“5G+XR”支持的實訓教學變革：模式、挑戰與建議

楊丹 眭碧霞

摘 要 以5G和XR為代表的新型智能化技術，已成為第四次工業革命的核心驅動力量，兩者在職業教育領域的融合性應用，也正推動實訓教學不斷發生革命性轉變。在“5G+XR”的創新支持下，未來的實訓教學模式主要為基于具身體驗的沉浸式實訓模式、基于數字孿生模型的實訓模式、人與智能機器跨地域協同實訓模式，以及實踐與創新創造相融合的實訓模式四種。然而，要常態化開展以上四種具有智能特征的實訓教學，仍面臨智能技術不夠成熟、教師勝任力不足、學生知識體系不符及制度機制不健全等問題。為此，亟須加強職業教育智能化建設與發展的頂層設計、推進面向智能時代的普職融合式教育、構建協同合作和供需平衡的校企關系，以及健全推進智能化實訓教學的相關機制。

關鍵詞 職業教育;5G;XR;人工智能;實訓教學

一、5G與XR技術概述

（一）5G技術概述

第5代移動通信技術（簡稱5G）是第四次工業革命的引領性技術[1]，其將在很大程度上消減物理現實世界和虛擬數字世界的界限，幫助人類構建高速互聯、虛實共融的社會空間。5G技術主要有以下優勢特點：第一，超高的數據傳輸速率，可以為大規模、密集型數據（如超高清視頻直播）的實時傳輸提供技術支持。第二，超低的數據傳輸延遲，可為協同性要求較高的遠程人機協作活動（如人機開展遠程手術）提供關鍵支撐。第三，超大規模的萬物互聯，這意味著大量的智能設備和傳感器都可通過5G網絡進行通訊，實現萬物互聯。5G技術的適用場景包括教育在內的各個行業領域。例如，在2019年2月，華中師范大學第一附屬中學就利用5G和VR技術實現武漢和福州的同步授課[2]。目前，5G技術只是為包括教育在內的各領域提供一種新的基礎性設施技術，若要真正在這些領域行業中釋放其變革性潛力作用，還需要與其他新型技術相結合。

（二）XR技術概述

XR是英文Extended Reality的縮寫，國內研究者一般將其翻譯為擴展現實技術[3]。“XR”中的“X”是用數學中的未知數X來表示由虛擬現實、增強現實、混合現實等技術構成的“虛擬現實連續統”。因此，有研究者認為XR是“一種涵蓋性術語，包含增強現實、虛擬現實、混合現實及其他相關技術，并因這些技術的不斷進步而可能出現的新的沉浸式技術”[4]。由以上定義可以發現，XR實際上是被視為“虛擬現實連續統”上的任意一點，是所有由計算機技術和可穿戴設備產生的真實與虛擬結合的環境和人機交互。另外，華東師范大學顏青山教授認為，無論是從技術廣度上看，還是從綜合性層面分析，XR實際上是將互聯網、物聯網和混合現實技術結合起來的技術形式或世界模式，其不僅是一種體驗模式[5]，還將是未來人們的一種生活、生產和教育模式。

綜合以上對XR技術的本質認識，可將其特征優勢總結為以下兩個方面：一是與AR、VR、MR技術相關的自身技術應用優勢。由于XR涉及這些技術中的一種或幾種，其自身的技術優勢也就包括為：全方位的真實情景感知、全感官的具身參與互動、物理對象在XR技術支持下實現編輯[6]，以及數字虛擬和現實時間無縫對接。二是可與5G和物聯網等有關新基建技術實現融合應用。XR的自身技術優勢實現和應用到更廣闊的行業場景中，在很大程度上需依托互聯網技術來實現。綜上而言，5G技術與XR技術是第四次工業革命的關鍵性技術，二者的融合性應用也將對今后的職業教育實訓教學產生重要影響。

