“5G+VR”在智慧教育中的应用及挑战

2023-07-25李心蓓王竹新王娟

广西广播电视大学学报 2023年3期

李心蓓王竹新王娟

[摘要]5G作为新一代信息基础设施的重要组成部分，在4G的基础上进一步实现了技术突破与硬件升级，其凭借自身特性和优势与VR融合创新，打造教育应用场景，呈现新的教学体验，有助于进一步提升教育效果，推动虚拟现实在教育教学中的深入应用。文章探索“5G+VR”在智慧教育中的应用场景，在分析“5G+VR”在智慧教育中应用现状的基础上，从课堂教学、虚拟实验室、虚拟校园和远程教学四个方面探讨其应用场景，从核心技術、人才培养以及教学内容三个方面揭示了其面临的挑战并提出了应对策略。

[关键词]5G;VR;智慧教育;应用场景;优势;挑战

[中图分类号]G434 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2023）03-0005-06

引言

5G时代的来临为智慧教育注入了新动能，5G作为高质量载体，可以实现高速率传输，5G的高速率、超大连接和超低延时性使它成为虚拟体验升级的密钥，更为重要的是，5G和VR具有较强的适配性，因而能促进两者的融合创新。2019年，5G技术与虚拟现实技术相结合，将其引入教育教学，可以使学生更好地沉浸到虚拟现实教育情境中，从而提升学习效果。2021年，我国教育部等六部门印发的《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》指出，要进一步深化5G的应用，运用感知交互、仿真实验等设备，打造生动直观的新课堂。2021年，工业和信息化部等十部门印发的《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》强调加快对5G教学终端设备及虚拟现实教学数字内容的研发，结合VR技术打造沉浸式课堂，实现场景化交互教学，加大5G在智慧课堂等场景的推广。因此，5G和VR的融合创新对推进智慧教育建设具有重大且长远的意义。5G的加持会给师生带来新的教学体验，打造出互动化、个性化、沉浸式课堂，从而推动“5G+VR”在智慧教育中的应用，给教育带来新的变革。

搭载5G技术，利用VR为用户创造沉浸式互动体验，契合新一代信息技术发展需求，也符合“新基建”的倡导[1]。推进5G和VR的深度融合并应用于智慧教育是顺应教育现代化的必然要求，同时也是推进“5G+智慧教育”建设的重要举措。因此，我们需要深入探讨并不断推进“5G+VR”在智慧教育中的应用，同时应对可能面临的技术、人才、教学内容、伦理、安全等方面的挑战。

一、“5G+VR”在智慧教育中的应用

（一）“5G+VR”在智慧教育中的应用现状

5G和虚拟现实技术作为新一代信息技术，并非孤立存在，而是以智能化为主线交融共生、以相互赋能作为协同演进的动力[2]。

1. 问题的提出

2019年，霍奇森等学者通过实验法得出研究结论：在课堂沉浸式虚拟现实中，学生表现出更高的学习满意度，虚拟现实技术辅助教学既可以发挥激励作用，还能抓住学习者的注意力。然而，施瓦策等学者发现，虚拟现实常见的问题是系统可能引发晕动症，分散用户的注意力，这也是未来虚拟现实技术研究要解决的问题之一。

2. 《虚拟现实产业发展白皮书》发布

自2019年中国正式迈入5G商用元年以来，5G的建设速度不断加快。《虚拟现实产业发展白皮书（2019年）》指出，虚拟现实技术和5G技术的快速发展，增强了虚拟现实设备的使用体验，用户的认可度不断提升。《虚拟现实产业发展白皮书（2021年）》提出5G云VR智慧教育解决方案，让不同地区的学生体验沉浸式、低时延共享课堂，推动优质教育均衡发展。

