基于5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)的沉浸式智慧課堂框架研究

Research on the Framework of Immersive Smart Classroom Based on 5G Network and VR/AR Technology

——Take the Teaching Class of Logistics Engineering Foundation as an Example

WEI Jian，" SANG Xuefeng，" DU Kun" （Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

摘" 要：5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的高速率、低時(shí)延、大容量、低功耗、覆蓋廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)施沉浸式智慧課堂教學(xué)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其與VR/AR技術(shù)相結(jié)合能夠在教育領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的沉浸式智慧學(xué)習(xí)新體驗(yàn)。為此，文章首先分析5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智慧教學(xué)場(chǎng)景的智能技術(shù)；然后介紹基于VR/AR技術(shù)的沉浸式智慧學(xué)習(xí)；最后設(shè)計(jì)5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)相結(jié)合的沉浸式智慧課堂框架。文章以《物流工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)為例，利用5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)沉浸式智慧課堂框架，該框架能夠創(chuàng)建線上和線下相結(jié)合的混合智慧學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；VR/AR技術(shù)；智慧課堂；智慧學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.19.041

Abstract： The advantages of 5G network， such as high speed， low delay， large capacity， low power consumption， wide coverage and high reliability， provide a good network environment for the implementation of immersive intelligent classroom teaching. Its combination with VR/AR technology can achieve high-quality immersive intelligent learning experience in the field of education. Therefore， the article first analyzes the intelligent technology of 5G network applied to intelligent teaching scenarios; then it introduces immersive intelligent learning based on VR/AR technology; finally， an immersive smart classroom framework combining 5G network and VR/AR technology is designed. Taking the teaching of logistics engineering fundamentals as an example， the article uses 5G network and VR/AR technology to design an immersive smart classroom framework. This framework can create a mixed intelligent learning situation combining online and offline， and enhance students' sense of learning experience.

Key words： 5G network; VR/AR technology; smart classroom; smart learning

近三年來(lái)，新冠疫情給高等教育事業(yè)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)面授式教學(xué)模式格局被打破，在線教育成為了主流，不再是傳統(tǒng)課堂的附屬物，疫情的持續(xù)蔓延促使在線教育有可能成為一種新常態(tài)[1]。然而，在線教育過(guò)程中存在的師生互動(dòng)差、學(xué)習(xí)體驗(yàn)差、課堂監(jiān)督低效、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)不到位等不足點(diǎn)，嚴(yán)重制約著高等教育質(zhì)量的發(fā)展，以至于大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)滿意度大打折扣，這種培養(yǎng)質(zhì)量下滑的情況引起了高校的高度重視。如何利用先進(jìn)的技術(shù)手段來(lái)克服在線教育的弱點(diǎn)，使其具有線下教育的先天優(yōu)勢(shì)又能夠得到學(xué)生和教師的普遍認(rèn)可是當(dāng)前亟待要解決的問(wèn)題。隨著5G網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、VR/AR技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生技術(shù)等新生信息技術(shù)的成熟與普及，教育信息化的進(jìn)程也得到了快速推進(jìn)，使得人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用成為了研究熱點(diǎn)[2]，尤其是沉浸式智慧課堂教學(xué)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景，能夠很好地解決在線實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的眾多問(wèn)題，呈現(xiàn)出以學(xué)生為中心、打破時(shí)空界限、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、沉浸交互感強(qiáng)烈的智慧課堂教育新形態(tài)。本文試圖探索5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的沉浸式智慧課堂教學(xué)環(huán)境搭建設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)對(duì)未來(lái)線上教學(xué)產(chǎn)生積極的影響。

1" 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智慧教學(xué)場(chǎng)景的智能技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)即是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，相比于4G網(wǎng)絡(luò)在高速率、低時(shí)延、大容量、低功耗、覆蓋廣、智能化、可靠性高等特征方面有著質(zhì)的提升[3]，為創(chuàng)建智慧教學(xué)場(chǎng)景提供了堅(jiān)實(shí)的底層技術(shù)基礎(chǔ)，其與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈、VR/AR技術(shù)的深度融合，能夠快速推進(jìn)教育技術(shù)的智能化迭代升級(jí)，對(duì)于智慧教學(xué)場(chǎng)景的構(gòu)建與優(yōu)化起到推波助瀾的作用[4]。5G網(wǎng)絡(luò)賦能的智慧教學(xué)場(chǎng)景其所有對(duì)象在快速無(wú)縫聯(lián)通的情況下，可以為師生提供全方面、多層次、個(gè)性化的移動(dòng)、沉浸、交互式的虛實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)的特征及應(yīng)用層技術(shù)如圖1所示。