二、“5G+XR”創新支持的實訓教學模式

5G和XR在職業教育中的融合應用，將支持實訓教學的智能化轉變，其主要包括以下四種實訓模式。

（一）基于具身體驗的沉浸式實訓模式

對于職業教育中的實訓教學而言，由于實訓投入成本、實訓安全性、訓練裝備落后等原因，難以確保所有學生都能夠參與到模擬訓練過程中，影響人才培養質量。而“5G+XR”為解決以上問題提供了有效方案。一方面，技術工具的重復利用性可降低不斷更新和配置先進設備的投入，只需在數字資源開發方面投入即可，能大大降低長期的實訓經費投入。另一方面，“5G+XR”創造出的數字模擬世界與真實物理世界的融合場景，不僅能夠降低實訓教學的風險，而且能為學生帶來更豐富的沉浸式體驗，將學生的所有感官帶入參與互動，甚至是能基于觸覺技術來感知和觸摸到虛擬世界中的物體。另外，“5G+XR”在職業領域開展具身沉浸式模擬訓練，也獲得具身學習理論支持，該理論認為，學生在學習活動中通過身體器官及其感知運動系統與環境的交互過程，可不斷獲取豐富具身經驗，使學生在行為或行為潛能上產生積極的、相對持久的變化[7]。例如，美國已采用XR技術開展模擬飛行訓練，通過在模擬的航線上生成虛擬空中加油機，讓試飛員模擬危險的空中加油動作。值得關注的是，雖然VR技術開始在實訓教學中應用，但這只是具身沉浸式模擬訓練模式的初級階段。而在今后XR技術的支持下，學生們的觸覺和味覺也會同時參與其中，讓學生實現多感官參與和全身心投入模擬的實訓情境，實現不同專業學生的專業化發展。

（二）基于數字孿生模型的實訓模式

數字孿生是指構建與物理實體（如產品或系統）1∶1比例的虛擬仿真模型，并通過實時更新的傳感器數據和歷史紀錄來反映該物理實體的狀態[8]。數字孿生可以促進現實物理世界與數字虛擬世界的融合，最終達成“以虛映實、以虛控實”的目標[9]。以“5G+XR”為核心支持的數字孿生模型可創新應用于未來職業教育的實訓教學中，通過虛擬孿生體或“孿生車間”為學生提供互動學習體驗，既能避免學生在真實實習車間可能帶來的安全風險問題，還能通過XR或全息技術直觀呈現設備內部結構或運作流程，高效完成傳統實訓中難以開展的模擬訓練過程。基于數字孿生模型的模擬訓練模式開展主要包括以下環節：其一，在實訓基地建立車間級的動態數字孿生模型[10]。其二，通過真實車間的各類傳感器獲取物理裝備的實時真實數據，并通過5G網絡匯聚到數字孿生模型，實現此虛擬模型與物理裝備之間數據的實時更新與狀態的動態迭代。其三，通過全息投影和XR技術向學生呈現出一個與物理裝備1∶1對應的虛擬裝備，學生可在虛擬孿生體上通過反復性和容錯性的模擬操作完成實訓教學。雖然在職業教育的實訓實操中，基于數字孿生模型的模擬訓練模式還非常少見，但在當前的城市管理中已有相對成熟的應用，如杭州基于數字孿生模型模擬出整個城市的交通變化情況并實現智能管控。由此也可見，基于數字孿生模型的模擬訓練也會隨著新一代智能技術在教育中的應用很快實現。

