基于邊緣計算的智慧云課堂的教學實踐探索

陳巧 章小華 胡浙東

［摘? ? ? ? ? ?要］? 隨著人工智能技術的快速發展，智慧云課堂逐漸代替了傳統課堂的教學模式。在基于云計算和虛擬現實的課堂中，用戶需要經常與遠程云中心服務器進行交互，這往往會給服務器帶來較大的負載量，產生較長的時延，而這樣的課堂效果表現得還不盡如人意。基于此，將邊緣計算、虛擬現實技術與傳統云課堂相結合，以店鋪視覺課程為例進行研究分析，提出了一種結合邊緣計算和虛擬現實技術的云課堂，有助于降低用戶與云平臺之間的數據交互時延，并對其特點進行了分析，創設了無處不在、不間斷的智能虛擬化學習情境，讓師生能夠在虛擬環境中身臨其境，不斷吸引學生的學習興趣，實現流暢的混合式教學體驗。

［關? ? 鍵? ?詞］? 人工智能；智慧云課堂；虛擬現實；邊緣計算；店鋪視覺；混合式教學

［中圖分類號］? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］? 2096-0603（2024）03-0145-04

隨著互聯網和5G技術的不斷發展，智慧教育的時代已經到來。實踐課程的教學可以通過VR云課堂，即利用云計算平臺結合虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術結合的教學方式進行教學[1]，已成為推動教學創新改革的重要選擇。在基于云端的在線學習方式中，例如慕課網、微課、云班課等，改變了原有的傳統線下授課形式，由于其具有靈活的碎片化學習方式，讓學生的學習方式更加豐富多彩，而被很多高校推廣使用[2]。VR能夠產生接近真實環境的虛擬教學環境，近年來，谷歌眼鏡、數據手套、三維鼠標等多種VR設備已從實驗室應用轉向了智慧課堂的建設中，通過云平臺搭建桌面VR系統，可以為學生提供虛擬現實的學習環境[3]。結合云計算技術，VR云課堂可以讓師生在這種環境中進行交互體驗，增強了學生的想象力，提高了師生的互動性，使課堂更具趣味性[4]。

然而，這種基于云計算的VR教學方式仍處于起步階段，構建VR云課堂的學習環境還存在一定的問題。例如，當學生在觀看云平臺上的教學視頻和使用VR技術呈現虛擬環境的操作時，往往需要頻繁地訪問云中心服務器，以獲取最新的網絡數據。而VR應用對延遲敏感度高，其性能會因時延和服務器負載量不均勻而顯著降低[5]。當有大量的學生與云服務器之間進行數據交互時，傳統的云處理方式可能會因為服務器過載導致資源受限、時延變長、帶寬占用等問題，使教學過程中逐漸出現長時間等待而無法加載的問題，影響到課堂的教學效果。為此，如何能夠快速訪問云服務器，并有效管理云平臺的資源負載能力，成為提高云課堂教學滿意度的關鍵問題。

邊緣計算（Edge Computing）作為一種可以在靠近用戶終端設備的邊緣進行計算、存儲和處理的新范例[6]，可用于優化網絡資源負載，能夠讓用戶獲取云端數據的速度變快。

本文針對現有的VR云課堂，提出了一種結合邊緣技術的新課堂架構，稱為VR邊緣云課堂。這種學習方式使用方便，受眾面廣，而邊緣云平臺具有建設成本低，利于學生自學，網絡學習資源能夠共享等優勢。因此，本文結合邊緣計算和VR技術，以店鋪視覺課程為例，提出了基于邊緣計算的VR邊緣云課堂以解決上述問題，構建了良好的云公共空間與教學私密空間，為學生營造了良好的學習氛圍，并滿足課堂應用的實時性和可靠性的需求。

一、現代云課堂教學體系架構中的問題

（一）傳統云課堂的局限

對于傳統的云課堂教學，教師可以把課程資源（包括PPT、軟件、教學視頻等資源）發布到云平臺上，學生可以通過云平臺觀看高清學習視頻、完成作業、課程評價等操作，因此需要經常訪問云中心服務器。當有大量的學生在同一時間段內訪問云服務器，進行數據交互時，會產生諸如下載課程資源傳輸慢、視頻緩沖時間長、VR渲染卡頓等問題，從而影響了課程的教學體驗。