5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智慧教學(xué)場(chǎng)景的智能技術(shù)主要是大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈、VR/AR技術(shù)等，這些都是基于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)場(chǎng)景的智能技術(shù)支撐，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠快速地處理智慧教學(xué)中獲取的線上線下數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)人與萬(wàn)物互聯(lián)；云計(jì)算是網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)其能夠處理分析海量數(shù)據(jù)；人工智能給智慧教學(xué)賦能體現(xiàn)在教育對(duì)象、教室環(huán)境、教育管理、評(píng)價(jià)過(guò)程、教學(xué)模式、教育生態(tài)等方面；機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是信息提取技術(shù)；區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕臄?shù)據(jù)安全技術(shù)；VR/AR是指虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，利用該技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下能夠突破時(shí)空的限制，實(shí)現(xiàn)沉浸式智慧課堂教學(xué)。

2" 基于VR/AR技術(shù)的沉浸式智慧學(xué)習(xí)

5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR教學(xué)相結(jié)合才可以實(shí)現(xiàn)真正的沉浸式智慧學(xué)習(xí)，這得益于5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性，其5毫秒級(jí)別的時(shí)延遠(yuǎn)低于人類眼睛的感知時(shí)延，這就為實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)沉浸感和臨場(chǎng)感提供了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐，使得學(xué)生能夠身臨其境地感知真實(shí)世界，為學(xué)習(xí)過(guò)程帶來(lái)了無(wú)縫的真實(shí)感知學(xué)習(xí)體驗(yàn)[5]。5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，可以使得課堂更加生動(dòng)，主要體現(xiàn)在知識(shí)點(diǎn)可以在虛擬場(chǎng)景里具象起來(lái)，其突出了學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感和知識(shí)的感知度，使得學(xué)習(xí)過(guò)程充滿了好奇和想象。

2.1" VR/AR技術(shù)

VR（Virtual Reality，VR）是虛擬現(xiàn)實(shí)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)將真實(shí)世界或者想象中的物體生成具有交互功能的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)一體化的虛擬世界，通過(guò)終端設(shè)備可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交互體驗(yàn)，是一種新型的交互狀態(tài)，能夠感受到如同身處其中的臨場(chǎng)感，逼真的虛擬世界仿佛就在眼前，非常直觀且容易實(shí)現(xiàn)沉浸式的體驗(yàn)[6]，還能夠與多種學(xué)科進(jìn)行交叉融合，以技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)高階演化。其具有沉浸性、構(gòu)想性和交互性三大特征[7]，與人工智能相結(jié)合還具有智能化特征。沉浸性是指完全沉浸在虛擬世界中，和真實(shí)世界有同樣的感受；構(gòu)想性是指抽象的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)虛擬空間的構(gòu)建可以變得清晰可見(jiàn)；交互性是指學(xué)習(xí)者通過(guò)終端的設(shè)備與虛擬世界中的物體進(jìn)行交互。虛擬現(xiàn)實(shí)大致分為四類[8]：計(jì)算機(jī)桌面型，利用計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的交互體驗(yàn)；沉浸型，借用頭戴式顯示器和電動(dòng)手套等設(shè)備，來(lái)體驗(yàn)視聽(tīng)觸一體化的臨場(chǎng)感；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型，將虛擬物體和真實(shí)環(huán)境疊加在一起，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合來(lái)增強(qiáng)對(duì)真實(shí)環(huán)境的認(rèn)知；分布式型，互聯(lián)網(wǎng)端多用戶在虛擬空間里一起感受虛擬世界。