（三）人與智能機器跨地域協同實訓模式

當前人類社會正迎來第四次工業革命，也被稱為智能化革命。其與前三次工業革命的本質區別是，前三次工業革命的技術大體是延展或取代人的體能，而第四次工業革命的技術是延展或取代人的智能[11]。這也意味著人與機器的協同模式間不只是機械操作層面的互動，還將包括智能機器參與的高度智能化協同工作。因此，勝任未來智能生產工作的高技術技能人才，不僅要能夠掌握先進智能裝備的操作，還要能夠在5G等高速網絡支持下與智能機器開展人機跨地域合作。對于大多數普通職業院校而言，沒有條件配置智能化產業中使用的先進智能裝備，學生難以在實訓中獲得實操先進智能裝備的機會，未來進入智能產業中難以勝任人機協同生產工作。將“5G+XR”融合應用到實訓教學中，可以實現學生與智能機器開展跨地域協同，筆者將其稱之為人機跨地域協同實操模式。這一實訓模式的開展主要包括以下環節：其一，5G網絡為職業院校實訓基地和企業培訓/生產基地搭建一條穩定的高速網絡通路，實現企業智能裝備和職業院校操控平臺的聯通。其二，通過事先利用XR技術構建的虛擬化生產情境和遠程智能機器人的高清畫面實時融合，創設出一個逼真的學生實操場景。其三，學生通過交互觸發系統與智能機器人開展遠程合作，實現跨地域的人機協同實操實訓。

（四）實踐與創新創造相融合的實訓模式

面向智能時代培養的職業崗位人才，既要具備高水平的技術技能，還應具有利用智能技術及設備開展創新創造的意識與能力，這樣才有可能在生產實踐中不斷涌現出創新的技術與技能。為了與普通技術技能人才相區分，本文將這類人才稱之為技術技能型創新人才。事實上，技術技能型創新人才培養也是我國在職業教育領域開展創新創業教育的主要目標之一。需要指出的是，以上三類基于“5G+XR”的實訓教學模式主要聚焦于高效發展學生的技術技能，若要培養學生的創新創造能力，則可采用實踐與創新創造相融合的實操模式，這一模式可在創客教學實訓空間或眾創空間中開展。甚至有研究者將職業院校眾創空間中開展的實踐實訓活動譽為平民化的創新能力養成之路[12]。

在“5G+XR”的支持下，依托創客教育活動開展的實訓模式，可以將學生的實踐實操和創新創造相結合，實現對技術技能型創新人才的培養。其主要原因包括以下方面：其一，創新創造活動在多數情況下來源于真實問題解決或實踐活動。其二，職業院校學生的動手實踐能力強，能夠通過“做中學”的實訓理念，激發出新觀點、新技術解決方案。其三，“5G+XR”為這種融合創新創造的實踐實操活動提供了極為便利的支持，如通過容錯性極高的虛擬仿真模型，對新提出的技術解決方案進行反復設計。通過5G網絡不斷收集設備傳感器的動態數據，并通過人工智能引擎對這些數據進行挖掘，不斷對新產品模型進行可靠性驗證。

三、“5G+XR”創新實訓教學的現實挑戰

5G和XR技術在職業教育中的應用還處于起步階段，二者融合應用和創新職業教育實訓模式仍面臨以下四方面的挑戰。

（一）智能技術尚不成熟，難以滿足實訓教學需求

5G和XR是眾多智能技術的典型代表，且二者已經在一些領域開始商業應用。而上文所涉的四類職業教育實訓模式除了需要以“5G+XR”核心支持之外，還需要大數據、邊緣計算和人工智能等智能技術的融合性支持。但這些技術在教育中的應用才剛剛起步，存在技術規范與標準不統一、不健全的問題，在教育領域還難以構建起全新、成熟的智能技術及其應用生態。另外，由于實訓教學活動接近或完全是真實的實踐活動，其對智能裝備和資源的性能、質量和性價比都提出較高要求，但當前的XR硬件多為娛樂級別產品，資源多為弱交互的VR視頻，還難以支持實訓教學活動。特別值得關注的是，基于XR的實訓教學活動是依靠底層數據實現虛實融合環境的創建，如果這些數據發生錯誤，也為學生的實訓實操活動帶來錯誤的體驗，影響到實訓教學效果。技術層面難以實現無縫融合與應用的問題，仍然是限制“5G+XR”創新開展職業教育實訓模式的首要挑戰。