（二）課堂環境的監管

課堂上，當某些學生因為教師的授課方式、課程的內容、個人的情緒等因素產生一定的消極狀態，例如犯困、玩手機、聊天等情況，從而脫離了正常的教學活動。這種消極狀態往往具有傳染性，其他學生可能會受到這類學生的影響而使自己也陷入這種消極狀態。現有的云課堂的方式可以對學生的學習狀態進行監管，但由于需要對學生的學習狀態進行抓拍并分析，而云平臺的處理時間較長，具有一定的滯后性，而教師在課堂上不一定能夠及時顧忌這類學生，從而影響了教學效果。

（三）學生知識能力的培養

在講解課程理論方面的知識時，學生無法在真實的職業情境中進行學習，導致學生缺乏一定的想象力，而單純的PPT展示不足以激發學生的視聽感受，導致學生學習的主動性和動手能力較弱。很多學生在學習中一味地模仿教學案例，缺乏一定的創造力，不能將知識較好地融入實際學習中。通過VR技術的應用，學生可以體驗到模擬真實環境的職業情境，課堂教學效果有了較大的改善。然而這種虛擬環境的圖像視頻文件資源相對較大，當有大量學生訪問云平臺時，服務器將無法做到高頻率的實時更新，以致學生會逐漸降低使用興趣，不僅浪費了資源，還影響了教學效果。

二、基于邊緣計算的智慧云課堂改革方案

（一）邊緣計算概述

邊緣計算能夠在網絡節點周邊，以一種更靠近傳感器數據源的方式，分布式執行任務。這不僅可以減少網絡傳遞時延，還具有響應性更強、降低服務器部署成本、對用戶數據進行隱私保護等方面的優勢。目前，各種智慧化校園應用應運而生，學校可以利用校園中的各種智能設備，包括監控、機房、人臉識別門禁、無人機、停車場等基礎設施，師生使用的手機、平板、筆記本電腦等移動設備，并對這些異構設備進行整合，在靠近用戶的邊緣設置網絡邊緣節點。邊緣計算能夠對數據進行計算卸載、存儲和加密，適合課堂中的實時應用，能夠為用戶提供便捷的緩存資源下載、VR渲染、高清視頻直播等數據交換。

（二）VR邊緣云課堂的網絡架構

為提供更好的教學環境，學校可以與知名企業進行合作教學。整合智慧校園內的異構設備，利用其分布式計算、緩存和數據交互的特點，為師生提供數據的獲取和處理，實現資源共享。在教學過程中，教師需要將理論知識聯系實踐問題，認真設計制作教學視頻，由于邊緣服務器的資源是有限的，因此，不能把教學中的所有資源全部部署到邊緣服務器上。教師需要對資源進行篩選，對于經常訪問的共享資源，可以將其部署在邊緣服務器上，將其余資源部署到云中心服務器上。通過接入云課堂，教師和學生可以直接從邊緣服務器獲取，而不需要再通過云中心服務器進行數據的交換，從而縮短了資源獲取的時間[7]。當師生對云中心服務器中的某一資源的獲取量增大時，可以為邊緣服務器設定一個閾值。當資源請求量超過了某個閾值時，邊緣服務器將會自動從云中心服務器中獲取該資源，以提高學生的學習體驗。邊緣服務器也會定期對其存儲的資源進行檢查，若某些資源低于閾值時，將通知用戶清理或執行自動清理，以提高服務器的數據處理性能。在課堂上，可利用智能終端設備的攝像頭對學生的學習狀態進行抓拍，并在邊緣服務器中對其進行分析處理，以降低云中心服務器的數據傳輸量，提高云課堂的運行效率，并能夠提供及時的反饋信息給學生和教師，從而改善學生的學習狀態。

