基于5G虛擬仿真平臺的混合式教學探索與實踐

摘? 要：針對現(xiàn)代高職教育5G人才培養(yǎng)過程中缺乏業(yè)務場景訓練、學生實訓技能與行業(yè)貼切度不夠的瓶頸問題，提出將虛擬仿真技術(shù)引入教學過程，按照5G現(xiàn)網(wǎng)工作流程重構(gòu)課程內(nèi)容模塊開展混合式教學。同時以“5G網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化”課程為例，從教學過程、教學評價和教學成效方面闡述了基于5G虛擬仿真平臺的混合教學模式的具體實踐。該教學模式滿足對場景、調(diào)試操作、實踐應用和成本等的需求，貼近行業(yè)生產(chǎn)規(guī)范，有效推進理實融合并促進職業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升，完成學生從學校教育到工作就業(yè)的最佳過渡，同時也為5G類新興學科教學實施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；5G網(wǎng)絡優(yōu)化；混合式教學；高職教育

中圖分類號：TP39；G434? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）24-0175-04

Exploration and Practice of Blending Leaching Based on 5G Virtual Simulation Platform

WEN Congmin

（Guangdong Polytechnic of Science and Technology， Zhuhai? 519090， China）

Abstract： In response to the bottleneck issues of the lack of business scenario training and insufficient relevance of students' practical training skills to the industry in the process of 5G talent cultivation in modern higher vocational education， it is proposed to introduce virtual simulation technology into the teaching process and restructure the course content module according to the current 5G network workflow to carry out blending learning. Taking the course “5G Network Planning and Optimization” as an example， this paper elaborates on the specific practice of a blending learning mode based on the 5G virtual simulation platform from the aspects of teaching process， teaching evaluation， and teaching effectiveness. This teaching mode meets the needs of scenarios， debugging operations， practical applications， and costs， is close to industry production standards， effectively promotes the integration of theory and practice， and promotes the improvement of the quality of vocational talent cultivation. It completes the best transition for students from school education to employment， and also provides reference for the implementation of 5G emerging discipline teaching.

Keywords： virtual simulation; 5G network optimization; blending learning; higher vocational education

0? 引? 言

5G作為新一代移動通信系統(tǒng)，在速率、時延、連接數(shù)上都大幅提高，并在地鐵、商城、場館、交通工業(yè)等應用場景豐富廣泛[1]。據(jù)工業(yè)和信息化部公開數(shù)據(jù)顯示，5G網(wǎng)絡建設整體穩(wěn)步推進，截至2023年5月末，我國5G基站總數(shù)達284.4萬個，占全國移動基站總數(shù)的25.3%[2]。從獵聘發(fā)布的《2019年中國5G人才需求大數(shù)據(jù)報告》中來看，5G與移動互聯(lián)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興領域的深度交叉融合，使得互聯(lián)網(wǎng)和電子通信行業(yè)對5G人才需求巨大[3]。與此同時，對于5G從業(yè)者的綜合能力要求如移動通信技術(shù)、網(wǎng)絡規(guī)劃與設計、網(wǎng)絡云化以及行業(yè)解決方案能力等要求較高。

對此，全國高校陸續(xù)開設5G專業(yè)培養(yǎng)崗位人才。然而5G教學場景相對單一，且由于5G技術(shù)新穎，部分場地、成本或安全性受限，如網(wǎng)絡架構(gòu)部署、硬件安裝等而難以實施，全國高校中5G專業(yè)的課程教學尚處于摸索階段[4，5]。此外，開設5G專業(yè)的傳統(tǒng)教學中通常更為關(guān)注5G的理論技術(shù)體系學習，缺乏實用性和系統(tǒng)性[6]，較難培養(yǎng)學生的實際操作和運維能力，這也導致學生難以通過操作提升技能，對5G理論知識的理解亦不透徹，效果差強人意。

根據(jù)國家相關(guān)部門發(fā)布《虛擬現(xiàn)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》等文件[7]，針對新興學科教學中高投入、高難度、高風險及遇到的一系列難實施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題，通過將虛擬仿真技術(shù)融入教學實施過程開展“理論—虛擬—實踐”混合式教學，可以豐富教學手段，進一步優(yōu)化課程設置和教學內(nèi)容，統(tǒng)籌教學組織與實施，注重學生的實訓技能提升，實現(xiàn)人才培養(yǎng)對接產(chǎn)業(yè)需求，也將成為未來高職教育改革的一大趨勢[8]。

