“移動通信”課程虛擬可視化教學實踐

黃巧潔，劉沛強

（1.廣東農工商職業技術學院，廣東 廣州 510507；2.華迪計算機集團有限公司，北京 100195）

增強現實（AR：Augmented Reality）是利用計算機圖形技術和可視化技術，借助顯示設備將虛擬對象與真實環境融為一體，提供了一種接近真實、便捷的教學方式。將AR 技術應用于“移動通信”課程教學，用虛擬的、直觀的三維場景及設備構建校企跨界合作、教學環境與工作場景結合的教學實踐內容，可以快速縮短教學與5G 新興技術的距離，能有效解決教學資源不足的難題，有效提升學生的學習興趣和信息化素養，促進工學結合等實踐教學模式的變革。以“移動通信”為典型課程開展研究，緊跟國內外高等職業教育理論研究與改革實踐前沿，基于虛擬可視等信息化手段探索國內高職教學模式改革實踐，體現國家對高職教育發展的新精神、新要求，賦予“互聯網+職業教育”新的內涵。

一、國內外增強現實教學應用研究

（一）國內增強現實教學應用綜述

沈克在基于增強現實的大學計算機基礎課程教學研究中，討論了增強現實技術在大學計算機基礎教學中應用的可行性[1]。張連峰提出基于虛擬現實技術構建虛實結合校內實踐教學基地的基本思路[2]。李青等開展了基于“微波技術與天線”課程的移動探究性實踐學習活動[3]。陳錦錫在高職院校船機電專業教學過程中，基于虛擬現實技術設計開發虛擬訓練系統，滿足高職院校船機電士官專業教學訓練需求[4]。張向燕等以APP 的形式將增強現實技術應用于“機械原理”教學中，為師生帶來極大便利[5]。汪成等提出利用增強現實解決大學物理實驗課問題的新思路[6]。徐男等開發了用于數值優化教學的交互式輕型增強現實教學系統，有效提升學習效率[7]。國內基于增強現實教學設計的研究起步比較晚，特別是針對高職院校相關學科開展的研究更晚，雖然目前已取得一些成果，但仍需在與高職課程結構相匹配的基于工作過程的虛實結合交互性上進行積極的實踐與探索。

（二）國外增強現實教學應用綜述

國外對于增強現實技術教學應用研究主要集中在教學場景的創造、教學實驗的模擬等。哥倫比亞大學計算機圖形與用戶界面實驗室研發了增強現實維修系統來輔助新兵學習，能夠通過數據內容的指導在實際操作過程中快速掌握裝甲車的維護等技能[8]。Hsiao 等開發了一個增強現實的天氣系統Weather observers，可以幫助學習者學習地理學科中關于大氣系統的知識[9]。Santos 等將AR 技術融入詞匯教學程序中，學習者通過掃描實景可以獲得相關的詞匯進行學習[10]。哈佛大學的Eco Mobile 實驗室將AR 技術用于環境科學戶外教學實踐中，有效提升學習者興趣和主動探索的積極性[11]。新加坡國立大學將AR 技術運用在大學物理實驗中，利用AR實驗的雙向知識構建過程，助力學生對知識的理解與應用[12]。歐洲列支敦士登大學將AR 技術運用到數學展覽中，有效輔助學習者在非正式學習環境中的知識構建過程[13]。西班牙馬德里卡洛斯三世大學和委內瑞拉西蒙玻利瓦爾大學將AR 技術應用在電磁學的實驗教學中，大幅提升學生的學習愉悅性和滿足感[14]。國外增強現實在教育的應用研究比較早，也取得了很大的成功，但尚無基于增強現實的“移動通信”虛擬可視化實踐案例可循。

