5G賦能下的智慧教室建設(shè)及多場景應(yīng)用研究

施雯斐

（南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210002）

1 智慧教室

1.1 智慧教室內(nèi)涵

智慧教室其實是指 “多媒體＋網(wǎng)絡(luò)”相融合的教室，在傳統(tǒng)的多媒體教室中加入物聯(lián)網(wǎng)、云計算、VR等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，增強課堂交互功能，改善課堂學(xué)習(xí)環(huán)境，進一步促進智能化、個性化學(xué)習(xí)。北京師范大學(xué)知識工程研究中心的專家在《智慧教室的概念及特征》一文中提出了一種智慧教室的“SMART”模型，即Showing、Manageable、Accessible、Real-time Interactive、Teasting，智慧教室的智慧性就體現(xiàn)在這五個方面，分別為內(nèi)容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時互動、情境感知[1]。

（1）內(nèi)容呈現(xiàn)是利用多媒體技術(shù)及設(shè)備將教學(xué)內(nèi)容展示給學(xué)生，是智慧教室建設(shè)的最基本要求。常用來做內(nèi)容呈現(xiàn)的設(shè)備主要有電子大屏、電子白板、投影儀、音響等音視頻設(shè)備。

（2）環(huán)境管理通常是指智慧教室中軟硬件的管理，主要包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、教學(xué)系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、教學(xué)設(shè)備、教室布局。智慧教室的智慧不僅要體現(xiàn)在課堂教學(xué)上，也要體現(xiàn)在教師管理和使用上，讓教師實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理教室。

（3）資源獲取是指智慧教室能夠提供豐富的教學(xué)資源，并且能夠?qū)油队啊㈦娮哟笃痢⒂嬎銠C等內(nèi)容呈現(xiàn)設(shè)備，在課堂教學(xué)中滿足教師正常使用需求。

（4）及時互動是智慧教室區(qū)別于普通教室一個典型特征。觸摸式電子大屏能夠?qū)崟r與課堂教學(xué)相互動、VR/AR教學(xué)設(shè)備能實現(xiàn)情景交互，增添課堂的互動性。此外，人臉識別跟蹤系統(tǒng)能實現(xiàn)課堂考勤、教學(xué)質(zhì)量分析管理等功能。

（5）情境感知是通過傳感器實時感知教室的溫度、濕度、光線強弱，自動調(diào)節(jié)教室的物理環(huán)境，使其達到師生舒適的感覺，提升教學(xué)質(zhì)量。

1.2 智慧教室的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

最早期的智慧教室關(guān)注點主要在教室的投影等硬件設(shè)備上，但隨著多媒體技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智慧教室的關(guān)注點逐漸轉(zhuǎn)移到功能需求上。在國內(nèi)，智慧教室逐漸建設(shè)應(yīng)用于各大高校甚至中小學(xué)、幼兒園，如山東大學(xué)建設(shè)的能夠支持遠程互動教學(xué)的多點互動智慧教室，師生可以更加直觀、高效的進行遠程互動教學(xué)；為教學(xué)環(huán)境適用于“雙一流”建設(shè)發(fā)展，中南大學(xué)打造了多間全方位、多功能、智能化的“互聯(lián)網(wǎng)＋”智慧教室，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)醫(yī)科教學(xué)方式；新疆醫(yī)科大學(xué)除了建設(shè)普通型智慧教室，還建有研討智慧教室、PBL教室等類型，涵蓋了正式和非正式環(huán)境的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，用于多種創(chuàng)新教學(xué)模式。

現(xiàn)階段，全國教育行業(yè)正在大力建設(shè)智慧教室，中小學(xué)、大學(xué)及教育機構(gòu)都希望能借助信息化軟硬件提升教學(xué)質(zhì)量，但目前智慧教室的建設(shè)及應(yīng)用還處在探索實踐階段，存在一些主要問題，如技術(shù)是否真正融入教學(xué)？功能是否真正滿足需求？設(shè)備是否真正實現(xiàn)價值？資源是否得到有效管理？

1.2.1 技術(shù)是否真正融入教學(xué)

