5G賦能下的智慧教室建設及多場景應用研究

施雯斐

（南京城市職業(yè)學院，江蘇 南京 210002）

1 智慧教室

1.1 智慧教室內涵

智慧教室其實是指 “多媒體＋網絡”相融合的教室，在傳統(tǒng)的多媒體教室中加入物聯(lián)網、云計算、VR等網絡技術，增強課堂交互功能，改善課堂學習環(huán)境，進一步促進智能化、個性化學習。北京師范大學知識工程研究中心的專家在《智慧教室的概念及特征》一文中提出了一種智慧教室的“SMART”模型，即Showing、Manageable、Accessible、Real-time Interactive、Teasting，智慧教室的智慧性就體現(xiàn)在這五個方面，分別為內容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時互動、情境感知[1]。

（1）內容呈現(xiàn)是利用多媒體技術及設備將教學內容展示給學生，是智慧教室建設的最基本要求。常用來做內容呈現(xiàn)的設備主要有電子大屏、電子白板、投影儀、音響等音視頻設備。

（2）環(huán)境管理通常是指智慧教室中軟硬件的管理，主要包括網絡系統(tǒng)、資源系統(tǒng)、教學系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、教學設備、教室布局。智慧教室的智慧不僅要體現(xiàn)在課堂教學上，也要體現(xiàn)在教師管理和使用上，讓教師實現(xiàn)網絡化管理教室。

（3）資源獲取是指智慧教室能夠提供豐富的教學資源，并且能夠對接投影、電子大屏、計算機等內容呈現(xiàn)設備，在課堂教學中滿足教師正常使用需求。

（4）及時互動是智慧教室區(qū)別于普通教室一個典型特征。觸摸式電子大屏能夠實時與課堂教學相互動、VR/AR教學設備能實現(xiàn)情景交互，增添課堂的互動性。此外，人臉識別跟蹤系統(tǒng)能實現(xiàn)課堂考勤、教學質量分析管理等功能。

（5）情境感知是通過傳感器實時感知教室的溫度、濕度、光線強弱，自動調節(jié)教室的物理環(huán)境，使其達到師生舒適的感覺，提升教學質量。

1.2 智慧教室的發(fā)展與應用現(xiàn)狀

最早期的智慧教室關注點主要在教室的投影等硬件設備上，但隨著多媒體技術及網絡技術的發(fā)展，智慧教室的關注點逐漸轉移到功能需求上。在國內，智慧教室逐漸建設應用于各大高校甚至中小學、幼兒園，如山東大學建設的能夠支持遠程互動教學的多點互動智慧教室，師生可以更加直觀、高效的進行遠程互動教學；為教學環(huán)境適用于“雙一流”建設發(fā)展，中南大學打造了多間全方位、多功能、智能化的“互聯(lián)網＋”智慧教室，轉變傳統(tǒng)醫(yī)科教學方式；新疆醫(yī)科大學除了建設普通型智慧教室，還建有研討智慧教室、PBL教室等類型，涵蓋了正式和非正式環(huán)境的泛在學習環(huán)境，用于多種創(chuàng)新教學模式。

現(xiàn)階段，全國教育行業(yè)正在大力建設智慧教室，中小學、大學及教育機構都希望能借助信息化軟硬件提升教學質量，但目前智慧教室的建設及應用還處在探索實踐階段，存在一些主要問題，如技術是否真正融入教學？功能是否真正滿足需求？設備是否真正實現(xiàn)價值？資源是否得到有效管理？

1.2.1 技術是否真正融入教學

以往的多媒體教室結構組成簡單，大多數(shù)僅由投影、幕布、電腦、黑板等極少的教學輔助工具組成，教師多以PPT和書寫的方式來上課。如果教室比較大時，教師最多配一個隨身擴音器滿足擴音需求。與傳統(tǒng)多媒體教室不同，智慧教室在傳統(tǒng)的多媒體教室中加入了物聯(lián)網、云計算、VR等網絡技術，配備了增強課堂交互功能的軟硬設備，教師如果想要真正在教學中使用智慧教室的多種功能，首先必須有基本的信息素養(yǎng)知識，其次能夠熟悉且熟練運用智慧教室的功能，另外還要要求教師在備課時就要合理設計適用于在智慧教室互動上課的教學課件等。而目前很多教師很難真正將所有智慧教室中運用的技術融入教學。

1.2.2 功能是否真正滿足需求

智慧教室相比于傳統(tǒng)的多媒體教室，在功能上有了大大的提升。但在提升的同時，軟硬設備也增加了許多。在前期建設智慧教室時，設計者如果沒能合理設計智慧教室的功能布局，比如：50人的大教室僅安裝2臺互動設備，教師在上課時就不方便使用互動功能，久而久之該功能設備就會被閑置；10人的小研討智慧教室安裝擴音設備，也會造成這部分的功能浪費。所以，不是所有教室功能越多越好，設備越先進越好，往往能滿足教學需求的功能才是最需要的。

