基于5G+AI環境下高職實訓教學智慧課堂的探索*

龐新苗 ， 張若鋼 ， 易躍洋 ， 李志成

（湖南國防工業職業技術學院，湖南 湘潭 411207）

1 高職智慧課堂建設的機遇

1）隨著“工匠精神”“大國工匠”理念地位的提升，國家越來越重視職業技術人才的培養。然而不同于傳統的理論知識課堂教學形式，實訓教學（技能操作類教學）的重要組成部分是老師技能動作的言傳身教和學生對操作的不斷練習、糾錯和熟練等。實訓教學由于學生觀摩空間有限，生生間/師生間技能操作與傳授造成了諸多教學不便，教師在示范和演示某一技能操作時，不是所有的同學都能同時很清楚和直觀地學習和掌握，老師難以同時觀察所有學生的練習動作，進行實時指導糾正，不利于學生實時、快速、生動地掌握各種技能知識。

2）進入21世紀以來，依托海量數據、大規模計算，人工智能（AI）獲得了飛躍式發展，深度學習模型的提出，更是直接驅動AI在圖像識別、語音識別、自然語言處理等方面取得眾多技術突破。結合“5G”通信技術數據傳輸速率高達10 Gbit/s、網絡延遲低于1 ms和百萬級超大連接的特點，相對于4G，5G 技術具有更強的關鍵性能力：傳輸峰值速率達到20 Gbps、用戶體驗數據率達到100 Mbps。5G+AI將實現教學場景大量、實時、生動易懂地展現，也給實訓教學（技能操作類教學）方式帶來了更多的可能性。

3）在這種時代背景和學校實訓教學面臨的現實問題下，研究如何以音視頻技術和交互式技術應用為核心，以學生技能提升為中心的5G+AI智慧課堂整體解決方案（主要包含示范教學、仿真實操、教學數據分析、教學視頻比賽錄轉播、實訓課程資源庫等功能），以實現高職院校實訓教學智慧化需求尤為重要。

2 國內外的基本研究狀況

1）隨著我國信息化發展進程的加快，對于智慧教育的研究受到越來越多學者的重視。有學者指出，智能化技術促發了教育系統的“形變”，而智慧教育則將引發教育系統的“質變”[1]。2018年4月教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，其中指出要實現教育信息化2.0應啟動“智慧教育創新引領行動，完善課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容”。為響應國家有關人工智能科普教育的政策，各地都在建立“人工智能科普教育示范校”，將人工智能課程納入常規教學，推動5G+AI智慧課堂的方案落地。關于5G環境下的智慧課堂研究，李玉強[2]提出了5G背景下智慧校園的建設趨勢主要在多應用場景的智慧教室、云智慧平臺方面。蔡蘇等[3]開發了5G環境下的多模態智慧課堂實踐案例——“彩虹的秘密”，通過多模態資源整合、多模態互動、多模態評估的多模態智慧教學方式，利用5G高帶寬、低時延、大連接的技術特性，接入VR/AR/MR設備、全息投影、智能白板、移動終端、智慧學習筆等多種形態的智聯終端和教育裝備，實現多種軟硬件設備間的無縫互聯、協同工作，為學習者提供沉浸式的實時學習體驗[4]。相關數據顯示，僅2012—2017年，就有195位作者發表1篇關于智慧教育教學的論文；發表2篇關于智慧教育教學的論文的作者有28位。可見在我國有很多學者在研究智慧教學，而關于智慧教育主題的文獻數量在2018年也在持續增長。

2）國外智慧教育研究起步較早，信息技術與教育教學深度融合，經驗相對豐富，能夠為解決我國智慧校園建設中存在的突出問題提供有益思路。國外一流大學關于智慧教育的建設進入了一個全新的高度，以實現學校有效的IT治理為目標，例如在智慧教育建設排名第一的麻省理工學院，在建設時明確設立校級首席信息官職位和辦公室，并根據應用服務建立不同的分支部門，形成了決策、管理、服務三位一體的機構職能。斯坦福大學和劍橋大學的信息化組織機構最為健全，其中，斯坦福大學設立了CIO辦公室、戰略服務部、企業技術部等7個部門；劍橋大學除上述7個核心部門外，還設立了負責全校信息化頂層設計的架構部和負責校級核心業務的大項系統部。國外一流大學在建設智慧教育時都不再是建設單一的智慧教室來滿足某一教學功能，基本實現了從IT管理向IT治理的轉變，并將IT治理的核心觀念貫穿到各部門業務職能中，非常重視IT發展和大學整體愿景之間的關聯與互促。同時，深切意識到保護師生個人信息與教學科研成果信息安全的重要性，信息風險和安全管理已成為各高校共同的關注重點，為我國的智慧校園建設提供了很好的借鑒。

3 高職智慧課堂建設的目標

北京市高等教育學會在《中國現代教育裝備》期刊發表的《高等學校智慧教室建設技術要求》中明確：高等學校智慧教室建設應遵循教育部《高等學校數字校園建設規范（試行）》的總體要求，以“統籌、集約、綠色、發展、開放、共享、安全”為原則，根據實際情況按需建設[5]。新一代智慧教室將集多媒體教學、可視化教學質量管理、智慧課堂、網絡教學資源、多媒體設備網絡化管理于一體[6]。5G+AI環境下高職實訓教學智慧課堂主要目標是以5G+AI技術為基礎，聚焦人臉識別、行為分析、智能語音、視頻結構化、大數據技術與教學的深度融合，開發簡易平臺，打通人臉點名、考勤、教學錄轉播、行為分析、語音識別等應用壁壘，實現人臉點名考勤管理、課堂行為分析、示范教學、仿真實操、教學數據分析、教學視頻錄轉播、實訓課程資源庫、實訓回放分析[7]、場外實時指導等功能，滿足教師、學生等角色在技能傳授中的需求，探索建立以實訓教學為核心的5G+AI實訓教學智慧課堂整體解決方案，逐步整合“教”“學”“管”“評”的綜合功能[8]。通過智慧課堂的開發和升級，高職的實訓教學能達到以創新能力為導向，并融合相應的社會真實案例作為載體，提升學生的技能創新能力和實踐操作能力[9]，并適當將智慧課堂作為支撐延伸至整個教學過程。

