基于5G通信的智慧課堂設計與應用＊

劉煥毅

（廣西建設職業(yè)技術學院，廣西 南寧530007）

1 研究背景

5G是第五代移動通信技術的縮寫。5G彌補了4G的缺點，系統(tǒng)性能在吞吐量、時延、連接數(shù)和能耗等方面得到進一步提高。同時，5G通過提供多樣化業(yè)務需求和業(yè)務特性的能力，能夠適應大寬帶、低時延、大規(guī)模連接、高可靠性等靈活多樣的應用場景需求。隨著5G技術的普及，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的逐步推廣，教育正逐步從傳統(tǒng)教育向智慧教育轉變，以課堂教學為基礎的教學方法也在慢慢地發(fā)生著變化。更重要的是，在教學環(huán)境中，同時借助虛擬現(xiàn)實手段和技術，通過個性化的沉浸式學習，提高學生學習興趣。智慧課堂在5G的加持下，教學效果、教學創(chuàng)新、教學網(wǎng)絡覆蓋等方面將得到極大的提高。2018年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》強調以信息化全面推進教育現(xiàn)代化，強調云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)的融合，人工智能等新技術深入教育的方方面面，推動了智慧教育的發(fā)展[1]。課程教學是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)、實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的根本途徑。改革現(xiàn)有的課堂教學，不僅需要“扭轉”在信息技術環(huán)境下現(xiàn)有的課堂教學結構，還需要深入思考如何實現(xiàn)以知識為主向以素養(yǎng)為主的轉變，從而重構關系、資源、能力，過程和評估，重塑課堂生態(tài)系統(tǒng)。因此，智慧課堂已成為教育思維與教育情感互動的產物，它是師生智能互動共生的過程和結果。當前課堂教學中存在著對學生創(chuàng)新能力教育、能力培養(yǎng)教育、個性化培養(yǎng)等問題，智慧課堂以開放性、沉浸性、靈活性等特點滿足了當前學生培養(yǎng)的需要。

2 智慧課堂存在問題分析

2.1 學校硬件配套建設不足

課堂教學效果與教學環(huán)境息息相關，不同的教學環(huán)境往往會產生不一樣的教學效果。目前，5G移動通信和物聯(lián)網(wǎng)在學校尚未全面普及，數(shù)據(jù)采集和處理技術的設備不夠先進。在智慧課堂建設中，學校網(wǎng)絡環(huán)境建設尚處在初步階段，學校沒有配備基礎專業(yè)教室，導致教師在課前無法推送要學習的學習資料，學生下載資料困難；課中缺乏及時的反饋機制，教師難以調整教學計劃；課后，學生無法進行自主補習，教師難以提供個性化的指導。

2.2 教師教學觀念扭轉困難

一方面，智慧課堂是一個相對較新的教學方式，不同年齡段的教師對新型教學方式有不同的看法和接受程度，一些教師的授課模式已經(jīng)固定，很難在短期內改變觀念，接受新觀念[2]；另一方面，一些教師盲目相信自己傳統(tǒng)的教學模式，忽視了新時代學生的特點和社會需求對人才的變化，導致學生在學習過程中不能把握學習的本質。在新的教學方式下，教師對智慧課堂的態(tài)度決定了課堂的教學質量。雖然一些教師同意采用新的教學方法來開展教學活動，但更多的教師仍然采用傳統(tǒng)的教學模式，這種態(tài)度對學校智慧課堂的發(fā)展有一定的阻礙。這些教學觀念難以理解學生學習中存在的障礙及其原因，難以進行準確的指導性實踐指導，而是重復且低效的練習，難以減輕學生負擔。

2.3 學生認知能力存在問題

首先，學生對智慧課堂的理解錯誤，對智慧課堂缺少興趣，錯誤地認為智慧課堂對于他們的學習沒有太大的幫助；其次，學生對于如何在新的教學方式下自主學習的認識還不明確，很多學生不知道如何高效獲取相關信息，不知道如何更好地開展學習，學生很難形成完整的學科知識和相應的應用能力體系，對于較難學得知識，缺乏幫助學生理解和探索難學知識的有效手段，導致學生慢慢失去興趣和信心，降低學生在課后學習的效率；另外，很多學生在長期的應試教育中，已經(jīng)習慣了被動接受老師傳授的知識點，缺乏自主學習能力和探究問題的動力，也不愿主動去探索新知識，這種被動的學習態(tài)度不利于學生全面素質的發(fā)展和智慧課堂的開展建設和普及[3]。

