5G 技術賦能智慧課堂教學研究

李美林

（四川文理學院，四川 達州 635000）

0 引言

2021年7月初，教育部在《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》中提出，教育新型基礎設施(以下簡稱“教育新基建”）是以新發展理念為引領，以信息化為主導，面向教育高質量發展需要，聚焦信息網絡、平臺體系、數字資源、智慧校園、創新應用、可信安全等方面的新型基礎設施體系［1］。 教育新基建是國家新基建的重要組成部分，是信息化時代教育變革的牽引力量，是加快推進教育現代化、建設教育強國的戰略舉措。

2018年教育部印發的《教育信息化2.0 行動計劃》提出智慧教育創新發展行動，并指出智慧教育創新發展行動要加快面向下一代網絡的高校智能學習體系建設，適應5G 網絡技術發展，服務全時域、全空域、全受眾的智能學習新要求，以增強知識傳授、能力培養及素質提升的效率和效果為重點［2］。 近年來隨著“金課”建設的發展，線上“金課”、線下“金課”、混合式“金課”、虛擬仿真“金課”等課程建設都離不開信息技術，尤其是5G 技術的支持。 基于5G 技術的教學探索不僅符合“互聯網＋”教育的需求，也滿足了學習者運用網絡資源進行學習的個性化需要。

傳統教學主要是教師采取講授的方式對學生進行單向知識輸入，造成學生被動學習的局面，加上教材知識陳舊以及更新速度緩慢，不適合學生的知識生長和實際需要。 同時，傳統教學評價與反饋主要是教師根據學生的作業、單元測試以及期末考試等紙質作業進行評價，評價具有滯后性，影響了教學指導的及時性。 另外，傳統的面對面教學互動受到課堂教學時間的局限，參與課堂互動的學生范圍較小，從而影響了互動內容的廣度和深度。 在教師的引導下，借助5G 技術的支持，幫助學生開展有效的主動學習，對學習內容進行交流、分析、評價和創造，提升學生的高階認知能力，培養學生的交流協作能力，以適應信息化時代的學習需要。 認識到5G 技術對智慧課堂以及學生培養具有重要意義，有助于將5G 技術賦能智慧課堂教學放入教育教學改革的大背景中，為相關領域的研究提供參考。

1 5G 技術的特征

5G 技術是指第五代移動通信技術，是最新一代蜂窩移動通信技術。 國際標準化組織3GPP 定義了5G 技術應用的三大場景：一是3D/超高清視頻等大流量增強移動寬帶業務，提升用戶體驗速度；二是大規模物聯網，實現海量機器類通信，突破人與人之間的通信，使得人與機器、機器與機器的通信成為可能；三是超高可靠超低時延通信，這樣確保了網絡保持穩定性，在運行過程中不會擁堵和不被干擾［3］。 在這三大場景中，5G 的高速度、泛在網、低時延、萬物互聯等特點體現較為明顯。 高速度是5G 的最突出特征，5G的高速度可以為VR 提供速度支持，實現高清傳輸。其次是泛在網，5G 的微基站部署使得所有的智能終端都能突破時間、地點和空間的限制，為移動學習和混合式教學提供支持。 三是低時延，5G 網絡的時延將會縮小至1～10 ms，比4G 網絡時延更低，可以優化在線學習以及互動。 5G 的其他特點，包括萬物互聯、低功耗、重構安全體系等都為5G 網絡的廣泛應用提供了支持，為混合式教學、遠程教育、在線互動等教育教學應用提供了技術保障，有助于優化教學資源，提升教學質量。

2 5G 技術在教育領域的應用

5G、大數據、人工智能等新一代信息技術推動著人類的進步，為教育服務提供了新動能，相應地對人才提出了更高的要求。 具備批判性思維、創造性思維、團隊合作與溝通、遷移、元認知等一系列技能的高階能力人才成為教育培養人才的重要目標，培養學生的高階能力已經成為國際教育界的共識［4］。 在新時代新發展理念的指引下，高校人才培養離不開教育新基建的技術支持。 深入應用5G、大數據、人工智能等新一代信息技術，充分發揮教育新基建的作用，提高課程教學質量，是落實立德樹人的重要舉措。

