“5G+XR”支持的实训教学变革：模式、挑战与建议

2021-09-08杨丹眭碧霞

职业技术教育 2021年17期

杨丹眭碧霞

摘要以5G和XR为代表的新型智能化技术，已成为第四次工业革命的核心驱动力量，两者在职业教育领域的融合性应用，也正推动实训教学不断发生革命性转变。在“5G+XR”的创新支持下，未来的实训教学模式主要为基于具身体验的沉浸式实训模式、基于数字孪生模型的实训模式、人与智能机器跨地域协同实训模式，以及实践与创新创造相融合的实训模式四种。然而，要常态化开展以上四种具有智能特征的实训教学，仍面临智能技术不够成熟、教师胜任力不足、学生知识体系不符及制度机制不健全等问题。为此，亟须加强职业教育智能化建设与发展的顶层设计、推进面向智能时代的普职融合式教育、构建协同合作和供需平衡的校企关系，以及健全推进智能化实训教学的相关机制。

关键词职业教育;5G;XR;人工智能;实训教学

一、5G与XR技术概述

（一）5G技术概述

第5代移动通信技术（简称5G）是第四次工业革命的引领性技术[1]，其将在很大程度上消减物理现实世界和虚拟数字世界的界限，帮助人类构建高速互联、虚实共融的社会空间。5G技术主要有以下优势特点：第一，超高的数据传输速率，可以为大规模、密集型数据（如超高清视频直播）的实时传输提供技术支持。第二，超低的数据传输延迟，可为协同性要求较高的远程人机协作活动（如人机开展远程手术）提供关键支撑。第三，超大规模的万物互联，这意味着大量的智能设备和传感器都可通过5G网络进行通讯，实现万物互联。5G技术的适用场景包括教育在内的各个行业领域。例如，在2019年2月，华中师范大学第一附属中学就利用5G和VR技术实现武汉和福州的同步授课[2]。目前，5G技术只是为包括教育在内的各领域提供一种新的基础性设施技术，若要真正在这些领域行业中释放其变革性潜力作用，还需要与其他新型技术相结合。

（二）XR技术概述

XR是英文Extended Reality的缩写，国内研究者一般将其翻译为扩展现实技术[3]。“XR”中的“X”是用数学中的未知数X来表示由虚拟现实、增强现实、混合现实等技术构成的“虚拟现实连续统”。因此，有研究者认为XR是“一种涵盖性术语，包含增强现实、虚拟现实、混合现实及其他相关技术，并因这些技术的不断进步而可能出现的新的沉浸式技术”[4]。由以上定义可以发现，XR实际上是被视为“虚拟现实连续统”上的任意一点，是所有由计算机技术和可穿戴设备产生的真实与虚拟结合的环境和人机交互。另外，华东师范大学颜青山教授认为，无论是从技术广度上看，还是从综合性层面分析，XR实际上是将互联网、物联网和混合现实技术结合起来的技术形式或世界模式，其不仅是一种体验模式[5]，还将是未来人们的一种生活、生产和教育模式。

综合以上对XR技术的本质认识，可将其特征优势总结为以下两个方面：一是与AR、VR、MR技术相关的自身技术应用优势。由于XR涉及这些技术中的一种或几种，其自身的技术优势也就包括为：全方位的真实情景感知、全感官的具身参与互动、物理对象在XR技术支持下实现编辑[6]，以及数字虚拟和现实时间无缝对接。二是可与5G和物联网等有关新基建技术实现融合应用。XR的自身技术优势实现和应用到更广阔的行业场景中，在很大程度上需依托互联网技术来实现。综上而言，5G技术与XR技术是第四次工业革命的关键性技术，二者的融合性应用也将对今后的职业教育实训教学产生重要影响。

二、“5G+XR”创新支持的实训教学模式

5G和XR在职业教育中的融合应用，将支持实训教学的智能化转变，其主要包括以下四种实训模式。

（一）基于具身体验的沉浸式实训模式

对于职业教育中的实训教学而言，由于实训投入成本、实训安全性、训练装备落后等原因，难以确保所有学生都能够参与到模拟训练过程中，影响人才培养质量。而“5G+XR”为解决以上问题提供了有效方案。一方面，技术工具的重复利用性可降低不断更新和配置先进设备的投入，只需在数字资源开发方面投入即可，能大大降低长期的实训经费投入。另一方面，“5G+XR”创造出的数字模拟世界与真实物理世界的融合场景，不仅能够降低实训教学的风险，而且能为学生带来更丰富的沉浸式体验，将学生的所有感官带入参与互动，甚至是能基于触觉技术来感知和触摸到虚拟世界中的物体。另外，“5G+XR”在职业领域开展具身沉浸式模擬训练，也获得具身学习理论支持，该理论认为，学生在学习活动中通过身体器官及其感知运动系统与环境的交互过程，可不断获取丰富具身经验，使学生在行为或行为潜能上产生积极的、相对持久的变化[7]。例如，美国已采用XR技术开展模拟飞行训练，通过在模拟的航线上生成虚拟空中加油机，让试飞员模拟危险的空中加油动作。值得关注的是，虽然VR技术开始在实训教学中应用，但这只是具身沉浸式模拟训练模式的初级阶段。而在今后XR技术的支持下，学生们的触觉和味觉也会同时参与其中，让学生实现多感官参与和全身心投入模拟的实训情境，实现不同专业学生的专业化发展。