3 5G智慧課堂架構

基于5G技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧課堂的架構如圖1所示。智慧課堂融合了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術，采用端云架構，提供多應用服務，利用5G高帶寬、低延遲、大連接的技術特點，通過接入各種形式的智聯(lián)終端和教育裝備，實現(xiàn)各種軟硬件設備間的無縫互聯(lián)和協(xié)同工作，為學習者提供真正沉浸式的實時學習體驗，并采用大數(shù)據(jù)中心、云平臺等技術實現(xiàn)多功能應用業(yè)務的數(shù)據(jù)共享和多功能應用業(yè)務的實現(xiàn)，提供高效、迅捷的數(shù)據(jù)傳輸和分析，實現(xiàn)對學習行為的智能分析和可視化的管理，實時了解學習情況、獲取需求反饋，實現(xiàn)師生良好互動。

圖1 5G智慧課堂架構圖

根據(jù)智慧課堂的系統(tǒng)結構和技術特點可以將基礎架構分為4個層次，主要包含了基礎層、通信層、數(shù)據(jù)層和應用層。

基礎層。基礎層集數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸于一體，結合物聯(lián)網(wǎng)技術、VR技術，利用錄播互動、實訓互動、教學互動、物聯(lián)管控、全息投影、云計算等設備對教學課堂全過程相關信息進行數(shù)據(jù)采集，通過5G網(wǎng)絡技術進行數(shù)據(jù)傳輸，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，為平臺進行數(shù)據(jù)云存儲提供原始數(shù)據(jù)來源。

通信層。通信層是為數(shù)據(jù)層提供服務的，通信層通過5G、NB-IoT、Cloud等向數(shù)據(jù)層傳送數(shù)據(jù)，通過5G邊緣計算技術就近提供邊緣智能服務。

數(shù)據(jù)層。對采集到的數(shù)據(jù)進行分類存儲，為各應用提供基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)跨系統(tǒng)的信息共享以及綜合利用，有效解決困擾已久的信息孤島問題，為系統(tǒng)提供核心應用的數(shù)據(jù)支撐。

應用層。基于通信層和數(shù)據(jù)層，通過各種中間件提供數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)支撐，向用戶提供可視化的操作業(yè)務功能，如互動平臺、全息投影、實訓教學、全景課件、遠程互動等功能。

4 智慧課堂特色功能

4.1 遠程雙向互動

由于“互聯(lián)網(wǎng)+”的迅速發(fā)展，教師教學的時空被重新界定，教學活動的邊界被打破。借助互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術，普通教學模式發(fā)生了巨大變化，具有更高教學服務水平和教學質量的遠程雙向互動教學模式應運而生。遠程雙向互動教學課程有多種形式，如直播和課后視頻等形式。直播課程，為“互聯(lián)網(wǎng)+雙向互動”遠程教學，實現(xiàn)了教學視頻和語音文字的討論與交流，改善了傳統(tǒng)遠程教學單向教學的不足，改進了雙向互動，并應用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術實現(xiàn)網(wǎng)上教學筆記在線，語音和文本同步共享到平臺上，實現(xiàn)教材的在線共享。即使學生錯過了直播課程，學校也會對課程進行錄制，學生可以在平臺系統(tǒng)中隨時回放錯過的教學直播，讓學生學習不受時空限制[4]。

4.2 VR全景課件

新一代5G技術加速了沉浸式教學場景的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實全景課件是沉浸式教學場景的應用之一。VR全景課件通過5G技術支持，將VR、3D等數(shù)字技術融入教學過程。它利用云計算、云渲染等技術，開發(fā)出集文本、圖像、動畫于一體的教學內容，并將平面知識立體化，以提高課堂的交互性和參與性，實現(xiàn)主動的交互式學習，進行真實場景展示。基于5G大帶寬、低延遲、高分辨率等特點，將VR全景課件上傳到云端，利用云端服務器強大的計算能力，實現(xiàn)對VR全景課件的操作、實時渲染、顯示和控制，完成虛擬實驗操作、物體拆卸和其他學習。學生戴著輕量級VR眼鏡終端，可以在互動教室里觀看全景課件，既培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新實踐能力，又使原來的課程生動有趣，使危險、困難的課程易于實現(xiàn)。在這種情境下，虛擬現(xiàn)實技術可以通過自然交互的方式將抽象的理論知識形象化、可視化，為學生提供傳統(tǒng)教材和課件無法實現(xiàn)的沉浸式學習體驗，讓學生更加主動地去獲取知識，實現(xiàn)更高的知識保持度。根據(jù)不同專業(yè)和不同學科，虛擬現(xiàn)實全景課件扮演著不同角色，比如三維物體和三維空間的展示、虛擬空間和虛擬場景的構建等。