AR（Augmented Reality，AR）是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是指把虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景無(wú)縫融合，虛中有實(shí)、實(shí)中有虛、虛實(shí)互補(bǔ)，在同一個(gè)畫(huà)面中能夠感知到視、聽(tīng)、觸一體的超強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，交互體驗(yàn)如同現(xiàn)實(shí)中那么形象自然，是超越了真實(shí)環(huán)境的一種視覺(jué)觀感[9]。其具有虛實(shí)無(wú)縫互補(bǔ)、自然交互體驗(yàn)、三維配準(zhǔn)特征[10]。在教育方面表現(xiàn)出來(lái)的興趣性、智能性、自主性等特征給學(xué)習(xí)者增添了很多樂(lè)趣[7]，為學(xué)習(xí)者搭建了很好的知識(shí)情境，方便進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。興趣性側(cè)重于在學(xué)習(xí)過(guò)程中很容易實(shí)現(xiàn)樂(lè)在其中，進(jìn)行深度體驗(yàn)；智能性突出的是獲取先機(jī)，從而尋找到正確的學(xué)習(xí)之道，為學(xué)習(xí)者預(yù)測(cè)和仿真真實(shí)的場(chǎng)景并輸出正確的學(xué)習(xí)路徑；自主性是指為學(xué)習(xí)者提供多重學(xué)習(xí)方案，突破了傳統(tǒng)的單一學(xué)習(xí)路徑，豐富了學(xué)習(xí)方式，形成多維交互體系，構(gòu)成學(xué)習(xí)新型空間。

2.2" 沉浸式智慧學(xué)習(xí)

沉浸式智慧學(xué)習(xí)是智慧教育的基石，依賴于對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)的感知、計(jì)算、處理，其對(duì)物理環(huán)境的要求有四個(gè)方面[11]，分別為萬(wàn)物互聯(lián)、多維感知、人工智能和泛在空間。萬(wàn)物互聯(lián)是指互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的疊加讓參與智慧學(xué)習(xí)的所有設(shè)施都可以進(jìn)行有效的互聯(lián)互通；多維感知是指各種信息通過(guò)物理環(huán)境能被多方向感知到；人工智能是指多維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧決策，有助于調(diào)節(jié)相應(yīng)的物理環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧學(xué)習(xí)；泛在空間是指沒(méi)有時(shí)間和地點(diǎn)的限制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)空間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接的智慧學(xué)習(xí)。沉浸式智慧學(xué)習(xí)能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者的意愿和熱情，教學(xué)內(nèi)容的游戲化設(shè)計(jì)使得學(xué)習(xí)過(guò)程充滿了體驗(yàn)感，抽象的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)VR/AR技術(shù)變得那么清晰可見(jiàn)，如同身臨其境一般，實(shí)時(shí)交互的感觸不僅是寓教于樂(lè)還增強(qiáng)了真實(shí)感。基于VR/AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的沉浸式智慧學(xué)習(xí)通常分為感官沉浸式、挑戰(zhàn)沉浸式、想象沉浸式三種[12]，感官沉浸式是學(xué)生在進(jìn)行VR/AR系統(tǒng)體驗(yàn)時(shí)所獲得的視、聽(tīng)、觸一體化的直觀感受；挑戰(zhàn)沉浸式是指學(xué)習(xí)者進(jìn)行VR/AR智慧學(xué)習(xí)時(shí)試圖挑戰(zhàn)自己能力的過(guò)程中出現(xiàn)的滿意點(diǎn)；想象沉浸式是指學(xué)習(xí)者在進(jìn)行VR/AR智慧學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)出現(xiàn)的幻想和靈感。以上三種沉浸式智慧學(xué)習(xí)的VR/AR體驗(yàn)框架圖如圖3所示。

沉浸式智慧學(xué)習(xí)需要借助外圍的諸多技術(shù)才可以感知虛實(shí)結(jié)合的交互學(xué)習(xí)體驗(yàn)和忘我的沉浸場(chǎng)域，其過(guò)程的可視化更有助于沉浸式智慧學(xué)習(xí)新生態(tài)系統(tǒng)的形成。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，超乎VR/AR技術(shù)的元宇宙所帶來(lái)的沉浸式智慧學(xué)習(xí)新樣態(tài)將是未來(lái)“所感即所學(xué)”的常態(tài)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)形態(tài)[13]。

3" 基于5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)的沉浸式智慧課堂框架

沉浸式智慧課堂的構(gòu)建是為了實(shí)現(xiàn)沉浸式智慧學(xué)習(xí)，在5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)的加持下，打造多維度的智慧課堂是形成智慧學(xué)習(xí)生態(tài)體系的核心。圍繞著學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)活動(dòng)進(jìn)行多元智慧服務(wù)保障，以數(shù)據(jù)分析來(lái)驅(qū)動(dòng)教育資源的智能配備和決策服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全方位的智慧教育服務(wù)。基于5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)的沉浸式智慧課堂框架由終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)空間、智能化教育環(huán)境、智慧教育服務(wù)組成。終端設(shè)備是指VR/AR一體機(jī)、全景攝像機(jī)、教育技術(shù)設(shè)備、

iPad、智能手機(jī)和筆記本電腦；網(wǎng)絡(luò)空間是指與教學(xué)相融合的所有安全、可控、健康、綠色的5G網(wǎng)絡(luò)校園環(huán)境；智能化教育環(huán)境是指大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等智能技術(shù)構(gòu)建的以學(xué)習(xí)者為中心的智慧服務(wù)平臺(tái)；智慧教育服務(wù)是指所有與學(xué)習(xí)者相關(guān)的智慧服務(wù)體系，包括自主學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、智慧決策、數(shù)據(jù)分析、學(xué)習(xí)體驗(yàn)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等所有智慧學(xué)習(xí)形態(tài)。其框架如圖4所示。