《國家職業教育改革實施方案》等文件指出加快信息化時代教育變革，利用現代技術加快推動人才培養模式改革。AR 技術與具體的課程教學應用結合，在教學情境的創設、教學實驗的模擬、教學活動的組織等方面將進一步豐富課堂教學實踐，能夠提高學生的學習興趣，并且對教學效果有正向促進作用。國家“十四五”規劃綱要提出了加快5G 網絡規模化部署，前瞻布局6G 網絡技術儲備，在未來十年將迎來移動通信技術發展的黃金時期。本文以新一代移動通信技術為例，基于增強現實開展“移動通信”課程虛擬可視化輔助教學，利用現代信息技術進行5G 新技術課程教學實踐，對保證教學質量，提高教學效率具有重要意義。

二、“移動通信”課程開展虛擬可視化教學的可行性分析

（一）“移動通信”課程教學與實踐面臨的挑戰

當代信息技術發展迅猛，新技術層出不窮，受學時、教學設備等影響，高職教育中課堂教學與實踐面臨新的挑戰，具體表現如下：

1.課程內容與學時之間的矛盾突出，傳統教學方式很難保證教學質量

以OBE 成果導向的課程開發與學習成效評量機制對傳統教學模式產生巨大沖擊。“移動通信”涉及移動通信基本技術原理和現網運行的各代移動通信系統及其演進技術，如2G（GSM、GPRS）、3G（WCDMA、TD-SCDMA 和CDMA2000）、4G（TD-LTE和LTE FDD）及5G。高職擴招后生源多樣性也對傳統的集中式課堂與實踐教學帶來新的挑戰。受學時的限制和新技術的不斷發展，采用傳統的僅以課堂教學為主的教學方式，學生學習方式缺乏靈活性，抽象、枯燥、比較難直觀呈現，很難保證教學質量，無法適應現代職業教育的生源多樣化的特點，無法滿足個性化學習的教學需求以及終身學習的“互聯網+職業教育”需求。

2.在特殊實訓操作中，實踐教學條件受限

“移動通信”實訓教學涉及一些危險系數大的實訓教學任務，如涉及高空作業的基站安裝與維護，出于安全因素考慮在教學實踐過程中往往被忽略，但這些實訓任務在企業實戰中至關重要，造成了教學實踐與企業生產實踐的脫節。

（二）開展虛擬可視化教學的可行性分析

1.AR 展現5G 新技術，帶動學生創新思維的培養

將分立3D 可視化素材模型有機整合為可視化課程，構建實時互動教學平臺。通過虛擬可視化呈現，為虛擬世界和真實世界的接軌提供空間，在與虛擬世界互動的過程中助力學生理解抽象的知識內容，滿足學生對教學的個性化需求，實現“做中學、做中教”“以學生為中心”等現代職教理念有機融合，達到“資源體系重構化、資源組成碎片化、內在邏輯合理化”的輔學輔教目的，使課程學習變得更自由、靈活、快樂，克服了傳統教學課堂沉悶、抬頭率不高、學生高階能力培養不足等問題，切實提升課程教學質量和人才培養質量。

2.基于虛擬可視化課堂教學交互體驗模式，加強學生的參與度

基于增強現實的虛擬可視化教學是“情景教學、工作過程導向教學、線上線下混合教學”的一種有機結合。基于增強現實的虛擬可視化正賦予新時代教育現代化更多新的內涵。從當前現狀分析，在未來的教學中采用虛擬可視化的方式輔助教學尤為重要，不但能提高學生的參與度，激勵學生進行知識構建，培養學生動手動腦的能力，而且使學生以最少的付出得到最大的學習效果，提高學生滿意度與注意力。

