基于5G通信的智慧課堂設(shè)計與應(yīng)用＊

劉煥毅

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530007）

1 研究背景

5G是第五代移動通信技術(shù)的縮寫。5G彌補了4G的缺點，系統(tǒng)性能在吞吐量、時延、連接數(shù)和能耗等方面得到進一步提高。同時，5G通過提供多樣化業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)特性的能力，能夠適應(yīng)大寬帶、低時延、大規(guī)模連接、高可靠性等靈活多樣的應(yīng)用場景需求。隨著5G技術(shù)的普及，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)的逐步推廣，教育正逐步從傳統(tǒng)教育向智慧教育轉(zhuǎn)變，以課堂教學(xué)為基礎(chǔ)的教學(xué)方法也在慢慢地發(fā)生著變化。更重要的是，在教學(xué)環(huán)境中，同時借助虛擬現(xiàn)實手段和技術(shù)，通過個性化的沉浸式學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。智慧課堂在5G的加持下，教學(xué)效果、教學(xué)創(chuàng)新、教學(xué)網(wǎng)絡(luò)覆蓋等方面將得到極大的提高。2018年教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動計劃》強調(diào)以信息化全面推進教育現(xiàn)代化，強調(diào)云計算、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)的融合，人工智能等新技術(shù)深入教育的方方面面，推動了智慧教育的發(fā)展[1]。課程教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)、實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的根本途徑。改革現(xiàn)有的課堂教學(xué)，不僅需要“扭轉(zhuǎn)”在信息技術(shù)環(huán)境下現(xiàn)有的課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，還需要深入思考如何實現(xiàn)以知識為主向以素養(yǎng)為主的轉(zhuǎn)變，從而重構(gòu)關(guān)系、資源、能力，過程和評估，重塑課堂生態(tài)系統(tǒng)。因此，智慧課堂已成為教育思維與教育情感互動的產(chǎn)物，它是師生智能互動共生的過程和結(jié)果。當(dāng)前課堂教學(xué)中存在著對學(xué)生創(chuàng)新能力教育、能力培養(yǎng)教育、個性化培養(yǎng)等問題，智慧課堂以開放性、沉浸性、靈活性等特點滿足了當(dāng)前學(xué)生培養(yǎng)的需要。

2 智慧課堂存在問題分析

2.1 學(xué)校硬件配套建設(shè)不足

課堂教學(xué)效果與教學(xué)環(huán)境息息相關(guān)，不同的教學(xué)環(huán)境往往會產(chǎn)生不一樣的教學(xué)效果。目前，5G移動通信和物聯(lián)網(wǎng)在學(xué)校尚未全面普及，數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)的設(shè)備不夠先進。在智慧課堂建設(shè)中，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)尚處在初步階段，學(xué)校沒有配備基礎(chǔ)專業(yè)教室，導(dǎo)致教師在課前無法推送要學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)資料，學(xué)生下載資料困難；課中缺乏及時的反饋機制，教師難以調(diào)整教學(xué)計劃；課后，學(xué)生無法進行自主補習(xí)，教師難以提供個性化的指導(dǎo)。

2.2 教師教學(xué)觀念扭轉(zhuǎn)困難

一方面，智慧課堂是一個相對較新的教學(xué)方式，不同年齡段的教師對新型教學(xué)方式有不同的看法和接受程度，一些教師的授課模式已經(jīng)固定，很難在短期內(nèi)改變觀念，接受新觀念[2]；另一方面，一些教師盲目相信自己傳統(tǒng)的教學(xué)模式，忽視了新時代學(xué)生的特點和社會需求對人才的變化，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能把握學(xué)習(xí)的本質(zhì)。在新的教學(xué)方式下，教師對智慧課堂的態(tài)度決定了課堂的教學(xué)質(zhì)量。雖然一些教師同意采用新的教學(xué)方法來開展教學(xué)活動，但更多的教師仍然采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，這種態(tài)度對學(xué)校智慧課堂的發(fā)展有一定的阻礙。這些教學(xué)觀念難以理解學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的障礙及其原因，難以進行準(zhǔn)確的指導(dǎo)性實踐指導(dǎo)，而是重復(fù)且低效的練習(xí)，難以減輕學(xué)生負擔(dān)。

