虛實結合的《移動通信》在線課程設計與實踐

黃巧潔，劉沛強

(1.廣東農工商職業技術學院，廣東 廣州 510507；2.廣東宜教通教育有限公司，廣東 廣州 510663)

1 引言

高職擴招后生源多樣化，學習場所分散化。此外，由于氣候危機或其他不可抗力因素影響，導致實體學校停止線下教學，改為線上教學屢有發生：如北京在2015、2016年就因霧霾停課而轉為采用遠程在線教學；再者，全球新冠肺炎疫情不斷惡化，“外防輸入、內防反彈”防控政策常態化，國內散發疫情時有發生，導致部分地區緊急停止線下授課。上述兩大因素加速了在線教育的發展，高質量在線教育成了不少學生和家長的剛需。高等教育未來主義者布萊恩·亞歷山大認為，在線教學是滿足各群體學習需求而實現教育公平的重要形態[1]。如何開展高質量在線教學是未來的研究熱點，是“促進優質資源共建共享”的具體措施落腳點之一，是落實《中國教育現代化2035》《加快推進教育現代化實施方案(2018—2022年）》等文件關于“加快信息化時代教育變革”的具體體現[2]。

2021年4月，Educause發布《2021地平線報告：教與學版》首次將“高質量在線教學”納入影響未來高等教育教學的六項關鍵技術和實踐之一[3]。高職擴招生源多樣化、新冠肺炎疫情等因素影響，緊急在線教學應向高質量在線學習轉型，設計高質量的學習資源，確保在線教學的可持續發展。《2020地平線報告：教與學版》指出，擴展現實技術（增強現實/虛擬現實/混合現實/觸感技術）是影響全球高等教育教學的6項新技術與實踐之一[4]。遠程在線教育急需結合最新技術實現提質增效，實現在線教學的全方位變革。廣東某高職院校1項針對14029名非畢業班學生的線上教學調查顯示，93.75%的學生對遠程在線教學持認可態度。但在對于教師線上教學資源所需提升之處的調查中，39.72%的學生認為需要提升課程PPT課件，29.57%的學生認為需要提升音視頻材料，23.71%的學生認為需要提升相關文獻材料，7.00%認為需要線上作業，如圖1所示。因此，在開展線上教學時，教師應更加注重在線課程資源建設，運用最新技術手段提升各種學習資源的質量，提升駕馭遠程在線教學的能力，從而確保遠程在線教學質量。

圖1 教師線上教學資源所需提升之處

融合增強現實技術的虛實結合的遠程在線教學，通過在現實環境中疊加虛擬的三維信息，給在線學習者提供超越現實的多感官交互體驗，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，是提高遠程在線教學質量的重要手段，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。基于增強現實的遠程在線資源開發主要有兩種方法：一是全新開發基于增強現實技術的在線課程，該方法要求開發者熟練掌握相關課程內容和相關增強現實開發工具，難度大，需要協同各方資源進行聯合開發；二是在傳統精品資源共享課/精品在線開放課程平臺的基礎上，利用增強現實技術開發若干虛實結合的虛擬可視化教學資源，取代傳統課程資源的一個或若干部分，從而實現傳統在線資源的轉型升級，是研究者普遍采用的手段，該方法能最大化利用原有平臺的資源，見效快[5-6]。

2 5G有力支撐虛實結合的遠程在線教學

2020年上半年，受新冠肺炎疫情影響，全國各級各類學校都按照“教學要求不降低，教學標準不降低，教學質量不降低”的總要求開展線上教學。然而，實際操作過程中仍存在一些問題，如廣東某高職院校關于線上教學調查顯示，在遠程教學過程中或多或少存在一些問題：87.65%的學生曾遇到過網絡不通暢，66.68%的學生報告網絡教學中存在有雜音，其他問題有：開麥會有回音(46.12%)、看不清畫面(31.85%)、會自動退出網課頁面(32.64%)等，如圖2所示。

圖2 遠程在線教學中存在的問題

隨著5G網絡的規模化部署及普及，5G通信超高傳輸速率、超低時延的特征，使得在線教育不再卡頓、網絡連接不暢等問題不復存在，打破了遠程在線教學的時空限制，徹底打通了遠程在線教學的“最后一公里”問題。充分利用5G網絡技術優勢，將會給學習者帶來更快、更好、更流暢的體驗。主要原因如下：一是網絡承載統一，學校不需要部署多種網絡；二是超高帶寬，保證了遠程在線教學的畫面效果；三是速度更快，延時更低，保證遠程在線教學時，學生能毫無延遲感知課堂畫面，并進行實時交互；四是在教育上催生新的應用場景，如VR、AR實驗環境、智能教學系統等[7]。

