基于5G網絡和VR/AR技術的沉浸式智慧課堂框架研究

Research on the Framework of Immersive Smart Classroom Based on 5G Network and VR/AR Technology

——Take the Teaching Class of Logistics Engineering Foundation as an Example

WEI Jian，" SANG Xuefeng，" DU Kun" （Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China）

摘" 要：5G網絡帶來的高速率、低時延、大容量、低功耗、覆蓋廣、可靠性高等優點，為實施沉浸式智慧課堂教學提供了良好的網絡環境，其與VR/AR技術相結合能夠在教育領域實現高質量的沉浸式智慧學習新體驗。為此，文章首先分析5G網絡應用于智慧教學場景的智能技術；然后介紹基于VR/AR技術的沉浸式智慧學習；最后設計5G網絡和VR/AR技術相結合的沉浸式智慧課堂框架。文章以《物流工程基礎》課程教學為例，利用5G網絡和VR/AR技術來設計沉浸式智慧課堂框架，該框架能夠創建線上和線下相結合的混合智慧學習情境，增強學生的學習體驗感。

關鍵詞：5G網絡；VR/AR技術；智慧課堂；智慧學習

中圖分類號：G642文獻標志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.19.041

Abstract： The advantages of 5G network， such as high speed， low delay， large capacity， low power consumption， wide coverage and high reliability， provide a good network environment for the implementation of immersive intelligent classroom teaching. Its combination with VR/AR technology can achieve high-quality immersive intelligent learning experience in the field of education. Therefore， the article first analyzes the intelligent technology of 5G network applied to intelligent teaching scenarios; then it introduces immersive intelligent learning based on VR/AR technology; finally， an immersive smart classroom framework combining 5G network and VR/AR technology is designed. Taking the teaching of logistics engineering fundamentals as an example， the article uses 5G network and VR/AR technology to design an immersive smart classroom framework. This framework can create a mixed intelligent learning situation combining online and offline， and enhance students' sense of learning experience.

Key words： 5G network; VR/AR technology; smart classroom; smart learning

近三年來，新冠疫情給高等教育事業帶來了諸多挑戰，傳統面授式教學模式格局被打破，在線教育成為了主流，不再是傳統課堂的附屬物，疫情的持續蔓延促使在線教育有可能成為一種新常態[1]。然而，在線教育過程中存在的師生互動差、學習體驗差、課堂監督低效、學習評價不到位等不足點，嚴重制約著高等教育質量的發展，以至于大多數學生的學習滿意度大打折扣，這種培養質量下滑的情況引起了高校的高度重視。如何利用先進的技術手段來克服在線教育的弱點，使其具有線下教育的先天優勢又能夠得到學生和教師的普遍認可是當前亟待要解決的問題。隨著5G網絡、云計算、VR/AR技術、物聯網、數字孿生技術等新生信息技術的成熟與普及，教育信息化的進程也得到了快速推進，使得人工智能在教育領域的應用成為了研究熱點[2]，尤其是沉浸式智慧課堂教學，通過虛實結合構建虛擬實驗教學場景，能夠很好地解決在線實踐教學過程中存在的眾多問題，呈現出以學生為中心、打破時空界限、激發學習興趣、沉浸交互感強烈的智慧課堂教育新形態。本文試圖探索5G網絡環境下的沉浸式智慧課堂教學環境搭建設計，力爭對未來線上教學產生積極的影響。

1" 5G網絡應用于智慧教學場景的智能技術

5G網絡即是第五代移動通信網絡，相比于4G網絡在高速率、低時延、大容量、低功耗、覆蓋廣、智能化、可靠性高等特征方面有著質的提升[3]，為創建智慧教學場景提供了堅實的底層技術基礎，其與大數據、物聯網、云計算、人工智能、機器學習、區塊鏈、VR/AR技術的深度融合，能夠快速推進教育技術的智能化迭代升級，對于智慧教學場景的構建與優化起到推波助瀾的作用[4]。5G網絡賦能的智慧教學場景其所有對象在快速無縫聯通的情況下，可以為師生提供全方面、多層次、個性化的移動、沉浸、交互式的虛實學習體驗。5G網絡的特征及應用層技術如圖1所示。

5G網絡應用于智慧教學場景的智能技術主要是大數據、物聯網、云計算、人工智能、機器學習、區塊鏈、VR/AR技術等，這些都是基于5G網絡的應用層技術，是實現智慧教學場景的智能技術支撐，結構示意圖如圖2所示。