2.3 學(xué)生認知能力存在問題

首先，學(xué)生對智慧課堂的理解錯誤，對智慧課堂缺少興趣，錯誤地認為智慧課堂對于他們的學(xué)習(xí)沒有太大的幫助；其次，學(xué)生對于如何在新的教學(xué)方式下自主學(xué)習(xí)的認識還不明確，很多學(xué)生不知道如何高效獲取相關(guān)信息，不知道如何更好地開展學(xué)習(xí)，學(xué)生很難形成完整的學(xué)科知識和相應(yīng)的應(yīng)用能力體系，對于較難學(xué)得知識，缺乏幫助學(xué)生理解和探索難學(xué)知識的有效手段，導(dǎo)致學(xué)生慢慢失去興趣和信心，降低學(xué)生在課后學(xué)習(xí)的效率；另外，很多學(xué)生在長期的應(yīng)試教育中，已經(jīng)習(xí)慣了被動接受老師傳授的知識點，缺乏自主學(xué)習(xí)能力和探究問題的動力，也不愿主動去探索新知識，這種被動的學(xué)習(xí)態(tài)度不利于學(xué)生全面素質(zhì)的發(fā)展和智慧課堂的開展建設(shè)和普及[3]。

3 5G智慧課堂架構(gòu)

基于5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧課堂的架構(gòu)如圖1所示。智慧課堂融合了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，采用端云架構(gòu)，提供多應(yīng)用服務(wù)，利用5G高帶寬、低延遲、大連接的技術(shù)特點，通過接入各種形式的智聯(lián)終端和教育裝備，實現(xiàn)各種軟硬件設(shè)備間的無縫互聯(lián)和協(xié)同工作，為學(xué)習(xí)者提供真正沉浸式的實時學(xué)習(xí)體驗，并采用大數(shù)據(jù)中心、云平臺等技術(shù)實現(xiàn)多功能應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享和多功能應(yīng)用業(yè)務(wù)的實現(xiàn)，提供高效、迅捷的數(shù)據(jù)傳輸和分析，實現(xiàn)對學(xué)習(xí)行為的智能分析和可視化的管理，實時了解學(xué)習(xí)情況、獲取需求反饋，實現(xiàn)師生良好互動。

圖1 5G智慧課堂架構(gòu)圖

根據(jù)智慧課堂的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點可以將基礎(chǔ)架構(gòu)分為4個層次，主要包含了基礎(chǔ)層、通信層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層集數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸于一體，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、VR技術(shù)，利用錄播互動、實訓(xùn)互動、教學(xué)互動、物聯(lián)管控、全息投影、云計算等設(shè)備對教學(xué)課堂全過程相關(guān)信息進行數(shù)據(jù)采集，通過5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，為平臺進行數(shù)據(jù)云存儲提供原始數(shù)據(jù)來源。

通信層。通信層是為數(shù)據(jù)層提供服務(wù)的，通信層通過5G、NB-IoT、Cloud等向數(shù)據(jù)層傳送數(shù)據(jù)，通過5G邊緣計算技術(shù)就近提供邊緣智能服務(wù)。

數(shù)據(jù)層。對采集到的數(shù)據(jù)進行分類存儲，為各應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)跨系統(tǒng)的信息共享以及綜合利用，有效解決困擾已久的信息孤島問題，為系統(tǒng)提供核心應(yīng)用的數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用層。基于通信層和數(shù)據(jù)層，通過各種中間件提供數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)支撐，向用戶提供可視化的操作業(yè)務(wù)功能，如互動平臺、全息投影、實訓(xùn)教學(xué)、全景課件、遠程互動等功能。

