5G背景下基于虛擬現實的互動教學應用及模式研究

張婧

摘? 要：互聯網的普及使得線上教育的規模逐步擴大，預計2020年中國在線教育用戶規模將突破3億人，然而線上教育由于沒有課堂環境體驗使得教學成果不及線下教學，5G技術的提出大大降低了網絡延遲，使得虛擬現實互動教學進入課堂成為可能，因此，本文將基于虛擬現實的互動教學應用及模式進行分析與研究，從而提高課堂及在線學習的知識吸收率。

關鍵詞：5G? 虛擬現實? 教學模式? 互動教學

中圖分類號：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0205-03

Abstract： The popularity of the Internet has gradually expanded the scale of online education. It is expected that the number of online education users in China will exceed 300 million in 2020. However， the lack of classroom environment experience makes online education less effective than offline teaching. Reduced network delay， making it possible for virtual reality interactive teaching to enter the classroom. Therefore， this article will analyze and research based on virtual reality interactive teaching applications and models， thereby improving the knowledge absorption rate of classroom and online learning.

Key Words： 5G; Virtual reality; Teaching mode; Interactive teaching

5G的商用使虛擬現實（VR）、人工智能等技術發揮能效，打破了VR在傳輸方面的技術屏障，解決了高傳輸延時導致在虛擬現實應用過程中產生的眩暈問題，使得在移動環境下虛擬現實和沉浸式視頻的分辨率可達到人眼的分辨率。一般而言，除了沉浸式虛擬現實，全新的虛擬現實將完全擺脫傳統的虛擬現實的頭盔顯示器、數據手套、數據衣等常用交互設備上的空間傳感器，從而實現更自然的人機交互。傳統教育模式受到時空限制，5G下的虛擬現實具有突破時空限制的顯著特點，為人們分析問題、解決問題、協同工作等提供新手段，在軍事、航天、教育培訓、電子商務等方面具有良好的應用前景[1]。虛擬現實環境的現實感操作和身臨其境的真實感，讓參與者產生身臨其境的真實感有助于激發學習者采用不同于傳統教室環境的新穎學習方法。虛擬現實的使用對教學法及語言教育大有益處。根據刺激和構建主義理論，在教學中運用虛擬現實的主要優點就是身臨其境的情境刺激帶來更深刻的學習體驗。而基于5G場景下的VR教育也會開拓更多應用場景，比如地震、消防等災害場景的模擬演習、模擬諸多高成本、高風險的教學培訓，VR應用場景還可以在更多的教育應用領域發揮更大能效。

教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》指出，到2022年基本實現“三全兩高一大”的發展目標，其中包括數字校園建設覆蓋全體學校和建成“互聯網+教育”大平臺。基于虛擬現實的教育模式契合這一發展目標。2020年，在線教育的潛在市場需求仍有很大的空間需要拓展，將虛擬現實結合到在線教育將有助于提升在線教育的沉浸式體驗感。同時，5G等信息技術發展將作為推動在線教育模式改革的助燃劑，同時給傳統教育領域的改革指引新的思路和方向。

1? 基于虛擬現實教育的發展現狀分析

2017年12月，虛擬現實教育應用研究院在北京成立，并于2019年春季召開了“高等學校虛擬顯示技術教育應用研討會”，在高校教學中引入虛擬現實將是未來高校教育改革的方向。2018年6月開始，百度VR教室先后在安徽合肥習友路小學、浙江、上海等地相繼打造了一個VR教室的真實環境。2019年3月，上海工程技術大學實現校園內5G信號覆蓋率達98.6%，為建立沉浸式教學提供有力支撐。湖北華中科技大學成為首個5G校園試驗網基地，5G遠程教學等應用將在校園上線，預計2019年下半年通信芯片研發成功，實現5G虛擬現實課程教學等更多強大的功能應用。北京師范大學蔡蘇等提出基于虛擬現實的學習環境架構[2]，以一個虛擬現實概念演示書通過虛實結合展示了中學物理中的單擺、牛頓第一定律等實驗。Cai 等學者構建了一個基于虛擬現實技術的一對多學習系統[3]，教師可以通過網絡視頻交互系統將實時增強的視頻教學信息傳輸給學生。Cai和 Chiang等人將VR技術與微軟Kinect體感交互技術相結合。研究表明，基于VR的體感教學軟件能夠幫助學生理解磁場和磁感線等抽象的概念，有助于學生更高效地學習物理規律，在改善學生的學習興趣方面有不錯的效果。為了提高語言學習的效率，最好能讓學生真正進入到接近真實生活場景中，由于時間和資金的限制，很多學生無法滿足上述條件，基于VR的沉浸式語言學習為學生學習語言提供了良好的交互式語言學習環境，朱堯平[4]提出虛擬現實技術應用到高效英語教學的理論基礎。雷巧鳴[5]提出利用VR技術，教師可以創設出多維度結合的視聽和動手交互的學習方式。