三、“移動通信”課程虛擬可視化的探索實踐

圍繞虛擬可視化輔助教學模式，結合移動通信課程特點，優化“移動通信”課程體驗式課堂教學內容，整合出與課程體系結構相匹配的基于工作過程的虛實結合的教學方法。

（一）重構5G 智能背景下“移動通信”課程的教學內容

以移動通信基本知識和基本能力的培養為核心，結合虛擬可視化呈現方式和高職學生特點，將生產和生活常用實例作為載體引入到教學過程中，優化“移動通信”課程結構與教學內容，完善課程資源，探索以直觀虛擬可視化方式呈現深奧抽象的理論知識，解決課時少與內容多的突出矛盾，搶占制定課程標準的制高點，為5G 智能背景下虛實結合的“移動通信”教學實踐提供鮮活實例。經優化調整后的“移動通信”課程結構與教學內容設計為三大模塊“基礎-系統-工程”，圍繞三大模塊，設計了十大任務。教學氛圍盡量模擬企業環境，體現工作任務。移動通信基礎和移動通信系統兩大模塊八大任務使學生全面掌握移動通信的組網與結構；移動通信工程模塊使學生初步具備系統安裝、調試與優化能力。通過三大模塊的學習使學生全面掌握移動通信系統的建網工作流程，如圖1 所示。在組網及系統安裝調試部分教學實踐過程引入了虛擬可視化相關呈現方式輔助教學。

（二）虛擬可視化的“移動通信”實時互動系統設計

根據課程內容，選擇關鍵部件構建3D 可視化模型部件，如基站系統、核心網設備等，并逐步積累完善，建立虛擬可視化素材庫。采用Unity2017.4.40三維交互制作平臺和AR SDK 引擎，將3D 可視化模型部件構建出可視化系統，將分立的素材模型有機整合為可視化課程，實現與學生實時教學互動，從而對真實情境下所需要的技能進行訓練。通過攝像頭圖片采集、圖像特征計算、圖像特征匹配與識別，尋找相關聯的顯示教學資源虛擬素材，將虛擬信息與現實環境疊加，輸出虛實結合的場景（如圖2所示）。

（三）虛擬可視化的教學實踐

1.在廣東省青年教師教學大賽的實踐

運用增強現實構建了虛擬可視化輔助教學場景，筆者在廣東省高校（高職）青年教師教學大賽的教學絕活展示中，直觀展示了基于移動通信進行圖像信息識別編碼與傳輸過程，綜合成績獲得了省級決賽一等獎（如圖3 所示）。

2.在“移動通信”課程教學上的實踐

在本校2020 級現代通信技術專業不同班級分別開展“移動通信”常規教學和虛擬可視化教學。其中，常規教學班采用常規教學法，實驗班采用虛擬可視化輔助教學。實驗班授課時，在基站的安裝與調試、核心網關鍵設備等內容中，通過三維虛擬化全方位展示了設備的外形構造。特別是在基站安裝部署設計中，與實景地圖融合，綜合模擬選址、建站的全過程。圖4 展示了不同場景下基站系統的部署樣例，使學生迅速了解不同場景下基站系統部署的差異，這種基于工作過程的虛實結合的教學方法在課堂中獲得了學生肯定。

四、“移動通信”虛實可視化教學評價

（一）質量評價

為準確分析增強現實對學生學習成效的影響，對上述常規教學班和實驗班在課程結束后通過考試驗證學生的學習成效。實驗班平均成績為78.2分，常規教學班平均分為73.0 分，各分數段占比如圖5 所示。采用增強現實的實驗班在平均分、及格率、優良成績占比等均明顯優于常規教學班，說明基于增強現實的虛擬可視化教學能有效提高教學效率，促進學生學習。

（二）教學評價

在課程結束時，對上述班級進行問卷調查，了解學生對本課程實施虛擬可視化教學的整體評價。實驗班統計結果顯示高達91%的學生對實施虛擬可視化教學感到滿意，明顯高于常規教學班79%的教學滿意度，如圖6 所示。但有個別學生對實施虛擬可視化教學不滿意，這可能與個別學生對虛擬可視化接受程度有關，需要教師進行積極摸索，改進教學方法，對學生進行積極的引導。通過教學評價，促進教師不斷提高教學技藝，激發學生不斷提高學習興趣及學習積極性，為社會培養高素質的技術技能人才。

五、結論

本文以現代通信技術專業的核心課程“移動通信”為例，結合5G 智能背景下移動通信技術的最新進展，深入開展虛實結合的教學探索，優化教學過程，提高教學質量和效益；提升學生信息化素養，適應信息時代的學習方法；增強學生終身學習的意識，提高創新、創業能力；為實現質量型擴招提供新型教學模式的落地措施。