大數據技術能夠快速地處理智慧教學中獲取的線上線下數據；物聯網技術能夠實現人與萬物互聯；云計算是網絡云平臺其能夠處理分析海量數據；人工智能給智慧教學賦能體現在教育對象、教室環境、教育管理、評價過程、教學模式、教育生態等方面；機器學習技術是信息提取技術；區塊鏈是去中心化的數據安全技術；VR/AR是指虛擬現實和增強現實，利用該技術在5G網絡的環境下能夠突破時空的限制，實現沉浸式智慧課堂教學。

2" 基于VR/AR技術的沉浸式智慧學習

5G網絡和VR/AR教學相結合才可以實現真正的沉浸式智慧學習，這得益于5G網絡的低時延特性，其5毫秒級別的時延遠低于人類眼睛的感知時延，這就為實現學習沉浸感和臨場感提供了網絡技術支撐，使得學生能夠身臨其境地感知真實世界，為學習過程帶來了無縫的真實感知學習體驗[5]。5G網絡和VR/AR技術在教學中的應用，可以使得課堂更加生動，主要體現在知識點可以在虛擬場景里具象起來，其突出了學習的體驗感和知識的感知度，使得學習過程充滿了好奇和想象。

2.1" VR/AR技術

VR（Virtual Reality，VR）是虛擬現實，利用計算機技術和多媒體技術將真實世界或者想象中的物體生成具有交互功能的視覺、聽覺和觸覺一體化的虛擬世界，通過終端設備可以進行點對點的交互體驗，是一種新型的交互狀態，能夠感受到如同身處其中的臨場感，逼真的虛擬世界仿佛就在眼前，非常直觀且容易實現沉浸式的體驗[6]，還能夠與多種學科進行交叉融合，以技術手段實現高階演化。其具有沉浸性、構想性和交互性三大特征[7]，與人工智能相結合還具有智能化特征。沉浸性是指完全沉浸在虛擬世界中，和真實世界有同樣的感受；構想性是指抽象的知識點通過虛擬空間的構建可以變得清晰可見；交互性是指學習者通過終端的設備與虛擬世界中的物體進行交互。虛擬現實大致分為四類[8]：計算機桌面型，利用計算機的鍵盤和鼠標來進行簡單的交互體驗；沉浸型，借用頭戴式顯示器和電動手套等設備，來體驗視聽觸一體化的臨場感；增強現實型，將虛擬物體和真實環境疊加在一起，通過虛實結合來增強對真實環境的認知；分布式型，互聯網端多用戶在虛擬空間里一起感受虛擬世界。

AR（Augmented Reality，AR）是增強現實，是指把虛擬物體和真實場景無縫融合，虛中有實、實中有虛、虛實互補，在同一個畫面中能夠感知到視、聽、觸一體的超強現實體驗，交互體驗如同現實中那么形象自然，是超越了真實環境的一種視覺觀感[9]。其具有虛實無縫互補、自然交互體驗、三維配準特征[10]。在教育方面表現出來的興趣性、智能性、自主性等特征給學習者增添了很多樂趣[7]，為學習者搭建了很好的知識情境，方便進行沉浸式學習體驗。興趣性側重于在學習過程中很容易實現樂在其中，進行深度體驗；智能性突出的是獲取先機，從而尋找到正確的學習之道，為學習者預測和仿真真實的場景并輸出正確的學習路徑；自主性是指為學習者提供多重學習方案，突破了傳統的單一學習路徑，豐富了學習方式，形成多維交互體系，構成學習新型空間。

2.2" 沉浸式智慧學習

沉浸式智慧學習是智慧教育的基石，依賴于對多模態數據的感知、計算、處理，其對物理環境的要求有四個方面[11]，分別為萬物互聯、多維感知、人工智能和泛在空間。萬物互聯是指互聯網和物聯網的疊加讓參與智慧學習的所有設施都可以進行有效的互聯互通；多維感知是指各種信息通過物理環境能被多方向感知到；人工智能是指多維數據驅動的智慧決策，有助于調節相應的物理環境來實現智慧學習；泛在空間是指沒有時間和地點的限制，通過網絡空間實現無縫銜接的智慧學習。沉浸式智慧學習能夠激發學習者的意愿和熱情，教學內容的游戲化設計使得學習過程充滿了體驗感，抽象的知識點通過VR/AR技術變得那么清晰可見，如同身臨其境一般，實時交互的感觸不僅是寓教于樂還增強了真實感。基于VR/AR技術實現的沉浸式智慧學習通常分為感官沉浸式、挑戰沉浸式、想象沉浸式三種[12]，感官沉浸式是學生在進行VR/AR系統體驗時所獲得的視、聽、觸一體化的直觀感受；挑戰沉浸式是指學習者進行VR/AR智慧學習時試圖挑戰自己能力的過程中出現的滿意點；想象沉浸式是指學習者在進行VR/AR智慧學習任務時出現的幻想和靈感。以上三種沉浸式智慧學習的VR/AR體驗框架圖如圖3所示。