國外較早地開展了虛擬現實在教育中的應用。美國微軟公司的首個不受線纜限制的全息計算機設備HoloLens將助力于教育改革。新西蘭的一所學校中采用HoloLens進行交互式教學，可實現周圍真實環境中的全息影像互動，有效地提升學生的創造力。Math Hololens可以提供幾何教學中的立體幾何對象顯示。美國科格威爾工藝學院在全球首先開設VR/AR課程，旨在讓學生學習VR/AR的認知和感知方面的知識，掌握開發人機界面及交互的設計原則及技能，以及VR/AR的故事敘述方式[6]。格林內爾學院開設了沉浸式體驗實驗室，目的在于探索VR和AR以及混合現實技術對于提高文化科學學習效率的影響。

MOOC平臺作為中國最大的在線教學平臺，擁有非常豐富的教學資源，然而，MOOC平臺雖然解決了不同地域學生平等地獲取教學資源的問題，但是MOOC課程缺乏學習過程的沉浸感體驗，雖然通過課堂的測試可以增加學生在線上課的參與感，但是學生的知識獲取率仍然不高。另外，MOOC實踐中還存在著一個非常突出的問題就是教學實驗非常薄弱[7]，虛擬現實技術將為上述問題提供解決方案，在MOOC教學平臺上引入虛擬現實技術對于醫學、物理、生物等學科的教學開展將提供良好的沉浸感、交互性和可想象性。

目前，VR教育現有終端較為成熟，國內外企業和少數高校已經建立了VR教學的早期體驗環境和相應的一體化設備。利用VR實現教學中的動態交互是教育改革的發展趨勢，然而， 通過分析基于VR的線上與線下教育現狀，VR教育存在的不足亦十分突出，具體包括如下4個方面：

（1）VR內容生態體系不完善，現有VR教學資料僅覆蓋少數學科門類，目前的VR教育資源主要覆蓋K12教育和高校的部分學科，因此，VR教育內容比較零散，沒有形成體系和規模，VR教育資源一方面需要進行同類整合，另一方面需要體現各學科的特色。

（2）面向消費者的教育類應用存在缺陷和不足，無法滿足各年齡層次的使用需求，現在的VR教育應用模式不夠成熟，未來可以考慮根據用戶需求推薦VR教育資源解決這一問題。

（3）設備資金投入較高，學生在利用基于VR的教育資源進行學習時，必須佩戴VR設備才能進行VR教育內容的學習，然而，體驗感好的VR設備通常比較昂貴。

（4）缺少成熟的教育模式和量化指標。VR教育尚處于發展初期，企業和高校都主要進行基于VR的教學資源平臺建設，然而，對于如何將VR教育引入課堂、如何量化評價VR教育對于學生知識吸收率的影響等尚存在缺失，因此，亟需通過大數據對VR教育的教學效果進行評估。

2? 高校中虛擬現實教育模式分析

教育部辦公廳在《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中提出，要培養提升教師和學生的信息素養，推動大數據、虛擬現實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用。其中，VR在輔助教育的知識傳授方面，將發揮非常重要的作用。同時，虛擬現實技術帶來的身臨其境的教學方式是推動教育信息化改革的重要契機，同時虛擬現實技術還可以避免部分有危險的實訓中產生的學術人身傷亡，應用前景廣泛。5G時代下使得虛擬現實的效用得以實現，以5G為應用環境，VR為呈現手段，在整個教育互動過程中將成為不可或缺的一環，但虛擬現實在高校教學中的應用模式尚沒有成熟的框架，亟需進行深入研究。

5G通信技術具有高帶寬和低延遲的特點，因此，基5G將VR引入到教學過程中時，學生能夠在不同視角，以交互式超高清全景視頻為載體，身臨其境地進入世界任何地方的課堂，從而真正實現每個人教育資源的平等，在參與到教師的授課或實驗過程中時，學生能夠與老師即時進行互動。因此，5G與VR的結合將能徹底解決地域差異導致的教育不均衡問題，從而有效提高全球的教育水平。但將虛擬現實引入到高校教育中仍需考慮以下四個方面。

