基于5G+VR的沉浸式研學實訓平臺研究及應用

王慧

【摘要】? ? 基于5G網絡的高速率、低時延、大連接特性以及VR的沉浸性、交互性和構想性特點，本文提出構造以5G網絡為基礎，將VR、AR、超高清互動內容為承載的知識實訓平臺，與研學實踐基地線下實地場景相融合，打造基于5G+VR的沉浸式研學實訓平臺，探索“線上+線下”實訓新模式，讓實訓集聚學習性、互動性、沉浸式和科技性，增強知識實訓的吸引力和感染力。

【關鍵詞】? ? 5G? ? VR? ? AR? ? 研學? ? 知識實訓? ? 沉浸式? ? 互動性

一、研究背景

現代化進程中，科技是關鍵，教育是基礎。傳統課堂式教育實訓形式單一，亟需豐富教學方式方法。研學實訓繼承和發展了“讀萬卷書，行萬里路”的教育理念和人文精神，結合國際上“研究性學習”的先進理念、方法、模式，成為人才教育的新內容和新方式。隨著5G和VR技術的發展與普及，如何將書本知識學習、研學實踐基地與5G+VR技術進行融合，打造基于5G+VR的沉浸式研學實訓平臺是本文研究方向。

二、基本概念和理論

2.1 5G

5G是第五代移動通信技術的簡稱，優勢為：一是高速率，最高可達10Gbit/s，能滿足高清視頻、虛擬現實等大數據量傳輸應用;二是低時延，低于1毫秒，能夠滿足自動駕駛、遠程醫療等實時應用;三是大連接，能提供千億設備的連接能力，滿足物聯網通信。

2.2 VR/AR

VR（Virtual Reality）虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，讓使用者如同身臨其境一般，具備沉浸性、交互性和構想性三大特點，能滿足沉浸式、互動式的學習體驗類應用。AR（Augmented Reality） 增強現實是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術，通過多媒體、三維建模、實時跟蹤、智能交互、傳感等多種技術手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后應用到真實世界，為用戶提供現實環境中的物理和增強信息。

2.3研學

研學是“研究性學習”和“實地場所”相結合的教育活動，以科技、紅色、歷史、軍事、航天等各類主題開展實訓教育，建立體驗式教學實訓模式，讓參與者在真實場館中沉浸式體驗學習。

2.4知識學習平臺

知識學習平臺是以文字、圖片、視頻、直播等多種形式對知識進行教育、講解、培訓、測試及評估的線上學習平臺。

三、基于5G+VR的研學實訓新模式研究

3.1研學實訓現狀分析

目前研學實訓體驗程度較淺，學習效果欠佳，易出現“游”大于“學”的情況，主要問題：一是教學形式簡單，多為參觀研學基地，以聽講解、觀看視頻、參與一些輕互動體驗活動等為主，學員僅能獲得短暫感慨和體會，缺乏一種持續性的學習理解，學習深度不足，實訓效果欠佳。二是時間限制，由于線下參觀學習受時間因素影響，多以半日或一日為主，無法將實訓基地承載的知識內涵深入領悟。三是地理限制，遠距離學員無法實地學習，且由于位置離散導致相關聯的研學基地知識無法融合和發揮研學實訓最大價值。

3.2研學實訓VR/AR應用

1. VR虛擬研學基地。VR虛擬研學基地根據實現方式不同分為兩種，實景全景拍攝和虛擬建模。實景全景拍攝，是依托研學基地，利用超高像素矩陣攝影技術對基地進行全景拍攝，再通過虛擬圖像處理技術將影像合成處理，形成360度全息影像。虛擬建模是根據學習主題，將主題相關的場景影像、圖片、音視頻等內容聚合渲染，并通過計算機建模算法搭建合成。與此同時，研學基地知識內容也可以通過VR技術制作成學習素材。相比傳統VR，云VR通過云計算技術，將音頻、視頻、游戲等內容進行渲染，在云端處理和編解碼，生成視頻流媒體，借助優質網絡，通過終端推送至用戶。由于不受本地算力限制，云VR擴展了傳統VR的業務模式和使用場景，更利于研學實訓內容大規模學習運用。

2.研學實訓AR內容。通過AR技術對研學基地學習內容進行虛擬建模，增強現實信息豐富教學內容。傳統AR技術計算、渲染均在終端，對終端硬件要求較高，受限于本地算力，難以開展大場景業務應用。云VR通過基于5G技術特性，將內容部署在云端處理，即存儲、計算、建模、編解碼、渲染等主要功能集中在云端，生成視頻流媒體推送至用戶，可以大大降低學習門檻，有助于實訓內容的融合互通。

3.3基于VR/AR研學實訓新平臺

為增強學習教育的持續性、全面性和感染力，將知識學習平臺、研學實踐基地與5G+VR/AR+云網技術進行融合，打造研學實訓新平臺，通過登錄平臺開展一站式研學實訓。

1.實景研學實訓。實景研學實訓依托研學基地實地參觀學習，知識實訓平臺作為導覽，指導學員自主完成研學全部知識學習。平臺采集研學基地多維度信息，包括地理信息、全景信息、路線信息、學習站點信息、知識點信息等。對采集信息數據加工處理后向學員推薦研學基地最優學習路線，通過實時交互學員位置信息，在路線上引導學員前往各子學習站點。識別學員到達后，平臺自動推送學習任務，并根據學員學習情況智能推薦下一個學習任務。

