5G赋能下的智慧教室建设及多场景应用研究

2021-12-08施雯斐

数字通信世界 2021年11期

施雯斐

（南京城市职业学院，江苏南京 210002）

1 智慧教室

1.1 智慧教室内涵

智慧教室其实是指 “多媒体＋网络”相融合的教室，在传统的多媒体教室中加入物联网、云计算、VR等网络技术，增强课堂交互功能，改善课堂学习环境，进一步促进智能化、个性化学习。北京师范大学知识工程研究中心的专家在《智慧教室的概念及特征》一文中提出了一种智慧教室的“SMART”模型，即Showing、Manageable、Accessible、Real-time Interactive、Teasting，智慧教室的智慧性就体现在这五个方面，分别为内容呈现、环境管理、资源获取、及时互动、情境感知[1]。

（1）内容呈现是利用多媒体技术及设备将教学内容展示给学生，是智慧教室建设的最基本要求。常用来做内容呈现的设备主要有电子大屏、电子白板、投影仪、音响等音视频设备。

（2）环境管理通常是指智慧教室中软硬件的管理，主要包括网络系统、资源系统、教学系统、考勤系统、教学设备、教室布局。智慧教室的智慧不仅要体现在课堂教学上，也要体现在教师管理和使用上，让教师实现网络化管理教室。

（3）资源获取是指智慧教室能够提供丰富的教学资源，并且能够对接投影、电子大屏、计算机等内容呈现设备，在课堂教学中满足教师正常使用需求。

（4）及时互动是智慧教室区别于普通教室一个典型特征。触摸式电子大屏能够实时与课堂教学相互动、VR/AR教学设备能实现情景交互，增添课堂的互动性。此外，人脸识别跟踪系统能实现课堂考勤、教学质量分析管理等功能。

（5）情境感知是通过传感器实时感知教室的温度、湿度、光线强弱，自动调节教室的物理环境，使其达到师生舒适的感觉，提升教学质量。

1.2 智慧教室的发展与应用现状

最早期的智慧教室关注点主要在教室的投影等硬件设备上，但随着多媒体技术及网络技术的发展，智慧教室的关注点逐渐转移到功能需求上。在国内，智慧教室逐渐建设应用于各大高校甚至中小学、幼儿园，如山东大学建设的能够支持远程互动教学的多点互动智慧教室，师生可以更加直观、高效的进行远程互动教学；为教学环境适用于“双一流”建设发展，中南大学打造了多间全方位、多功能、智能化的“互联网＋”智慧教室，转变传统医科教学方式；新疆医科大学除了建设普通型智慧教室，还建有研讨智慧教室、PBL教室等类型，涵盖了正式和非正式环境的泛在学习环境，用于多种创新教学模式。

现阶段，全国教育行业正在大力建设智慧教室，中小学、大学及教育机构都希望能借助信息化软硬件提升教学质量，但目前智慧教室的建设及应用还处在探索实践阶段，存在一些主要问题，如技术是否真正融入教学？功能是否真正满足需求？设备是否真正实现价值？资源是否得到有效管理？

1.2.1 技术是否真正融入教学

以往的多媒体教室结构组成简单，大多数仅由投影、幕布、电脑、黑板等极少的教学辅助工具组成，教师多以PPT和书写的方式来上课。如果教室比较大时，教师最多配一个随身扩音器满足扩音需求。与传统多媒体教室不同，智慧教室在传统的多媒体教室中加入了物联网、云计算、VR等网络技术，配备了增强课堂交互功能的软硬设备，教师如果想要真正在教学中使用智慧教室的多种功能，首先必须有基本的信息素养知识，其次能够熟悉且熟练运用智慧教室的功能，另外还要要求教师在备课时就要合理设计适用于在智慧教室互动上课的教学课件等。而目前很多教师很难真正将所有智慧教室中运用的技术融入教学。

