5G技術對新工科背景下虛擬仿真教學的影響分析＊

高志強，王曉敏，閆晉文，邱小明

（太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

開展“新工科”建設是引領中國高等教育改革，打好創新人才培養機制攻堅戰的重要舉措。為此，2017年6月，教育部辦公廳印發了《教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》（教高廳函〔2017〕33號），對新工科建設改革工作做了詳細部署，并于2018年3月印發了《教育部辦公廳關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》（教高廳函〔2018〕17號），批準在全國高校建設612個首批“新工科”研究與實踐項目。“新工科”建設工作在歷經了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等階段的醞釀之后，教育部正式認定為新工科項目，意味著備受關注的高校新工科建設開始進入實施階段。

盡管在《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司函〔2017〕6號）中已經明確了新工科研究和實踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量和新體系共“五新”開展，然而，由于缺乏清晰的結構框架和可視化模型，缺乏可以支撐改革工作實施的創新技術和人才，新工科建設工作仍然需要較長時間的摸索和積累，才能實現培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才及支撐產業轉型升級的目標[1]。虛擬現實技術的教育應用開啟了虛實結合進行實驗實訓教學的新模式[2]，5G技術的出現促使教育生態系統發生重大轉變[3]，隨著2019年4月“5G+虛擬仿真實驗教學中心”在江蘇省揭牌成立，意味著中國高等教育已經開啟5G教學模式，期待5G技術能夠助力教育信息化實現跨越式發展。

1 延伸高等教育新理念

隨著5G相關技術支持的教育應用不斷拓展和虛擬仿真教學資源的不斷開發，傳統教育理念與新技術、新教學形式的碰撞已經不可避免。由于虛擬現實環境的體驗式學習可提供多維度的感官刺激，而5G通信的高速傳輸和零時延特性，增強了沉浸感和刺激反應的逼真性，從而提升了交互逼真性和感知效果，因此，基于大數據技術建立的數據庫，在云平臺、電子信息、傳感技術和人工智能等技術的支持下，借助于人機交互界面呈現的精準雙向信息，體驗者可以根據自身理解、認知需求，體驗式學習，提高創新能力和實踐水平[4]。正是以上原因，實施5G技術的工程教育應用，加深對視覺、觸覺刺激反應的感知效果，從而延伸行為主義理論；通過構建虛擬現實環境，積極調動體驗者的觀察思維、批判思維和創新思維，主動形成和發展認知結構，從而延伸了認知主義理論；在逼真的場景中，體驗者在原有知識基礎上，針對具體問題情境進行再加工，實現個人的訴求和愿景，并且可以提出質疑，予以反復檢驗和修正，不斷獲取新知識構建中的回饋信息，從而延伸了構建主義理論；在利用虛擬現實技術建立的三維虛擬現實認知空間內，借助于三維LED屏顯系統、頭戴式立體顯示系統、智能眼鏡等手段或設施，在5G環境下，深化認知程度和內涵，拓寬認知空間，從而延伸了情景認知理論；在云平臺和人工智能等技術的支持下，基于5G環境下的虛擬仿真教學資源更加注重多人協作交互性，容易形成資源的分布式構建，從而有助于延伸分布式認知理論。教育基礎理論及其特征如表1所示。

表1 教育基礎理論及其特征

由以上分析不難得知，5G技術是順應現代高等教育教學發展的必然選擇，這不僅改變了教與學的方式，而且影響到教育的理念、文化和生態[5]。教育理念的延伸必將擴展課堂教學模式，并付諸實施。