1.2.3 設備是否真正實現(xiàn)價值

目前，很多學校都在大力發(fā)展智慧校園建設，所以在建設智慧教室時，可能會一味追求最先進、功能最齊全設備，不惜耗費巨大人力物力建設高端先進智慧教室。但其實很多情況下沒有結合各自學校的實際情況，比如：學校是否有配備多間智慧教室的需求，是否的專業(yè)的管理人員管理，師生對使用智慧教室的感受如何等一系列問題。這些問題如果得不到答案，那耗費巨大經費購買的設備就無法實現(xiàn)真正的價值，必然會導致資源的浪費。

1.2.4 資源是否得到有效管理

智慧教室是由多種先進技術融合而成的，從建設初期設計，到建設，再到后期的投入使用，都需要專業(yè)技術人員全生命周期的跟蹤管理。許多學校會存在盲目跟風建設多種類型智慧教室，但沒有專業(yè)的技術人員支撐管理，很難建設完成一間適用于本校實際需求的智慧教室，建設完成后也很難進行有效的管理。

結合目前智慧教室的應用現(xiàn)狀及存在的問題，未來智慧教室的研究將對更加集中在應用模式的探索、應用效果的評估等方面，以前沿的信息技術手段，結合用戶的需求，個性化定制學習方案。

2 5G與智慧教室

2.1 5G概述及特點

前面說到，智慧教室的發(fā)展是以前沿的信息技術手段，結合用戶的需求，個性化定制學習方案。5G時代的出現(xiàn)，恰好為智慧教室的發(fā)展帶來了新的機遇[2]。5G指的是第五代移動通信系統(tǒng)，相比4G的最高網速 100兆每秒而言，5G的巔峰網速則是10GB每秒，5G與4G的區(qū)別不止于數(shù)百倍的網速差這么簡單，它的極廣覆蓋面、極低延時等特點也是4G所不可企及的。

5G的特點除了高速度、覆蓋面廣、極低延時外，萬物互聯(lián)、低功耗、重構安全體系也是其重要特點。高速度有多高，舉個直觀的例子，下載一部高清影片只需1秒的時間；覆蓋面廣體現(xiàn)在信號覆蓋包含人跡罕至的深山老林、信號不好的地下室等地方；5G極低延時體現(xiàn)在延時不高于1毫秒，這將有利于無人駕駛技術打破因網絡延時高而研究停滯的情況，有利于AR/ VR的應用因延時導致的暈眩情況的改善；萬物互聯(lián)體現(xiàn)在網絡連接的用戶終端不再局限于手機、電腦等電子產品，有可能是你家的微波爐或是晾衣桿；5G的低功耗這一特點將有利于物聯(lián)網的發(fā)展，目前很多物聯(lián)網產品都因功耗高帶給用戶極差的體驗感，未來將會有所改善；5G的重構安全體系將會大大提升互聯(lián)網的安全系數(shù)，如安全得不到保證，那么新機制和新體系的建設就很難完成。

總之，隨著5G技術的到來，在云數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術的驅動下，智能化應用領域將迎來新的機遇，智慧校園、智慧醫(yī)院、智慧辦公等應用場景將真正實現(xiàn)智能技術的實際落地。

2.2 5G與智慧教室建設相關的信息技術

2.2.1 物聯(lián)網

物聯(lián)網顧名思義指的是通過信息技術將物品某些屬性接入互聯(lián)網，通過網絡控制物品的某些功能。那么，物聯(lián)網技術在智慧教室中起到了很大的作用，將多種管理系統(tǒng)化N為1管控，如教學設備管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)、自動測溫系統(tǒng)、人臉識別考勤系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等。在智慧教室中，教師可通過手機端一鍵開啟教室大門、燈光、空調等設備，通過智能講臺上“一鍵上課”按鈕啟動教學所需的投影、音響、電腦、幕布等教學設備。5G賦能物聯(lián)網技術，不僅在智能化管理教室的各類系統(tǒng)中提升了教學管理的效率，5G的低功耗特性也幫助相對節(jié)約了教室的部分能耗。

圖1 智慧教室物聯(lián)網管控

2.2.2 云計算與云存儲

5G能夠在極短的時間內傳輸大量的數(shù)據(jù)，幾乎無感知的延時，為云計算和云存儲打下了良好的網絡基礎。那么，對于智慧教室而言，要實現(xiàn)高效的教學，基于物聯(lián)網技術下的智慧教室通常采用云桌面，教師通過計算機硬件設備直接調取云端課件等教學資源；多點互動智慧教室將各類終端通過互聯(lián)網進行云端數(shù)據(jù)傳送，大量的云計算及云存儲技術支撐各類課堂教學。

2.2.3 大數(shù)據(jù)

