5G视域下的信息化教学模式探究

梁 涵，薛 珊

（河南交通职业技术学院 河南 郑州 450000）

随着“物联网”“车联网”的兴起，移动通信迎来了“万物互联”的5G时代。5G正从经典的流量服务模式向全要素生态链模式转变，影响着人们生活、学习的各个方面[1]。5G凭借其eMBB、mMTC、URLLC三大应用场景[2-3]，综合大数据、云计算、人工智能、VR+全息投影等前沿技术，将更好赋能教育行业，加快互联网发展进程，推动教育现代化2.0，助力教育公平化。

传统智慧课堂将大量的教育资源放在云端，而终端和网络之间主要传输控制信息M2M/IoT带来的海量数据，4G已经无法满足。新的教学工具与载体的出现，比如全景模拟VR/AR和全息投影等，为学习者提供了前所未有的学习体验，同时需从云端调用大规模数据和资源，其对云端和终端通信信道的要求极高。MOOC资源需要复杂的师生互动、生生互动、人机互动以及生成性资源的连接与分享。这些功能在4G环境下难以有效运行，让接受者在使用过程中产生了诸多不舒适的体验，无法发挥其优势。

5G的出现，以高速率（峰值速率大于20Gbps）、低时延（网络时延1ms）、海量设备连接、低功耗（基站更节能，终端更省电）适应了云计算时代的要求。对于云端新的高品质视听、教育资源，5G时代凭借高速率，实现单个客户端服务模式向云端服务模式过渡，为海量云端资源充分运用提供了技术准备；5G网络让学习接收端打破了线下主机的限制，高速连接了云端海量的交互类虚拟仿真资源，为广大学生提供了场景化的学习体验、灵活的学习计划和安排，有助于在现实中实现精准化、个性化学习。在5G时代，对于MOOC资源而言，高速率的通信网络、强大超算系统、海量的云端资源、日新月异的人工智能，使得MOOC资源具备了深度支持远程学习与教学的特性，更加大规模的个性化教育供给得以实施，将深刻改变现有的学习模式，对人类社会产生深远的影响。

1 5G国内外研究及发展现状

1.1 国外现状

欧盟早在2013年即成立METIS项目，后又成立5Gppp项目；韩国成立了5G技术论坛和IMT-2020（5G）推进组；日本无线工业及商贸联合会在2013年10月设立了5G研究组，由NTTDoCoMo牵头，其工作目标是研究2020年及未来移动通信系统概念、基本功能、5G关键技术、基本架构、业务应用和推动国际合作。美国5G研究的主体，主要是学校、企业等科研机构，贝尔实验室已经成为美国和欧洲共同的5G研究机构。

1.2 国内现状

2009年华为开始研究5G，投入500多名工程师，遍布全球9个研发中心，联合全球20多个顶级高校和科研机构进行研究。2019年5月8日，好未来教育集团与中国电信北京分公司签署战略合作协议，双方将在5G网络应用、双师课堂、智慧教育等教学信息化领域展开全方位合作，共同探索未来课堂新模式，以教育信息化加快教育现代化与教育强国建设。

2022年3月19日，上海市发布《5G应用“海上扬帆”行动计划（2022-2023年）》。计划提出，重点开拓5G+智慧医疗、5G+智慧教育、5G+文化旅游、5G+长三角智慧航运一体化“四大新兴赛道”。

在这样的信息化大背景下，5G助力教育，促使教学方式、手段的变化，已经成为一种趋势。

2 5G应用于教育的关键技术和支持的数学模型

从以下的香农定理角度来看，移动网络高速率相关的信道容量，由以下几个因素决定：小区，信道，宽带，信噪比。

从上面的公式可看出，5G的性能实际需要从增加覆盖、增加信道、增加宽带和增加信噪比等几个途径一起入手，相关技术包括增强覆盖技术、频谱提升技术、频谱扩展技术和能效提升技术等，在这些核心技术催动下助力应用于教育的各项技术[4]：①基于5G时代，互联网通信速率有了质的提升，现实模拟技术的进步，通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化资源的云计算技术；②远程全息投影式的立体云VR/AR；③通过多种天线对无线网络信号进行同步收发，通过多天线的合力来提升信号收发效果的MIMO技术；④通过提高基站部署密度来完成的超密集组网技术；⑤借助标准IT虚拟化技术，对结构日益复杂、操作日渐烦琐的硬件设备进行整合与优化的网络功能虚拟化技术。

在5G技术的快速发展下，5G助力教育必然开启新篇章。

3 5G视域下的互动教学模式

以5G的高速率、低时延、海量设备连接、低功耗为基石，利用云计算、人工智能、机器学习、计算机视觉、物联网与传感技术等，集终端、应用系统、平台、内容于一体，改变着教学模式的方方面面：

3.1 课堂可视化实时互动交流

通过5G的高速率、低延时，可以大大缩短下载延迟时间，扩大课堂中混合现实内容和视频的容量[5]，打破了空间的限制，在全息投影技术的帮助下，让教师学习发起方可以同时出现在相距遥远的两个课堂，北京和四川凉山可以接收到同品质的教育和课程，利用5G如此低的滞后时间，现实和虚拟教室的师生可以实时互动交流。同时还可把课堂之外的实景现实模拟技术，借助于云VR直接嵌入到课堂教学的环节当中，让学生感受到立体、身临其境的学习体验，在这种课堂所形成的课堂场景与外界场景之间全方位、立体化地互动，对学生学习方式和教师教学方式带来的影响是深远的。