以往的多媒體教室結(jié)構(gòu)組成簡單，大多數(shù)僅由投影、幕布、電腦、黑板等極少的教學(xué)輔助工具組成，教師多以PPT和書寫的方式來上課。如果教室比較大時，教師最多配一個隨身擴音器滿足擴音需求。與傳統(tǒng)多媒體教室不同，智慧教室在傳統(tǒng)的多媒體教室中加入了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、VR等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，配備了增強課堂交互功能的軟硬設(shè)備，教師如果想要真正在教學(xué)中使用智慧教室的多種功能，首先必須有基本的信息素養(yǎng)知識，其次能夠熟悉且熟練運用智慧教室的功能，另外還要要求教師在備課時就要合理設(shè)計適用于在智慧教室互動上課的教學(xué)課件等。而目前很多教師很難真正將所有智慧教室中運用的技術(shù)融入教學(xué)。

1.2.2 功能是否真正滿足需求

智慧教室相比于傳統(tǒng)的多媒體教室，在功能上有了大大的提升。但在提升的同時，軟硬設(shè)備也增加了許多。在前期建設(shè)智慧教室時，設(shè)計者如果沒能合理設(shè)計智慧教室的功能布局，比如：50人的大教室僅安裝2臺互動設(shè)備，教師在上課時就不方便使用互動功能，久而久之該功能設(shè)備就會被閑置；10人的小研討智慧教室安裝擴音設(shè)備，也會造成這部分的功能浪費。所以，不是所有教室功能越多越好，設(shè)備越先進越好，往往能滿足教學(xué)需求的功能才是最需要的。

1.2.3 設(shè)備是否真正實現(xiàn)價值

目前，很多學(xué)校都在大力發(fā)展智慧校園建設(shè)，所以在建設(shè)智慧教室時，可能會一味追求最先進、功能最齊全設(shè)備，不惜耗費巨大人力物力建設(shè)高端先進智慧教室。但其實很多情況下沒有結(jié)合各自學(xué)校的實際情況，比如：學(xué)校是否有配備多間智慧教室的需求，是否的專業(yè)的管理人員管理，師生對使用智慧教室的感受如何等一系列問題。這些問題如果得不到答案，那耗費巨大經(jīng)費購買的設(shè)備就無法實現(xiàn)真正的價值，必然會導(dǎo)致資源的浪費。

1.2.4 資源是否得到有效管理

智慧教室是由多種先進技術(shù)融合而成的，從建設(shè)初期設(shè)計，到建設(shè)，再到后期的投入使用，都需要專業(yè)技術(shù)人員全生命周期的跟蹤管理。許多學(xué)校會存在盲目跟風(fēng)建設(shè)多種類型智慧教室，但沒有專業(yè)的技術(shù)人員支撐管理，很難建設(shè)完成一間適用于本校實際需求的智慧教室，建設(shè)完成后也很難進行有效的管理。

結(jié)合目前智慧教室的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題，未來智慧教室的研究將對更加集中在應(yīng)用模式的探索、應(yīng)用效果的評估等方面，以前沿的信息技術(shù)手段，結(jié)合用戶的需求，個性化定制學(xué)習(xí)方案。

2 5G與智慧教室

2.1 5G概述及特點

前面說到，智慧教室的發(fā)展是以前沿的信息技術(shù)手段，結(jié)合用戶的需求，個性化定制學(xué)習(xí)方案。5G時代的出現(xiàn)，恰好為智慧教室的發(fā)展帶來了新的機遇[2]。5G指的是第五代移動通信系統(tǒng)，相比4G的最高網(wǎng)速 100兆每秒而言，5G的巔峰網(wǎng)速則是10GB每秒，5G與4G的區(qū)別不止于數(shù)百倍的網(wǎng)速差這么簡單，它的極廣覆蓋面、極低延時等特點也是4G所不可企及的。

