四川大學智慧教育方案設計與實現

文/溫靜 劉學洪 黎生 許春

四川大學積極推進數字技術與教育教學的深度融合，加快5G、云計算、大數據等新型基礎設施建設，開展5G+智慧教育探索實踐，涵蓋5G 校園融合專網建設、AI+知識圖譜的智慧教學平臺建設、5G+XR（Extended Reality）創新實驗室等技術和應用，助力教育教學效果提升，形成一個技術先進、效果明顯的5G 與教育教學融合的典型應用。

5 G+“云上川大”的智慧教育架構

5G+“云上川大”智慧教育以5G 校園融合專網建設為基礎，結合邊緣計算、物聯網、云計算、大數據、人工智能等新一代信息技術能力，全面服務于互動教學、知識推薦、沉浸式教學等核心應用場景。圖1 為5G+“云上川大”智慧教育總體方案框架?？傮w方案按“端-管-云-應用-門戶”的主流ICT(Information and Communications Technology)架構，包含終端層、網絡層、平臺層、應用層、門戶層五個層次，具體功能詳述如下：

圖1 5G+“云上川大”智慧教育總體方案框架

終端層：終端層適配不同的應用系統作為采集設備、顯示設備和執行設備，其中采集設備采集的數據源經由網絡層傳輸到平臺層進行存儲和處理，并最終反饋到展示設備進行呈現，同時需要聯動操作系統通過執行設備完成處理。

網絡層：構建5G 校園融合專網，發揮大帶寬、低時延、廣連接的特點，同時融合局域網、WiFi 網、物聯網等，將終端設備采集的數據高速安全地傳輸到平臺層進行處理。

平臺層：平臺層充分利用云計算、大數據、人工智能等技術，可基于不同的網絡架構進行搭建部署，具備分析能力、渲染能力、資源調度和管理能力的集中化云平臺。向下接入匯聚各應用系統終端的數據，進行數據交換、數據處理，并面向上層場景化應用提供資源優化、成本優化的數據服務。

應用層：主要面向“5G+智慧教育”重點任務，打造互動教學、個性化知識推薦、5G+VR 沉浸式教室等教育場景應用創新，促進教育高質量發展和高素質人才培養。

門戶層：為學生、教師、管理人員、上級單位提供訪問與服務入口，支持多協議、多終端訪問，并以分權分域的機制提供差異化的功能界面和操作權限，提升用戶服務體驗。

“AI+知識圖譜”賦能教學

本質上，知識圖譜屬于一種語義網絡，用來建立和展示各種實體關聯，一方面利用實體關聯實現資源的推薦、查詢，另一方面利用可視化形式展示各種結構關系。一般情況下，知識圖譜的構建包括知識抽取、知識表示、知識融合、知識推理、知識存儲等步驟。

基于“AI+知識圖譜”的教學資源建設與管理

開拓教學數據資源，豐富知識原點。第一，課堂錄播自動入庫，沉淀校本優質課程資源。采集的教學資源可統一保存到“大川學堂”教學資源管理平臺，作為四川大學校本資源庫優質資源沉淀。在錄播資源管理方面，支持教師、管理員自主上載，實現統一集約化管理。第二，5G 智慧直播，創設優質資源新興渠道。課堂實時畫面通過5G 校園融合專網傳輸到“大川學堂”智慧教學平臺，為校際師生、督導教研組、校外專家等提供課堂在線直播。同時為后續知識圖譜的構建提供數據源。第三，智慧教育大平臺建設，實現公共平臺資源存量匯聚?！按蟠▽W堂”以國家智慧教育平臺為藍本，對接統一接口，實現愛課程、學堂在線、智慧樹、人衛慕課等公有平臺課程資源的校本匯聚、互聯共享。

豐富的教學資源處理工具，提升資源處理能力。在“大川學堂”智慧教學平臺上，可以通過在線剪輯工具、精品課程模板、多類型檢索方式，滿足管理員、教師等對教學視頻的重構和再生。通過課堂語音識別、教學板書識別、知識點識別、智能字幕等，為教師備課、教務管理、教學應用等提供豐富的應用。為了實現超高清、高清視頻的低延時訪問，平臺上所有資源支持以5G 校園融合專網進行訪問，提升使用體驗。

AI+知識圖譜技術賦能，實現優質資源循環再造。通過多元資源沉淀，利用獲得的課堂錄播、教學課件、學生視頻等作為元資源，經過AI 智能剪輯或知識切片等原子化處理后形成相應教學知識片段，結合教學設計對知識片段進行標簽化處理或重構形成新的教學知識點供教學使用。形成的知識點可根據相關主題或者專題設計成相關微課，系列微課則可進一步組建體系化的課程內容。