（三）VR邊緣云課堂的系統架構

為提高學生的學習主動性，VR邊緣云課堂讓學生能夠在虛擬仿真的環境下體驗職業工作環境，這不僅會激發學生的學習興趣，還可以提高學生的學習參與度，讓學生能夠在實踐中學到知識，提高他們的綜合職業素養。邊緣云課堂通過邊緣服務器將虛擬現實系統連接起來，形成時空耦合的分布式虛擬環境，使邊緣云教學方式能夠有效地融入新的教學方式中。VR邊緣云課堂如圖1所示，邊緣基站、輔助設備與邊緣服務器互連，壓縮的可擴展內容駐留在邊緣服務器中，學生可通過無線VR設備接收教學視頻、音頻、圖片等內容。本文所提出的VR邊緣云課堂可以根據學生所在位置、技能水平和教學場景等情境因素，向用戶推送個性化的學習資源，并對其學習狀態進行實時檢測，以提供良好的教學體驗。

（四）VR邊緣云課堂的教學思路

VR邊緣云課堂結合翻轉課堂的思路，將教師和學生兩者的角色進行轉變，教師從知識傳授者轉變為教學資源的開發者和教學的引導者，學生在課堂中占據主導地位，從知識的接受者轉變為知識的構建者[8]。課前，要求教師根據課程的教學內容拍攝視頻，學生積極參與互動，教師設計對應的教學情境。課堂上，教師可以通過云課堂發布活動，學生可以通過云課堂進行練習，并提出問題。教師可以針對學生提出問題及時解答，為學生提供幫助，與學生共同解決問題，實現知識的內化。在教學管理上，VR邊緣云課堂可以對學生的學習情況進行跟蹤記錄，并對學生的表情進行拍攝，通過邊緣服務器的處理，獲取實時的情緒狀態，并對學生的消極狀態進行提示，實現智慧化干預。課后，教師可以對所學知識進行補充和拓展，將資源發布到云課堂上，學生可以對自己的不足之處進行強化訓練。這種因材施教的學習模式，可以讓學生差異化、自由化地選擇學習弱點進行鞏固，無限地延伸了課堂。

三、VR邊緣云課堂的教學設計——以店鋪視覺課程為例

店鋪視覺作為電商美工、店鋪裝修實訓等課程的后續課程，主要講授Photoshop圖像處理、Premiere視頻剪輯、店鋪設計以及店鋪運營理論知識等相結合的綜合性課程，為學生將來從事網店美工、產品運營、網頁設計等工作做準備。由于圖片處理、視頻制作、網頁設計、VR運營等教學資源需要服務器具有較大的存儲空間環境，以及快速的響應機制，因此，傳統的云課堂的教學建設已無法滿足需求。針對上述提到的內容，本文將VR邊緣云課堂應用于店鋪視覺課程，包括邊緣計算網絡平臺的建設和VR學習環境的搭建，并給出了課程的教學方案，形成了注重學生感受和教學體驗的混合式教學體驗。

（一）教學方式設計

為保證教學模式的實施，本文以邊緣計算、VR、移動開發技術為支撐，設計了相應的網絡教學系統和學生學習平臺。利用校園中的智能設備搭建了一個VR邊緣云課堂教學平臺，教師可以在服務器上發布教學視頻，主要用于學生的課前學習。學生可以穿戴VR設備，連接無線網絡，利用手機、電腦、平板等電子設備，獲取3D的虛擬場景。在場景中，學生可與虛擬畫面進行交互，實現視覺設計、商品推廣、營銷策劃等多種形式的體驗式移動學習。

（二）教學內容設計

VR邊緣云課堂將教學形式設計為課前學生自我學習、課堂師生互動解答、課后復習鞏固的形式，在優化店鋪視覺教學的課程中，教師會從視覺設計、營銷策略和產品運營等多維度進行教學。課外，教師制作教學視頻、素材、練習題等學習資料，并上傳到平臺上，學生可以利用碎片化的時間，有目的地系統學習，服務器可以通過移動設備推送相應的學習內容，將學生的學習成果最大化。在課堂上，系統可根據學生的自學情況給出數據分析結果，依據系統分析數據的結果，教師可以結合實際問題設計課堂教學活動，采用更有效的方式進行教學，幫助學生對知識理解和吸收。

（三）教學評價設計

學習軌跡履歷表評價指標如表1所示，在邊緣云平臺上為每位學生建立了個人履歷表，履歷表上記錄了學生的學習過程，保存了學生的考勤記錄、互動情況、實驗練習等內容。學生可登錄平臺查看自己的履歷表，教師可定期發布公告信息和作業任務。邊緣服務器定期通過云中心服務器進行分析處理，將分析結果及時反饋給教師，供教師參考，同時可以督促學生自主探究學習，提高學習效果。