沉浸式智慧學習需要借助外圍的諸多技術才可以感知虛實結合的交互學習體驗和忘我的沉浸場域，其過程的可視化更有助于沉浸式智慧學習新生態系統的形成。隨著數字技術的發展，超乎VR/AR技術的元宇宙所帶來的沉浸式智慧學習新樣態將是未來“所感即所學”的常態化學習體驗形態[13]。

3" 基于5G網絡和VR/AR技術的沉浸式智慧課堂框架

沉浸式智慧課堂的構建是為了實現沉浸式智慧學習，在5G網絡和VR/AR技術的加持下，打造多維度的智慧課堂是形成智慧學習生態體系的核心。圍繞著學習者的學習活動進行多元智慧服務保障，以數據分析來驅動教育資源的智能配備和決策服務，實現全方位的智慧教育服務。基于5G網絡和VR/AR技術的沉浸式智慧課堂框架由終端設備、網絡空間、智能化教育環境、智慧教育服務組成。終端設備是指VR/AR一體機、全景攝像機、教育技術設備、

iPad、智能手機和筆記本電腦；網絡空間是指與教學相融合的所有安全、可控、健康、綠色的5G網絡校園環境；智能化教育環境是指大數據、物聯網、云計算、人工智能、機器學習、區塊鏈等智能技術構建的以學習者為中心的智慧服務平臺；智慧教育服務是指所有與學習者相關的智慧服務體系，包括自主學習、遠程學習、智慧決策、數據分析、學習體驗、學習評價等所有智慧學習形態。其框架如圖4所示。

沉浸式智慧課堂為學習者提供了豐富的學習資源和多元的學習方式，打破了傳統課堂的學習模式。尤其針對線上實驗教學，通過VR/AR、數字孿生體和計算機技術搭建虛擬實驗室，同樣能夠達到實驗室的操作體驗，既提高了實驗設備的利用率，又能夠滿足不同時間、不同地點的學習者進行自主選擇學習。

4" 《物流工程基礎》沉浸式智慧課堂框架

對于物流工程專業的本科學生來說，《物流工程基礎》課程的學習尤為重要，因為該課程是本專業的入門課程，也是郵政工程、物流管理、郵政管理等專業的基礎課。隨著電子商務、直播經濟、互聯網經濟的快速發展，物流行業被推向了新的高度，每日接收和發送快遞成為了新的職業，物流工程專業也成為了學生報考的熱門專業。為了提升學生對該專業的學習效率，通過5G網絡和VR/AR技術打造《物流工程基礎》沉浸式智慧課堂能夠幫助學生從不同的視角學習和體驗《物流工程基礎》的各個知識點，并與行業發展緊密聯系起來，有利于掌握該課程的全部內容，同時增強學生對行業的了解和認同。《物流工程基礎》的知識點如圖5所示[14]。

基于《物流工程基礎》的知識點設計的《物流工程基礎》沉浸式智慧課堂框架如圖6所示。

以圖6中VR/AR教學系統是指通過編輯VR/AR課件讓抽象的知識點在3DLED大屏上實時展示，教師和學生通過終端設備能夠進行沉浸式交互講解和學習；VR/AR直播系統是指采用VR/AR直播技術將錄制的教學資源通過云端流媒體服務器直播互動；系統控制中心是指智能控制中樞，通過物聯網系統能夠控制和管理所有的多媒體設備和電子信息設備；VR/AR課程編輯平臺是指由VR/AR編輯器、編輯工作站、頭盔手柄、3D掃描儀等設備組成的課程資源編輯平臺；VR/AR課程資源管理平臺是指存儲和計算服務器，對VR/AR課程資源實現有效管理；多媒體教學設備是指輔助教師開展多媒體教學的一些設備；3DLED大屏是指VR/AR教學資源的顯示設備。

5" 結束語

沉浸式智慧課堂為學習者帶來了全新的學習體驗，超越了傳統的教與學模式，得益于5G網絡和VR/AR技術的完美結合，為真正實現以學習者為中心的智慧教育提供了全方位支撐。本文以《物流工程基礎》課程為例研究沉浸式智慧課堂框架，重構了物流工程專業學習的形態，是未來智能技術構建物流工程專業沉浸式學習環境的有力保障，也是賦能沉浸式學習體驗的全新認知。

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