（二）教師的綜合能力不高，難以勝任智能實訓教學

由于第四次工業革命時代的實訓教學是智能技術支持和推動的，而且是為了培養未來智能產業中的高端人才，為此本文將以5G和XR等智能技術支撐的以上四類實訓教學活動暫且稱為智能實訓教學。值得關注的是，美國國際教育技術協會（International Society for Technology in Education， ISTE）在2017年發布的《美國國家教師教育技術新標準》（ISTE Standards for Educators）中，根據當前不斷涌現的新技術及其對未來教育的影響，將教師在教育教學活動中應扮演的角色劃分為領導者、學習者、公民、協作者、設計者、促進者和分析者[13]。這就意味著在未來的智能教育中，教師既要能夠借助技術為自身的專業發展進行賦能，也要能夠利用智能技術賦能和輔助學生的成長與發展。然而，從當前來看，我國職業院校的教師普遍存在教育教學理念落伍、信息化教學能力不高、人工智能素養缺乏等綜合能力不高的問題[14]，尚難以在智能實訓中根據實際需求扮演設計者、促進者、分析者等角色，難以勝任智能實訓教學的開展及其效果的評估。

（三）學生的知識體系不符，融入實訓活動尚有困難

第四次工業革命時代的高技術技能人才，要求職業院校培養的學生不只具備傳統的高水平行業技術知識和生產實踐技能，更要求他們具備人工智能素養層面的意識與能力，如計算思維、數據素養、智能機器操作、人機協同、解決復雜問題，以及利用智能技術進行創新創造的能力等。尤為值得注意的是，人工智能素養不僅是職業院校學生未來從事智能化生產、應對智能工業革命挑戰的必備能力，更是他們在校內有效參與、甚至是融入智能實訓教學活動的必備能力。上文所述“5G+XR”支持的四種實訓教學模式，無不對職業院校學生有效參加實訓教學活動提出了人工智能素養層面的要求。令人遺憾的是，與發達國家不同，我國學生在初高中畢業后進入職業院校學習時，主要經過了中考和高考兩大考試的“過濾”，致使職業院校學生的知識體系整體上略弱于普通高中和本科院校學生的水平。加之國內職業院校普遍以企業現實需求為導向，更關注發展學生的實踐應用能力，對兼具基礎性與前沿性的人工智能知識教學有所輕視，導致職業院校學生融入智能實訓活動存在一定困難。

（四）現有的制度機制不健全，難以保障實訓教學創新

今后以“5G+XR”創新和落實職業教育實訓模式的過程中，上述三方面的問題會在較長一段時間內存在，同時這三方面問題整體上也反映了對改革職業教育制度機制的迫切需求。當前，我國在推進智能實訓教學方面主要存在以下制度機制問題，不利于保障和促進智能實訓教學活動的開展：其一，校企深入合作的制度機制不夠創新，合作建設的實訓基地智能化程度不足，協同研發的實訓教學活動不新，人才培養目標不明。其二，實訓教學的評價機制不夠健全。組織與開展基于“5G+XR”的智能實訓教學活動主要涉及到教師與學生兩類主體，因而職業教育領域亟須建立其有關監測與評估教師的智能實訓教學勝任力、學生的智能產業勝任力等評價機制。其三，尚未建立基于頂層設計的智能化教育建設機制。在未來，包括智能實訓教學在內的職業教育教學工作的開展，需要5G和XR等新型智能技術的系統性支持。我國職業教育院校還普遍未建立基于頂層設計的智能化教育建設機制，這可能成為智能實訓教學開展的主要掣肘之一。