沉浸式智慧課堂為學(xué)習(xí)者提供了豐富的學(xué)習(xí)資源和多元的學(xué)習(xí)方式，打破了傳統(tǒng)課堂的學(xué)習(xí)模式。尤其針對(duì)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)VR/AR、數(shù)字孿生體和計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室，同樣能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)室的操作體驗(yàn)，既提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，又能夠滿足不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的學(xué)習(xí)者進(jìn)行自主選擇學(xué)習(xí)。

4" 《物流工程基礎(chǔ)》沉浸式智慧課堂框架

對(duì)于物流工程專業(yè)的本科學(xué)生來(lái)說(shuō)，《物流工程基礎(chǔ)》課程的學(xué)習(xí)尤為重要，因?yàn)樵撜n程是本專業(yè)的入門(mén)課程，也是郵政工程、物流管理、郵政管理等專業(yè)的基礎(chǔ)課。隨著電子商務(wù)、直播經(jīng)濟(jì)、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流行業(yè)被推向了新的高度，每日接收和發(fā)送快遞成為了新的職業(yè)，物流工程專業(yè)也成為了學(xué)生報(bào)考的熱門(mén)專業(yè)。為了提升學(xué)生對(duì)該專業(yè)的學(xué)習(xí)效率，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)打造《物流工程基礎(chǔ)》沉浸式智慧課堂能夠幫助學(xué)生從不同的視角學(xué)習(xí)和體驗(yàn)《物流工程基礎(chǔ)》的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并與行業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系起來(lái)，有利于掌握該課程的全部?jī)?nèi)容，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)行業(yè)的了解和認(rèn)同。《物流工程基礎(chǔ)》的知識(shí)點(diǎn)如圖5所示[14]。

基于《物流工程基礎(chǔ)》的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)的《物流工程基礎(chǔ)》沉浸式智慧課堂框架如圖6所示。

以圖6中VR/AR教學(xué)系統(tǒng)是指通過(guò)編輯VR/AR課件讓抽象的知識(shí)點(diǎn)在3DLED大屏上實(shí)時(shí)展示，教師和學(xué)生通過(guò)終端設(shè)備能夠進(jìn)行沉浸式交互講解和學(xué)習(xí)；VR/AR直播系統(tǒng)是指采用VR/AR直播技術(shù)將錄制的教學(xué)資源通過(guò)云端流媒體服務(wù)器直播互動(dòng)；系統(tǒng)控制中心是指智能控制中樞，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠控制和管理所有的多媒體設(shè)備和電子信息設(shè)備；VR/AR課程編輯平臺(tái)是指由VR/AR編輯器、編輯工作站、頭盔手柄、3D掃描儀等設(shè)備組成的課程資源編輯平臺(tái)；VR/AR課程資源管理平臺(tái)是指存儲(chǔ)和計(jì)算服務(wù)器，對(duì)VR/AR課程資源實(shí)現(xiàn)有效管理；多媒體教學(xué)設(shè)備是指輔助教師開(kāi)展多媒體教學(xué)的一些設(shè)備；3DLED大屏是指VR/AR教學(xué)資源的顯示設(shè)備。

5" 結(jié)束語(yǔ)

沉浸式智慧課堂為學(xué)習(xí)者帶來(lái)了全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，超越了傳統(tǒng)的教與學(xué)模式，得益于5G網(wǎng)絡(luò)和VR/AR技術(shù)的完美結(jié)合，為真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)習(xí)者為中心的智慧教育提供了全方位支撐。本文以《物流工程基礎(chǔ)》課程為例研究沉浸式智慧課堂框架，重構(gòu)了物流工程專業(yè)學(xué)習(xí)的形態(tài)，是未來(lái)智能技術(shù)構(gòu)建物流工程專業(yè)沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的有力保障，也是賦能沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)的全新認(rèn)知。

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