“AI+知識圖譜”技術賦能教學模式變革

四川大學各校區可通過5G+遠程超高清互動教學實現校本部與多個異地校區開展聯合教研活動，超低延時增加互動體驗，提高教研效果。

互動實時反饋，支撐教師差異化教學。依托智慧教學環境下“愛課堂”教學互動實時反饋系統，閉環式實現“課前—課中—課后”移動互動式教學，構建“數據收集—分析預測—教學決策”精準化教學模型，支撐教師差異化教學活動。

知識圖譜賦能學生個性化學習。課程地圖作為知識圖譜的一種呈現方式，由眾多知識點組成，每個知識點不僅關聯相關知識內容，也可以將習題、文獻等其他資源作為拓展補充。知識點之間采用非線性關系，有助于知識表達和內容呈現。同時，知識點的拓撲關系在一定程度上蘊含領域專家經驗、知識關聯與學習路徑，為基于課程內容的自適應學習奠定一定的基礎。

通過“課程地圖”，學生可以非常直觀地了解本課程的知識脈絡和層級關系，幫助學生系統高效地構建知識體系、優化學習路徑。同時各個知識點支持多格式內容綁定，學生可以根據相關路徑了解具體學習活動需掌握的前序和后續知識點。在學習過程中，學生可以自主確定學習目標，自覺完成學習任務，不斷優化學習路徑、提高學習績效。

基于5G+VR 的多模態教學技術研究與應用

5G 技術促進了VR 與教育技術的融合，從而為學習者構建多模態課程資源，提供多模態的交互學習環境創造了機會。學生在與多模態資源的交互中，實現視覺、聽覺、觸覺等多通道的輸入和輸出，調動多種感官協同參與，與教師和學生展開深入的交流和討論，從而獲得深層次的知識建構，有效提升問題解決和協作溝通等高階思維能力。

5G+VR 助力教學模式變革

多模態教學資源平臺研究。多模態教學模式將VR 與教學相融合，以優質資源為核心，集終端、應用系統、內容于一體的多模態教學資源平臺，為學生創設接近真實的學習環境，將抽象概念具象化，為學生提供高度開放、可交互、沉浸式的三維學習環境。多模態教學資源平臺的搭建主要包含了六大模塊：VR 內容云平臺，負責VR 內容的管理，支撐川大本地創作內容的上傳；GPU 渲染集群，負責內容創作軟件的硬件支撐，同時云端GPU虛化渲染支撐四川大學一體機VR 內容教學；VR 本地內容創作區，負責四川大學本地VR 內容創作，使用云桌面依托云計算中心硬件資源進行內容的創作及上傳；川大教學管理平臺，負責VR 內容資源的管理；無線VR 體驗教學，在5G 覆蓋下通過VR 一體機進行無拘束體驗教學；VR 本地教學區，依托云端VR 教學資源在本地進行大班教學、小班協同教學、大空間實訓教學等。

沉浸式教學內容資源的建設與管理。多模態教學內容資源的管理涉及多個方面，主要包括：向學生VR 一體機進行數據傳輸（即教學資源對應的視頻或文本資源），注意力監控（通過眼球追蹤實現在教師端中控系統展示學生的視線圖，通過對學生視線可視化幫助教師識別困惑、分心的學生，實現針對性教育和輔導、設備異常報警、中控便捷選課等功能）。高效檢索技術有兩種實現方式：一是研究分布式異構模式的檢索技術，通過構建分布式教學資源數據庫的全局邏輯視圖，利用分布式查詢處理、分布式查詢優化、分布式檢索調度執行以及檢索結果融合技術，實現分布式異構教學資源的統一檢索接口；二是研究基于圖數據庫的路徑檢索，以教師為節點，搜索節點間多步路徑，檢索教師教授的各個知識點，實現對資源的高效檢索。

沉浸式教學實踐。在建黨100 周年之際，信息化建設與管理辦公室以四川大學校友江竹筠烈士紀念館為基礎，依托5G+XR創新實驗室，自主拍攝、研發制作了第一個紅色教育內容資源《江姐紀念館VR 館》。

AR 促進虛擬教研環境建設

由四川大學信息化建設與管理辦公室策劃攝制的系列訪談欄目《川大人》，從不同領域、不同專業挖掘川大的寶藏教師，分享他們的人生經驗和教書育人的故事，輻射青年教師和學生。該節目制作采用虛擬演播室技術，構建開發三維虛擬教學及訪談場景，建立同真實場景一致的演播及講演環境。虛擬三維場景與現場拍攝的人物活動進行實時合成，使背景和人物達到自然融合的效果。在后期制作上，采用摳像技術和虛擬現實圖文技術，配合前期拍攝的燈光技術，使三維虛擬場景和人物進行實時合成，融為一體，給人一種真實的立體空間感。