3.2 实现双师课堂，促进教育均衡发展

在5G视域下，传统的教师教学也会发生改变，更多的学校会出现双师课堂，可以把全世界的优质课堂资源通过清晰的全息影像，云VR的高速传输，立体效应，带给学生身临其境的感觉，学生就像置身于另一个课堂，享受优秀的教学资源，参与实验和探索活动，和老师进行实时互动。而学校老师则辅助网络教学的正常进行，负责给学生答疑解惑，讲解重难点，布置作业，处理各种课后习题，并指导后进生转化等。基于5G高可靠、低延时的特点，这种课可以发挥线上、线下两个老师的优势，有效提高课堂效率及教学质量，使不同地域的学生能够享受同等的优质教育资源，实现教育的均衡发展。

3.3 实现定制化教学模式，达到教师、课程与学生的最优智能匹配

在5G云计算平台上将大量的教学资源上传至云空间进行存储，通过5G下的超算系统和云计算将云端资源、海量教学进行课程模块化；根据5G的海量设备连接特性将各种终端设备获取到的关于学生知识储备、学习习惯、接收程度等学习因素通过云计算进行大数据智能量化，线性分析。利用5G高速率、低时延、海量设备连接、宽信道的特点沟通双方资源，智能匹配和选择。学生学习不再拘泥于一个老师、一个课程安排，打破时间和空间限制，打破黑板平面、二维教学输入，可为学生提供一个三维立体全息投影式的场景体验和学习过程，仿佛学生置身于真实课堂。全过程根据学生个人学习运用、发展进度、照顾学生个性化要求。

线上现实场景反馈修正，不能完全将教育交给云计算，相对应线下需要建设辅导员体系，辅导员要负责学生心理引导，更快进行人机重配，适时调节学生心理。线下辅导员要积极把学生个人反应及时反馈给系统，同时监督学生线下纸质作业完成、实际场景操作、跟踪学习效果、及时反馈给系统，提出建议，找出最优课程安排。

3.4 实现精准大数据分析，智能刻画学生“画像”

在5G定制化的教学模式下，学生能根据自身特点匹配出适合自己的老师和课程，能和老师进行全方位的全息互动交流，有利于学生的个性化发展和教育的因材施教。在5G时代，互联网可以连接的终端设备越来越多，从各个终端设备上获得的信息也会增多，教与学在网络上产生海量的数据，在云平台可以把课内与课外、线上与线下、现实与虚拟等诸多场景中的痕迹和数据完整传输、记录和保存。通过对这些数据的分析和线下观察评估，对学生的画像就会越细致、越精确。线下的教师和网上系统可以借助于5G的高速率和云平台，通过学生对应的“像”，对学生有更深刻、全面的了解，有助于做到真正意义上的因材施教，有助于对学生客观的教学评价。

3.5 实现复杂、高风险教学场景的课堂再现

5G视域下，云VR可以应用于教学场景的课堂再现：一是可以模拟现实生活中风险比较高，耗用成本比较昂贵的教学培训，比如：飞机、汽车的驾驶和拆装教学等，增强学生的实际操作能力，课堂更贴切于实际，服务于生活；二是可以使消防、地震等灾害场景在课堂上实现模拟演习再现；三是具有天然“VR属性”的科普教学，比如：深海、太空、博物馆展览、史前时代等场景的生物方面的科普教学，可以利用VR带来的视觉冲击，使学生更全面地把握知识[6]。

3.6 实现网络空间学习的无缝场景切换

网络学习空间在学校教育中越来越普遍，但纳入空间的学习应用都是一个个类似“蜂窝”的、具有独立“通道”的，它们之间不能打通，学习应用中的知识点之间也不能相互衔接。但是，实践遇到的问题一般都是综合的、复杂的，需要学生在独立学习思想碰撞中萌发创新思维，逐渐生成创新能力。因此广域的学习和灵活无缝的场景切换更加符合创新时代的要求[1]。

在5G时代利用云卡片技术，学习应用注入5G学习空间之后，在算法和高速率信道帮助下即可耦合通联，形成学生学习的智能个性化界面，学生在界面上通过系统人工智能的帮助，调取适合自己的各种应用进行学习，自由进行切换，保证学生认知和思维的流畅性，而不必担心从这个应用进入，从那个应用出来，产生了思维中断，打破学科的限制，为学生展现一个完整的世界[7]。

4 结语

高速发展的移动通信网络，带来的不仅是生活上的变革，还带来了一场学习革命。其中，基于“5G+云VR+智慧教育”将开启一种全新的教学模式，这种教学模式融合云计算、人工智能、机器学习、计算机视觉、物联网与传感技术等，实现了全息投影式可视化实时互动智慧课堂，均衡了教育资源，实现了学生的个性化学习，使学生随时随地都能享受流畅的学习体验，推动了教育信息化2.0的实现，为教育事业的发展添砖加瓦。