5G網絡支持下的智慧課堂應用研究

陳國華 郭正民

摘? 要 5G網絡是當前移動通信領域最尖端的發展趨勢，是世界科技發展的重要方面，將會給世界帶來巨大改變。5G網絡支持下的智慧課堂建設也將煥發全新的面貌。闡述5G應用場景及網絡性能，展示5G優異的網絡性能，繼而對5G環境下智慧課堂中的VR/AR教學、遠程教學、互動教學三種全新的教學方式進行應用研究分析，闡述5G+智慧課堂的典型應用場景。

關鍵詞 5G網絡;智慧課堂;VR/AR教學;遠程教學;遠程全息課堂;互動教學;STEM;人工智能;eMBB;mMTC;uRLLC

中圖分類號：G642.421? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）12-0068-03

1 前言

5G可謂是2019年最為熱門的詞語，關于5G的相關報道自年初起便鋪天蓋地而來。2019年10月31日，隨著工信部與三大運營商5G商用啟動儀式的舉行，我國正式進入5G商用時代。5G網絡具有高速率、泛在網、低功耗、低時延等特點，具有出色的網絡性能（表1），能夠支持豐富多樣的業務種類、終端種類、服務種類，為用戶提供極致的網絡體驗，驅動人類社會進入萬物互聯的時代。5G的浪潮席卷整個世界，也給教育行業帶來全新的機遇，5G時代的智慧課堂建設將會開啟全新的篇章。

2 5G應用場景下的智慧課堂

5G的典型應用場景? 3Gpp定義了5G的三大應用場景：eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）、uRLLC（超高可靠和低時延通信）。這三大應用場景共同構建了5G的應用體系[1]。

eMBB增強移動寬帶場景強調的是以人為中心接入多媒體內容、業務和數據的應用場景，是對原來的移動寬帶在用戶、體驗、系統性能等技術指標上進行強化。該應用場景包括高用戶密度、高業務容量的熱點地區以及有著高移動速度、期望無隙覆蓋的廣域覆蓋環境。這一場景下用戶最為直觀的體驗便是網絡速度的極大提升與無隙的用戶體驗。由此可見，增強移動寬帶場景，可以為智慧課堂中對于高速流量要求的設備提供強有力的保障。

mMTC海量機器類通信場景的特征是數量龐大的、高密度的終端連接進入網絡，每個終端發送小量的時延不敏感數據。為了應對海量的終端接入，5G通過無線接入技術，合理利用頻譜、小區加密等方式提升網絡的終端容量。智慧課堂的建設必然需要大量的終端設備，5G強大的終端接入容量完全可以滿足智慧課堂當中的硬件設備的接入性能要求。

uRLLC超強可靠和低延時通信場景主要在保障網絡穩定可靠傳輸的同時，在當前的網絡狀態下大幅降低移動網絡通信的延時。5G應用了一種潛在的物理層技術——廣義頻分復用技術，使得5G無線網絡的時延達到驚人的1 ms。除此之外，5G通過內容緩存以及D2D技術對于數據業務端到端時延的性能進一步提升。5G優異的低時延技術大幅度降低了用戶訪問內容的時延，使得用戶在當前4G的使用體驗上有著極大的提升，能夠使現存的智慧課堂更加“智慧”。

5G+智慧課堂? 智慧課堂是一種創新教學模式，打破了傳統的單向教學方式，可以更好地實現師生雙向互動。智慧課堂在“先學后教，以學定教”的教學理念指導下，全方位構建“課前微課導學、課堂互動探究、課后個性輔導”的教學模式，利用大數據、云計算、物聯網與移動互聯等新一代信息技術，最終實現教學內容數字化、教學決策數據化、交流互動多樣化評價。傳統的智慧課堂以校園網內的有線網絡、無線Wi-Fi為數據支撐，以藍牙、ZiGbee、NB-IoT實現課堂物聯網結構。但由于網絡條件的限制，目前的智慧課堂存在較大的缺陷：在上課學習行為比較集中，網絡并發量較高的階段，網絡資源無法滿足用戶的需求;課室當中的硬件設備沒有無縫對接，使用的網絡多而復雜，智慧程度不高;建設周期長，維護成本高，不能夠大量、全面地開展建設。

5G時代的到來將會賦予智慧課堂全新的面貌。相較于傳統智慧課堂，5G智慧課堂通過各組成硬件終端的5G化，充分利用5G網絡與生俱來的技術和業務優勢，帶給學校用戶更快、更好、更流暢的使用體驗。5G環境下的智慧課堂將會有革新：超高帶寬將使得學校不再需要部署多種網絡，實現5G網絡承載統一;高速率、低延時將會創造遠程教學新的局面，雙師課堂、遠程全息課堂將會成為遠程教學當中的常用教學方式;智慧課堂當中的教學將會出現新的應用場景，如VR/AR教學、高清立體顯示、全息課堂、遠程考試監測、學習行為追蹤和挖掘、智能實驗系統和智能教學系統等。

3 5G新型教學場景

5G+VR/AR教學? VR（Virtual Reality）即虛擬現實，也稱靈境技術，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。VR利用計算機根據現實世界環境生成一種模擬環境，提供給用戶關于視覺、觸覺的感官模擬，使用戶能夠身臨其境。AR（Augmented Reality）即增強現實，是通過視覺與現實世界的連接，疊加全息影像，增強視覺效果。

5G時代，VR/AR教育的出現將會為傳統教育帶來新的血液，給傳統教育帶來一場巨大的變革。憑借5G大帶寬、低延時、高速率的特性，可以快速地把教師的教學內容上傳至云端，以云計算技術實現VR/AR應用的運行、渲染、展現和控制，繼而通過5G網絡把處理后的音視頻信息流傳遞到智慧課堂終端[2]。在5G優異的網絡性環境中，學生可以感受到VR/AR所帶來的極致體驗。課堂也將會成為一個有趣的場景，VR/AR將會使得教學內容發生從2D到3D的躍升，原來在圖書和黑板上所呈現的平面內容將會變成栩栩如生的可視化的三維畫面;某些知識點中復雜抽象的場景，如數學中的立體圖形、物理中的電磁場、地理中的地球運動等，將不再需要教師費盡心力地解釋，學生絞盡腦汁地想象，VR/AR可以把這些場景形象、可視化地展示出來，學生可以輕松地認知與理解[3]。