四、改進“5G+XR”創新實訓教學的策略建議

（一）頂層設計職業教育智能化建設與發展

當前，我國職業教育領域已經實現了信息化、數字化轉型，但是相較于其他教育領域而言，職業教育與技術發展、產業生產有更為緊密的關聯性，不僅需要職業教育體系能夠適應與滿足社會生產對職業技術技能人才的供給需求[15]，更要能夠對社會職業技術技能人才的需求進行戰略性研判與前瞻性預測。為滿足我國智能制造產業對高技術技能人才的需求，基于“5G+XR”開展的智能實訓教學不失為培養這些人才的重要途徑與關鍵環節。但值得關注的是，智能實訓教學的開展需要一個動態、靈活、耦合、可持續的智能化教育生態環境的支持，而不僅僅是相對松散的智能技術工具的任意組合與使用。為此，我國在“十四五”期間乃至今后較長一段時間內，應該注重頂層設計，推動職業教育從信息化向智能化建設轉變，積極構建職業教育智能化生態體系，從而為“5G+XR”創新支持的實訓教學提供智能空間。

（二）推進面向智能時代的普職融合式教育

黨的十九屆四中全會發布的《公報》中強調，要“完善職業技術教育、高等教育、繼續教育統籌協調發展機制”;2019年1月，國務院印發的《國家職業教育改革實施方案》也特別指出，“職業教育與普通教育是兩種不同教育類型，具有同等重要地位”。從以上國家對職業教育的定位可以發現，我國已開始推動從義務教育階段到高等教育階段的全體系全要素融合，以形成手腦并用、知行合一的更高水平人才培養體系。這也就意味著在今后的智能時代，要推進符合新時代特征的普職融合式教育。其一，在義務教育階段，要將勞動教育和職業啟蒙教育納入到中小學生的培養體系中，培養他們的綜合素質能力和對職業勞動的熱愛精神;其二，在高中教育階段，要推動中等職業教育與普通高中的合作，大力發展綜合高中，同時開設學術性課程與技術技能型課程，推動培養興趣愛好多元化和具備技術技能的高素質人才;其三，在高等教育階段，要持續推動地方本科院校向應用型發展，培養高端創新應用人才。如此，才能使進入職業院校的學生更好地接受智能條件下的教學與實訓等教育活動。

（三）構建協同合作和供需平衡的校企關系

《國家職業教育改革實施方案》明確提出，要“促進產教融合校企‘雙元育人”。在第四次工業革命時代，智能化生產技術與生產設備將更為先進、專業，這就使得智能化生產崗位的職能更明確，工人從事和勝任不同崗位的能力門檻越來越高，以及他們在不同生產部門與崗位之間的流動性將大為降低。在未來的職業教育人才培養中，對工人訂單化、定制化、差異化培養與精準供給，才能滿足企業智能化生產的需求。為此，職業院校和企業用人單位需要構建超越以往任何時期的一種新型協同合作關系，甚至可以稱為一種“合作共生體”，全面推進高素質和高技術技能人才的定向、精準培養。校企“合作共生體”的合作內容涉及共同制定培養目標、教育內容、教育方法，共同構建智能化實訓實操環境與配置實訓裝備，共同組建教師隊伍，以及對未來的在崗工人開展培訓等合作內容。通過這種新型的校企合作關系，既可以實現職業教育及其實訓教學的改革，也能不斷滿足企業對智能化生產中高素質技術技能人才的需求。

（四）健全推進智能化實訓教學的相關機制

其一，確立校企面向智能化生產構建“合作共生體”的機制，暢通校企的溝通與合作渠道，創新智能化實訓的模式與方式，打通人才需求到供給的各個環節，確保人才的精準供給與供需平衡。其二，要確立智能化實訓基地的建設、運營與維護機制，以智能技術環境助推實訓教學方式的轉變與變革，根據企業訂單式人才培養需求，基于校企“合作共生體”模式優勢，共同投資升級實訓設備。其三，要確立智能化實訓教師培養與發展機制，堅持“引進來”與“走出去”的教師發展策略，既要從國內外引進能夠勝任智能化實訓教學的教師，也要注重與企業的協同，加強實訓教學和教師培訓，特別是對現有教師開展能力階梯式發展的培訓等。

參 考 文 獻

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