5G 技术赋能智慧课堂教学研究

李美林

（四川文理学院，四川 达州 635000）

0 引言

2021年7月初，教育部在《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》中提出，教育新型基础设施(以下简称“教育新基建”）是以新发展理念为引领，以信息化为主导，面向教育高质量发展需要，聚焦信息网络、平台体系、数字资源、智慧校园、创新应用、可信安全等方面的新型基础设施体系［1］。 教育新基建是国家新基建的重要组成部分，是信息化时代教育变革的牵引力量，是加快推进教育现代化、建设教育强国的战略举措。

2018年教育部印发的《教育信息化2.0 行动计划》提出智慧教育创新发展行动，并指出智慧教育创新发展行动要加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设，适应5G 网络技术发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习新要求，以增强知识传授、能力培养及素质提升的效率和效果为重点［2］。 近年来随着“金课”建设的发展，线上“金课”、线下“金课”、混合式“金课”、虚拟仿真“金课”等课程建设都离不开信息技术，尤其是5G 技术的支持。 基于5G 技术的教学探索不仅符合“互联网＋”教育的需求，也满足了学习者运用网络资源进行学习的个性化需要。

传统教学主要是教师采取讲授的方式对学生进行单向知识输入，造成学生被动学习的局面，加上教材知识陈旧以及更新速度缓慢，不适合学生的知识生长和实际需要。 同时，传统教学评价与反馈主要是教师根据学生的作业、单元测试以及期末考试等纸质作业进行评价，评价具有滞后性，影响了教学指导的及时性。 另外，传统的面对面教学互动受到课堂教学时间的局限，参与课堂互动的学生范围较小，从而影响了互动内容的广度和深度。 在教师的引导下，借助5G 技术的支持，帮助学生开展有效的主动学习，对学习内容进行交流、分析、评价和创造，提升学生的高阶认知能力，培养学生的交流协作能力，以适应信息化时代的学习需要。 认识到5G 技术对智慧课堂以及学生培养具有重要意义，有助于将5G 技术赋能智慧课堂教学放入教育教学改革的大背景中，为相关领域的研究提供参考。

1 5G 技术的特征

5G 技术是指第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术。 国际标准化组织3GPP 定义了5G 技术应用的三大场景：一是3D/超高清视频等大流量增强移动宽带业务，提升用户体验速度；二是大规模物联网，实现海量机器类通信，突破人与人之间的通信，使得人与机器、机器与机器的通信成为可能；三是超高可靠超低时延通信，这样确保了网络保持稳定性，在运行过程中不会拥堵和不被干扰［3］。 在这三大场景中，5G 的高速度、泛在网、低时延、万物互联等特点体现较为明显。 高速度是5G 的最突出特征，5G的高速度可以为VR 提供速度支持，实现高清传输。其次是泛在网，5G 的微基站部署使得所有的智能终端都能突破时间、地点和空间的限制，为移动学习和混合式教学提供支持。 三是低时延，5G 网络的时延将会缩小至1～10 ms，比4G 网络时延更低，可以优化在线学习以及互动。 5G 的其他特点，包括万物互联、低功耗、重构安全体系等都为5G 网络的广泛应用提供了支持，为混合式教学、远程教育、在线互动等教育教学应用提供了技术保障，有助于优化教学资源，提升教学质量。

2 5G 技术在教育领域的应用

5G、大数据、人工智能等新一代信息技术推动着人类的进步，为教育服务提供了新动能，相应地对人才提出了更高的要求。 具备批判性思维、创造性思维、团队合作与沟通、迁移、元认知等一系列技能的高阶能力人才成为教育培养人才的重要目标，培养学生的高阶能力已经成为国际教育界的共识［4］。 在新时代新发展理念的指引下，高校人才培养离不开教育新基建的技术支持。 深入应用5G、大数据、人工智能等新一代信息技术，充分发挥教育新基建的作用，提高课程教学质量，是落实立德树人的重要举措。

5G 的高速度、泛在网、低时延、万物互联等特征一是为开展在线教学和远程教育等提供了技术支持，可以实现在线教学的可视化、规模化和实时化，打破传统教学时间、地点和资源的局限，有助于节约教育教学的经济和资源成本，实现资源共享。 二是支持全方位移动学习。 传统的教学不具备移动性，学习的时间、空间以及资源都有所限制。 基于有线网络的端到端教学突破了传统教学的时空限制，扩大了受教对象，但是对于网络和教学设备要求较高。 然而，通过泛在网可以实现全方位全过程全员的移动学习，支持开展多种形式的混合式教学。 不论是课前指导、课中教学与互动还是课后评价都支持教师和大规模学生进行同步异步在线教学。 三是促进新兴教育场景应用。 5G 网络的时延相比4G 网络的时延更低，可以为用户提供毫秒级的端到端时延和高可靠性的业务保证。 在教育领域，这项技术的提高不仅有助于推进包括AR，VR，MR 以及AI 等新兴技术的研发和实践，还能为在线教学的同步互动和及时互动提供支持。 传统教育资源的地域差异性可以通过5G 网络得到改善，通过“专递课堂”“名师课堂”“网络名校课堂”等网络课堂，东西部、城乡之间可以共享优质教育资源，开展虚拟现实、增强现实等教学活动。

3 5G 技术支持下的智慧课堂

在以5G 技术为主的多元技术综合应用下，教学环境日益丰富和完善，为教学提供了基础性的保障。在面对面实体一维课堂的基础上利用5G 技术，增加网络在线课堂，形成双通道混合式教学环境，结合新兴网络硬件资源和软件资源的优势为课堂教学增加了新的动力。