（二）基于数字孪生模型的实训模式

数字孪生是指构建与物理实体（如产品或系统）1∶1比例的虚拟仿真模型，并通过实时更新的传感器数据和历史纪录来反映该物理实体的状态[8]。数字孪生可以促进现实物理世界与数字虚拟世界的融合，最终达成“以虚映实、以虚控实”的目标[9]。以“5G+XR”为核心支持的数字孪生模型可创新应用于未来职业教育的实训教学中，通过虚拟孪生体或“孪生车间”为学生提供互动学习体验，既能避免学生在真实实习车间可能带来的安全风险问题，还能通过XR或全息技术直观呈现设备内部结构或运作流程，高效完成传统实训中难以开展的模拟训练过程。基于数字孪生模型的模拟训练模式开展主要包括以下环节：其一，在实训基地建立车间级的动态数字孪生模型[10]。其二，通过真实车间的各类传感器获取物理装备的实时真实数据，并通过5G网络汇聚到数字孪生模型，实现此虚拟模型与物理装备之间数据的实时更新与状态的动态迭代。其三，通过全息投影和XR技术向学生呈现出一个与物理装备1∶1对应的虚拟装备，学生可在虚拟孪生体上通过反复性和容错性的模拟操作完成实训教学。虽然在职业教育的实训实操中，基于数字孪生模型的模拟训练模式还非常少见，但在当前的城市管理中已有相对成熟的应用，如杭州基于数字孪生模型模拟出整个城市的交通变化情况并实现智能管控。由此也可见，基于数字孪生模型的模拟训练也会随着新一代智能技术在教育中的应用很快实现。

（三）人与智能机器跨地域协同实训模式

当前人类社会正迎来第四次工业革命，也被称为智能化革命。其与前三次工业革命的本质区别是，前三次工业革命的技术大体是延展或取代人的体能，而第四次工业革命的技术是延展或取代人的智能[11]。这也意味着人与机器的协同模式间不只是机械操作层面的互动，还将包括智能机器参与的高度智能化协同工作。因此，胜任未来智能生产工作的高技术技能人才，不仅要能够掌握先进智能装备的操作，还要能够在5G等高速网络支持下与智能机器开展人机跨地域合作。对于大多数普通职业院校而言，没有条件配置智能化产业中使用的先进智能装备，学生难以在实训中获得实操先进智能装备的机会，未来进入智能产业中难以胜任人机协同生产工作。将“5G+XR”融合应用到实训教学中，可以实现学生与智能机器开展跨地域协同，笔者将其称之为人机跨地域协同实操模式。这一实训模式的开展主要包括以下环节：其一，5G网络为职业院校实训基地和企业培训/生产基地搭建一条稳定的高速网络通路，实现企业智能装备和职业院校操控平台的联通。其二，通过事先利用XR技术构建的虚拟化生产情境和远程智能机器人的高清画面实时融合，创设出一个逼真的学生实操场景。其三，学生通过交互触发系统与智能机器人开展远程合作，实现跨地域的人机协同实操实训。

（四）实践与创新创造相融合的实训模式

面向智能时代培养的职业岗位人才，既要具备高水平的技术技能，还应具有利用智能技术及设备开展创新创造的意识与能力，这样才有可能在生产实践中不断涌现出创新的技术与技能。为了与普通技术技能人才相区分，本文将这类人才称之为技术技能型创新人才。事实上，技术技能型创新人才培养也是我国在职业教育领域开展创新创业教育的主要目标之一。需要指出的是，以上三类基于“5G+XR”的实训教学模式主要聚焦于高效发展学生的技术技能，若要培养学生的创新创造能力，则可采用实践与创新创造相融合的实操模式，这一模式可在创客教学实训空间或众创空间中开展。甚至有研究者将职业院校众创空间中开展的实践实训活动誉为平民化的创新能力养成之路[12]。

