5G視域下的信息化教學(xué)模式探究

梁 涵，薛 珊

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 450000）

隨著“物聯(lián)網(wǎng)”“車聯(lián)網(wǎng)”的興起，移動通信迎來了“萬物互聯(lián)”的5G時代。5G正從經(jīng)典的流量服務(wù)模式向全要素生態(tài)鏈模式轉(zhuǎn)變，影響著人們生活、學(xué)習(xí)的各個方面[1]。5G憑借其eMBB、mMTC、URLLC三大應(yīng)用場景[2-3]，綜合大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、VR+全息投影等前沿技術(shù)，將更好賦能教育行業(yè)，加快互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進程，推動教育現(xiàn)代化2.0，助力教育公平化。

傳統(tǒng)智慧課堂將大量的教育資源放在云端，而終端和網(wǎng)絡(luò)之間主要傳輸控制信息M2M/IoT帶來的海量數(shù)據(jù)，4G已經(jīng)無法滿足。新的教學(xué)工具與載體的出現(xiàn)，比如全景模擬VR/AR和全息投影等，為學(xué)習(xí)者提供了前所未有的學(xué)習(xí)體驗，同時需從云端調(diào)用大規(guī)模數(shù)據(jù)和資源，其對云端和終端通信信道的要求極高。MOOC資源需要復(fù)雜的師生互動、生生互動、人機互動以及生成性資源的連接與分享。這些功能在4G環(huán)境下難以有效運行，讓接受者在使用過程中產(chǎn)生了諸多不舒適的體驗，無法發(fā)揮其優(yōu)勢。

5G的出現(xiàn)，以高速率（峰值速率大于20Gbps）、低時延（網(wǎng)絡(luò)時延1ms）、海量設(shè)備連接、低功耗（基站更節(jié)能，終端更省電）適應(yīng)了云計算時代的要求。對于云端新的高品質(zhì)視聽、教育資源，5G時代憑借高速率，實現(xiàn)單個客戶端服務(wù)模式向云端服務(wù)模式過渡，為海量云端資源充分運用提供了技術(shù)準備；5G網(wǎng)絡(luò)讓學(xué)習(xí)接收端打破了線下主機的限制，高速連接了云端海量的交互類虛擬仿真資源，為廣大學(xué)生提供了場景化的學(xué)習(xí)體驗、靈活的學(xué)習(xí)計劃和安排，有助于在現(xiàn)實中實現(xiàn)精準化、個性化學(xué)習(xí)。在5G時代，對于MOOC資源而言，高速率的通信網(wǎng)絡(luò)、強大超算系統(tǒng)、海量的云端資源、日新月異的人工智能，使得MOOC資源具備了深度支持遠程學(xué)習(xí)與教學(xué)的特性，更加大規(guī)模的個性化教育供給得以實施，將深刻改變現(xiàn)有的學(xué)習(xí)模式，對人類社會產(chǎn)生深遠的影響。

1 5G國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

歐盟早在2013年即成立METIS項目，后又成立5Gppp項目；韓國成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020（5G）推進組；日本無線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會在2013年10月設(shè)立了5G研究組，由NTTDoCoMo牽頭，其工作目標是研究2020年及未來移動通信系統(tǒng)概念、基本功能、5G關(guān)鍵技術(shù)、基本架構(gòu)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和推動國際合作。美國5G研究的主體，主要是學(xué)校、企業(yè)等科研機構(gòu)，貝爾實驗室已經(jīng)成為美國和歐洲共同的5G研究機構(gòu)。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

2009年華為開始研究5G，投入500多名工程師，遍布全球9個研發(fā)中心，聯(lián)合全球20多個頂級高校和科研機構(gòu)進行研究。2019年5月8日，好未來教育集團與中國電信北京分公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將在5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、雙師課堂、智慧教育等教學(xué)信息化領(lǐng)域展開全方位合作，共同探索未來課堂新模式，以教育信息化加快教育現(xiàn)代化與教育強國建設(shè)。

2022年3月19日，上海市發(fā)布《5G應(yīng)用“海上揚帆”行動計劃（2022-2023年）》。計劃提出，重點開拓5G+智慧醫(yī)療、5G+智慧教育、5G+文化旅游、5G+長三角智慧航運一體化“四大新興賽道”。