关于智慧课堂的概念，学界还无定论。 孙曙辉等［5］指出智慧课堂是依据建构主义，运用“互联网＋”的思维方式和物联网、大数据、云计算等新一代信息技术构建的，支持课前、课中、课后全过程应用智能、高效的课堂。 然而，卞金金等［6］进一步指出基于智慧课堂的学习模式主要是指利用系统环境中面向学习者的智能化、个性化和多元化学习服务，使用可移动的终端设备，为实现特定教学目标而进行的深度、高效、自主和开放的课堂学习模式。 基于前面的观点，本研究所指的智慧课堂是基于5G 技术、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术为一体，运用智慧教学系统，结合移动智能终端，实现在线备课预习、教学互动、教学资源共享、作业提交与评价反馈等，支持师生开展课前课中课后的教学与互动，构建全方位的开放教学系统。

3.1 智慧学习环境构建

在社会建构主义看来，人的学习是一种情境认知。 情境认知不是封闭于个人头脑之中的认知过程，而是同周围环境中的工具、符号、语言乃至人际关系等媒体和功能性资源交互作用生成的认知过程［7］。具身认知理论视角下的学习环境体现了学习者主体参与性、学习资源的具身性、技术应用的融入性、环境动态发展性和学习结果的交互生成性等属性，给当今学习问题的解决和技术丰富下的学习环境设计提供了很好的启示。 新技术和创新界面的发展使用户直接操控的层次不断提高，允许用户不使用外部控制设备(如鼠标、键盘等），而是使用自己的身体和姿势动作操控信息及虚拟对象［8］，形成身体与媒体界面的操作交互。

课堂环境的智慧升级是智慧课堂发展的第一步。在引入智慧教学系统之后，基于5G 技术的支持形成涵盖智能学习终端、智慧学习管理平台、智慧学习软件与资源的网络系统环境，形成了灵活、开放、共享、便捷、有痕智能学习空间［9］，同时实现多种软硬件设备间的无缝互联、协同工作，为学习者提供真正沉浸式的实时学习体验［10］。 在智慧环境下的线上教学、线下教学、混合式教学、虚拟仿真教学等多种教学形式有助于融合多元化的线上线下学习资源，优化教学路径、提升教学效果以及完善教学评价等。

3.2 精准学情跟踪

教师运用大数据技术全面记录、跟踪、掌握、预测和研判学习者的不同学习特点、学习需求、学习基础和学习行为，为不同的学生建立学习模型，并为不同类型的学习者打造个性化的学习路径，提供符合个人学习水平的学习内容，并生成学生的学习动态轨迹［11］。 通过大数据理解、评估、反馈、改进教学，找出教学环境、教学资源、学生认知、教师个性等相关变量同最终学习效果之间的关系，从而解密“教学黑箱”，提升教学质量。

在5G 技术的支持下，学生课前通过教师提供的学习资料和预设的学习任务，开展自主学习并主动完成学习测试，主要完成事实性知识的学习。 在课中，通过教师的讲授和引导，学生不断地进行概念性知识以及程序性知识的学习和思考，并通过课后的练习和实践，进行巩固和学习迁移，最终完成元认知知识的学习。 教师通过大数据技术采集学生的课前预习作业、在线学习进度、学习疑问等，为课中的教学做好准备以及答疑；课中针对学生课前的学习情况进行分布式深入讲解和探讨，通过人脸识别技术捕捉学生的课堂学习表情，从而掌握学生的学习状态和情感；教师通过学生课后提交的作业，对学生的作业进行及时批改和反馈。 从课前、课中到课后，教师通过智慧教学系统对学生的学习过程进行记录、观察与分析，从而对学生的学习进度和学习效果有准确的把握，以便于针对薄弱知识点、重难点知识点进行指导，对练习和作业及时评价与反馈。

3.3 多场景教学互动

基于5G 技术支持的智慧课堂可以支持多场景互动。 教师通过音视频与学生及时交流与互动，解答学习疑问，引导学生深层次思考。 一方面，基于5G 技术支持的泛在网结合VR，AR 等虚拟技术开展人机互动，兼容线下课堂的混合式教学互动，帮助学生强化感官体验，交流体验感想，增进师生情感。 另一方面，针对教育基础设施欠缺、教学资源薄弱、师资配备不齐的农村学校，利用5G 技术开展“双师课堂”以及“三个课堂”教学互动，以优质学校为主体，通过网络学校、网络课程等形式，系统性、全方位地推动优质教育资源在全国范围内共享，满足学生对个性化发展和高质量教育的需求，实现基于5G 技术的“双师课堂”。

近年来，随着直播教学引发的直播互动通过5G技术的稳定性和低时延支持多人多元化的同步在线互动，通过文字互动、语音互动以及视频互动完善了教学互动的内容和方式，获得了师生的认可。 基于5G 技术支持的多场景互动，弥补了师生面对面互动受时间、空间以及参与范围的限制，还通过多元化的文字、语音、视频等形式互动，拓展了互动内容的广度和深度，优化了互动路径的技术，提高了互动的质量和效果。

4 结语

基于5G 技术的智慧课堂教学不仅构建了智慧学习环境，促进了学生学习场景的具身体验，同时帮助教师监测学生学习进程并进行教学大数据分析，还通过多场景互动，扩大了学生互动参与范围和互动深度。 在教育新基建背景下，运用5G 技术、大数据技术、人工智能技术、智能测评技术、多媒体网络传播技术等多种技术支持智慧课堂、未来学校等开展教学，为学习者提供移动的学习资源库、多样化的学习内容、灵活性的学习方式，有效地支持各类学生进行多元化多层次的学习，促进高阶能力的发展，以满足各层次人才培养的需求。