“5G+VR”在智慧教育中的應用及挑戰

李心蓓 王竹新 王娟

[摘 要]5G作為新一代信息基礎設施的重要組成部分，在4G的基礎上進一步實現了技術突破與硬件升級，其憑借自身特性和優勢與VR融合創新，打造教育應用場景，呈現新的教學體驗，有助于進一步提升教育效果，推動虛擬現實在教育教學中的深入應用。文章探索“5G+VR”在智慧教育中的應用場景，在分析“5G+VR”在智慧教育中應用現狀的基礎上，從課堂教學、虛擬實驗室、虛擬校園和遠程教學四個方面探討其應用場景，從核心技術、人才培養以及教學內容三個方面揭示了其面臨的挑戰并提出了應對策略。

[關鍵詞]5G;VR;智慧教育;應用場景;優勢;挑戰

[中圖分類號]G434 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-7656（2023）03-0005-06

引言

5G時代的來臨為智慧教育注入了新動能，5G作為高質量載體，可以實現高速率傳輸，5G的高速率、超大連接和超低延時性使它成為虛擬體驗升級的密鑰，更為重要的是，5G和VR具有較強的適配性，因而能促進兩者的融合創新。2019年，5G技術與虛擬現實技術相結合，將其引入教育教學，可以使學生更好地沉浸到虛擬現實教育情境中，從而提升學習效果。2021年，我國教育部等六部門印發的《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》指出，要進一步深化5G的應用，運用感知交互、仿真實驗等設備，打造生動直觀的新課堂。2021年，工業和信息化部等十部門印發的《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》強調加快對5G教學終端設備及虛擬現實教學數字內容的研發，結合VR技術打造沉浸式課堂，實現場景化交互教學，加大5G在智慧課堂等場景的推廣。因此，5G和VR的融合創新對推進智慧教育建設具有重大且長遠的意義。5G的加持會給師生帶來新的教學體驗，打造出互動化、個性化、沉浸式課堂，從而推動“5G+VR”在智慧教育中的應用，給教育帶來新的變革。

搭載5G技術，利用VR為用戶創造沉浸式互動體驗，契合新一代信息技術發展需求，也符合“新基建”的倡導[1]。推進5G和VR的深度融合并應用于智慧教育是順應教育現代化的必然要求，同時也是推進“5G+智慧教育”建設的重要舉措。因此，我們需要深入探討并不斷推進“5G+VR”在智慧教育中的應用，同時應對可能面臨的技術、人才、教學內容、倫理、安全等方面的挑戰。

一、“5G+VR”在智慧教育中的應用

（一）“5G+VR”在智慧教育中的應用現狀

5G和虛擬現實技術作為新一代信息技術，并非孤立存在，而是以智能化為主線交融共生、以相互賦能作為協同演進的動力[2]。

1. 問題的提出

2019年，霍奇森等學者通過實驗法得出研究結論：在課堂沉浸式虛擬現實中，學生表現出更高的學習滿意度，虛擬現實技術輔助教學既可以發揮激勵作用，還能抓住學習者的注意力。然而，施瓦策等學者發現，虛擬現實常見的問題是系統可能引發暈動癥，分散用戶的注意力，這也是未來虛擬現實技術研究要解決的問題之一。

2. 《虛擬現實產業發展白皮書》發布

自2019年中國正式邁入5G商用元年以來，5G的建設速度不斷加快。《虛擬現實產業發展白皮書（2019年）》指出，虛擬現實技術和5G技術的快速發展，增強了虛擬現實設備的使用體驗，用戶的認可度不斷提升。《虛擬現實產業發展白皮書（2021年）》提出5G云VR智慧教育解決方案，讓不同地區的學生體驗沉浸式、低時延共享課堂，推動優質教育均衡發展。

3. 發展與變化

通過對比2019年和2021年的《虛擬現實產業發展白皮書》發現，在經歷了VR元年以及2017年的VR遇冷之后，虛擬現實產業發展勢頭逐漸向好的方向發展，VR與相應技術的結合也催生了新業態、新模式的出現，呈現高速發展的趨勢。5G與VR的融合創新已在教育領域有所應用，例如，中國移動（成都）產業研究院、中國科學技術館等聯合研發的“5G+VR智慧科普教育平臺”，用于支持四川涼山的師生與成都市泡桐樹小學師生同步課堂教學和學習，教師與學生在“直/錄播授課教室”上課，“接收教室”播放課堂畫面，課堂還配有VR頭顯，這兩種形態的教室統稱為“5G+VR智慧教室”。但是，與其他很多領域相比，教育領域關于“5G+VR”的關鍵技術或產品相對較少，5G對于VR發揮的作用在教育領域并不是立竿見影的，但是發展前景是可觀的。

