） 建立灵活的更新机制：根据技术发展和用户需求的变化，及时引入新功能和技术。建立灵活的更新机制确保系统在面对新威胁时能够迅速做出反应并进行相应的安全更新和补丁发布。

7 元宇宙在数字校园建设中的拓展方向

随着元宇宙技术的日益成熟，以及5G、人工智能和区块链技术的不断融入，元宇宙在数字校园建设中将会展现更多的发展潜力。

5G专网以其高速度、低时延和大容量的优势，为元宇宙数字校园提供强有力的网络支持。未来研究应进一步探索如何利用5G技术优化数字校园的网络环境，提升数据传输速度和稳定性，进而推动元宇宙在数字校园建设中的更广泛应用。

将人工智能与虚拟场景搭建、虚拟形象结合，能够搭建出更逼真的虚拟校园环境。未来的研究应聚焦于如何提升元宇宙校园的交互性和沉浸感，例如通过为用户提供个性化的数字人形象定制服务，丰富其社交功能。同时，应深入研究如何结合人工智能和大数据技术，为每个学生提供个性化的学习路径推荐。通过分析学生的学习行为和成绩，可以智能地生成适合每个学生的学习资源和活动建议，从而实现更高效、更精准的教育服务[4]。

为了保障虚拟社区的安全，引入区块链技术，其去中心化、可追溯和不可篡改的特性为元宇宙校园的教育认证和资源交易提供了安全保障。

未来的研究应探索如何利用区块链技术构建数字校园的认证机制，确保学生档案和教学资源的安全与可靠。同时，还可以研究如何基于区块链技术实现教学资源的共享和交易[5]，促进优质教育资源的普及和流通。

8 结束语

元宇宙在数字校园建设中具有巨大的潜力和价值，是未来教育的数字化发展趋势。通过充分利用元宇宙技术的优势，可以为学生创造更加生动、直观、互动和个性化的学习、生活体验，推动教育事业的持续发展和创新。同时，本团队还需要关注并解决元宇宙在数字校园建设中面临的挑战和问题，确保元宇宙校园能够健康、稳定、可持续地发展。