四、VR邊緣云課堂的教學實踐

在完成上述教學平臺的搭建之后，為驗證上述課程改革的有效性，本文給出了以下教學實踐方案。

（一）研究對象

研究對象為信息工程學院學生，隨機分成兩個班級，一個班級學生為實驗組，通過VR邊緣云課堂進行教學，另一個班級學生為對照組，使用傳統云課堂方式進行教學。

（二）教學過程

首先，教師向學生介紹本次課程的教學計劃、學習形式和考核方法，教師需督促所有學生在VR邊緣云平臺上用自己的學號注冊一個賬戶，建立自己的學習軌跡履歷表。教師作為超級管理員，可以通過輸入自己的工號來管理學生信息。之后，學生通過云平臺的能力測試環節，了解自身的基礎水平。教師通過對學生的測試結果進行數據分析，找出學生的薄弱環節，有針對性地調整教學計劃。

課程中，教師可結合“聚劃算”“雙11”“周年慶”等網購平臺的熱點促銷活動，選擇一個主題活動進行店鋪視覺的教學。如圖2所示，課前，教師會制作教學視頻課程，并上傳至邊緣云端方便學生觀看學習，學生需要完成課前設計的任務，如觀看本單元的教學視頻，學習教學視頻中的設計方法，完成練習；在課堂上，學生可穿戴VR設備，在進行交互操作時，可以進行提問和討論，記錄筆記。教師在課堂活動中及時解決學生遇到的問題，指導學生完成練習，并注重培養學生的創造力、發散性思維能力，發現問題后及時調整教學計劃和課堂活動；課后，教師通過邊緣云平臺布置相應的作業練習，學生按時完成，并將其上傳到邊緣云平臺上，邊緣云平臺自動評估作品結果。之后，教師和學生可對作業進行多維度的評估，這種評估方式可以有效地幫助學生了解自己的學習效果，對自己的不足之處有一定的了解，并及時通過邊緣云平臺進行回顧。一次課程結束后，學生可對課堂教學進行相應的評價。教師也能夠實時監管學生的學習情況，幫助他們更好地了解課堂教學效果，以便他們進行教學反思。

（三）課程的教學分析

學期即將結束時，學生可通過VR邊緣云課堂的問卷進行教學評價，教師可通過邊緣云平臺對改革的課程質量、學生的興趣水平以及學生的評價進行反饋分析，并對兩組學生進行筆試，項目答辯，結果比較，完成教學反思。VR邊緣云課堂可對師生進行訪談，給出一個綜合性的評價結果和建議。最后，通過對兩個班級的學生學習分數以及學生對教師的評價結果進行計算，若實驗組分數高于對照組，則表明VR邊緣云課堂是有效的。

五、結論

隨著無線網絡、智能設備和人工智能技術的普及，各地對計算機專業的人才需求也越來越大，智慧課堂的授課方式也發生了很大的變化，高校要積極適應社會對新興技術人才的需求，同時，教學實踐改革對培養人才也具有重要的推動作用。本次教學實踐探索結合邊緣計算和VR技術，讓教學環境突破時間和空間上的限制，注重學生的理論學習和實踐經驗，通過VR邊緣云課堂的形式，讓學生在課堂中占據主導地位，應用學習軌跡履歷表記錄學生的學習情況，教師可根據學習進度進行實時監管。本次教學研究結合邊緣計算，讓云課堂不受時間限制，師生能夠實時獲取充足的在線資源，對知識進行補充和擴展。VR邊緣云課堂可以產生實時的虛擬情境，讓課堂不受空間的限制，能夠讓學生體驗到真實的職業環境，有效地激起學生的學習興趣，增強學生的學習動力，強化工作意識，提高學生的職業素養，從而提升教學效果。由于現階段的研究對象僅為少量的學生樣本，缺乏一定的代表性。在未來的研究中，我們將進一步擴大學生群體，研究各層次學生之間的干擾因素影響。

參考文獻：

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◎編輯 王亞青