在“5G+XR”的支持下，依托创客教育活动开展的实训模式，可以将学生的实践实操和创新创造相结合，实现对技术技能型创新人才的培养。其主要原因包括以下方面：其一，创新创造活动在多数情况下来源于真实问题解决或实践活动。其二，职业院校学生的动手实践能力强，能够通过“做中学”的实训理念，激发出新观点、新技术解决方案。其三，“5G+XR”為这种融合创新创造的实践实操活动提供了极为便利的支持，如通过容错性极高的虚拟仿真模型，对新提出的技术解决方案进行反复设计。通过5G网络不断收集设备传感器的动态数据，并通过人工智能引擎对这些数据进行挖掘，不断对新产品模型进行可靠性验证。

三、“5G+XR”创新实训教学的现实挑战

5G和XR技术在职业教育中的应用还处于起步阶段，二者融合应用和创新职业教育实训模式仍面临以下四方面的挑战。

（一）智能技术尚不成熟，难以满足实训教学需求

5G和XR是众多智能技术的典型代表，且二者已经在一些领域开始商业应用。而上文所涉的四类职业教育实训模式除了需要以“5G+XR”核心支持之外，还需要大数据、边缘计算和人工智能等智能技术的融合性支持。但这些技术在教育中的应用才刚刚起步，存在技术规范与标准不统一、不健全的问题，在教育领域还难以构建起全新、成熟的智能技术及其应用生态。另外，由于实训教学活动接近或完全是真实的实践活动，其对智能装备和资源的性能、质量和性价比都提出较高要求，但当前的XR硬件多为娱乐级别产品，资源多为弱交互的VR视频，还难以支持实训教学活动。特别值得关注的是，基于XR的实训教学活动是依靠底层数据实现虚实融合环境的创建，如果这些数据发生错误，也为学生的实训实操活动带来错误的体验，影响到实训教学效果。技术层面难以实现无缝融合与应用的问题，仍然是限制“5G+XR”创新开展职业教育实训模式的首要挑战。

（二）教师的综合能力不高，难以胜任智能实训教学

由于第四次工业革命时代的实训教学是智能技术支持和推动的，而且是为了培养未来智能产业中的高端人才，为此本文将以5G和XR等智能技术支撑的以上四类实训教学活动暂且称为智能实训教学。值得关注的是，美国国际教育技术协会（International Society for Technology in Education， ISTE）在2017年发布的《美国国家教师教育技术新标准》（ISTE Standards for Educators）中，根据当前不断涌现的新技术及其对未来教育的影响，将教师在教育教学活动中应扮演的角色划分为领导者、学习者、公民、协作者、设计者、促进者和分析者[13]。这就意味着在未来的智能教育中，教师既要能够借助技术为自身的专业发展进行赋能，也要能够利用智能技术赋能和辅助学生的成长与发展。然而，从当前来看，我国职业院校的教师普遍存在教育教学理念落伍、信息化教学能力不高、人工智能素养缺乏等综合能力不高的问题[14]，尚难以在智能实训中根据实际需求扮演设计者、促进者、分析者等角色，难以胜任智能实训教学的开展及其效果的评估。

（三）学生的知识体系不符，融入实训活动尚有困难

第四次工业革命时代的高技术技能人才，要求职业院校培养的学生不只具备传统的高水平行业技术知识和生产实践技能，更要求他们具备人工智能素养层面的意识与能力，如计算思维、数据素养、智能机器操作、人机协同、解决复杂问题，以及利用智能技术进行创新创造的能力等。尤为值得注意的是，人工智能素养不仅是职业院校学生未来从事智能化生产、应对智能工业革命挑战的必备能力，更是他们在校内有效参与、甚至是融入智能实训教学活动的必备能力。上文所述“5G+XR”支持的四种实训教学模式，无不对职业院校学生有效参加实训教学活动提出了人工智能素养层面的要求。令人遗憾的是，与发达国家不同，我国学生在初高中毕业后进入职业院校学习时，主要经过了中考和高考两大考试的“过滤”，致使职业院校学生的知识体系整体上略弱于普通高中和本科院校学生的水平。加之国内职业院校普遍以企业现实需求为导向，更关注发展学生的实践应用能力，对兼具基础性与前沿性的人工智能知识教学有所轻视，导致职业院校学生融入智能实训活动存在一定困难。

（四）现有的制度机制不健全，难以保障实训教学创新

今后以“5G+XR”创新和落实职业教育实训模式的过程中，上述三方面的问题会在较长一段时间内存在，同时这三方面问题整体上也反映了对改革职业教育制度机制的迫切需求。当前，我国在推进智能实训教学方面主要存在以下制度机制问题，不利于保障和促进智能实训教学活动的开展：其一，校企深入合作的制度机制不够创新，合作建设的实训基地智能化程度不足，协同研发的实训教学活动不新，人才培养目标不明。其二，实训教学的评价机制不够健全。组织与开展基于“5G+XR”的智能实训教学活动主要涉及到教师与学生两类主体，因而职业教育领域亟须建立其有关监测与评估教师的智能实训教学胜任力、学生的智能产业胜任力等评价机制。其三，尚未建立基于顶层设计的智能化教育建设机制。在未来，包括智能实训教学在内的职业教育教学工作的开展，需要5G和XR等新型智能技术的系统性支持。我国职业教育院校还普遍未建立基于顶层设计的智能化教育建设机制，这可能成为智能实训教学开展的主要掣肘之一。

