5G技術(shù)對(duì)新工科背景下虛擬仿真教學(xué)的影響分析＊

高志強(qiáng)，王曉敏，閆晉文，邱小明

（太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

開展“新工科”建設(shè)是引領(lǐng)中國(guó)高等教育改革，打好創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要舉措。為此，2017年6月，教育部辦公廳印發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》（教高廳函〔2017〕33號(hào)），對(duì)新工科建設(shè)改革工作做了詳細(xì)部署，并于2018年3月印發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于公布首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》（教高廳函〔2018〕17號(hào)），批準(zhǔn)在全國(guó)高校建設(shè)612個(gè)首批“新工科”研究與實(shí)踐項(xiàng)目?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)工作在歷經(jīng)了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”等階段的醞釀之后，教育部正式認(rèn)定為新工科項(xiàng)目，意味著備受關(guān)注的高校新工科建設(shè)開始進(jìn)入實(shí)施階段。

盡管在《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》（教高司函〔2017〕6號(hào)）中已經(jīng)明確了新工科研究和實(shí)踐要圍繞工程教育改革的新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系共“五新”開展，然而，由于缺乏清晰的結(jié)構(gòu)框架和可視化模型，缺乏可以支撐改革工作實(shí)施的創(chuàng)新技術(shù)和人才，新工科建設(shè)工作仍然需要較長(zhǎng)時(shí)間的摸索和積累，才能實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才及支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的目標(biāo)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用開啟了虛實(shí)結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的新模式[2]，5G技術(shù)的出現(xiàn)促使教育生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變[3]，隨著2019年4月“5G+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”在江蘇省揭牌成立，意味著中國(guó)高等教育已經(jīng)開啟5G教學(xué)模式，期待5G技術(shù)能夠助力教育信息化實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

1 延伸高等教育新理念

隨著5G相關(guān)技術(shù)支持的教育應(yīng)用不斷拓展和虛擬仿真教學(xué)資源的不斷開發(fā)，傳統(tǒng)教育理念與新技術(shù)、新教學(xué)形式的碰撞已經(jīng)不可避免。由于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)可提供多維度的感官刺激，而5G通信的高速傳輸和零時(shí)延特性，增強(qiáng)了沉浸感和刺激反應(yīng)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(shù)據(jù)技術(shù)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，在云平臺(tái)、電子信息、傳感技術(shù)和人工智能等技術(shù)的支持下，借助于人機(jī)交互界面呈現(xiàn)的精準(zhǔn)雙向信息，體驗(yàn)者可以根據(jù)自身理解、認(rèn)知需求，體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新能力和實(shí)踐水平[4]。正是以上原因，實(shí)施5G技術(shù)的工程教育應(yīng)用，加深對(duì)視覺、觸覺刺激反應(yīng)的感知效果，從而延伸行為主義理論；通過構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，積極調(diào)動(dòng)體驗(yàn)者的觀察思維、批判思維和創(chuàng)新思維，主動(dòng)形成和發(fā)展認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從而延伸了認(rèn)知主義理論；在逼真的場(chǎng)景中，體驗(yàn)者在原有知識(shí)基礎(chǔ)上，針對(duì)具體問題情境進(jìn)行再加工，實(shí)現(xiàn)個(gè)人的訴求和愿景，并且可以提出質(zhì)疑，予以反復(fù)檢驗(yàn)和修正，不斷獲取新知識(shí)構(gòu)建中的回饋信息，從而延伸了構(gòu)建主義理論；在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的三維虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)知空間內(nèi)，借助于三維LED屏顯系統(tǒng)、頭戴式立體顯示系統(tǒng)、智能眼鏡等手段或設(shè)施，在5G環(huán)境下，深化認(rèn)知程度和內(nèi)涵，拓寬認(rèn)知空間，從而延伸了情景認(rèn)知理論；在云平臺(tái)和人工智能等技術(shù)的支持下，基于5G環(huán)境下的虛擬仿真教學(xué)資源更加注重多人協(xié)作交互性，容易形成資源的分布式構(gòu)建，從而有助于延伸分布式認(rèn)知理論。教育基礎(chǔ)理論及其特征如表1所示。

表1 教育基礎(chǔ)理論及其特征

由以上分析不難得知，5G技術(shù)是順應(yīng)現(xiàn)代高等教育教學(xué)發(fā)展的必然選擇，這不僅改變了教與學(xué)的方式，而且影響到教育的理念、文化和生態(tài)[5]。教育理念的延伸必將擴(kuò)展課堂教學(xué)模式，并付諸實(shí)施。