1? 5G虛擬仿真類課程教學整體設計

廣東科學技術(shù)職業(yè)學院于2020年4月與華為公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，確定校企共建“廣科-華為鯤鵬數(shù)字學院”，面向國產(chǎn)自主可控的軟件與信息服務產(chǎn)業(yè)集群，對接華為信創(chuàng)技術(shù)（鯤鵬、鴻蒙、昇騰、5G等）產(chǎn)業(yè)鏈的人才需求，校企共建以華為信創(chuàng)為特色，集產(chǎn)品研發(fā)、教學實訓、科學研究、成果轉(zhuǎn)化、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等于一體的實體性協(xié)同創(chuàng)新與育人平臺，服務灣區(qū)數(shù)字經(jīng)濟創(chuàng)新發(fā)展[9]。在5G類課程的項目化教學中，融入由真實基站同源開發(fā)的華為5G Star虛擬仿真平臺。該軟件將真實5G網(wǎng)絡工程師崗位工作中的實踐操作和虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，同時輔助以VR沉浸式仿真交互，形成完善的符合專業(yè)實訓需求的數(shù)字化項目，有效解決教學中缺乏真實業(yè)務場景的問題，滿足5G人才培養(yǎng)過程中對現(xiàn)網(wǎng)場景、調(diào)試操作、實踐應用和成本的需求。

選取廣東科學技術(shù)職業(yè)學院“金課”——5G網(wǎng)絡規(guī)劃及優(yōu)化課程為例，對5G虛擬仿真平臺混合式教學進行研究。該課程是廣東科學技術(shù)職業(yè)學院計算機網(wǎng)絡技術(shù)專業(yè)的核心課程，對接新一代5G網(wǎng)絡建設與維護工作崗位，培養(yǎng)學生熟練掌握5G網(wǎng)絡工程中設計、施工、測試、驗收各環(huán)節(jié)的技術(shù)技能。

按照5G網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化的實際工作流程和技術(shù)方案，基于華為5G Star虛擬仿真平臺對課程內(nèi)容進行重構(gòu)，重構(gòu)后的教學內(nèi)容整體設計如圖1所示。課程從基礎操作、專項提升和實踐拓展的三個層次進行設計，分別對應5G網(wǎng)絡規(guī)劃設計、5G基站數(shù)據(jù)配置以及5G網(wǎng)絡優(yōu)化與故障排查三大項目，構(gòu)建八大實驗實訓任務，旨在提升學生的網(wǎng)絡規(guī)劃設計能力、設備維護能力、系統(tǒng)運維能力、業(yè)務體驗優(yōu)化能力以及行業(yè)解決方案能力。通過將虛擬仿真實訓引入理論教學，在仿真實訓場景中構(gòu)建真實工作環(huán)境、設備、工作任務，使學生在參與虛擬仿真實踐的過程中掌握知識目標，提升實踐能力，實現(xiàn)理論教學與技能實訓相互支撐，推動課堂教學信息化改革。

2? 5G虛擬仿真混合式教學實踐應用

5G虛擬仿真平臺主要包含任務下發(fā)、仿真實驗、考核評價等功能，基于該平臺的混合教學實際是虛擬仿真與理論知識以及實踐拓展相互融合的教學過程，以下介紹5G網(wǎng)絡規(guī)劃及優(yōu)化課程中5G虛擬仿真教學的具體實施。

2.1? 教學過程

按照“課前探究—課中內(nèi)化—課后提升”的方式，基于5G虛擬仿真平臺進行師生互動、生生互動，打造教學共同體，實現(xiàn)如圖2所示“理—虛—實”一體化教學。

2.1.1? “自主探究型”課堂模式轉(zhuǎn)變

與傳統(tǒng)“講授型”課堂利用演示文檔，口述等方式進行講解不同，由于虛擬仿真平臺具有強交互性的特點，教學過程中教師通過綜合學生認知發(fā)展水平設計協(xié)作性高的實踐任務場景，完成以學生為中心的“自主探究型”課堂模式轉(zhuǎn)變，具體體現(xiàn)在如下教學過程中：

首先在課前探究階段，教師根據(jù)教學目標利用虛擬仿真教學平臺創(chuàng)設情景進行任務分配，例如“完成對校園教學樓內(nèi)部5G網(wǎng)絡的覆蓋”，采用“問題引導”“案例教學”等教學方法引導學生思考學習相關(guān)知識技能，學生通過情境任務激發(fā)求知欲與學習熱情。