3. 发展与变化

通过对比2019年和2021年的《虚拟现实产业发展白皮书》发现，在经历了VR元年以及2017年的VR遇冷之后，虚拟现实产业发展势头逐渐向好的方向发展，VR与相应技术的结合也催生了新业态、新模式的出现，呈现高速发展的趋势。5G与VR的融合创新已在教育领域有所应用，例如，中国移动（成都）产业研究院、中国科学技术馆等联合研发的“5G+VR智慧科普教育平台”，用于支持四川凉山的师生与成都市泡桐树小学师生同步课堂教学和学习，教师与学生在“直/录播授课教室”上课，“接收教室”播放课堂画面，课堂还配有VR头显，这两种形态的教室统称为“5G+VR智慧教室”。但是，与其他很多领域相比，教育领域关于“5G+VR”的关键技术或产品相对较少，5G对于VR发挥的作用在教育领域并不是立竿见影的，但是发展前景是可观的。

2021年，全球虚拟现实产业进入新一轮爆发期，为5G与VR的融合创新提供了更多的机遇。华中科技大学在“5G+VR在线虚拟直播”解决方案中提出，将教学中的场景、人员、知识以及技术进行多方面的联动，创新学习方式。在5G的加持下，虚拟现实在智慧教育中的应用不断增多，从而促进了教学效率的提高，“5G+VR”在智慧教育中的应用使得原有VR视频的画面感和体验感得到了大幅度提升，从而促进了教育形式的优化。5G凭借其特有的技术优势进一步促进了在线VR教育的发展。

（二）“5G+VR”在智慧教育中的应用场景

“5G+VR”在智慧教育中的应用场景以“5G+VR”的技术优势作为支撑进行构建，因此，本文在分析“5G+VR”的技术优势的基础上，进一步阐述了对应用场景的构建。

1. “5G+VR”在智慧教育中的技术优势

（1）高质量载体：高速率传输

5G作为高质量载体具有高速率传输的特点。VR视频不论是占用内存量还是终端的运算量都远高于普通视频，一段超高清的VR全景视频在4G网络下是难以实现流畅播放的，而在5G网络下便可以实现实时的流畅播放，且画面质量会得到提升。另外，基于5G的高速率这一特点，VR的3D计算机图形处理和3D音效也会达到更好的效果。因此，与4G网络相比，5G网络可以展现更清晰的画质、更流畅的交互，让用户获得更好的体验。

（2）虚拟体验升级密钥：超大可靠性、超低延时性

5G网络在技术上能够同时实现高速率、超大连接和超低延时性，在网络低延时的情况下，仍能实现超高速率。在VR技术中，头部运动跟踪、手势感应等都需要足够低的网络时延。5G网络可以在很大程度上减少由于网络延迟而导致的眩晕感，提升学生在VR课堂上的体验感，增加学生学习的热情，使得“5G+VR”给智慧教育带来深层次的改变。此外，5G网络的超高可靠性可以保障数据的安全和准确，学生在享受丰富多彩课堂的同时，数据隐私安全也能够得到保障。

（3）合作搭档：5G和VR的较强适配性

要充分发挥虚拟现实技术的作用，需要良好的通信网络。5G和VR具有较强的适配性，5G的高速率改善了VR视频的画面质量和观看体验，并使VR技术在维度空间上得到拓展，连通了用户与多元场景之间的全方位、沉浸式联系[3]。5G的技术优势契合VR所需要的网络支持，同时为虚拟现实技术在智慧教育中的应用带来了更多机遇，也进一步印证了5G和VR的较强适配性。

基于上述三点，5G之于4G对VR的重要性和必要性便可以体现出来，5G和VR作为技术支撑，为应用场景的构建奠定了坚实的基础。5G的普及，将突破VR发展的数据传输瓶颈，VR教育领域的一些重要平台和关键技术将取得突破性进展[4]。

2. “5G+VR”在智慧教育中的应用场景构建

虚拟现实教育是“5G+智慧教育”的重要领域，其应用场景的建构对于5G时代下虚拟现实教育的发展十分重要。《中国联通“5G+智慧教育”典型应用场景白皮书》从定义、政策背景、应用场景以及网络要求等方面对“5G+虚拟现实教育”进行了深入阐述，本文结合“5G+虚拟现实教育”应用场景和现阶段已有的研究，对“5G+VR”在智慧教育中的应用场景构建从四个方面开展了进一步的论证，其整体框架如图1所示。