5G 的高速度、泛在網、低時延、萬物互聯等特征一是為開展在線教學和遠程教育等提供了技術支持，可以實現在線教學的可視化、規模化和實時化，打破傳統教學時間、地點和資源的局限，有助于節約教育教學的經濟和資源成本，實現資源共享。 二是支持全方位移動學習。 傳統的教學不具備移動性，學習的時間、空間以及資源都有所限制。 基于有線網絡的端到端教學突破了傳統教學的時空限制，擴大了受教對象，但是對于網絡和教學設備要求較高。 然而，通過泛在網可以實現全方位全過程全員的移動學習，支持開展多種形式的混合式教學。 不論是課前指導、課中教學與互動還是課后評價都支持教師和大規模學生進行同步異步在線教學。 三是促進新興教育場景應用。 5G 網絡的時延相比4G 網絡的時延更低，可以為用戶提供毫秒級的端到端時延和高可靠性的業務保證。 在教育領域，這項技術的提高不僅有助于推進包括AR，VR，MR 以及AI 等新興技術的研發和實踐，還能為在線教學的同步互動和及時互動提供支持。 傳統教育資源的地域差異性可以通過5G 網絡得到改善，通過“專遞課堂”“名師課堂”“網絡名校課堂”等網絡課堂，東西部、城鄉之間可以共享優質教育資源，開展虛擬現實、增強現實等教學活動。

3 5G 技術支持下的智慧課堂

在以5G 技術為主的多元技術綜合應用下，教學環境日益豐富和完善，為教學提供了基礎性的保障。在面對面實體一維課堂的基礎上利用5G 技術，增加網絡在線課堂，形成雙通道混合式教學環境，結合新興網絡硬件資源和軟件資源的優勢為課堂教學增加了新的動力。

關于智慧課堂的概念，學界還無定論。 孫曙輝等［5］指出智慧課堂是依據建構主義，運用“互聯網＋”的思維方式和物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術構建的，支持課前、課中、課后全過程應用智能、高效的課堂。 然而，卞金金等［6］進一步指出基于智慧課堂的學習模式主要是指利用系統環境中面向學習者的智能化、個性化和多元化學習服務，使用可移動的終端設備，為實現特定教學目標而進行的深度、高效、自主和開放的課堂學習模式。 基于前面的觀點，本研究所指的智慧課堂是基于5G 技術、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術為一體，運用智慧教學系統，結合移動智能終端，實現在線備課預習、教學互動、教學資源共享、作業提交與評價反饋等，支持師生開展課前課中課后的教學與互動，構建全方位的開放教學系統。

3.1 智慧學習環境構建

在社會建構主義看來，人的學習是一種情境認知。 情境認知不是封閉于個人頭腦之中的認知過程，而是同周圍環境中的工具、符號、語言乃至人際關系等媒體和功能性資源交互作用生成的認知過程［7］。具身認知理論視角下的學習環境體現了學習者主體參與性、學習資源的具身性、技術應用的融入性、環境動態發展性和學習結果的交互生成性等屬性，給當今學習問題的解決和技術豐富下的學習環境設計提供了很好的啟示。 新技術和創新界面的發展使用戶直接操控的層次不斷提高，允許用戶不使用外部控制設備(如鼠標、鍵盤等），而是使用自己的身體和姿勢動作操控信息及虛擬對象［8］，形成身體與媒體界面的操作交互。