在這樣的信息化大背景下，5G助力教育，促使教學(xué)方式、手段的變化，已經(jīng)成為一種趨勢。

2 5G應(yīng)用于教育的關(guān)鍵技術(shù)和支持的數(shù)學(xué)模型

從以下的香農(nóng)定理角度來看，移動網(wǎng)絡(luò)高速率相關(guān)的信道容量，由以下幾個因素決定：小區(qū)，信道，寬帶，信噪比。

從上面的公式可看出，5G的性能實際需要從增加覆蓋、增加信道、增加寬帶和增加信噪比等幾個途徑一起入手，相關(guān)技術(shù)包括增強覆蓋技術(shù)、頻譜提升技術(shù)、頻譜擴展技術(shù)和能效提升技術(shù)等，在這些核心技術(shù)催動下助力應(yīng)用于教育的各項技術(shù)[4]：①基于5G時代，互聯(lián)網(wǎng)通信速率有了質(zhì)的提升，現(xiàn)實模擬技術(shù)的進步，通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動態(tài)易擴展且經(jīng)常是虛擬化資源的云計算技術(shù)；②遠程全息投影式的立體云VR/AR；③通過多種天線對無線網(wǎng)絡(luò)信號進行同步收發(fā)，通過多天線的合力來提升信號收發(fā)效果的MIMO技術(shù)；④通過提高基站部署密度來完成的超密集組網(wǎng)技術(shù)；⑤借助標準IT虛擬化技術(shù)，對結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、操作日漸煩瑣的硬件設(shè)備進行整合與優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)。

在5G技術(shù)的快速發(fā)展下，5G助力教育必然開啟新篇章。

3 5G視域下的互動教學(xué)模式

以5G的高速率、低時延、海量設(shè)備連接、低功耗為基石，利用云計算、人工智能、機器學(xué)習(xí)、計算機視覺、物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)等，集終端、應(yīng)用系統(tǒng)、平臺、內(nèi)容于一體，改變著教學(xué)模式的方方面面：

3.1 課堂可視化實時互動交流

通過5G的高速率、低延時，可以大大縮短下載延遲時間，擴大課堂中混合現(xiàn)實內(nèi)容和視頻的容量[5]，打破了空間的限制，在全息投影技術(shù)的幫助下，讓教師學(xué)習(xí)發(fā)起方可以同時出現(xiàn)在相距遙遠的兩個課堂，北京和四川涼山可以接收到同品質(zhì)的教育和課程，利用5G如此低的滯后時間，現(xiàn)實和虛擬教室的師生可以實時互動交流。同時還可把課堂之外的實景現(xiàn)實模擬技術(shù)，借助于云VR直接嵌入到課堂教學(xué)的環(huán)節(jié)當中，讓學(xué)生感受到立體、身臨其境的學(xué)習(xí)體驗，在這種課堂所形成的課堂場景與外界場景之間全方位、立體化地互動，對學(xué)生學(xué)習(xí)方式和教師教學(xué)方式帶來的影響是深遠的。

3.2 實現(xiàn)雙師課堂，促進教育均衡發(fā)展

在5G視域下，傳統(tǒng)的教師教學(xué)也會發(fā)生改變，更多的學(xué)校會出現(xiàn)雙師課堂，可以把全世界的優(yōu)質(zhì)課堂資源通過清晰的全息影像，云VR的高速傳輸，立體效應(yīng)，帶給學(xué)生身臨其境的感覺，學(xué)生就像置身于另一個課堂，享受優(yōu)秀的教學(xué)資源，參與實驗和探索活動，和老師進行實時互動。而學(xué)校老師則輔助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的正常進行，負責給學(xué)生答疑解惑，講解重難點，布置作業(yè)，處理各種課后習(xí)題，并指導(dǎo)后進生轉(zhuǎn)化等。基于5G高可靠、低延時的特點，這種課可以發(fā)揮線上、線下兩個老師的優(yōu)勢，有效提高課堂效率及教學(xué)質(zhì)量，使不同地域的學(xué)生能夠享受同等的優(yōu)質(zhì)教育資源，實現(xiàn)教育的均衡發(fā)展。

3.3 實現(xiàn)定制化教學(xué)模式，達到教師、課程與學(xué)生的最優(yōu)智能匹配

在5G云計算平臺上將大量的教學(xué)資源上傳至云空間進行存儲，通過5G下的超算系統(tǒng)和云計算將云端資源、海量教學(xué)進行課程模塊化；根據(jù)5G的海量設(shè)備連接特性將各種終端設(shè)備獲取到的關(guān)于學(xué)生知識儲備、學(xué)習(xí)習(xí)慣、接收程度等學(xué)習(xí)因素通過云計算進行大數(shù)據(jù)智能量化，線性分析。利用5G高速率、低時延、海量設(shè)備連接、寬信道的特點溝通雙方資源，智能匹配和選擇。學(xué)生學(xué)習(xí)不再拘泥于一個老師、一個課程安排，打破時間和空間限制，打破黑板平面、二維教學(xué)輸入，可為學(xué)生提供一個三維立體全息投影式的場景體驗和學(xué)習(xí)過程，仿佛學(xué)生置身于真實課堂。全過程根據(jù)學(xué)生個人學(xué)習(xí)運用、發(fā)展進度、照顧學(xué)生個性化要求。