5G時代下，由于它的高速度及低延時的特性，網絡上的數(shù)據(jù)將在短時間內大量增長，海量增長的數(shù)據(jù)為各類大數(shù)據(jù)需求方提供了豐富的數(shù)據(jù)來源。智慧教室中的人臉識別考勤系統(tǒng)可利用大數(shù)據(jù)分析學生的考勤情況；能耗管理系統(tǒng)可利用大數(shù)據(jù)分析教室中的能耗情況；教師可利用學生在智慧教室中采用信息化設備互動留下的各類學習數(shù)據(jù)，分析學生的學習情況等；此外智慧教室中的自動測溫系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等其他系統(tǒng)，也可以根據(jù)云端的存儲大數(shù)據(jù)按需分析，得出相應的結果，實現(xiàn)智能化服務。

2.3 5G賦能下的智慧教室場景應用

智慧教室中利用物聯(lián)網、云計算和云存儲、大數(shù)據(jù)等信息技術實現(xiàn)智能化教學及管理，而根據(jù)不同的教學需求又會將智慧教室劃分多種場景應用類型，常見的三種智慧教室有精品錄播智慧教室、互動智慧教室、VR/AR智慧教室[3]。

2.3.1 精品錄播智慧教室場景應用

精品錄播教室通常適用于多種場景教學，如：常規(guī)教學、開放式教學、專家講座、培訓等。在精品錄播教室中，教師上下課時可利用多媒體控制終端一鍵開啟與關閉教學系統(tǒng)，教室中一般采用內置OPS電腦的互動觸摸一體機，教師可利用教學平臺系統(tǒng)、教學視頻資源管理平臺等系統(tǒng)在云端調取教學資源。

教師上課時，可采用自動錄播系統(tǒng)一鍵錄播，IP全景攝像機全自動采集影像，無感知記錄課堂上課情況，課程錄制結束后，教師可根據(jù)需求利用系統(tǒng)中的自動剪輯功能剪輯錄制好的課程，如虛擬切片功能可在不破壞視頻原來的完整性的前提下，將視頻自動劃分知識點片段。此外可利用系統(tǒng)中的語音識別技術，將課堂上的講解和對話自動轉換為SRT字幕文件，教師可自行添加圖片或視頻在系統(tǒng)中快速合成片頭片尾，形成完整的精品課程。最后，教師可將錄制的課程借由 5G 網絡上傳至云端服務器存儲。在云端可利用大數(shù)據(jù)分析，幫助學生在海量的音視頻教學資源中檢索出合適的資源，實現(xiàn)自主個性化學習。

2.3.2 互動智慧教室場景應用

互動智慧教室通常適用于專業(yè)教育課程、實驗實訓類教學、翻轉教學、小班教學等互動類教學。區(qū)別于精品錄播智慧教室的是，互動智慧教室可采用BYOD終端，如平板、PC、手機等利用5G無線傳輸與智慧教學系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。課堂上，學生通過自帶的BYOD終端，對學習過程中也可投屏互動分享學習內容。

此外，多點互動教室可實現(xiàn)多校區(qū)數(shù)據(jù)交換，通過5G網絡學生可實現(xiàn)異地實時參與課堂互動教學，教師可實現(xiàn)異地了解遠程的學習情況，分享文件資料和觀點。互動教室的強大功能靈活實現(xiàn)了移動學習、遠程教學、資源共享、富媒體互動。

2.3.3 VR/AR智慧教室場景應用

VR/AR智慧教室依托5G與虛擬現(xiàn)實技術建設，適用于思政教學、情景教學、實驗實訓等沉浸式教學。VR/AR視覺體驗需要極高的帶寬支撐，否則視頻的清晰度無法達到要求，用戶會產生眩暈感。此外，只有在5G技術下，龐大的視頻傳輸數(shù)據(jù)得以在云端計算，否則很難實現(xiàn)VR/AR的極佳體驗。

教師采用VR/AR智慧教室教學，將一些無法現(xiàn)實搭建的場景，如歷史場景、危險場景以虛擬的形式呈現(xiàn)。教師也可以根據(jù)教學內容個性化搭建虛擬場景，如虛擬實驗室、虛擬機艙等，讓學生身臨其境的感受教學內容，提升教學效果。此外，在VR/AR智慧教學場景中，學生可自主選擇學習內容，海量的學習內容豐富多彩，有些還融入了游戲元素，激發(fā)了學生的學習興趣，寓教于樂的教學模式更能提升學生的學習效果。

3 結束語

5G、大數(shù)據(jù)等信息技術的發(fā)展為教育行業(yè)帶來了更加智能化的教學環(huán)境[4]，雖然借助信息技術手段能提升一部分教學質量，但絕不能忽視“人”這個第一要素，在教育教學中，教師要積極發(fā)揮主觀能動性，合理利用信息技術手段進行課程設計等教學活動，這樣才能真正發(fā)揮技術價值，進一步提升教育教學水平。