基于5G+AI环境下高职实训教学智慧课堂的探索*

庞新苗 ， 张若钢 ， 易跃洋 ， 李志成

（湖南国防工业职业技术学院，湖南 湘潭 411207）

1 高职智慧课堂建设的机遇

1）随着“工匠精神”“大国工匠”理念地位的提升，国家越来越重视职业技术人才的培养。然而不同于传统的理论知识课堂教学形式，实训教学（技能操作类教学）的重要组成部分是老师技能动作的言传身教和学生对操作的不断练习、纠错和熟练等。实训教学由于学生观摩空间有限，生生间/师生间技能操作与传授造成了诸多教学不便，教师在示范和演示某一技能操作时，不是所有的同学都能同时很清楚和直观地学习和掌握，老师难以同时观察所有学生的练习动作，进行实时指导纠正，不利于学生实时、快速、生动地掌握各种技能知识。

2）进入21世纪以来，依托海量数据、大规模计算，人工智能（AI）获得了飞跃式发展，深度学习模型的提出，更是直接驱动AI在图像识别、语音识别、自然语言处理等方面取得众多技术突破。结合“5G”通信技术数据传输速率高达10 Gbit/s、网络延迟低于1 ms和百万级超大连接的特点，相对于4G，5G 技术具有更强的关键性能力：传输峰值速率达到20 Gbps、用户体验数据率达到100 Mbps。5G+AI将实现教学场景大量、实时、生动易懂地展现，也给实训教学（技能操作类教学）方式带来了更多的可能性。

3）在这种时代背景和学校实训教学面临的现实问题下，研究如何以音视频技术和交互式技术应用为核心，以学生技能提升为中心的5G+AI智慧课堂整体解决方案（主要包含示范教学、仿真实操、教学数据分析、教学视频比赛录转播、实训课程资源库等功能），以实现高职院校实训教学智慧化需求尤为重要。

2 国内外的基本研究状况

1）随着我国信息化发展进程的加快，对于智慧教育的研究受到越来越多学者的重视。有学者指出，智能化技术促发了教育系统的“形变”，而智慧教育则将引发教育系统的“质变”[1]。2018年4月教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，其中指出要实现教育信息化2.0应启动“智慧教育创新引领行动，完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”。为响应国家有关人工智能科普教育的政策，各地都在建立“人工智能科普教育示范校”，将人工智能课程纳入常规教学，推动5G+AI智慧课堂的方案落地。关于5G环境下的智慧课堂研究，李玉强[2]提出了5G背景下智慧校园的建设趋势主要在多应用场景的智慧教室、云智慧平台方面。蔡苏等[3]开发了5G环境下的多模态智慧课堂实践案例——“彩虹的秘密”，通过多模态资源整合、多模态互动、多模态评估的多模态智慧教学方式，利用5G高带宽、低时延、大连接的技术特性，接入VR/AR/MR设备、全息投影、智能白板、移动终端、智慧学习笔等多种形态的智联终端和教育装备，实现多种软硬件设备间的无缝互联、协同工作，为学习者提供沉浸式的实时学习体验[4]。相关数据显示，仅2012—2017年，就有195位作者发表1篇关于智慧教育教学的论文；发表2篇关于智慧教育教学的论文的作者有28位。可见在我国有很多学者在研究智慧教学，而关于智慧教育主题的文献数量在2018年也在持续增长。

2）国外智慧教育研究起步较早，信息技术与教育教学深度融合，经验相对丰富，能够为解决我国智慧校园建设中存在的突出问题提供有益思路。国外一流大学关于智慧教育的建设进入了一个全新的高度，以实现学校有效的IT治理为目标，例如在智慧教育建设排名第一的麻省理工学院，在建设时明确设立校级首席信息官职位和办公室，并根据应用服务建立不同的分支部门，形成了决策、管理、服务三位一体的机构职能。斯坦福大学和剑桥大学的信息化组织机构最为健全，其中，斯坦福大学设立了CIO办公室、战略服务部、企业技术部等7个部门；剑桥大学除上述7个核心部门外，还设立了负责全校信息化顶层设计的架构部和负责校级核心业务的大项系统部。国外一流大学在建设智慧教育时都不再是建设单一的智慧教室来满足某一教学功能，基本实现了从IT管理向IT治理的转变，并将IT治理的核心观念贯穿到各部门业务职能中，非常重视IT发展和大学整体愿景之间的关联与互促。同时，深切意识到保护师生个人信息与教学科研成果信息安全的重要性，信息风险和安全管理已成为各高校共同的关注重点，为我国的智慧校园建设提供了很好的借鉴。