課中結(jié)合課前學習統(tǒng)計情況，以崗位工作任務為依據(jù)，基于5G虛擬仿真軟件采用“項目解析”“任務驅(qū)動”等教學方法融合理論知識進行講授開展實訓。教師先在規(guī)范操作演示中交代任務流程、關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)范，此后學生以小組為單位在虛擬實踐情境中分解任務并合作討論完成。在達成初步教學目標后，學生之間還需要互相設置5G網(wǎng)絡故障點并自主排查。在反復協(xié)作練習中教師針對案例實訓操作情況進行個性答疑和教學總結(jié)，引導學生從多角度思考熟悉故障告警和網(wǎng)絡優(yōu)化創(chuàng)新解決方案，例如“室內(nèi)5G基站硬件選型與室外基站的差異”“影響室內(nèi)5G信號覆蓋強弱的因素”，以此不斷磨煉技術(shù)細節(jié)，深化理論知識理解，突破重難點。

課后提升階段依托虛擬仿真平臺發(fā)布作業(yè)和自學資源，利用平臺的測評功能完成評價和教學檢查，進一步鞏固課堂知識，夯實學生的專業(yè)基礎。在掌握相關(guān)理論和虛擬仿真技術(shù)后，校企合作組織學生到企業(yè)實踐和設備實操，并為考證和技能競賽提供指導支持，持續(xù)提升實踐技能。

虛擬仿真教學促進了傳統(tǒng)教學向“自主探究型”課堂模式的轉(zhuǎn)變，有助于進一步提高學生的學習興趣和實訓技能，深化學生自主學習、解決問題的能力及團隊合作精神。

2.1.2? 虛擬仿真與理論知識相融合

5G因其抽象的無線通信理論概念而令學生難以快速掌握和理解[10]，在教學過程中利用虛擬仿真技術(shù)將5G理論知識有機融合，通過將抽象的無線信號以及天線等設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具象化、動態(tài)化，可以直觀展示在不同位置無線信號的覆蓋強弱和變化特點，方便學生迅速理解5G關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方式與建站情況，提升學生在認知學習中的興趣和熱情。

此外，通過虛擬仿真平臺開展軟件調(diào)試實訓，在數(shù)據(jù)參數(shù)配置過程中設計融入課程理論知識點，可以使學生深入理解5G參數(shù)的物理意義和在網(wǎng)絡建設中的實際作用，構(gòu)建理論知識體系，從而達到虛擬仿真實踐與理論教學相互融合、相互促進的目的，實現(xiàn)生動性、趣味性、互動性、自主性的全面提升。

2.1.3? 虛擬仿真與實踐拓展相融合

5G虛擬仿真平臺主要包含如圖3所示的實驗功能模塊，各實驗模塊分別對應不同的真實5G崗位工作任務需求，支撐5G課程從基礎操作、專項提升到實踐拓展的三個遞進層次的教學環(huán)節(jié)，在極大程度提高實訓資源使用覆蓋率的同時有效培養(yǎng)崗位多方向?qū)I(yè)人才。學生完成虛擬項目實踐與課程學習后，只有在通過相應的虛擬仿真技能考核評價，才能再由校企合作工程師指導學生參與相關(guān)設備實操和競賽等真實任務的實踐活動，實現(xiàn)“以虛助實”“虛實結(jié)合”。

1）5G網(wǎng)絡組網(wǎng)設計模塊：傳統(tǒng)教學中部署整套5G實驗網(wǎng)絡實施難度大，對學生也提出了極高的操作要求，較難給學生“試錯”機會，此外還需要考慮對周邊環(huán)境通信影響。利用虛擬仿真平臺中5G網(wǎng)絡組網(wǎng)設計模塊，對5G架構(gòu)中無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)以及核心網(wǎng)進行建模，學生根據(jù)教師下發(fā)的任務目標中規(guī)定的基站類型和小區(qū)協(xié)議參數(shù)設置對應網(wǎng)元參數(shù)，熟悉各個網(wǎng)元連接，進一步提升學生對5G組網(wǎng)的認知學習。

2）硬件部署選型模塊：通過對應基帶單板和光纖等的選型完成對5G射頻單元AAU、基帶處理單元BBU以及光交換機之間的連通，引導學生熟悉硬件設備的物理結(jié)構(gòu)和邏輯功能。實際行業(yè)應用中的5G基站、核心網(wǎng)等高端設備和覆蓋多廠商的網(wǎng)絡設備，投入巨大，學校難以及時更新?lián)Q代，通過虛擬仿真可以緊跟行業(yè)新技術(shù)新規(guī)范和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，持續(xù)更新升級設備。

3）硬件設備安裝模塊：由于基站操作的高風險性和場景復雜性，在學校傳統(tǒng)實訓室中難以完整呈現(xiàn)5G行業(yè)應用場景以及工作場景中不同崗位角色的業(yè)務流程。采用VR技術(shù)實現(xiàn)5G基站設備的沉浸式安裝，模擬真實現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中涉及攀爬、高空、高壓環(huán)境下的施工場景，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)安全風險意識。