2 助力智慧教育模式創(chuàng)新發(fā)展

2018年4月，教育部公布了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》（教技〔2018〕6號(hào)），明確提出以人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)為基礎(chǔ)，依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，積極開展智慧教育創(chuàng)新研究和示范，推動(dòng)新技術(shù)支持下教育的模式變革和生態(tài)重構(gòu)。5G通信技術(shù)能夠滿足全時(shí)域、全空域、全受眾的智能學(xué)習(xí)需求，以當(dāng)前認(rèn)定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)為載體，通過豐富大容量智能教學(xué)資源和拓展在線智能教育、智能實(shí)驗(yàn)室、虛擬場(chǎng)景等智能學(xué)習(xí)空間，促使傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境向更加個(gè)性化、精準(zhǔn)化、智能化、融合化的方向發(fā)展[6]。隨著5G技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，新工科背景下的高等教育信息化在內(nèi)涵、深度和質(zhì)量上也在不斷發(fā)展[7]，主要體現(xiàn)在教學(xué)服務(wù)由數(shù)字化課堂教學(xué)模式向智慧課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)型、由傳統(tǒng)教室向智慧學(xué)習(xí)環(huán)境轉(zhuǎn)型、由經(jīng)驗(yàn)性教學(xué)向基于證據(jù)的教學(xué)轉(zhuǎn)變、由標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)習(xí)向個(gè)性化學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變[8]、由翻轉(zhuǎn)課堂向教學(xué)結(jié)構(gòu)性變革轉(zhuǎn)變等方面，如圖1所示?？梢哉f，正是由于5G通信技術(shù)的教育應(yīng)用，才使面向現(xiàn)代“互聯(lián)網(wǎng)+”教育體系的建設(shè)成為可能。目前，5G技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到商用階段，并且新的5G應(yīng)用功能仍在不斷研發(fā)中，將現(xiàn)代信息技術(shù)和智能技術(shù)深度融入教育教學(xué)全過程，促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)性變革，形成了引領(lǐng)教育改革發(fā)展的新途徑和新模式。

3 開啟課堂教學(xué)組織新模式

5G通信具有高速度、泛在網(wǎng)、低功率、低時(shí)延、萬物互聯(lián)、重構(gòu)安全等特點(diǎn)，在5G相關(guān)技術(shù)支持下，遠(yuǎn)程互動(dòng)教育、遠(yuǎn)程智能教育、多場(chǎng)景虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、全景課堂等教學(xué)模式得以實(shí)現(xiàn)，再結(jié)合云平臺(tái)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代先進(jìn)技術(shù)，將智能管理、人臉識(shí)別、語音識(shí)別等人機(jī)交互界面信息引入課堂之內(nèi)，可以定制個(gè)性化的課程，也能夠滿足多樣化的教學(xué)需求，因此，5G技術(shù)的教育應(yīng)用，已經(jīng)顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)形式，打破了傳統(tǒng)教育的時(shí)空界限和學(xué)校圍墻[9]。融合5G通信技術(shù)、VR/AR虛擬仿真技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等前沿技術(shù)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)變成沉浸于虛擬空間的體驗(yàn)之旅，未來基于5G環(huán)境的虛擬仿真的教學(xué)實(shí)驗(yàn)將沒有學(xué)院、學(xué)校、國(guó)別，以及專業(yè)和行業(yè)的限制，將是多場(chǎng)景、多空間、多團(tuán)隊(duì)交互的教學(xué)模式[10]。

圖1 智慧教育教學(xué)系統(tǒng)的變革

課堂教學(xué)組織模式的變革，一方面有利于全國(guó)高校教學(xué)資源的均衡發(fā)展，對(duì)于北京等教育基礎(chǔ)雄厚地域的高校，可以面向高精尖學(xué)科領(lǐng)域建立未來技術(shù)學(xué)院，對(duì)于中西部地域教育基礎(chǔ)薄弱的高校，可以利用綜合實(shí)力較強(qiáng)和學(xué)科優(yōu)勢(shì)明顯高校所開放共享的教學(xué)資源，針對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展急需專業(yè)，與行業(yè)企業(yè)共建共管現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院；另一方面，有效推動(dòng)學(xué)科交叉融合，促進(jìn)理工結(jié)合、文工滲透、工工交叉（如圖2所示），有利于孕育產(chǎn)生交叉專業(yè)，以及建立跨院系、跨學(xué)科、跨專業(yè)的人才培養(yǎng)機(jī)制[11]?？梢灶A(yù)見，一場(chǎng)以課堂教學(xué)模式深刻變革推動(dòng)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(xué)科交叉

4 健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系

中國(guó)在2013年、2014年和2015年先后批準(zhǔn)建立了共300個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，又于2018年和2019年分別認(rèn)定了105個(gè)和296個(gè)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用不僅推動(dòng)了高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新工作，而且豐富了中國(guó)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育形式[12]。盡管受高校自身建設(shè)水平、地理位置、歷史文化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及行政體制等因素的影響，中國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的現(xiàn)行分布還不均衡，并且教學(xué)資源開發(fā)滯后于學(xué)科發(fā)展以及各高校教學(xué)需求的差異化，導(dǎo)致創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程還不能滿足學(xué)科或當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)急需專業(yè)發(fā)展的需要，但是已經(jīng)初步形成了一套行之有效的教學(xué)方法，并且隨著考核評(píng)價(jià)制度的不斷完善，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)課程的標(biāo)準(zhǔn)體系也初現(xiàn)雛形[13]。同時(shí)，2018年9月，教育部還制定了《卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0》（教高〔2018〕3號(hào)），明確提出要健全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系，并對(duì)組織實(shí)施提出寶貴意見。