（1）將VR引入到高校教學中，教師和學生作為參與主體，決定著VR教學的效果，教師需要從傳統的面對面課堂過渡到新的教學模式中，對于習慣了傳統教學模式的教師來說，轉化到VR教學需要對課堂教學進行較大的調整;學生作為VR教學的參與者，同樣需要做出調整，可以考慮通過調查問卷統計高校教師和學生對于在教學中引入VR教學的接受度，并對VR在課堂中所占比例進行調研，形成調研報告。

（2）將VR引入到傳統教學模式中，教學模式和教學策略都需要進行重新設計，通過將教學知識點進行分解，選擇能夠通過VR展現的教學知識點引導學生進行互動式學習，從而為學生提供互動式的學習體驗，幫助學生通過主動的參與式學習，積極構建自己對知識的理解。教學模式可分別以講授式、自主式和交互/協作式。在混合教學模式中，應以學生為課堂主導者，提高學生的參與度，從而激發混合式教學中學生學習的興趣，提升學習效果。

（3）反饋階段是將VR引入高校教學過程中最為重要的一個階段。通過教學過程產生的評價數據，使基于VR的混合教學效果不斷提升，從而促進教學模式不斷改進。在對VR交互教學進行評價時，可以綜合不同角度進行評價，如課堂社區意識、學生參與度和基于問題的學習框架等。在基于VR的混合教學模式中，VR互動教學對學生知識吸收率的影響是一個重要的指標，利用該指標可以定量描述VR教學對教學效果的影響。通過對教師和學生對VR應用于教學的滿意度調查，可進一步分析信息技術對教學效果影響的關鍵因素有哪些，將該結果反饋到VR教學應用模式中對相應的環節和要素進行修訂與完善。

（4）探索VR教學在高校教學改革中的應用模式，形成混合式教學模式規范，研究移動課堂加入高校教學體系的可行性，并推廣到其他學院的專業課教學中進行應用。

3? 結語

傳統的教學方式過于枯燥，多媒體教學豐富了知識的呈現形式，翻轉課堂的教學模式改變了教師在課堂上演獨角戲的現狀，將學習的決定權從教師轉移給學生，改變了學生課堂上參與度低的現狀，使得課堂內的寶貴時間用于研究解決問題的方案，實現了拓展性、思考性教學。5G技術下的虛擬現實教育彌補了課堂互動的缺失，教室內的每一個學生都可參與到學習過程中，避免了邊緣學生的互動缺失問題。VR可輔助教育的知識傳授，提高知識的傳遞和獲取效率，提升學生認知和理解知識的效果。虛擬現實技術帶來的身臨其境的教學方式是推動教育信息化改革的重要契機，但虛擬現實在高校教學中的應用模式尚沒有成熟的框架，亟需進行深入研究。

參考文獻

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[2] 蔡蘇，張晗，薛曉茹.虛擬現實（VR）在教學中的應用案例評述[J].中國電化教育，2017（362）：1-10.

[3] 蔡蘇，張晗，薛曉茹，等.增強現實（AR）在教學中的應用案例評述[J].中國電化教育，2017（3）：1-9，30.

[4] 朱堯平.VR技術在高校英語教學領域的應用研究[J].科教文匯（中旬刊），2020（4）：177-178.

[5] 雷巧鳴.VR技術在英語教學中的應用研究[J].中國教育技術裝備，2016（23）：131-132.

[6] 丁飛，張登銀，師曉曄，等.基于VR/AR的互動式教學研究與實踐[J].軟件導刊，2018，17（12）：213-216.

[7] 謝紹平，劉強，諶貽波.虛擬實驗：MOOC環境下實驗教學的重要發展方向[J].教學研究，2018（23）：74-79.

[8] 楊小梅.MOOC給高校傳統教學帶來的沖擊及思考[C].Information Engineering Research Institute， USASingapore Management and Sports Science Institute， Singapore.Proceedings of 2017 6th EEM International Conference on Education Science and Social Science （EEMESSS 2017）.Information Engineering Research Institute， USA、Singapore Management and Sports Science Institute， Singapore：智能信息技術應用學會，2017：439-442.