1.2.2 功能是否真正满足需求

智慧教室相比于传统的多媒体教室，在功能上有了大大的提升。但在提升的同时，软硬设备也增加了许多。在前期建设智慧教室时，设计者如果没能合理设计智慧教室的功能布局，比如：50人的大教室仅安装2台互动设备，教师在上课时就不方便使用互动功能，久而久之该功能设备就会被闲置；10人的小研讨智慧教室安装扩音设备，也会造成这部分的功能浪费。所以，不是所有教室功能越多越好，设备越先进越好，往往能满足教学需求的功能才是最需要的。

1.2.3 设备是否真正实现价值

目前，很多学校都在大力发展智慧校园建设，所以在建设智慧教室时，可能会一味追求最先进、功能最齐全设备，不惜耗费巨大人力物力建设高端先进智慧教室。但其实很多情况下没有结合各自学校的实际情况，比如：学校是否有配备多间智慧教室的需求，是否的专业的管理人员管理，师生对使用智慧教室的感受如何等一系列问题。这些问题如果得不到答案，那耗费巨大经费购买的设备就无法实现真正的价值，必然会导致资源的浪费。

1.2.4 资源是否得到有效管理

智慧教室是由多种先进技术融合而成的，从建设初期设计，到建设，再到后期的投入使用，都需要专业技术人员全生命周期的跟踪管理。许多学校会存在盲目跟风建设多种类型智慧教室，但没有专业的技术人员支撑管理，很难建设完成一间适用于本校实际需求的智慧教室，建设完成后也很难进行有效的管理。

结合目前智慧教室的应用现状及存在的问题，未来智慧教室的研究将对更加集中在应用模式的探索、应用效果的评估等方面，以前沿的信息技术手段，结合用户的需求，个性化定制学习方案。

2 5G与智慧教室

2.1 5G概述及特点

前面说到，智慧教室的发展是以前沿的信息技术手段，结合用户的需求，个性化定制学习方案。5G时代的出现，恰好为智慧教室的发展带来了新的机遇[2]。5G指的是第五代移动通信系统，相比4G的最高网速 100兆每秒而言，5G的巅峰网速则是10GB每秒，5G与4G的区别不止于数百倍的网速差这么简单，它的极广覆盖面、极低延时等特点也是4G所不可企及的。

5G的特点除了高速度、覆盖面广、极低延时外，万物互联、低功耗、重构安全体系也是其重要特点。高速度有多高，举个直观的例子，下载一部高清影片只需1秒的时间；覆盖面广体现在信号覆盖包含人迹罕至的深山老林、信号不好的地下室等地方；5G极低延时体现在延时不高于1毫秒，这将有利于无人驾驶技术打破因网络延时高而研究停滞的情况，有利于AR/ VR的应用因延时导致的晕眩情况的改善；万物互联体现在网络连接的用户终端不再局限于手机、电脑等电子产品，有可能是你家的微波炉或是晾衣杆；5G的低功耗这一特点将有利于物联网的发展，目前很多物联网产品都因功耗高带给用户极差的体验感，未来将会有所改善；5G的重构安全体系将会大大提升互联网的安全系数，如安全得不到保证，那么新机制和新体系的建设就很难完成。

总之，随着5G技术的到来，在云数据、人工智能等信息技术的驱动下，智能化应用领域将迎来新的机遇，智慧校园、智慧医院、智慧办公等应用场景将真正实现智能技术的实际落地。

2.2 5G与智慧教室建设相关的信息技术

2.2.1 物联网

物联网顾名思义指的是通过信息技术将物品某些属性接入互联网，通过网络控制物品的某些功能。那么，物联网技术在智慧教室中起到了很大的作用，将多种管理系统化N为1管控，如教学设备管理系统、能耗管理系统、自动测温系统、人脸识别考勤系统、安防系统等。在智慧教室中，教师可通过手机端一键开启教室大门、灯光、空调等设备，通过智能讲台上“一键上课”按钮启动教学所需的投影、音响、电脑、幕布等教学设备。5G赋能物联网技术，不仅在智能化管理教室的各类系统中提升了教学管理的效率，5G的低功耗特性也帮助相对节约了教室的部分能耗。