2021年，全球虛擬現實產業進入新一輪爆發期，為5G與VR的融合創新提供了更多的機遇。華中科技大學在“5G+VR在線虛擬直播”解決方案中提出，將教學中的場景、人員、知識以及技術進行多方面的聯動，創新學習方式。在5G的加持下，虛擬現實在智慧教育中的應用不斷增多，從而促進了教學效率的提高，“5G+VR”在智慧教育中的應用使得原有VR視頻的畫面感和體驗感得到了大幅度提升，從而促進了教育形式的優化。5G憑借其特有的技術優勢進一步促進了在線VR教育的發展。

（二）“5G+VR”在智慧教育中的應用場景

“5G+VR”在智慧教育中的應用場景以“5G+VR”的技術優勢作為支撐進行構建，因此，本文在分析“5G+VR”的技術優勢的基礎上，進一步闡述了對應用場景的構建。

1. “5G+VR”在智慧教育中的技術優勢

（1） 高質量載體：高速率傳輸

5G作為高質量載體具有高速率傳輸的特點。VR視頻不論是占用內存量還是終端的運算量都遠高于普通視頻，一段超高清的VR全景視頻在4G網絡下是難以實現流暢播放的，而在5G網絡下便可以實現實時的流暢播放，且畫面質量會得到提升。另外，基于5G的高速率這一特點，VR的3D計算機圖形處理和3D音效也會達到更好的效果。因此，與4G網絡相比，5G網絡可以展現更清晰的畫質、更流暢的交互，讓用戶獲得更好的體驗。

（2） 虛擬體驗升級密鑰：超大可靠性、超低延時性

5G網絡在技術上能夠同時實現高速率、超大連接和超低延時性，在網絡低延時的情況下，仍能實現超高速率。在VR技術中，頭部運動跟蹤、手勢感應等都需要足夠低的網絡時延。5G網絡可以在很大程度上減少由于網絡延遲而導致的眩暈感，提升學生在VR課堂上的體驗感，增加學生學習的熱情，使得“5G+VR”給智慧教育帶來深層次的改變。此外，5G網絡的超高可靠性可以保障數據的安全和準確，學生在享受豐富多彩課堂的同時，數據隱私安全也能夠得到保障。

（3） 合作搭檔：5G和VR的較強適配性

要充分發揮虛擬現實技術的作用，需要良好的通信網絡。5G和VR具有較強的適配性，5G的高速率改善了VR視頻的畫面質量和觀看體驗，并使VR技術在維度空間上得到拓展，連通了用戶與多元場景之間的全方位、沉浸式聯系[3]。5G的技術優勢契合VR所需要的網絡支持，同時為虛擬現實技術在智慧教育中的應用帶來了更多機遇，也進一步印證了5G和VR的較強適配性。

基于上述三點，5G之于4G對VR的重要性和必要性便可以體現出來，5G和VR作為技術支撐，為應用場景的構建奠定了堅實的基礎。5G的普及，將突破VR發展的數據傳輸瓶頸，VR教育領域的一些重要平臺和關鍵技術將取得突破性進展[4]。

2. “5G+VR”在智慧教育中的應用場景構建

虛擬現實教育是“5G+智慧教育”的重要領域，其應用場景的建構對于5G時代下虛擬現實教育的發展十分重要。《中國聯通“5G+智慧教育”典型應用場景白皮書》從定義、政策背景、應用場景以及網絡要求等方面對“5G+虛擬現實教育”進行了深入闡述，本文結合“5G+虛擬現實教育”應用場景和現階段已有的研究，對“5G+VR”在智慧教育中的應用場景構建從四個方面開展了進一步的論證，其整體框架如圖1所示。