5G的特點除了高速度、覆蓋面廣、極低延時外，萬物互聯(lián)、低功耗、重構(gòu)安全體系也是其重要特點。高速度有多高，舉個直觀的例子，下載一部高清影片只需1秒的時間；覆蓋面廣體現(xiàn)在信號覆蓋包含人跡罕至的深山老林、信號不好的地下室等地方；5G極低延時體現(xiàn)在延時不高于1毫秒，這將有利于無人駕駛技術(shù)打破因網(wǎng)絡(luò)延時高而研究停滯的情況，有利于AR/ VR的應(yīng)用因延時導(dǎo)致的暈眩情況的改善；萬物互聯(lián)體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)連接的用戶終端不再局限于手機、電腦等電子產(chǎn)品，有可能是你家的微波爐或是晾衣桿；5G的低功耗這一特點將有利于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，目前很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都因功耗高帶給用戶極差的體驗感，未來將會有所改善；5G的重構(gòu)安全體系將會大大提升互聯(lián)網(wǎng)的安全系數(shù)，如安全得不到保證，那么新機制和新體系的建設(shè)就很難完成。

總之，隨著5G技術(shù)的到來，在云數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)的驅(qū)動下，智能化應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒂瓉硇碌臋C遇，智慧校園、智慧醫(yī)院、智慧辦公等應(yīng)用場景將真正實現(xiàn)智能技術(shù)的實際落地。

2.2 5G與智慧教室建設(shè)相關(guān)的信息技術(shù)

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)顧名思義指的是通過信息技術(shù)將物品某些屬性接入互聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)控制物品的某些功能。那么，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧教室中起到了很大的作用，將多種管理系統(tǒng)化N為1管控，如教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、自動測溫系統(tǒng)、人臉識別考勤系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等。在智慧教室中，教師可通過手機端一鍵開啟教室大門、燈光、空調(diào)等設(shè)備，通過智能講臺上“一鍵上課”按鈕啟動教學(xué)所需的投影、音響、電腦、幕布等教學(xué)設(shè)備。5G賦能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅在智能化管理教室的各類系統(tǒng)中提升了教學(xué)管理的效率，5G的低功耗特性也幫助相對節(jié)約了教室的部分能耗。

圖1 智慧教室物聯(lián)網(wǎng)管控

2.2.2 云計算與云存儲

5G能夠在極短的時間內(nèi)傳輸大量的數(shù)據(jù)，幾乎無感知的延時，為云計算和云存儲打下了良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。那么，對于智慧教室而言，要實現(xiàn)高效的教學(xué)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智慧教室通常采用云桌面，教師通過計算機硬件設(shè)備直接調(diào)取云端課件等教學(xué)資源；多點互動智慧教室將各類終端通過互聯(lián)網(wǎng)進行云端數(shù)據(jù)傳送，大量的云計算及云存儲技術(shù)支撐各類課堂教學(xué)。

2.2.3 大數(shù)據(jù)

5G時代下，由于它的高速度及低延時的特性，網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)將在短時間內(nèi)大量增長，海量增長的數(shù)據(jù)為各類大數(shù)據(jù)需求方提供了豐富的數(shù)據(jù)來源。智慧教室中的人臉識別考勤系統(tǒng)可利用大數(shù)據(jù)分析學(xué)生的考勤情況；能耗管理系統(tǒng)可利用大數(shù)據(jù)分析教室中的能耗情況；教師可利用學(xué)生在智慧教室中采用信息化設(shè)備互動留下的各類學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)情況等；此外智慧教室中的自動測溫系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，也可以根據(jù)云端的存儲大數(shù)據(jù)按需分析，得出相應(yīng)的結(jié)果，實現(xiàn)智能化服務(wù)。

2.3 5G賦能下的智慧教室場景應(yīng)用

智慧教室中利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算和云存儲、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)實現(xiàn)智能化教學(xué)及管理，而根據(jù)不同的教學(xué)需求又會將智慧教室劃分多種場景應(yīng)用類型，常見的三種智慧教室有精品錄播智慧教室、互動智慧教室、VR/AR智慧教室[3]。