图1 智慧教室物联网管控

2.2.2 云计算与云存储

5G能够在极短的时间内传输大量的数据，几乎无感知的延时，为云计算和云存储打下了良好的网络基础。那么，对于智慧教室而言，要实现高效的教学，基于物联网技术下的智慧教室通常采用云桌面，教师通过计算机硬件设备直接调取云端课件等教学资源；多点互动智慧教室将各类终端通过互联网进行云端数据传送，大量的云计算及云存储技术支撑各类课堂教学。

2.2.3 大数据

5G时代下，由于它的高速度及低延时的特性，网络上的数据将在短时间内大量增长，海量增长的数据为各类大数据需求方提供了丰富的数据来源。智慧教室中的人脸识别考勤系统可利用大数据分析学生的考勤情况；能耗管理系统可利用大数据分析教室中的能耗情况；教师可利用学生在智慧教室中采用信息化设备互动留下的各类学习数据，分析学生的学习情况等；此外智慧教室中的自动测温系统、安防系统等其他系统，也可以根据云端的存储大数据按需分析，得出相应的结果，实现智能化服务。

2.3 5G赋能下的智慧教室场景应用

智慧教室中利用物联网、云计算和云存储、大数据等信息技术实现智能化教学及管理，而根据不同的教学需求又会将智慧教室划分多种场景应用类型，常见的三种智慧教室有精品录播智慧教室、互动智慧教室、VR/AR智慧教室[3]。

2.3.1 精品录播智慧教室场景应用

精品录播教室通常适用于多种场景教学，如：常规教学、开放式教学、专家讲座、培训等。在精品录播教室中，教师上下课时可利用多媒体控制终端一键开启与关闭教学系统，教室中一般采用内置OPS电脑的互动触摸一体机，教师可利用教学平台系统、教学视频资源管理平台等系统在云端调取教学资源。

教师上课时，可采用自动录播系统一键录播，IP全景摄像机全自动采集影像，无感知记录课堂上课情况，课程录制结束后，教师可根据需求利用系统中的自动剪辑功能剪辑录制好的课程，如虚拟切片功能可在不破坏视频原来的完整性的前提下，将视频自动划分知识点片段。此外可利用系统中的语音识别技术，将课堂上的讲解和对话自动转换为SRT字幕文件，教师可自行添加图片或视频在系统中快速合成片头片尾，形成完整的精品课程。最后，教师可将录制的课程借由 5G 网络上传至云端服务器存储。在云端可利用大数据分析，帮助学生在海量的音视频教学资源中检索出合适的资源，实现自主个性化学习。

2.3.2 互动智慧教室场景应用

互动智慧教室通常适用于专业教育课程、实验实训类教学、翻转教学、小班教学等互动类教学。区别于精品录播智慧教室的是，互动智慧教室可采用BYOD终端，如平板、PC、手机等利用5G无线传输与智慧教学系统、多媒体系统连接，实现数据的交换。课堂上，学生通过自带的BYOD终端，对学习过程中也可投屏互动分享学习内容。

此外，多点互动教室可实现多校区数据交换，通过5G网络学生可实现异地实时参与课堂互动教学，教师可实现异地了解远程的学习情况，分享文件资料和观点。互动教室的强大功能灵活实现了移动学习、远程教学、资源共享、富媒体互动。

2.3.3 VR/AR智慧教室场景应用

VR/AR智慧教室依托5G与虚拟现实技术建设，适用于思政教学、情景教学、实验实训等沉浸式教学。VR/AR视觉体验需要极高的带宽支撑，否则视频的清晰度无法达到要求，用户会产生眩晕感。此外，只有在5G技术下，庞大的视频传输数据得以在云端计算，否则很难实现VR/AR的极佳体验。

教师采用VR/AR智慧教室教学，将一些无法现实搭建的场景，如历史场景、危险场景以虚拟的形式呈现。教师也可以根据教学内容个性化搭建虚拟场景，如虚拟实验室、虚拟机舱等，让学生身临其境的感受教学内容，提升教学效果。此外，在VR/AR智慧教学场景中，学生可自主选择学习内容，海量的学习内容丰富多彩，有些还融入了游戏元素，激发了学生的学习兴趣，寓教于乐的教学模式更能提升学生的学习效果。