（1）課堂教學：打造全面沉浸化的課堂教學

傳統4G環境下的VR課堂，雖然相較于普通課堂教學更具有數字化、沉浸式的效果，但是網絡延遲帶來的眩暈感、畫面質量不穩定、視場角度不全等會影響學生參與課堂教學的體驗感。在5G網絡的支持下的VR課堂，知識點從抽象化轉變為可視化、形象化，達到了更高的知識留存率;虛擬現實技術下的角色扮演在進行虛擬場景語義交互、物件交互以及游戲交互時，在高速率、低延時的5G網絡支持下，其交互性進一步增強，不論是現場氛圍的體驗感還是交流細節的體驗感都會更加沉浸、豐富、持久[5];在不同學科中，VR將學習內容進行情境創建，使抽象的概念理論形象化，進一步增強學生的參與感，使學習更加投入[6]。5G的加持使得學生體驗到更好的畫面質量，從而提高了學習的興趣和主動性，使得全面沉浸化學習體驗成為可能。5G時代，課堂教學與虛擬現實技術的融合實現物理沉浸、感官沉浸與心理沉浸，實現師生教學深度沉浸化[7]。

在VR多媒體教室中，學生可進行“太空場景體驗”，通過可視化、形象化的方式，讓學生體驗到日食的形成過程，教師借助“5G+VR”技術，突破時空的限制，讓學生在課堂上實現深度沉浸化。因此，5G網絡加持下，VR課堂的體驗感和交互性將進一步增強。

網絡時代，“5G+VR”對線上線下融合的混合式教學改革具有一定的支撐作用，引導教育教學從混合式教學內容及其設計入手，建設相應混合式學習資源。教師可依靠VR（虛擬現實）、AR（增強現實）等形式，對教學方式進行革新，特別是對于一些應用類課程，教師可以重新組織與編排授課內容，充分利用多種媒體手段，化抽象為形象，體現有效的教學交互，同時也可以借助虛擬仿真平臺、仿真軟件、仿真數據等開發虛擬仿真資源，利用“5G+VR”技術優勢，整合無形的“情”和有形的“境”，讓學生由情入境，開展沉浸式學習，產生樂學與愿學的欲望，提升學習效能[8]。

（2）虛擬實驗室：拓展身臨其境的實驗空間

虛擬實驗室就是以計算機網絡為核心將虛擬儀器通過網絡連接起來以實現數據采集、分析和遠程操作的一個系統，其具有透明性、互動操作性、用戶自主性以及安全性等特點，是傳統實驗室難以比擬的[9]。虛擬實驗室通過三維模型和訓練環節能夠有效地集中學生注意力，提高學生動手能力，促進學生轉變被動接受的固化思維[10]。在5G時代，利用VR打造的虛擬實驗室所帶來的體驗感會進一步增強，不論是VR視頻的流暢性還是真實性都會得到提升。此外，在“5G+VR”加持下，由于設備運算速度的提高，設備將會向輕量化發展，進而使得虛擬實驗室更加便利，從而促進了“5G+VR”虛擬實驗室的普及。例如，井岡山大學的目標是建立多層次、多形式的 VR虛擬現實實訓室，旨在提供一種開放、創新的教學模式，將交互、自主、沉浸、多感知等特點融合到教學實訓中，可根據教學內容及需求實現“展示”“教學”“實訓”“教學資源創作”等功能[11]。

（3）虛擬校園：構建與體驗無邊界的5G虛擬校園網

虛擬校園是虛擬現實技術在教育中的重要應用，它是利用計算機中的先進技術對教學環境和校園的三維景觀進行虛擬演示，讓用戶可以下載或直接觀看，具有很高的應用價值。“無邊界”的5G虛擬校園網是搭建虛擬校園的優質載體，師生作為5G虛擬校園網的用戶以及虛擬校園網核的核心，在“5G+VR”環境下，可以實現三維可視化虛擬校園內的教學、教務、校園生活等多項人性化服務。“無邊界”則是體現在師生無論身處何處都可以直接訪問校園網，不需要通過傳統的VPN撥號進入校園內網。例如，復旦大學的5G虛擬校園網聯合建設項目，目前已經初步建成了一張“無邊界5G虛擬校園網”，該5G虛擬校園網在網絡時延、傳輸速率等方面都優于VPN方式，為師生帶來了更便捷的使用體驗[12]。有學者指出，教育新基建的目標之一就是建設物理空間和網絡空間相融合的新型校園，實現元宇宙虛實融合的場景——元宇宙校園[13]。目前，一些國家對于元宇宙校園的建設逐步落地，例如，韓國的元宇宙大學通過校企合作搭建了虛擬平臺，并在這個虛擬平臺或者虛擬空間中進行了創新，憑借相關技術手段把現實中的大學移動到虛擬空間中，學生利用VR等設備參與其中，將畢業典禮、社團活動、虛擬圖書館等活動放在虛擬空間中進行。日本的長岡技術科學大學通過 VR、AR、XR 等技術創建了虛擬平臺，即虛擬校園，在整個虛擬平臺中的教師和學生通過各自的終端進行教學和學習虛擬STEM課程，平臺利用VR和AR技術，將真實世界和虛擬世界連接在一起，進一步增強了學生學習的真實感。