4 智慧課堂特色功能

4.1 遠程雙向互動

由于“互聯(lián)網(wǎng)+”的迅速發(fā)展，教師教學(xué)的時空被重新界定，教學(xué)活動的邊界被打破。借助互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，普通教學(xué)模式發(fā)生了巨大變化，具有更高教學(xué)服務(wù)水平和教學(xué)質(zhì)量的遠程雙向互動教學(xué)模式應(yīng)運而生。遠程雙向互動教學(xué)課程有多種形式，如直播和課后視頻等形式。直播課程，為“互聯(lián)網(wǎng)+雙向互動”遠程教學(xué)，實現(xiàn)了教學(xué)視頻和語音文字的討論與交流，改善了傳統(tǒng)遠程教學(xué)單向教學(xué)的不足，改進了雙向互動，并應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)上教學(xué)筆記在線，語音和文本同步共享到平臺上，實現(xiàn)教材的在線共享。即使學(xué)生錯過了直播課程，學(xué)校也會對課程進行錄制，學(xué)生可以在平臺系統(tǒng)中隨時回放錯過的教學(xué)直播，讓學(xué)生學(xué)習(xí)不受時空限制[4]。

4.2 VR全景課件

新一代5G技術(shù)加速了沉浸式教學(xué)場景的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實全景課件是沉浸式教學(xué)場景的應(yīng)用之一。VR全景課件通過5G技術(shù)支持，將VR、3D等數(shù)字技術(shù)融入教學(xué)過程。它利用云計算、云渲染等技術(shù)，開發(fā)出集文本、圖像、動畫于一體的教學(xué)內(nèi)容，并將平面知識立體化，以提高課堂的交互性和參與性，實現(xiàn)主動的交互式學(xué)習(xí)，進行真實場景展示。基于5G大帶寬、低延遲、高分辨率等特點，將VR全景課件上傳到云端，利用云端服務(wù)器強大的計算能力，實現(xiàn)對VR全景課件的操作、實時渲染、顯示和控制，完成虛擬實驗操作、物體拆卸和其他學(xué)習(xí)。學(xué)生戴著輕量級VR眼鏡終端，可以在互動教室里觀看全景課件，既培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，又使原來的課程生動有趣，使危險、困難的課程易于實現(xiàn)。在這種情境下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過自然交互的方式將抽象的理論知識形象化、可視化，為學(xué)生提供傳統(tǒng)教材和課件無法實現(xiàn)的沉浸式學(xué)習(xí)體驗，讓學(xué)生更加主動地去獲取知識，實現(xiàn)更高的知識保持度。根據(jù)不同專業(yè)和不同學(xué)科，虛擬現(xiàn)實全景課件扮演著不同角色，比如三維物體和三維空間的展示、虛擬空間和虛擬場景的構(gòu)建等。

4.3 5G全息投影

全息技術(shù)實際上是利用光的干涉原理，以干涉條紋的形式記錄物體的所有信息，在特定條件下，形成與物體本身高度相似的三維圖像。5G全息投影教學(xué)針對中國教育資源分布不均的問題，通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)，通過全息投影的方式采集課堂教學(xué)圖像信息，呈現(xiàn)遠程學(xué)生的聽力狀況和實時交互；在教室內(nèi)部署全息平臺，通過3D技術(shù)將一些名校的專家、老師的真實圖像和課件內(nèi)容呈現(xiàn)在遠端的學(xué)生面前，與電話、視頻等連接形式相比，全息技術(shù)可以保留更多肉眼可見的信息，將兩個分離的空間連接和整合起來，讓學(xué)生和異地教師及資源的交互擺脫時空分離的限制，實現(xiàn)自然互動的遠程教學(xué)[5]。使用全息技術(shù)可以更生動地呈現(xiàn)教室其他空間中的事物，除了引入其他專家教師為學(xué)生講解課堂知識外，5G+全息技術(shù)還可以用于將特定的東西引入教室進行全面展示，如文物、動物或儀器，為課堂教學(xué)創(chuàng)造更多的可能性和創(chuàng)造性。遠程全息教室通過搭建“全息平臺”和“全息直播教學(xué)區(qū)”實現(xiàn)遠程全息教學(xué)，主要用于教育參觀培訓(xùn)、國際文化展示、學(xué)生課堂體驗、實踐技能培訓(xùn)等典型教育場景，遠程全息教室分為全息直播教學(xué)區(qū)和全息教室區(qū)，“5G遠程全息教室”基于全息技術(shù)，通過多種遠程直播交互模式，打造生動的師生互動，實現(xiàn)多區(qū)域優(yōu)質(zhì)資源共享。此外，教師還可以通過全息技術(shù)再現(xiàn)自然、科學(xué)、歷史、生物、物理、化學(xué)等學(xué)科的內(nèi)容，使教與學(xué)更加生動，提高教學(xué)質(zhì)量。

