5G視域下的信息化教學模式探究

梁 涵，薛 珊

（河南交通職業技術學院 河南 鄭州 450000）

隨著“物聯網”“車聯網”的興起，移動通信迎來了“萬物互聯”的5G時代。5G正從經典的流量服務模式向全要素生態鏈模式轉變，影響著人們生活、學習的各個方面[1]。5G憑借其eMBB、mMTC、URLLC三大應用場景[2-3]，綜合大數據、云計算、人工智能、VR+全息投影等前沿技術，將更好賦能教育行業，加快互聯網發展進程，推動教育現代化2.0，助力教育公平化。

傳統智慧課堂將大量的教育資源放在云端，而終端和網絡之間主要傳輸控制信息M2M/IoT帶來的海量數據，4G已經無法滿足。新的教學工具與載體的出現，比如全景模擬VR/AR和全息投影等，為學習者提供了前所未有的學習體驗，同時需從云端調用大規模數據和資源，其對云端和終端通信信道的要求極高。MOOC資源需要復雜的師生互動、生生互動、人機互動以及生成性資源的連接與分享。這些功能在4G環境下難以有效運行，讓接受者在使用過程中產生了諸多不舒適的體驗，無法發揮其優勢。

5G的出現，以高速率（峰值速率大于20Gbps）、低時延（網絡時延1ms）、海量設備連接、低功耗（基站更節能，終端更省電）適應了云計算時代的要求。對于云端新的高品質視聽、教育資源，5G時代憑借高速率，實現單個客戶端服務模式向云端服務模式過渡，為海量云端資源充分運用提供了技術準備；5G網絡讓學習接收端打破了線下主機的限制，高速連接了云端海量的交互類虛擬仿真資源，為廣大學生提供了場景化的學習體驗、靈活的學習計劃和安排，有助于在現實中實現精準化、個性化學習。在5G時代，對于MOOC資源而言，高速率的通信網絡、強大超算系統、海量的云端資源、日新月異的人工智能，使得MOOC資源具備了深度支持遠程學習與教學的特性，更加大規模的個性化教育供給得以實施，將深刻改變現有的學習模式，對人類社會產生深遠的影響。

1 5G國內外研究及發展現狀

1.1 國外現狀

歐盟早在2013年即成立METIS項目，后又成立5Gppp項目；韓國成立了5G技術論壇和IMT-2020（5G）推進組；日本無線工業及商貿聯合會在2013年10月設立了5G研究組，由NTTDoCoMo牽頭，其工作目標是研究2020年及未來移動通信系統概念、基本功能、5G關鍵技術、基本架構、業務應用和推動國際合作。美國5G研究的主體，主要是學校、企業等科研機構，貝爾實驗室已經成為美國和歐洲共同的5G研究機構。

1.2 國內現狀

2009年華為開始研究5G，投入500多名工程師，遍布全球9個研發中心，聯合全球20多個頂級高校和科研機構進行研究。2019年5月8日，好未來教育集團與中國電信北京分公司簽署戰略合作協議，雙方將在5G網絡應用、雙師課堂、智慧教育等教學信息化領域展開全方位合作，共同探索未來課堂新模式，以教育信息化加快教育現代化與教育強國建設。

2022年3月19日，上海市發布《5G應用“海上揚帆”行動計劃（2022-2023年）》。計劃提出，重點開拓5G+智慧醫療、5G+智慧教育、5G+文化旅游、5G+長三角智慧航運一體化“四大新興賽道”。

在這樣的信息化大背景下，5G助力教育，促使教學方式、手段的變化，已經成為一種趨勢。

2 5G應用于教育的關鍵技術和支持的數學模型

從以下的香農定理角度來看，移動網絡高速率相關的信道容量，由以下幾個因素決定：小區，信道，寬帶，信噪比。

從上面的公式可看出，5G的性能實際需要從增加覆蓋、增加信道、增加寬帶和增加信噪比等幾個途徑一起入手，相關技術包括增強覆蓋技術、頻譜提升技術、頻譜擴展技術和能效提升技術等，在這些核心技術催動下助力應用于教育的各項技術[4]：①基于5G時代，互聯網通信速率有了質的提升，現實模擬技術的進步，通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化資源的云計算技術；②遠程全息投影式的立體云VR/AR；③通過多種天線對無線網絡信號進行同步收發，通過多天線的合力來提升信號收發效果的MIMO技術；④通過提高基站部署密度來完成的超密集組網技術；⑤借助標準IT虛擬化技術，對結構日益復雜、操作日漸煩瑣的硬件設備進行整合與優化的網絡功能虛擬化技術。

在5G技術的快速發展下，5G助力教育必然開啟新篇章。

3 5G視域下的互動教學模式

以5G的高速率、低時延、海量設備連接、低功耗為基石，利用云計算、人工智能、機器學習、計算機視覺、物聯網與傳感技術等，集終端、應用系統、平臺、內容于一體，改變著教學模式的方方面面：

3.1 課堂可視化實時互動交流

通過5G的高速率、低延時，可以大大縮短下載延遲時間，擴大課堂中混合現實內容和視頻的容量[5]，打破了空間的限制，在全息投影技術的幫助下，讓教師學習發起方可以同時出現在相距遙遠的兩個課堂，北京和四川涼山可以接收到同品質的教育和課程，利用5G如此低的滯后時間，現實和虛擬教室的師生可以實時互動交流。同時還可把課堂之外的實景現實模擬技術，借助于云VR直接嵌入到課堂教學的環節當中，讓學生感受到立體、身臨其境的學習體驗，在這種課堂所形成的課堂場景與外界場景之間全方位、立體化地互動，對學生學習方式和教師教學方式帶來的影響是深遠的。