（1）课堂教学：打造全面沉浸化的课堂教学

传统4G环境下的VR课堂，虽然相较于普通课堂教学更具有数字化、沉浸式的效果，但是网络延迟带来的眩晕感、画面质量不稳定、视场角度不全等会影响学生参与课堂教学的体验感。在5G网络的支持下的VR课堂，知识点从抽象化转变为可视化、形象化，达到了更高的知识留存率;虚拟现实技术下的角色扮演在进行虚拟场景语义交互、物件交互以及游戏交互时，在高速率、低延时的5G网络支持下，其交互性进一步增强，不论是现场氛围的体验感还是交流细节的体验感都会更加沉浸、丰富、持久[5];在不同学科中，VR将学习内容进行情境创建，使抽象的概念理论形象化，进一步增强学生的参与感，使学习更加投入[6]。5G的加持使得学生体验到更好的画面质量，从而提高了学习的兴趣和主动性，使得全面沉浸化学习体验成为可能。5G时代，课堂教学与虚拟现实技术的融合实现物理沉浸、感官沉浸与心理沉浸，实现师生教學深度沉浸化[7]。

在VR多媒体教室中，学生可进行“太空场景体验”，通过可视化、形象化的方式，让学生体验到日食的形成过程，教师借助“5G+VR”技术，突破时空的限制，让学生在课堂上实现深度沉浸化。因此，5G网络加持下，VR课堂的体验感和交互性将进一步增强。

网络时代，“5G+VR”对线上线下融合的混合式教学改革具有一定的支撑作用，引导教育教学从混合式教学内容及其设计入手，建设相应混合式学习资源。教师可依靠VR（虚拟现实）、AR（增强现实）等形式，对教学方式进行革新，特别是对于一些应用类课程，教师可以重新组织与编排授课内容，充分利用多种媒体手段，化抽象为形象，体现有效的教学交互，同时也可以借助虚拟仿真平台、仿真软件、仿真数据等开发虚拟仿真资源，利用“5G+VR”技术优势，整合无形的“情”和有形的“境”，让学生由情入境，开展沉浸式学习，产生乐学与愿学的欲望，提升学习效能[8]。

（2）虚拟实验室：拓展身临其境的实验空间

虚拟实验室就是以计算机网络为核心将虚拟仪器通过网络连接起来以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统，其具有透明性、互动操作性、用户自主性以及安全性等特点，是传统实验室难以比拟的[9]。虚拟实验室通过三维模型和训练环节能够有效地集中学生注意力，提高学生动手能力，促进学生转变被动接受的固化思维[10]。在5G时代，利用VR打造的虚拟实验室所带来的体验感会进一步增强，不论是VR视频的流畅性还是真实性都会得到提升。此外，在“5G+VR”加持下，由于设备运算速度的提高，设备将会向轻量化发展，进而使得虚拟实验室更加便利，从而促进了“5G+VR”虚拟实验室的普及。例如，井冈山大学的目标是建立多层次、多形式的 VR虚拟现实实训室，旨在提供一种开放、创新的教学模式，将交互、自主、沉浸、多感知等特点融合到教学实训中，可根据教学内容及需求实现“展示”“教学”“实训”“教学资源创作”等功能[11]。

（3）虚拟校园：构建与体验无边界的5G虚拟校园网

虚拟校园是虚拟现实技术在教育中的重要应用，它是利用计算机中的先进技术对教学环境和校园的三维景观进行虚拟演示，让用户可以下载或直接观看，具有很高的应用价值。“无边界”的5G虚拟校园网是搭建虚拟校园的优质载体，师生作为5G虚拟校园网的用户以及虚拟校园网核的核心，在“5G+VR”环境下，可以实现三维可视化虚拟校园内的教学、教务、校园生活等多项人性化服务。“无边界”则是体现在师生无论身处何处都可以直接访问校园网，不需要通过传统的VPN拨号进入校园内网。例如，复旦大学的5G虚拟校园网联合建设项目，目前已经初步建成了一张“无边界5G虚拟校园网”，该5G虚拟校园网在网络时延、传输速率等方面都优于VPN方式，为师生带来了更便捷的使用体验[12]。有学者指出，教育新基建的目标之一就是建设物理空间和网络空间相融合的新型校园，实现元宇宙虚实融合的场景——元宇宙校园[13]。目前，一些国家对于元宇宙校园的建设逐步落地，例如，韩国的元宇宙大学通过校企合作搭建了虚拟平台，并在这个虚拟平台或者虚拟空间中进行了创新，凭借相关技术手段把现实中的大学移动到虚拟空间中，学生利用VR等设备参与其中，将毕业典礼、社团活动、虚拟图书馆等活动放在虚拟空间中进行。日本的长冈技术科学大学通过 VR、AR、XR 等技术创建了虚拟平台，即虚拟校园，在整个虚拟平台中的教师和学生通过各自的终端进行教学和学习虚拟STEM课程，平台利用VR和AR技术，将真实世界和虚拟世界连接在一起，进一步增强了学生学习的真实感。