5 應(yīng)用5G智慧課堂開展通信工程專業(yè)教學(xué)

通信工程屬于電子信息類專業(yè)，在5G時代下，成為發(fā)展迅速的信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是通過數(shù)字移動通信、光纖通信、網(wǎng)絡(luò)通信，人們可以更加方便和快捷地傳遞和獲得信息。通信工程專業(yè)是電子學(xué)和計算機的交叉學(xué)科，具有較強的工程性質(zhì)，需要有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和物理基礎(chǔ)以及較強的實踐能力。因此，需要建立多種信息互聯(lián)的創(chuàng)新實踐平臺，如基于5G技術(shù)的各種實驗驗證平臺，將智慧課堂引入通信工程教學(xué)。

第一，無處不在的無縫學(xué)習(xí)。在傳統(tǒng)教學(xué)模式和課堂中，師生互動的方式只能是現(xiàn)場問答、談?wù)摻涣?，教師無法及時回答每一位學(xué)生的問題，學(xué)生的問題得不到及時解決，連續(xù)積累問題的情況下，會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，智慧課堂可以突破傳統(tǒng)學(xué)習(xí)領(lǐng)域的限制，學(xué)生在課堂上有任何問題都可向教師提問，即使教師當(dāng)時沒有時間回答，這些問題也會被記錄下來，在課余時間進行逐一解決，使學(xué)生學(xué)習(xí)更靈活，師生交流也更便捷，滿足學(xué)生在智慧教育中的個性化需求[6]。無論是線上還是線下，無論是學(xué)校、家庭還是別處，學(xué)生只要使用設(shè)備終端，通過網(wǎng)絡(luò)就可以自由登錄到平臺上進行學(xué)習(xí)和交流。

第二，“云+端”信息平臺。智慧課堂可以通過云計算技術(shù)與傳統(tǒng)教育的融合，將分散但高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資源進行跨地區(qū)跨時空共享。學(xué)生可通過該平臺隨時隨地獲取優(yōu)質(zhì)課件、電子書、教學(xué)視頻、試題等云學(xué)習(xí)素材。此外，學(xué)生的學(xué)習(xí)和任務(wù)完成情況也可存儲在云端。

第三，借助移動互聯(lián)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工具。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師通過系統(tǒng)的講解，在教室進行授課，使學(xué)生掌握大量知識，形式比較單一。而今，在無線網(wǎng)絡(luò)智慧校園中，教師在上課前通過移動終端安排教學(xué)計劃、備課。在課堂上，根據(jù)師生之間的互動實現(xiàn)多屏互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。課后，學(xué)生和老師自由交流。智慧課堂利用具有情境感知功能的移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備和物理場地，構(gòu)建虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的、無處不在的學(xué)習(xí)空間，真正實現(xiàn)學(xué)生與技術(shù)、學(xué)習(xí)與技術(shù)、學(xué)習(xí)與環(huán)境的智能結(jié)合，使學(xué)習(xí)者沉浸其中，在思維、游戲和生活實踐中學(xué)習(xí)，從而促進學(xué)習(xí)的自組織性、群體性、整體性和普遍性，成為開放網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和課堂教學(xué)的有效途徑。

6 結(jié)語

基于5G技術(shù)的智慧課堂在通信工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，改變了教學(xué)情景、教師角色和學(xué)生學(xué)習(xí)特點，適應(yīng)5G時代的教學(xué)特點，滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。智能終端成為學(xué)生的學(xué)習(xí)伙伴，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加強師生交流，及時反饋教學(xué)效果。學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)有助于教師更客觀地評價學(xué)習(xí)效果，進行針對性的個性化教學(xué)。同時，智慧課堂模式可以自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)一體化，培養(yǎng)學(xué)生自主探究、合作交流、自主創(chuàng)新的能力，實現(xiàn)在課堂內(nèi)外多渠道的交互，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，從而提高課堂教學(xué)效率，提升教學(xué)效果。