“5G+虛擬現(xiàn)實(shí)”技術(shù)打破了傳統(tǒng)的基于學(xué)科的學(xué)院設(shè)置，利用信息化優(yōu)化教育供給的典型路徑，為同類區(qū)域的發(fā)展提供參照，有利于推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)資源分類發(fā)展。例如：工科優(yōu)勢(shì)高校要對(duì)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮關(guān)鍵作用，綜合性高校要對(duì)催生新技術(shù)和孕育新產(chǎn)業(yè)發(fā)揮引領(lǐng)作用，地方高校要對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮支撐作用等。不同類型高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的差異化發(fā)展模式對(duì)完善創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系提供了良好的機(jī)遇。另外，5G技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合形成的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)新方案和新標(biāo)準(zhǔn)，搭建的多主體產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人實(shí)踐平臺(tái)，拓展的國(guó)際交流與合作途徑，都對(duì)開發(fā)高等教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)資源和完善教育體系有重要意義。

5 建立人才培養(yǎng)新模式

2017年6月，教育部高教司印發(fā)了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》（教高司〔2017〕6號(hào)），將開展深化“人才培養(yǎng)模式改革研究和實(shí)踐”作為主要內(nèi)容之一；為強(qiáng)化新工科建設(shè)工作，2020年2月，教育部辦公廳印發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于推薦第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》（教高廳函〔2020〕2號(hào)），公布了《第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，該指南中列出的6個(gè)選題中均包含涉及人才培養(yǎng)的課題。由此可以看出，開展新工科研究和實(shí)踐最主要的目標(biāo)之一便是解決人才短缺問題，主要包括復(fù)合型人才、新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才及高層次人才的匱乏問題[14]。根據(jù)2017年領(lǐng)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(guó)的AI人才數(shù)量超過全球總量的50%，而中國(guó)的人才數(shù)量在全球排名僅位列第7；據(jù)媒體報(bào)道，到2025年，中國(guó)的人工智能、大數(shù)據(jù)、智能制造等新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才缺口將達(dá)到950萬。因此，當(dāng)前需求驅(qū)動(dòng)倒逼高等教育改革創(chuàng)新，期望建立和完善新工科背景下的人才培養(yǎng)機(jī)制，以培養(yǎng)能夠支撐國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的人才隊(duì)伍。

圖3 領(lǐng)英公布的全球AI領(lǐng)域技術(shù)人才分布圖（單位：萬人）

5G通信技術(shù)對(duì)未來教育形態(tài)影響和教育理論延伸產(chǎn)生無法估量的作用，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為一種新的教育生產(chǎn)力，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改變了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)與工程應(yīng)用相差甚遠(yuǎn)的局面，新工科建設(shè)進(jìn)一步加強(qiáng)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的實(shí)施保障措施，因此，新工科背景下的“5G+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加有利于完善協(xié)同育人機(jī)制和推進(jìn)產(chǎn)教融合、產(chǎn)學(xué)研合作辦學(xué)、合作就業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展[15]。通過認(rèn)定“國(guó)家和省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”“產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人項(xiàng)目”，創(chuàng)建“校企聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室”“工程實(shí)踐教育基地”“共享型人才培養(yǎng)實(shí)踐平臺(tái)”“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃平臺(tái)”，舉辦“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽”，提供“創(chuàng)客空間”“孵化基地”，引進(jìn)國(guó)外優(yōu)質(zhì)教育資源和搭建國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)，拓展實(shí)習(xí)實(shí)踐資源等方式，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人項(xiàng)目實(shí)施體系，搭建校企合作及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目與社會(huì)的對(duì)接平臺(tái)，以產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的最新需求推動(dòng)人才培養(yǎng)機(jī)制改革。

6 結(jié)語

5G技術(shù)為當(dāng)前高等教育教學(xué)模式的創(chuàng)新發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。融合5G通信技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)延伸了教育理念與實(shí)踐，迫使給予5大基礎(chǔ)理論以重新認(rèn)識(shí)；促進(jìn)教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)變革與轉(zhuǎn)型，構(gòu)建智慧教育新模式；突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的時(shí)空限制，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)和雙師互動(dòng)教學(xué)，開啟了高等教育教學(xué)組織的新模式；為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育搭建學(xué)生實(shí)踐平臺(tái)，創(chuàng)新核心課程，豐富教學(xué)形式，以“虛實(shí)結(jié)合、產(chǎn)學(xué)融合、強(qiáng)化實(shí)踐、開發(fā)共享”的實(shí)踐教學(xué)理論構(gòu)建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育新體系；較好地解決了現(xiàn)在傳統(tǒng)教學(xué)體系與新工科建設(shè)人才需求之間的矛盾，有利于落實(shí)新工科時(shí)代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)戰(zhàn)略。