3.2 實現雙師課堂，促進教育均衡發展

在5G視域下，傳統的教師教學也會發生改變，更多的學校會出現雙師課堂，可以把全世界的優質課堂資源通過清晰的全息影像，云VR的高速傳輸，立體效應，帶給學生身臨其境的感覺，學生就像置身于另一個課堂，享受優秀的教學資源，參與實驗和探索活動，和老師進行實時互動。而學校老師則輔助網絡教學的正常進行，負責給學生答疑解惑，講解重難點，布置作業，處理各種課后習題，并指導后進生轉化等。基于5G高可靠、低延時的特點，這種課可以發揮線上、線下兩個老師的優勢，有效提高課堂效率及教學質量，使不同地域的學生能夠享受同等的優質教育資源，實現教育的均衡發展。

3.3 實現定制化教學模式，達到教師、課程與學生的最優智能匹配

在5G云計算平臺上將大量的教學資源上傳至云空間進行存儲，通過5G下的超算系統和云計算將云端資源、海量教學進行課程模塊化；根據5G的海量設備連接特性將各種終端設備獲取到的關于學生知識儲備、學習習慣、接收程度等學習因素通過云計算進行大數據智能量化，線性分析。利用5G高速率、低時延、海量設備連接、寬信道的特點溝通雙方資源，智能匹配和選擇。學生學習不再拘泥于一個老師、一個課程安排，打破時間和空間限制，打破黑板平面、二維教學輸入，可為學生提供一個三維立體全息投影式的場景體驗和學習過程，仿佛學生置身于真實課堂。全過程根據學生個人學習運用、發展進度、照顧學生個性化要求。

線上現實場景反饋修正，不能完全將教育交給云計算，相對應線下需要建設輔導員體系，輔導員要負責學生心理引導，更快進行人機重配，適時調節學生心理。線下輔導員要積極把學生個人反應及時反饋給系統，同時監督學生線下紙質作業完成、實際場景操作、跟蹤學習效果、及時反饋給系統，提出建議，找出最優課程安排。

3.4 實現精準大數據分析，智能刻畫學生“畫像”

在5G定制化的教學模式下，學生能根據自身特點匹配出適合自己的老師和課程，能和老師進行全方位的全息互動交流，有利于學生的個性化發展和教育的因材施教。在5G時代，互聯網可以連接的終端設備越來越多，從各個終端設備上獲得的信息也會增多，教與學在網絡上產生海量的數據，在云平臺可以把課內與課外、線上與線下、現實與虛擬等諸多場景中的痕跡和數據完整傳輸、記錄和保存。通過對這些數據的分析和線下觀察評估，對學生的畫像就會越細致、越精確。線下的教師和網上系統可以借助于5G的高速率和云平臺，通過學生對應的“像”，對學生有更深刻、全面的了解，有助于做到真正意義上的因材施教，有助于對學生客觀的教學評價。

3.5 實現復雜、高風險教學場景的課堂再現

5G視域下，云VR可以應用于教學場景的課堂再現：一是可以模擬現實生活中風險比較高，耗用成本比較昂貴的教學培訓，比如：飛機、汽車的駕駛和拆裝教學等，增強學生的實際操作能力，課堂更貼切于實際，服務于生活；二是可以使消防、地震等災害場景在課堂上實現模擬演習再現；三是具有天然“VR屬性”的科普教學，比如：深海、太空、博物館展覽、史前時代等場景的生物方面的科普教學，可以利用VR帶來的視覺沖擊，使學生更全面地把握知識[6]。

3.6 實現網絡空間學習的無縫場景切換

網絡學習空間在學校教育中越來越普遍，但納入空間的學習應用都是一個個類似“蜂窩”的、具有獨立“通道”的，它們之間不能打通，學習應用中的知識點之間也不能相互銜接。但是，實踐遇到的問題一般都是綜合的、復雜的，需要學生在獨立學習思想碰撞中萌發創新思維，逐漸生成創新能力。因此廣域的學習和靈活無縫的場景切換更加符合創新時代的要求[1]。

在5G時代利用云卡片技術，學習應用注入5G學習空間之后，在算法和高速率信道幫助下即可耦合通聯，形成學生學習的智能個性化界面，學生在界面上通過系統人工智能的幫助，調取適合自己的各種應用進行學習，自由進行切換，保證學生認知和思維的流暢性，而不必擔心從這個應用進入，從那個應用出來，產生了思維中斷，打破學科的限制，為學生展現一個完整的世界[7]。

4 結語

高速發展的移動通信網絡，帶來的不僅是生活上的變革，還帶來了一場學習革命。其中，基于“5G+云VR+智慧教育”將開啟一種全新的教學模式，這種教學模式融合云計算、人工智能、機器學習、計算機視覺、物聯網與傳感技術等，實現了全息投影式可視化實時互動智慧課堂，均衡了教育資源，實現了學生的個性化學習，使學生隨時隨地都能享受流暢的學習體驗，推動了教育信息化2.0的實現，為教育事業的發展添磚加瓦。