2.3.1 精品錄播智慧教室場景應(yīng)用

精品錄播教室通常適用于多種場景教學(xué)，如：常規(guī)教學(xué)、開放式教學(xué)、專家講座、培訓(xùn)等。在精品錄播教室中，教師上下課時可利用多媒體控制終端一鍵開啟與關(guān)閉教學(xué)系統(tǒng)，教室中一般采用內(nèi)置OPS電腦的互動觸摸一體機，教師可利用教學(xué)平臺系統(tǒng)、教學(xué)視頻資源管理平臺等系統(tǒng)在云端調(diào)取教學(xué)資源。

教師上課時，可采用自動錄播系統(tǒng)一鍵錄播，IP全景攝像機全自動采集影像，無感知記錄課堂上課情況，課程錄制結(jié)束后，教師可根據(jù)需求利用系統(tǒng)中的自動剪輯功能剪輯錄制好的課程，如虛擬切片功能可在不破壞視頻原來的完整性的前提下，將視頻自動劃分知識點片段。此外可利用系統(tǒng)中的語音識別技術(shù)，將課堂上的講解和對話自動轉(zhuǎn)換為SRT字幕文件，教師可自行添加圖片或視頻在系統(tǒng)中快速合成片頭片尾，形成完整的精品課程。最后，教師可將錄制的課程借由 5G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器存儲。在云端可利用大數(shù)據(jù)分析，幫助學(xué)生在海量的音視頻教學(xué)資源中檢索出合適的資源，實現(xiàn)自主個性化學(xué)習(xí)。

2.3.2 互動智慧教室場景應(yīng)用

互動智慧教室通常適用于專業(yè)教育課程、實驗實訓(xùn)類教學(xué)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、小班教學(xué)等互動類教學(xué)。區(qū)別于精品錄播智慧教室的是，互動智慧教室可采用BYOD終端，如平板、PC、手機等利用5G無線傳輸與智慧教學(xué)系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。課堂上，學(xué)生通過自帶的BYOD終端，對學(xué)習(xí)過程中也可投屏互動分享學(xué)習(xí)內(nèi)容。

此外，多點互動教室可實現(xiàn)多校區(qū)數(shù)據(jù)交換，通過5G網(wǎng)絡(luò)學(xué)生可實現(xiàn)異地實時參與課堂互動教學(xué)，教師可實現(xiàn)異地了解遠程的學(xué)習(xí)情況，分享文件資料和觀點。互動教室的強大功能靈活實現(xiàn)了移動學(xué)習(xí)、遠程教學(xué)、資源共享、富媒體互動。

2.3.3 VR/AR智慧教室場景應(yīng)用

VR/AR智慧教室依托5G與虛擬現(xiàn)實技術(shù)建設(shè)，適用于思政教學(xué)、情景教學(xué)、實驗實訓(xùn)等沉浸式教學(xué)。VR/AR視覺體驗需要極高的帶寬支撐，否則視頻的清晰度無法達到要求，用戶會產(chǎn)生眩暈感。此外，只有在5G技術(shù)下，龐大的視頻傳輸數(shù)據(jù)得以在云端計算，否則很難實現(xiàn)VR/AR的極佳體驗。

教師采用VR/AR智慧教室教學(xué)，將一些無法現(xiàn)實搭建的場景，如歷史場景、危險場景以虛擬的形式呈現(xiàn)。教師也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容個性化搭建虛擬場景，如虛擬實驗室、虛擬機艙等，讓學(xué)生身臨其境的感受教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)效果。此外，在VR/AR智慧教學(xué)場景中，學(xué)生可自主選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，海量的學(xué)習(xí)內(nèi)容豐富多彩，有些還融入了游戲元素，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，寓教于樂的教學(xué)模式更能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)束語

5G、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的發(fā)展為教育行業(yè)帶來了更加智能化的教學(xué)環(huán)境[4]，雖然借助信息技術(shù)手段能提升一部分教學(xué)質(zhì)量，但絕不能忽視“人”這個第一要素，在教育教學(xué)中，教師要積極發(fā)揮主觀能動性，合理利用信息技術(shù)手段進行課程設(shè)計等教學(xué)活動，這樣才能真正發(fā)揮技術(shù)價值，進一步提升教育教學(xué)水平。