學習站點學習任務包括兩類：一是引導學員實地觀看陣地線下提供的各類圖片、文字、音視頻、AR等學習內容;二是推送線上學習內容，如文字、圖片、音頻、視頻、VR、AR等。學員完成學習任務后，平臺自動推送答題檢測學習情況。完成答題后出具學習報告，包括成績、正確率、薄弱項等。根據學習數據評估學員學習情況，智能制定下一個學習任務。學習站點學習達標后，平臺引導學員前往下一個學習站點開展學習。完成所有學習任務后，平臺出具研學整體學習報告，包括知識點掌握數量、質量、用時、成績、積分以及不同圈層的排名情況，使學員可以全面了解自身學習情況。學員學習情況會同步給所在組織，便于組織了解學員的學習情況，針對性開展知識實訓提升。

2.虛擬研學實訓。虛擬研學實訓是以知識實訓平臺為入口，進入VR虛擬研學基地進行學習。此方式是對受地理、時間等限制無法實地前往研學基地參觀學習的一種學習形式補充。虛擬場館通過熱點交互、展廳切換、自動導覽、音視頻播放、地圖導航等功能，引導學員通過終端設備進行沉浸式體驗和學習。學習方式與實景研學實訓基本相似，唯一區別所有學習任務均在線上完成。虛擬研學實訓形式打破了實景研學實訓受線下地域、空間、時間等多方面的限制，學員可以隨時隨地進入虛擬展館進行參觀學習。

3.研學實訓5G應用。為提升研學實訓成效、豐富實訓內容，平臺學習內容會以超高清視頻內容、AR影像、VR全景視頻為主，有利于學員沉浸式體驗學習，通過簽名、合影、留言、宣誓、競答、VR游戲等提升實訓互動性。相比傳統音視頻，高清視頻、AR視頻、VR視頻、交互體驗等需要更大、更清晰的畫面，一段幾秒鐘的高清全景視頻便可達到幾十兆甚至幾百兆。為避免出現卡頓、丟幀、花屏、時延眩暈等問題，5G網絡切片可保障VR/AR對網絡的需求，將網絡中不同用戶進行切片分類，充分發揮低時延特性。同時在保證VR/AR應用的時延、路徑選擇、帶寬保證等方面能夠進行嚴格區分和精細控制，提供差異化服務保障。5G技術的超大帶寬、超低接入時延和廣覆蓋的接入服務，從技術上能實現VR/AR業務沉浸體驗的要求。

4.研學實訓AI應用。測評是檢測學習成果的有效方式之一，傳統答題測試較為枯燥，可通過引入人工智能AI技術增強競答互動性和趣味性。AI+健身做為新興行業不斷被大眾尤其是青年人所關注。研學實訓與AI健身相結合，可以實現腦力和體力有機結合。

通過前端攝像頭抓取學員動作，基于計算機視覺算法進行人體檢測、姿態估計、姿態跟蹤，實時獲取學員的運動狀態并傳輸給云端服務器，云端服務器通過AI動作識別算法分析將結果反饋至終端，指導學員動作調整并反饋答題結果。AI體感答題傳輸數據量較大且時延要求需毫秒級，因此5G技術的高速率和低時延是AI+健身+競答優質體驗的保障。

四、基于5G+VR的研學實訓平臺實現架構

基于5G+VR的研學實訓平臺架構分為三層：基礎能力層、專業能力層和應用層。基礎能力層主要為網絡、安全、存儲、監控及定位等基礎公共功能部署。專業能力層是支撐應用層服務的功能實現模塊，包括數據采集、數據加工、虛擬交互、內容呈現、體感能力和其他通用能力等。應用層是面向學員提供應用功能，是研學實訓教育主要功能體現。

五、結束語

隨著5G網絡全面覆蓋及VR/AR技術的日趨成熟，將科技融入研學實訓教育，豐富內容、拓展形式、提升學習成效是研學工作的新挑戰。本文提出基于5G+VR的沉浸式研學實訓平臺，充分利用5G特性及VR/AR沉浸式體驗，將知識學習與研學基地深入融合，實現線下傳統體驗式、觀摩式場景教學和線上虛擬場景體驗學習及知識互動競答結合，是“線上+線下”實訓模式的新探索，讓學習形式更具創造力、吸引力和感染力，學習成效更深入更持久。通過科技與知識學習、研學實訓深度融合，使知識教育實訓更具創造力、吸引力和感染力，真正實現用好科技技術，增強知識實訓成效，為科教興國戰略實施添磚加瓦。

參? 考? 文? 獻

[1] 王玲. 基于5G網絡VR技術在智慧黨建中的創新應用. 《通信與信息技術》2019年第4期

[2] 郭鑫. 5G與VR在智慧黨建的應用與實踐. 《信息周刊》2018年第27期

[3] 吳珂. 基于深度體驗的河南紅色研學旅游產品開發研究.《太原市職業技術學院學報》2019年第10期