4 高職智慧課堂建設的可行性分析

1）基于5G+AI環境的高職智慧課堂建設研究是符合當下職業教育培養大國工匠精神的，它適應我國職業教育的發展和要求，是深化教育教學改革，創新教育方法，探索多種方式形成各類拔尖技能人才的時代要求。

2）本研究具有很強的操作性和實踐性，又具有很強的創新性，既應用了當前最先進的5G技術，也結合了不斷融入教學的AI技術，符合湖南國防工業職業技術學院在職業教育的理念，而且該校在2017年就開始應用先進信息化技術教學，建設了基于AI技術的汽車虛擬仿真實訓室。

3）本研究以先進5G技術為基礎，聚焦人臉識別、行為分析、智能語音、視頻結構化、大數據技術與教學的深度融合，建立以課堂為核心的5G智慧教室整體解決方案，是5G技術和AI技術融合應用到教學中很好的案例。

4）在2020年初由于受新冠疫情的影響，各高校加速推動學院的信息化教學模式的改革，特別是線上教學的教、考、評一體的模式在不斷升級更新。

5 高職智慧課堂建設的內容研究

在高職院校專業實訓教學中，需要根據專業技能講授需求不同，探索如何在實訓教學中技能訓練前、訓練中和訓練后的全教學生命周期中，在各個環節適當選擇部署移動式、桌裝式、固定安裝式等多種前端設備，覆蓋近景拍攝、全景拍攝、音視頻錄制等能力。調用相應的操作行為數據包，通過AI算法實現操作動作流程的合規監測與評價。

合理利用以上通信技術和人工智能技術，總體的研究內容主要體現在以下幾個方面：首先，在實訓教學前能采用結合教學平臺的方法布置任務，明確重難點，適當地提供某些重難點的解決視頻，有效地引導學生自我學習。其次，實訓課堂教學全過程智慧化是本課題研究的主體，實訓教學設計為三大模塊，即技能訓練實操學習模塊、校內觀摩學習模塊、校外觀摩和專家實時指導模塊。具體情況為：1）在實訓室內技能操作講授模塊，通過在實訓室部署可實現移動式、桌裝式、固定安裝式等多種部署方案，滿足技能實訓過程中對操作的近景細節拍攝、全景拍攝、專業儀器圖像錄入、聲音采集、音視頻播放[10]、數據存儲、解碼投屏等功能的需求，最好能輔以行為判別，對危險動作加以警示。2）在校內觀摩學習模塊，在系統內部部署直播推流設備，用戶可以通過互聯網，通過安卓手機掃碼、IP鏈接打開等方式實時預覽實訓教學的直播視頻，并輔以交互式手段，滿足學生即使不在場也能正常進行技能學習的需求[11]。3）在校外觀摩和專家實時指導模塊，通過網絡連通，部署錄播終端、全景攝像機、音箱系統、顯示系統、拾音系統等，可以實現與實驗實訓室之間的音視頻互動，完成“點對點”“點對面”等多種視頻傳遞方式的業務要求，滿足校外專家實時連線指導的需求。4）在實訓課堂教學后，應有效地提供課堂中的數字教學資源給學生、老師和教學督導等，分別方便學生回顧、復習，老師掌握學生學習技能情況，督導對教學全程進行指導、評價等。

為適應智慧實訓室的智能化建設需要，設計和規劃期就應該合理采用物聯網技術、通信技術、人工智能技術，可對智慧教室各類信息化設備高度整合，具有高擴展性，可以實現智能化控制、智能化數據快速推送、智能化管理。智慧實訓室的智慧管理系統具有以下重要功能：智能控制、IC卡（或人臉識別）管理、智能顯示和智能識別等。

6 高職智慧課堂建設創新性分析

1）網絡技術應用、音視頻技術、高效數據傳輸的應用使得專業操作類學習不再受地域限制，尤其在疫情防控時期，起到了減少人員流動和接觸的效果；實訓操作教學過程全錄制（近景+遠景+音頻），可備學生課后自查提高和學生間相互借鑒學習，學生操作過程音視頻向觀摩室實時轉播，同時支持視頻回放，為校外的專家實時指導提供條件[12-13]。

2）5G高帶寬、低時延的特點，為整個實訓教學過程從課前、課中、課后提供通信支撐。

3）AI技術賦能學生身份認證，自動巡航，結合2D視覺識別算法和3D圖像分析算法，提升實操動作規范性的識別精準度，實現對操作工藝和操作流程的實時合規檢測，有效防止學生翹課。

4）課堂教學全過程視頻素材可以存放在中心存儲設備中，可供下載與在線發布，有助于院校教學資源沉淀并形成自己的資源體系，進一步開發出社會培訓課程資源庫，開展社會、行業、企業的職業技能培訓，創新服務模式、促進資源共享等等。