4）5G網(wǎng)絡運維管理模塊：本模塊模擬5G真實基站的運維開發(fā)，與5G網(wǎng)絡運維管理工程師的日常工作任務一致，針對5G協(xié)議規(guī)劃的全局、設備、傳輸、無線等參數(shù)在虛擬平臺進行腳本操作、告警操作、故障排查以及信令跟蹤，培養(yǎng)學生掌握運維技能，實現(xiàn)課程所學即為就業(yè)所需。

5）業(yè)務測試及優(yōu)化模塊：在虛擬平臺模擬不同終端相互進行話音、短信、視頻下載、網(wǎng)頁瀏覽、時延等業(yè)務傳輸體驗測試，引導學生思考對基站配置做進一步優(yōu)化。

通過虛擬仿真平臺結(jié)合VR沉浸式模擬真實工程場景實訓，解決了傳統(tǒng)實訓室場景資源不足的問題，強化學生對于設備操作、軟件調(diào)試和業(yè)務測試等方面的實訓技能，教學內(nèi)容貼近行業(yè)產(chǎn)業(yè)最新技術(shù)規(guī)范，同時有效降低實踐過程的安全風險，進一步提升教學效果。

2.2? 考核評價

當前大多數(shù)高校在開展虛擬仿真實訓項目過程中缺乏統(tǒng)一的評價標準，依靠教師的主觀評價無法準確獲取學生的完成情況及技能掌握情況。此外，學生能否將從虛擬場景中收獲的技能遷移到真實實踐中，也是在教學中面臨的一大難題。

在5G虛擬仿真平臺中設置“闖關(guān)式”實驗，依托其過程管理與自動評分等功能，對學生實驗次數(shù)、實驗時間、任務點完成進度、任務點得分情況進行統(tǒng)計和收集，使學生考核更具公平性和激勵性。教師能夠?qū)崟r跟蹤學生的學習狀況，建立以可信度和效度為核心的虛擬仿真評價體系，據(jù)此實施個性化指導和點評，適時調(diào)整任務難度，同時為下一階段校企合作的真實實踐提供科學依據(jù)，真正實現(xiàn)師生交流互動立體化、評價反饋即時化、過程管理全程化、考核評價精準化。

2.3? 教學成效

根據(jù)廣東科學技術(shù)職業(yè)學院2020年至2023年6月期間，計算機網(wǎng)絡技術(shù)專業(yè)推行基于5G虛擬仿真平臺實施混合式教學以來，學生參加省級職業(yè)院校專業(yè)技能大賽獲獎情況統(tǒng)計如圖4所示。

由圖4可知，在5G虛擬仿真教學改革期間，學生獲獎總數(shù)呈逐年上升趨勢，同時省級二等獎及以上比例逐年提高，反映教學質(zhì)量顯著提升。綜合來看，5G虛擬仿真混合式教學相較傳統(tǒng)課程教學能夠?qū)嶋H業(yè)務場景仿真還原，學生自主體驗、模擬訓練，可重復，損耗低，深化理論知識理解，實現(xiàn)了實踐效果的提升，并有效提高5G運維人才培養(yǎng)的靈活性、適應性、針對性。

3? 結(jié)? 論

基于5G虛擬仿真平臺的混合式教學模式從注重培養(yǎng)學生實踐能力出發(fā)，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡構(gòu)建、工程設計開通到網(wǎng)絡優(yōu)化、網(wǎng)絡運維等專業(yè)實訓內(nèi)容的虛擬融合，進行多層次、模塊化的實訓教學，將教學內(nèi)容按崗位工作流程分解、引入行業(yè)、企業(yè)前沿技術(shù)，解決了5G應用場景豐富而教學實踐場景單一的矛盾，深化理論理解，實現(xiàn)了教學與生產(chǎn)緊密對接，人才培養(yǎng)對接產(chǎn)業(yè)需求，縮短學生與社會實際崗位需求之間的距離，所學即所用，也對未來高職教育的發(fā)展具有重要推動作用。

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作者簡介：文聰敏（1994—），女，漢族，湖南益陽人，助教，碩士研究生，研究方向：計算機技術(shù)、5G。

收稿日期：2023-07-06

基金項目：2021年廣東省高職教育示范性產(chǎn)業(yè)學研項目（華為鯤鵬數(shù)字產(chǎn)業(yè)學院）；2021年廣東省繼續(xù)教育質(zhì)量提升工程項目（JXJYGC2021KY0631）；2022年廣東科學技術(shù)職業(yè)學院校級“金課”項目（PX-24221372）；2022年廣東科學技術(shù)職業(yè)學院“專創(chuàng)融合”特色示范課程項目（5G網(wǎng)絡規(guī)劃及優(yōu)化）