2 助力智慧教育模式創新發展

2018年4月，教育部公布了《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號），明確提出以人工智能、大數據等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，積極開展智慧教育創新研究和示范，推動新技術支持下教育的模式變革和生態重構。5G通信技術能夠滿足全時域、全空域、全受眾的智能學習需求，以當前認定的虛擬仿真實驗教學中心和教學項目建設為載體，通過豐富大容量智能教學資源和拓展在線智能教育、智能實驗室、虛擬場景等智能學習空間，促使傳統的教學環境向更加個性化、精準化、智能化、融合化的方向發展[6]。隨著5G技術的發展與應用，新工科背景下的高等教育信息化在內涵、深度和質量上也在不斷發展[7]，主要體現在教學服務由數字化課堂教學模式向智慧課堂教學模式轉型、由傳統教室向智慧學習環境轉型、由經驗性教學向基于證據的教學轉變、由標準化學習向個性化學習轉變[8]、由翻轉課堂向教學結構性變革轉變等方面，如圖1所示。可以說，正是由于5G通信技術的教育應用，才使面向現代“互聯網+”教育體系的建設成為可能。目前，5G技術已經發展到商用階段，并且新的5G應用功能仍在不斷研發中，將現代信息技術和智能技術深度融入教育教學全過程，促進傳統教學結構性變革，形成了引領教育改革發展的新途徑和新模式。

3 開啟課堂教學組織新模式

5G通信具有高速度、泛在網、低功率、低時延、萬物互聯、重構安全等特點，在5G相關技術支持下，遠程互動教育、遠程智能教育、多場景虛擬仿真實驗、全景課堂等教學模式得以實現，再結合云平臺、人工智能、大數據等新一代先進技術，將智能管理、人臉識別、語音識別等人機交互界面信息引入課堂之內，可以定制個性化的課程，也能夠滿足多樣化的教學需求，因此，5G技術的教育應用，已經顛覆了傳統的課堂教學形式，打破了傳統教育的時空界限和學校圍墻[9]。融合5G通信技術、VR/AR虛擬仿真技術、大數據技術等前沿技術，虛擬仿真實驗教學變成沉浸于虛擬空間的體驗之旅，未來基于5G環境的虛擬仿真的教學實驗將沒有學院、學校、國別，以及專業和行業的限制，將是多場景、多空間、多團隊交互的教學模式[10]。

圖1 智慧教育教學系統的變革

課堂教學組織模式的變革，一方面有利于全國高校教學資源的均衡發展，對于北京等教育基礎雄厚地域的高校，可以面向高精尖學科領域建立未來技術學院，對于中西部地域教育基礎薄弱的高校，可以利用綜合實力較強和學科優勢明顯高校所開放共享的教學資源，針對當地經濟發展急需專業，與行業企業共建共管現代產業學院；另一方面，有效推動學科交叉融合，促進理工結合、文工滲透、工工交叉（如圖2所示），有利于孕育產生交叉專業，以及建立跨院系、跨學科、跨專業的人才培養機制[11]?？梢灶A見，一場以課堂教學模式深刻變革推動高等教育變軌超車的大戲正在上演。

圖2 新工科背景下的學科交叉

4 健全創新創業教育體系

中國在2013年、2014年和2015年先后批準建立了共300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，又于2018年和2019年分別認定了105個和296個國家虛擬仿真實驗教學項目，虛擬現實技術的教育應用不僅推動了高校實驗教學改革和創新工作，而且豐富了中國創新創業教育形式[12]。盡管受高校自身建設水平、地理位置、歷史文化、社會經濟及行政體制等因素的影響，中國虛擬仿真實驗項目的現行分布還不均衡，并且教學資源開發滯后于學科發展以及各高校教學需求的差異化，導致創新創業課程還不能滿足學科或當地經濟急需專業發展的需要，但是已經初步形成了一套行之有效的教學方法，并且隨著考核評價制度的不斷完善，創新創業教學課程的標準體系也初現雛形[13]。同時，2018年9月，教育部還制定了《卓越工程師教育培養計劃2.0》（教高〔2018〕3號），明確提出要健全創新創業教育體系，并對組織實施提出寶貴意見。