（4）“5G+VR”远程教学：实现全受众的远程交互

当前，线上线下融合（Online Merge Offline，OMO）教育模式得到了广泛应用，线上教育发展迅速，但也存在不足，包括网络延迟卡顿、教学场景单一、学习体验感和交互性不强等，“5G+VR”赋能在线教育将会给远程教学带来新的变革。

一方面，“5G+VR”远程教学改变以往单一的教学场景，学生足不出户也可以“边玩边学”，让原本难以实现的教学场景成为可能。未来，5G网络覆盖范围越来越广泛，技术越来越成熟，利用VR技术突破地域限制让师生处在同一个虚拟空间，实现“面对面教学”，从而打造一种无明显边界的学习环境。这种无明显边界的学习环境，即是基于OMO的智慧学习环境，这种环境有两种形态：线上空间实体化、线下空间虚拟化[14]。

另一方面，5G时代下VR远程教学的受众群体可以达到全覆盖，实现教育资源的开放共享，促进教育公平，实现教育的精准扶贫。例如，浦江县虞宅乡中心小学和杭州学军小学在5G网络的支持下，打造了突破地区限制的“5G+VR”远程课堂，通过视频和全景直播，实现了异地上课、同步学习。两校保持了讲课视频画面以及VR头显内容的同步呈现，实现了互动式、沉浸式的创新教学方式。

再者，在“5G+VR”的技术支持下，学校可以开展教育云实习实训，构建远程沉浸互动式教学观摩与实训系统。依托5G虚拟专网，将VR教学场景上传云端，利用云端的计算能力将学生实习现场影像实时传至云端，再将图像远程实时下传至头显设备。远程沉浸互动式教学观摩与实训系统为师范生提供交互性和臨场感强的自主式实习实训，也能解决实习指导教师不足的问题。

二、“5G+VR”在智慧教育中面临的挑战

5G时代，机遇与挑战并存，虽然“5G+VR”在智慧教育的应用中存在着优势，但在核心技术、人才队伍、教学内容等方面仍然面临着挑战。

（一）核心技术需要加强

在5G建设方面，我国已经具有很多优势，但是VR产业仍然面临许多挑战。VR技术综合了多种技术，作为技术路线的支撑，核心技术发挥着重要作用，技术创新固然重要，核心技术的积累才是增强核心竞争力、提高技术整体水平的关键。

随着5G技术不断落地应用，5G和VR的融合创新加快，VR的核心技术积累显得尤为重要。例如，虚拟现实教学涉及三类教学软件，分别是沉浸式虚拟现实及其教学软件、桌面式虚拟现实及其教学软件、移动式虚拟现实及其教学软件，每一类教学软件强调不同的核心技术，展现不同的技术特征，核心技术薄弱就会影响沉浸性、交互性或构想性的实现，进而影响教学软件的使用效果。同时，VR设备的重量会影响佩戴的舒适性，屏幕清晰度不高会造成颗粒感，而画面延迟会导致眩晕感的产生，VR场景切换不够流畅也会降低体验感。总的来说，VR设备过重、屏幕清晰度不高、画面延迟等都是亟需解决的问题。因此，核心技术的积累是“5G+VR”在智慧教育中面临的挑战之一。