線上現(xiàn)實場景反饋修正，不能完全將教育交給云計算，相對應(yīng)線下需要建設(shè)輔導(dǎo)員體系，輔導(dǎo)員要負責學(xué)生心理引導(dǎo)，更快進行人機重配，適時調(diào)節(jié)學(xué)生心理。線下輔導(dǎo)員要積極把學(xué)生個人反應(yīng)及時反饋給系統(tǒng)，同時監(jiān)督學(xué)生線下紙質(zhì)作業(yè)完成、實際場景操作、跟蹤學(xué)習(xí)效果、及時反饋給系統(tǒng)，提出建議，找出最優(yōu)課程安排。

3.4 實現(xiàn)精準大數(shù)據(jù)分析，智能刻畫學(xué)生“畫像”

在5G定制化的教學(xué)模式下，學(xué)生能根據(jù)自身特點匹配出適合自己的老師和課程，能和老師進行全方位的全息互動交流，有利于學(xué)生的個性化發(fā)展和教育的因材施教。在5G時代，互聯(lián)網(wǎng)可以連接的終端設(shè)備越來越多，從各個終端設(shè)備上獲得的信息也會增多，教與學(xué)在網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，在云平臺可以把課內(nèi)與課外、線上與線下、現(xiàn)實與虛擬等諸多場景中的痕跡和數(shù)據(jù)完整傳輸、記錄和保存。通過對這些數(shù)據(jù)的分析和線下觀察評估，對學(xué)生的畫像就會越細致、越精確。線下的教師和網(wǎng)上系統(tǒng)可以借助于5G的高速率和云平臺，通過學(xué)生對應(yīng)的“像”，對學(xué)生有更深刻、全面的了解，有助于做到真正意義上的因材施教，有助于對學(xué)生客觀的教學(xué)評價。

3.5 實現(xiàn)復(fù)雜、高風險教學(xué)場景的課堂再現(xiàn)

5G視域下，云VR可以應(yīng)用于教學(xué)場景的課堂再現(xiàn)：一是可以模擬現(xiàn)實生活中風險比較高，耗用成本比較昂貴的教學(xué)培訓(xùn)，比如：飛機、汽車的駕駛和拆裝教學(xué)等，增強學(xué)生的實際操作能力，課堂更貼切于實際，服務(wù)于生活；二是可以使消防、地震等災(zāi)害場景在課堂上實現(xiàn)模擬演習(xí)再現(xiàn)；三是具有天然“VR屬性”的科普教學(xué)，比如：深海、太空、博物館展覽、史前時代等場景的生物方面的科普教學(xué)，可以利用VR帶來的視覺沖擊，使學(xué)生更全面地把握知識[6]。

3.6 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間學(xué)習(xí)的無縫場景切換

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間在學(xué)校教育中越來越普遍，但納入空間的學(xué)習(xí)應(yīng)用都是一個個類似“蜂窩”的、具有獨立“通道”的，它們之間不能打通，學(xué)習(xí)應(yīng)用中的知識點之間也不能相互銜接。但是，實踐遇到的問題一般都是綜合的、復(fù)雜的，需要學(xué)生在獨立學(xué)習(xí)思想碰撞中萌發(fā)創(chuàng)新思維，逐漸生成創(chuàng)新能力。因此廣域的學(xué)習(xí)和靈活無縫的場景切換更加符合創(chuàng)新時代的要求[1]。

在5G時代利用云卡片技術(shù)，學(xué)習(xí)應(yīng)用注入5G學(xué)習(xí)空間之后，在算法和高速率信道幫助下即可耦合通聯(lián)，形成學(xué)生學(xué)習(xí)的智能個性化界面，學(xué)生在界面上通過系統(tǒng)人工智能的幫助，調(diào)取適合自己的各種應(yīng)用進行學(xué)習(xí)，自由進行切換，保證學(xué)生認知和思維的流暢性，而不必擔心從這個應(yīng)用進入，從那個應(yīng)用出來，產(chǎn)生了思維中斷，打破學(xué)科的限制，為學(xué)生展現(xiàn)一個完整的世界[7]。

4 結(jié)語

高速發(fā)展的移動通信網(wǎng)絡(luò)，帶來的不僅是生活上的變革，還帶來了一場學(xué)習(xí)革命。其中，基于“5G+云VR+智慧教育”將開啟一種全新的教學(xué)模式，這種教學(xué)模式融合云計算、人工智能、機器學(xué)習(xí)、計算機視覺、物聯(lián)網(wǎng)與傳感技術(shù)等，實現(xiàn)了全息投影式可視化實時互動智慧課堂，均衡了教育資源，實現(xiàn)了學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，使學(xué)生隨時隨地都能享受流暢的學(xué)習(xí)體驗，推動了教育信息化2.0的實現(xiàn)，為教育事業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。