（4）“5G+VR”遠程教學：實現全受眾的遠程交互

當前，線上線下融合（Online Merge Offline，OMO）教育模式得到了廣泛應用，線上教育發展迅速，但也存在不足，包括網絡延遲卡頓、教學場景單一、學習體驗感和交互性不強等，“5G+VR”賦能在線教育將會給遠程教學帶來新的變革。

一方面，“5G+VR”遠程教學改變以往單一的教學場景，學生足不出戶也可以“邊玩邊學”，讓原本難以實現的教學場景成為可能。未來，5G網絡覆蓋范圍越來越廣泛，技術越來越成熟，利用VR技術突破地域限制讓師生處在同一個虛擬空間，實現“面對面教學”，從而打造一種無明顯邊界的學習環境。這種無明顯邊界的學習環境，即是基于OMO的智慧學習環境，這種環境有兩種形態： 線上空間實體化、線下空間虛擬化[14]。

另一方面，5G時代下VR遠程教學的受眾群體可以達到全覆蓋，實現教育資源的開放共享，促進教育公平，實現教育的精準扶貧。例如，浦江縣虞宅鄉中心小學和杭州學軍小學在5G網絡的支持下，打造了突破地區限制的“5G+VR”遠程課堂，通過視頻和全景直播，實現了異地上課、同步學習。兩校保持了講課視頻畫面以及VR頭顯內容的同步呈現，實現了互動式、沉浸式的創新教學方式。

再者，在“5G+VR”的技術支持下，學校可以開展教育云實習實訓，構建遠程沉浸互動式教學觀摩與實訓系統。依托5G虛擬專網，將VR教學場景上傳云端，利用云端的計算能力將學生實習現場影像實時傳至云端，再將圖像遠程實時下傳至頭顯設備。遠程沉浸互動式教學觀摩與實訓系統為師范生提供交互性和臨場感強的自主式實習實訓，也能解決實習指導教師不足的問題。

二、“5G+VR”在智慧教育中面臨的挑戰

5G時代，機遇與挑戰并存，雖然“5G+VR”在智慧教育的應用中存在著優勢，但在核心技術、人才隊伍、教學內容等方面仍然面臨著挑戰。

（一）核心技術需要加強

在5G建設方面，我國已經具有很多優勢，但是VR產業仍然面臨許多挑戰。VR技術綜合了多種技術，作為技術路線的支撐，核心技術發揮著重要作用，技術創新固然重要，核心技術的積累才是增強核心競爭力、提高技術整體水平的關鍵。

隨著5G技術不斷落地應用，5G和VR的融合創新加快，VR的核心技術積累顯得尤為重要。例如，虛擬現實教學涉及三類教學軟件，分別是沉浸式虛擬現實及其教學軟件、桌面式虛擬現實及其教學軟件、移動式虛擬現實及其教學軟件，每一類教學軟件強調不同的核心技術，展現不同的技術特征，核心技術薄弱就會影響沉浸性、交互性或構想性的實現，進而影響教學軟件的使用效果。同時，VR設備的重量會影響佩戴的舒適性，屏幕清晰度不高會造成顆粒感，而畫面延遲會導致眩暈感的產生，VR場景切換不夠流暢也會降低體驗感。總的來說，VR設備過重、屏幕清晰度不高、畫面延遲等都是亟需解決的問題。因此，核心技術的積累是“5G+VR”在智慧教育中面臨的挑戰之一。

那么如何實現核心技術的積累呢？首先，核心技術的積累不是一蹴而就的，它是一個耗時耗力且需要大量資金投入的漸進過程;其次，核心技術的積累需要核心人才的參與。因此，要以提高VR產業核心競爭力為目標制定相關政策和指導意見，引領核心技術積累的風向標，在政策支持的基礎上加以一定的資金投入。各企業可以建立階段性的核心技術積累機制，包括階段性目標、吸引投資、人力資源等方面，同時企業之間應該加強技術交流，通過開展合作研發等方式加速核心技術的積累。