4.3 5G全息投影

全息技術實際上是利用光的干涉原理，以干涉條紋的形式記錄物體的所有信息，在特定條件下，形成與物體本身高度相似的三維圖像。5G全息投影教學針對中國教育資源分布不均的問題，通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術，通過全息投影的方式采集課堂教學圖像信息，呈現(xiàn)遠程學生的聽力狀況和實時交互；在教室內部署全息平臺，通過3D技術將一些名校的專家、老師的真實圖像和課件內容呈現(xiàn)在遠端的學生面前，與電話、視頻等連接形式相比，全息技術可以保留更多肉眼可見的信息，將兩個分離的空間連接和整合起來，讓學生和異地教師及資源的交互擺脫時空分離的限制，實現(xiàn)自然互動的遠程教學[5]。使用全息技術可以更生動地呈現(xiàn)教室其他空間中的事物，除了引入其他專家教師為學生講解課堂知識外，5G+全息技術還可以用于將特定的東西引入教室進行全面展示，如文物、動物或儀器，為課堂教學創(chuàng)造更多的可能性和創(chuàng)造性。遠程全息教室通過搭建“全息平臺”和“全息直播教學區(qū)”實現(xiàn)遠程全息教學，主要用于教育參觀培訓、國際文化展示、學生課堂體驗、實踐技能培訓等典型教育場景，遠程全息教室分為全息直播教學區(qū)和全息教室區(qū)，“5G遠程全息教室”基于全息技術，通過多種遠程直播交互模式，打造生動的師生互動，實現(xiàn)多區(qū)域優(yōu)質資源共享。此外，教師還可以通過全息技術再現(xiàn)自然、科學、歷史、生物、物理、化學等學科的內容，使教與學更加生動，提高教學質量。

5 應用5G智慧課堂開展通信工程專業(yè)教學

通信工程屬于電子信息類專業(yè)，在5G時代下，成為發(fā)展迅速的信息科學技術領域，尤其是通過數(shù)字移動通信、光纖通信、網(wǎng)絡通信，人們可以更加方便和快捷地傳遞和獲得信息。通信工程專業(yè)是電子學和計算機的交叉學科，具有較強的工程性質，需要有良好的數(shù)學基礎和物理基礎以及較強的實踐能力。因此，需要建立多種信息互聯(lián)的創(chuàng)新實踐平臺，如基于5G技術的各種實驗驗證平臺，將智慧課堂引入通信工程教學。

第一，無處不在的無縫學習。在傳統(tǒng)教學模式和課堂中，師生互動的方式只能是現(xiàn)場問答、談論交流，教師無法及時回答每一位學生的問題，學生的問題得不到及時解決，連續(xù)積累問題的情況下，會影響學生的學習效果，智慧課堂可以突破傳統(tǒng)學習領域的限制，學生在課堂上有任何問題都可向教師提問，即使教師當時沒有時間回答，這些問題也會被記錄下來，在課余時間進行逐一解決，使學生學習更靈活，師生交流也更便捷，滿足學生在智慧教育中的個性化需求[6]。無論是線上還是線下，無論是學校、家庭還是別處，學生只要使用設備終端，通過網(wǎng)絡就可以自由登錄到平臺上進行學習和交流。

第二，“云+端”信息平臺。智慧課堂可以通過云計算技術與傳統(tǒng)教育的融合，將分散但高質量的學習資源進行跨地區(qū)跨時空共享。學生可通過該平臺隨時隨地獲取優(yōu)質課件、電子書、教學視頻、試題等云學習素材。此外，學生的學習和任務完成情況也可存儲在云端。

第三，借助移動互聯(lián)技術和物聯(lián)網(wǎng)技術工具。傳統(tǒng)的教學方法是教師通過系統(tǒng)的講解，在教室進行授課，使學生掌握大量知識，形式比較單一。而今，在無線網(wǎng)絡智慧校園中，教師在上課前通過移動終端安排教學計劃、備課。在課堂上，根據(jù)師生之間的互動實現(xiàn)多屏互動，激發(fā)學生的學習興趣。課后，學生和老師自由交流。智慧課堂利用具有情境感知功能的移動設備、可穿戴設備和物理場地，構建虛擬與現(xiàn)實相結合的、無處不在的學習空間，真正實現(xiàn)學生與技術、學習與技術、學習與環(huán)境的智能結合，使學習者沉浸其中，在思維、游戲和生活實踐中學習，從而促進學習的自組織性、群體性、整體性和普遍性，成為開放網(wǎng)絡教學和課堂教學的有效途徑。

6 結語

基于5G技術的智慧課堂在通信工程專業(yè)教學中的應用，改變了教學情景、教師角色和學生學習特點，適應5G時代的教學特點，滿足學生個性化學習和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。智能終端成為學生的學習伙伴，提高學生的學習熱情，加強師生交流，及時反饋教學效果。學生的學習數(shù)據(jù)有助于教師更客觀地評價學習效果，進行針對性的個性化教學。同時，智慧課堂模式可以自主學習、合作學習、探究學習一體化，培養(yǎng)學生自主探究、合作交流、自主創(chuàng)新的能力，實現(xiàn)在課堂內外多渠道的交互，充分調動學生自主學習的積極性，從而提高課堂教學效率，提升教學效果。