“5G+虛擬現實”技術打破了傳統的基于學科的學院設置，利用信息化優化教育供給的典型路徑，為同類區域的發展提供參照，有利于推進創新創業教學資源分類發展。例如：工科優勢高校要對工程科技創新和產業創新發揮關鍵作用，綜合性高校要對催生新技術和孕育新產業發揮引領作用，地方高校要對區域經濟發展和產業轉型升級發揮支撐作用等。不同類型高校創新創業教育的差異化發展模式對完善創新創業教育體系提供了良好的機遇。另外，5G技術與實驗教學的深度融合形成的虛擬仿真實驗實訓新方案和新標準，搭建的多主體產學合作、協同育人實踐平臺，拓展的國際交流與合作途徑，都對開發高等教育創新創業教學資源和完善教育體系有重要意義。

5 建立人才培養新模式

2017年6月，教育部高教司印發了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》（教高司〔2017〕6號），將開展深化“人才培養模式改革研究和實踐”作為主要內容之一；為強化新工科建設工作，2020年2月，教育部辦公廳印發了《教育部辦公廳關于推薦第二批新工科研究與實踐項目的通知》（教高廳函〔2020〕2號），公布了《第二批新工科研究與實踐項目指南》，該指南中列出的6個選題中均包含涉及人才培養的課題。由此可以看出，開展新工科研究和實踐最主要的目標之一便是解決人才短缺問題，主要包括復合型人才、新一代信息技術產業人才及高層次人才的匱乏問題[14]。根據2017年領英公布的全球人工智能（Artificial Intelligence，AI）人才分布情況（如圖3所示），美國的AI人才數量超過全球總量的50%，而中國的人才數量在全球排名僅位列第7；據媒體報道，到2025年，中國的人工智能、大數據、智能制造等新一代信息技術產業人才缺口將達到950萬。因此，當前需求驅動倒逼高等教育改革創新，期望建立和完善新工科背景下的人才培養機制，以培養能夠支撐國家創新驅動發展的人才隊伍。

圖3 領英公布的全球AI領域技術人才分布圖（單位：萬人）

5G通信技術對未來教育形態影響和教育理論延伸產生無法估量的作用，虛擬現實技術已經成為一種新的教育生產力，虛擬仿真實驗改變了傳統實踐教學與工程應用相差甚遠的局面，新工科建設進一步加強了虛擬仿真實驗教學創新的實施保障措施，因此，新工科背景下的“5G+虛擬仿真”實驗教學更加有利于完善協同育人機制和推進產教融合、產學研合作辦學、合作就業的創新發展[15]。通過認定“國家和省級虛擬仿真實驗項目”“產學合作、協同育人項目”，創建“校企聯合共建實驗室”“工程實踐教育基地”“共享型人才培養實踐平臺”“大學生創新創業訓練計劃平臺”，舉辦“大學生創新創業比賽”，提供“創客空間”“孵化基地”，引進國外優質教育資源和搭建國際合作網絡，拓展實習實踐資源等方式，構建產學合作、協同育人項目實施體系，搭建校企合作及大學生創新創業項目與社會的對接平臺，以產業和技術發展的最新需求推動人才培養機制改革。

6 結語

5G技術為當前高等教育教學模式的創新發展提供了強有力的技術支持。融合5G通信技術的虛擬現實技術延伸了教育理念與實踐，迫使給予5大基礎理論以重新認識；促進教學系統的結構和形態變革與轉型，構建智慧教育新模式；突破了傳統課堂教學的時空限制，有利于實現遠程教學和雙師互動教學，開啟了高等教育教學組織的新模式；為創新創業教育搭建學生實踐平臺，創新核心課程，豐富教學形式，以“虛實結合、產學融合、強化實踐、開發共享”的實踐教學理論構建創新創業教育新體系；較好地解決了現在傳統教學體系與新工科建設人才需求之間的矛盾，有利于落實新工科時代創新型人才培養戰略。