（二）亟需融合型人才隊伍

“5G+VR”在智慧教育的應用過程中，在人才的選擇上更傾向于融合型人才，即教育和技術的融合型人才。當前，我國面臨著一些技術瓶頸和人才短缺的情況，高素質復合型人才不足制約著VR產業的發展[15]。鑒于“5G+VR”的發展階段及其在智慧教育中的應用現狀，此類融合型人才在我國是存在缺口的。首先，VR內容的制作有很高的技術含量，人才選拔門檻也比較高。其次，為了更好地將“5G+VR”應用到智慧教育中，掌握技術的人才和教育領域的人才是不能割裂開來的。這也就意味著，未來，隨著“5G+VR”的不斷發展，新型教育觀念會加速轉變，融合型人才的需求量會愈發增多，師資標準也會不斷提高。

教育信息化時代，運用現代信息技術促進教育的變革與發展是時代的主旋律，融合型人才是時代發展的重要的人力資源，因此，融合型人才短缺也將成為“5G+VR”在智慧教育中面臨的挑戰之一。2019年，教育部發布的《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》強調，信息技術應用能力是新時代高素質教師的核心素養，并提出以學校為單位開展教師信息技術應用培訓。全國中小學應繼續推進有關培訓，不斷提升教師信息化教學能力和師資整體水平，為融合型人才的培養提供保障。同時，高校需要依據有關培養標準制定針對師范生融合型人才的培養方案，要求師范生在掌握專業知識的同時，學會將互聯網、大數據、VR、AI等現代信息技術運用到教學之中，探索5G時代的新型教學模式，以適應教育信息化的時代要求。

（三）教學內容泛VR化

基于“5G+VR”在智慧教育中的應用現狀和優勢，教育領域關于“5G+VR”的關鍵技術或產品相對較少，但是，“5G+VR”能夠打破時空的局限實現沉浸式課堂，豐富學生的體驗感，增強交互性，增加學習熱情，這就使得教學內容在未來可能會出現泛VR化。教學內容泛VR化，指的是在“5G+VR”在智慧教育的應用過程中，有些教學內容缺少調研直接利用“5G+VR”進行教學，實際上，有些課程與教學內容沒有必要全部開展“5G+VR”課堂教學，這會浪費資源又難以發揮“5G+VR”在智慧教育中的優勢。出現這一現象的原因歸根究底是對5G技術和虛擬現實教育融合創新內涵的理解不夠深刻。著眼于“5G+VR”給智慧教育帶來的新鮮血液固然重要，科學準確地進行衡量與應用才是關鍵。

三、結語

目前，5G技術正處于快速建設和應用推廣的關鍵時期，它帶來的不僅是通信性能的提升，還通過與VR技術創新融合應用于智慧教育，實現體驗式、互動式、沉浸式、實踐式的教學方式[16]。隨著我國信息化水平的不斷提升和5G技術的普及推廣，VR技術在智慧教育中的應用加快，“5G+VR”作為一種新型技術場域，給智慧教育帶來變革和發展機遇的同時，也會面臨新的挑戰。

5G時代下，加強5G教育應用的探索，探索5G教育應用的典型場景，是促進5G時代智慧教育新生態的基礎[17]。同時，“高階自動化”的人工智能，以其超強的計算能力、巨大的存儲能力和及時的調用能力，打造了虛擬實踐的場景，進一步實現了時間與空間的有效銜接，“5G+VR”將進一步推動人工智能的發展[18]。因此，“5G+VR”應著力于核心技術的研發，從學生的實際需求出發，創新學習和教學模式，為5G時代智慧教育新生態注入一份力量。

未來5G網絡將擴大開放與共享，使得網絡和應用實現更緊密的互動、更深度的信息共享，應用可以基于網絡的資源狀況提供更優質的服務[19]。隨著5G技術的推廣與普及，實現大規模、大范圍覆蓋，“5G+VR”會進一步助力泛在學習環境，利用VR將這些可控的設備、場景重現，在這種環境中，學生能夠獲得豐富的學習體驗。

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[作者簡介]李心蓓，江蘇師范大學碩士研究生，研究方向：智慧教育、人工智能;王竹新，江蘇師范大學碩士研究生，研究方向：在線教育與智慧學習空間;王娟（通信作者），江蘇師范大學碩士研究生導師，教授，研究方向：教育理論與教育管理、在線教育。

[責任編輯 韋志巧]