課堂環境的智慧升級是智慧課堂發展的第一步。在引入智慧教學系統之后，基于5G 技術的支持形成涵蓋智能學習終端、智慧學習管理平臺、智慧學習軟件與資源的網絡系統環境，形成了靈活、開放、共享、便捷、有痕智能學習空間［9］，同時實現多種軟硬件設備間的無縫互聯、協同工作，為學習者提供真正沉浸式的實時學習體驗［10］。 在智慧環境下的線上教學、線下教學、混合式教學、虛擬仿真教學等多種教學形式有助于融合多元化的線上線下學習資源，優化教學路徑、提升教學效果以及完善教學評價等。

3.2 精準學情跟蹤

教師運用大數據技術全面記錄、跟蹤、掌握、預測和研判學習者的不同學習特點、學習需求、學習基礎和學習行為，為不同的學生建立學習模型，并為不同類型的學習者打造個性化的學習路徑，提供符合個人學習水平的學習內容，并生成學生的學習動態軌跡［11］。 通過大數據理解、評估、反饋、改進教學，找出教學環境、教學資源、學生認知、教師個性等相關變量同最終學習效果之間的關系，從而解密“教學黑箱”，提升教學質量。

在5G 技術的支持下，學生課前通過教師提供的學習資料和預設的學習任務，開展自主學習并主動完成學習測試，主要完成事實性知識的學習。 在課中，通過教師的講授和引導，學生不斷地進行概念性知識以及程序性知識的學習和思考，并通過課后的練習和實踐，進行鞏固和學習遷移，最終完成元認知知識的學習。 教師通過大數據技術采集學生的課前預習作業、在線學習進度、學習疑問等，為課中的教學做好準備以及答疑；課中針對學生課前的學習情況進行分布式深入講解和探討，通過人臉識別技術捕捉學生的課堂學習表情，從而掌握學生的學習狀態和情感；教師通過學生課后提交的作業，對學生的作業進行及時批改和反饋。 從課前、課中到課后，教師通過智慧教學系統對學生的學習過程進行記錄、觀察與分析，從而對學生的學習進度和學習效果有準確的把握，以便于針對薄弱知識點、重難點知識點進行指導，對練習和作業及時評價與反饋。

3.3 多場景教學互動

基于5G 技術支持的智慧課堂可以支持多場景互動。 教師通過音視頻與學生及時交流與互動，解答學習疑問，引導學生深層次思考。 一方面，基于5G 技術支持的泛在網結合VR，AR 等虛擬技術開展人機互動，兼容線下課堂的混合式教學互動，幫助學生強化感官體驗，交流體驗感想，增進師生情感。 另一方面，針對教育基礎設施欠缺、教學資源薄弱、師資配備不齊的農村學校，利用5G 技術開展“雙師課堂”以及“三個課堂”教學互動，以優質學校為主體，通過網絡學校、網絡課程等形式，系統性、全方位地推動優質教育資源在全國范圍內共享，滿足學生對個性化發展和高質量教育的需求，實現基于5G 技術的“雙師課堂”。

近年來，隨著直播教學引發的直播互動通過5G技術的穩定性和低時延支持多人多元化的同步在線互動，通過文字互動、語音互動以及視頻互動完善了教學互動的內容和方式，獲得了師生的認可。 基于5G 技術支持的多場景互動，彌補了師生面對面互動受時間、空間以及參與范圍的限制，還通過多元化的文字、語音、視頻等形式互動，拓展了互動內容的廣度和深度，優化了互動路徑的技術，提高了互動的質量和效果。

4 結語

基于5G 技術的智慧課堂教學不僅構建了智慧學習環境，促進了學生學習場景的具身體驗，同時幫助教師監測學生學習進程并進行教學大數據分析，還通過多場景互動，擴大了學生互動參與范圍和互動深度。 在教育新基建背景下，運用5G 技術、大數據技術、人工智能技術、智能測評技術、多媒體網絡傳播技術等多種技術支持智慧課堂、未來學校等開展教學，為學習者提供移動的學習資源庫、多樣化的學習內容、靈活性的學習方式，有效地支持各類學生進行多元化多層次的學習，促進高階能力的發展，以滿足各層次人才培養的需求。