四、改进“5G+XR”创新实训教学的策略建议

（一）顶层设计职业教育智能化建设与发展

当前，我国职业教育领域已经实现了信息化、数字化转型，但是相较于其他教育领域而言，职业教育与技术发展、产业生产有更为紧密的关联性，不仅需要职业教育体系能够适应与满足社会生产对职业技术技能人才的供给需求[15]，更要能够对社会职业技术技能人才的需求进行战略性研判与前瞻性预测。为满足我国智能制造产业对高技术技能人才的需求，基于“5G+XR”开展的智能实训教学不失为培养这些人才的重要途径与关键环节。但值得关注的是，智能实训教学的开展需要一个动态、灵活、耦合、可持续的智能化教育生态环境的支持，而不仅仅是相对松散的智能技术工具的任意组合与使用。为此，我国在“十四五”期间乃至今后较长一段时间内，应该注重顶层设计，推动职业教育从信息化向智能化建设转变，积极构建职业教育智能化生态体系，从而为“5G+XR”创新支持的实训教学提供智能空间。

（二）推进面向智能时代的普职融合式教育

党的十九届四中全会发布的《公报》中强调，要“完善职业技术教育、高等教育、继续教育统筹协调发展机制”;2019年1月，国务院印发的《国家职业教育改革实施方案》也特别指出，“职业教育与普通教育是两种不同教育类型，具有同等重要地位”。从以上国家对职业教育的定位可以发现，我国已开始推动从义务教育阶段到高等教育阶段的全体系全要素融合，以形成手脑并用、知行合一的更高水平人才培养体系。这也就意味着在今后的智能时代，要推进符合新时代特征的普职融合式教育。其一，在义务教育阶段，要将劳动教育和职业启蒙教育纳入到中小学生的培养体系中，培养他们的综合素质能力和对职业劳动的热爱精神;其二，在高中教育阶段，要推动中等职业教育与普通高中的合作，大力发展综合高中，同时开设学术性课程与技术技能型课程，推动培养兴趣爱好多元化和具备技术技能的高素质人才;其三，在高等教育阶段，要持续推动地方本科院校向应用型发展，培养高端创新应用人才。如此，才能使进入职业院校的学生更好地接受智能条件下的教学与实训等教育活动。

（三）构建协同合作和供需平衡的校企关系

《国家职业教育改革实施方案》明确提出，要“促进产教融合校企‘双元育人”。在第四次工业革命时代，智能化生产技术与生产设备将更为先进、专业，这就使得智能化生产岗位的职能更明确，工人从事和胜任不同岗位的能力门槛越来越高，以及他们在不同生产部门与岗位之间的流动性将大为降低。在未来的职业教育人才培养中，对工人订单化、定制化、差异化培养与精准供给，才能满足企业智能化生产的需求。为此，职业院校和企业用人单位需要构建超越以往任何时期的一种新型协同合作关系，甚至可以称为一种“合作共生体”，全面推进高素质和高技术技能人才的定向、精准培养。校企“合作共生体”的合作内容涉及共同制定培养目标、教育内容、教育方法，共同构建智能化实训实操环境与配置实训装备，共同组建教师队伍，以及对未来的在岗工人开展培训等合作内容。通过这种新型的校企合作关系，既可以实现职业教育及其实训教学的改革，也能不断满足企业对智能化生产中高素质技术技能人才的需求。

（四）健全推進智能化实训教学的相关机制

其一，确立校企面向智能化生产构建“合作共生体”的机制，畅通校企的沟通与合作渠道，创新智能化实训的模式与方式，打通人才需求到供给的各个环节，确保人才的精准供给与供需平衡。其二，要确立智能化实训基地的建设、运营与维护机制，以智能技术环境助推实训教学方式的转变与变革，根据企业订单式人才培养需求，基于校企“合作共生体”模式优势，共同投资升级实训设备。其三，要确立智能化实训教师培养与发展机制，坚持“引进来”与“走出去”的教师发展策略，既要从国内外引进能够胜任智能化实训教学的教师，也要注重与企业的协同，加强实训教学和教师培训，特别是对现有教师开展能力阶梯式发展的培训等。

参考文献

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