隨著專業學院、現代學徒制、三二分段等高職擴招試點項目的開展，學生往往不在高職院校學習，在人才培養過程中可能存在教學點缺少教師、課程開設不齊等難題，衍生出對雙師課堂遠程教學的需要，5G邊緣計算技術保證了雙師課堂的低時延互動，5G網絡切片技術可提供雙師專網服務，真正將遠端聽課學生打造為名師側的一個近端模塊，從而提供雙師課堂的沉浸感用戶體驗。在遠程教學過程中，基于5G的大帶寬、低時延等特性，將增強現實AR教學內容上云端，利用云端的計算能力實現AR應用的運行、渲染/呈現等，并將AR畫面和聲音高效編碼，從而形成音視頻流，并利用網絡傳輸到終端，可在遠程教學中將教學內容體驗從2D躍升到3D，形成栩栩如生的三維交互式教學場景，將抽象的概念、理論和實驗操作更加直觀、形象地展示在學生面前，寓教于樂，助力學生提升對知識的認識和理解，有效提升學生的知識遷移能力和學習興趣，更好地促進工學結合等實踐教學模式的變革。

3 虛實結合的《移動通信》遠程在線教學資源設計

為了解決《移動通信》課程教學中新技術不斷涌現、課程教學內容多、學時緊張、專業理論與實踐脫節等突出矛盾，利用增強現實輔助教學手段，化難為簡，化繁為簡，將抽象化為直觀，設計了“虛實結合、云端協同”的《移動通信》遠程在線教學資源，有效解決學校及相關教學點存在的設備更新滯后、實訓難等短板，更好地滿足擴招生源多樣化對個性化教學的要求，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，實現“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，并滿足生源多樣化的遠程在線教學需要。

3.1 《移動通信》課程教學中的突出問題及解決方案

《移動通信》發展迅猛、課程內容更新快，教學中對于各種不斷涌現的新技術內容的講解，大部分采用灌鴨式教學，抽象、枯燥、比較難直觀呈現；此外，由于實訓條件的限制，有些實訓內容無法讓學生動手操作，如運營商不可能讓學生實地考察正在運營的基站并進行接線操作。可見，《移動通信》采用傳統教學方式很難保證教學質量，且學習缺乏靈活性，無法滿足高職教育生源多樣化所帶來的個性化學習的教學需求，也無法滿足終身學習的“互聯網+職業教育”需求。

針對上述問題，構建了“虛實結合、云端協同”的《移動通信》教學方案。虛實結合即把虛擬可視化融入課程教學的各環節，解決傳統教學方式抽象、枯燥等現實問題。具體做法如下：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，使課程學習變得更自由、靈活、快樂。云端協同即遠程在線課程學習與傳統課堂教學協同，通過在云中心部署精品在線開放課程平臺及相關虛擬可視化素材資料，并應用于傳統課堂教學端側，形成云端協同架構。該教學方案可針對不同生源分類施教、因材施教，助力學生與虛擬世界互動的過程中建構對所學內容的理解，解決《移動通信》課程教學與先進技術脫節、理論與實踐脫節等關鍵性問題，切實提升課程教學質量和人才培養質量。

3.2 教學內容及教學場景的虛擬可視化設計

通過前期已做好的《移動通信》精品在線開放課程，開發基于增強現實的教學資源并上傳網站，構成云端資源。教師上課時可在課堂端側直接訪問相關資源，學生在課外也可直接訪問網站進行在線學習，為了保證實時互動效果，建議通過5G網絡訪問資源，如圖3所示。

圖3 基于增強現實的云端協同架構

基于增強現實的資源開發是設計重點，需要基于學習環境整合學習內容，基于學習內容開發學習環境。選取《移動通信》的抽象概念、移動通信網系統設備、信令信號流程等進行動態演示，實現復雜設備結構和參數的可視化，實現超越現實事物感官體驗；也可設計AR實訓教學場景，將虛擬信息融入現實環境，實現真實環境的場景再造，不受場地、資源限制，教學內容更有彈性，使學生產生超越現實的虛擬體驗。具體設計時采用Unity2017.4.40三維交互制作平臺進行場景搭建，借助EasyAR開發工具包進行三維渲染、虛擬信息交互疊加及人機交互，設計《移動通信》課程中關于電磁波傳輸、圖像信息識別編碼與傳輸、基站系統部署等虛擬可視化展示場景

虛實結合的遠程在線教學資源將學習內容、學習環境有機融合為一體，是對傳統在線教學資源的優化創新，將增強現實資源部署到云端在線開放課程平臺，實現資源的升級改造。為了保證交互效果，學習者通過智能終端時，建議借助5G網絡進行在線學習。學習者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4、圖5所示。

圖4 虛擬可視化實現原理

圖5 遠程在線教學平臺工作原理

4 結束語

本文基于高職擴招專項中教學模式改革發展的需求，探索了5G網絡對高質量在線教學的支撐作用；以《移動通信》為例，構建云端協同架構，設計虛擬可視化互動系統，構建虛實結合的《移動通信》遠程在線教學平臺，克服傳統學習資源缺乏帶入感、真實感和沉浸感的缺陷，助力學生在與虛擬世界互動的過程中，建構對所學內容的理解，適應高職擴招新形勢背景下不同生源隨時隨處在線學習的需求，使課程學習變得更自由、更靈活、更快樂，輔以新型教學理念和教學模式，切實提升課程教學質量和人才培養質量，并滿足終身教育的需要。