3 高职智慧课堂建设的目标

北京市高等教育学会在《中国现代教育装备》期刊发表的《高等学校智慧教室建设技术要求》中明确：高等学校智慧教室建设应遵循教育部《高等学校数字校园建设规范（试行）》的总体要求，以“统筹、集约、绿色、发展、开放、共享、安全”为原则，根据实际情况按需建设[5]。新一代智慧教室将集多媒体教学、可视化教学质量管理、智慧课堂、网络教学资源、多媒体设备网络化管理于一体[6]。5G+AI环境下高职实训教学智慧课堂主要目标是以5G+AI技术为基础，聚焦人脸识别、行为分析、智能语音、视频结构化、大数据技术与教学的深度融合，开发简易平台，打通人脸点名、考勤、教学录转播、行为分析、语音识别等应用壁垒，实现人脸点名考勤管理、课堂行为分析、示范教学、仿真实操、教学数据分析、教学视频录转播、实训课程资源库、实训回放分析[7]、场外实时指导等功能，满足教师、学生等角色在技能传授中的需求，探索建立以实训教学为核心的5G+AI实训教学智慧课堂整体解决方案，逐步整合“教”“学”“管”“评”的综合功能[8]。通过智慧课堂的开发和升级，高职的实训教学能达到以创新能力为导向，并融合相应的社会真实案例作为载体，提升学生的技能创新能力和实践操作能力[9]，并适当将智慧课堂作为支撑延伸至整个教学过程。

4 高职智慧课堂建设的可行性分析

1）基于5G+AI环境的高职智慧课堂建设研究是符合当下职业教育培养大国工匠精神的，它适应我国职业教育的发展和要求，是深化教育教学改革，创新教育方法，探索多种方式形成各类拔尖技能人才的时代要求。

2）本研究具有很强的操作性和实践性，又具有很强的创新性，既应用了当前最先进的5G技术，也结合了不断融入教学的AI技术，符合湖南国防工业职业技术学院在职业教育的理念，而且该校在2017年就开始应用先进信息化技术教学，建设了基于AI技术的汽车虚拟仿真实训室。

3）本研究以先进5G技术为基础，聚焦人脸识别、行为分析、智能语音、视频结构化、大数据技术与教学的深度融合，建立以课堂为核心的5G智慧教室整体解决方案，是5G技术和AI技术融合应用到教学中很好的案例。

4）在2020年初由于受新冠疫情的影响，各高校加速推动学院的信息化教学模式的改革，特别是线上教学的教、考、评一体的模式在不断升级更新。

5 高职智慧课堂建设的内容研究

在高职院校专业实训教学中，需要根据专业技能讲授需求不同，探索如何在实训教学中技能训练前、训练中和训练后的全教学生命周期中，在各个环节适当选择部署移动式、桌装式、固定安装式等多种前端设备，覆盖近景拍摄、全景拍摄、音视频录制等能力。调用相应的操作行为数据包，通过AI算法实现操作动作流程的合规监测与评价。

合理利用以上通信技术和人工智能技术，总体的研究内容主要体现在以下几个方面：首先，在实训教学前能采用结合教学平台的方法布置任务，明确重难点，适当地提供某些重难点的解决视频，有效地引导学生自我学习。其次，实训课堂教学全过程智慧化是本课题研究的主体，实训教学设计为三大模块，即技能训练实操学习模块、校内观摩学习模块、校外观摩和专家实时指导模块。具体情况为：1）在实训室内技能操作讲授模块，通过在实训室部署可实现移动式、桌装式、固定安装式等多种部署方案，满足技能实训过程中对操作的近景细节拍摄、全景拍摄、专业仪器图像录入、声音采集、音视频播放[10]、数据存储、解码投屏等功能的需求，最好能辅以行为判别，对危险动作加以警示。2）在校内观摩学习模块，在系统内部部署直播推流设备，用户可以通过互联网，通过安卓手机扫码、IP链接打开等方式实时预览实训教学的直播视频，并辅以交互式手段，满足学生即使不在场也能正常进行技能学习的需求[11]。3）在校外观摩和专家实时指导模块，通过网络连通，部署录播终端、全景摄像机、音箱系统、显示系统、拾音系统等，可以实现与实验实训室之间的音视频互动，完成“点对点”“点对面”等多种视频传递方式的业务要求，满足校外专家实时连线指导的需求。4）在实训课堂教学后，应有效地提供课堂中的数字教学资源给学生、老师和教学督导等，分别方便学生回顾、复习，老师掌握学生学习技能情况，督导对教学全程进行指导、评价等。

为适应智慧实训室的智能化建设需要，设计和规划期就应该合理采用物联网技术、通信技术、人工智能技术，可对智慧教室各类信息化设备高度整合，具有高扩展性，可以实现智能化控制、智能化数据快速推送、智能化管理。智慧实训室的智慧管理系统具有以下重要功能：智能控制、IC卡（或人脸识别）管理、智能显示和智能识别等。

6 高职智慧课堂建设创新性分析

1）网络技术应用、音视频技术、高效数据传输的应用使得专业操作类学习不再受地域限制，尤其在疫情防控时期，起到了减少人员流动和接触的效果；实训操作教学过程全录制（近景+远景+音频），可备学生课后自查提高和学生间相互借鉴学习，学生操作过程音视频向观摩室实时转播，同时支持视频回放，为校外的专家实时指导提供条件[12-13]。

2）5G高带宽、低时延的特点，为整个实训教学过程从课前、课中、课后提供通信支撑。

3）AI技术赋能学生身份认证，自动巡航，结合2D视觉识别算法和3D图像分析算法，提升实操动作规范性的识别精准度，实现对操作工艺和操作流程的实时合规检测，有效防止学生翘课。

4）课堂教学全过程视频素材可以存放在中心存储设备中，可供下载与在线发布，有助于院校教学资源沉淀并形成自己的资源体系，进一步开发出社会培训课程资源库，开展社会、行业、企业的职业技能培训，创新服务模式、促进资源共享等等。