那么如何实现核心技术的积累呢？首先，核心技术的积累不是一蹴而就的，它是一个耗时耗力且需要大量资金投入的渐进过程;其次，核心技术的积累需要核心人才的参与。因此，要以提高VR产业核心竞争力为目标制定相关政策和指导意见，引领核心技术积累的风向标，在政策支持的基础上加以一定的资金投入。各企业可以建立阶段性的核心技术积累机制，包括阶段性目标、吸引投资、人力资源等方面，同时企业之间应该加强技术交流，通过开展合作研发等方式加速核心技术的积累。

（二）亟需融合型人才队伍

“5G+VR”在智慧教育的应用过程中，在人才的选择上更倾向于融合型人才，即教育和技术的融合型人才。当前，我国面临着一些技术瓶颈和人才短缺的情况，高素质复合型人才不足制约着VR产业的发展[15]。鉴于“5G+VR”的发展阶段及其在智慧教育中的应用现状，此类融合型人才在我国是存在缺口的。首先，VR内容的制作有很高的技术含量，人才选拔门槛也比较高。其次，为了更好地将“5G+VR”应用到智慧教育中，掌握技术的人才和教育领域的人才是不能割裂开来的。这也就意味着，未来，随着“5G+VR”的不断发展，新型教育观念会加速转变，融合型人才的需求量会愈发增多，师资标准也会不断提高。

教育信息化时代，运用现代信息技术促进教育的变革与发展是时代的主旋律，融合型人才是时代发展的重要的人力资源，因此，融合型人才短缺也将成为“5G+VR”在智慧教育中面临的挑战之一。2019年，教育部发布的《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》强调，信息技术应用能力是新时代高素质教师的核心素养，并提出以学校为单位开展教师信息技术应用培训。全国中小学应继续推进有关培训，不断提升教师信息化教学能力和师资整体水平，为融合型人才的培养提供保障。同时，高校需要依据有关培养标准制定针对师范生融合型人才的培养方案，要求师范生在掌握专业知识的同时，学会将互联网、大数据、VR、AI等现代信息技术运用到教学之中，探索5G时代的新型教学模式，以适应教育信息化的时代要求。

（三）教学内容泛VR化

基于“5G+VR”在智慧教育中的应用现状和优势，教育领域关于“5G+VR”的关键技术或产品相对较少，但是，“5G+VR”能够打破时空的局限实现沉浸式课堂，丰富学生的体验感，增强交互性，增加学习热情，这就使得教学内容在未来可能会出现泛VR化。教学内容泛VR化，指的是在“5G+VR”在智慧教育的应用过程中，有些教学内容缺少调研直接利用“5G+VR”进行教学，实际上，有些课程与教学内容没有必要全部开展“5G+VR”课堂教学，这会浪费资源又难以发挥“5G+VR”在智慧教育中的优势。出现这一现象的原因归根究底是对5G技术和虚拟现实教育融合创新内涵的理解不够深刻。着眼于“5G+VR”给智慧教育带来的新鲜血液固然重要，科学准确地进行衡量与应用才是关键。

三、结语

目前，5G技术正处于快速建设和应用推广的关键时期，它带来的不仅是通信性能的提升，还通过与VR技术创新融合应用于智慧教育，实现体验式、互动式、沉浸式、实践式的教学方式[16]。随着我国信息化水平的不断提升和5G技术的普及推广，VR技术在智慧教育中的应用加快，“5G+VR”作为一种新型技术场域，给智慧教育带来变革和发展机遇的同时，也会面临新的挑战。

5G时代下，加强5G教育应用的探索，探索5G教育应用的典型场景，是促进5G时代智慧教育新生态的基础[17]。同时，“高阶自动化”的人工智能，以其超强的计算能力、巨大的存储能力和及时的调用能力，打造了虚拟实践的场景，进一步实现了时间与空间的有效衔接，“5G+VR”将进一步推动人工智能的发展[18]。因此，“5G+VR”应着力于核心技术的研发，从学生的实际需求出发，创新学习和教学模式，为5G时代智慧教育新生态注入一份力量。

未来5G网络将扩大开放与共享，使得网络和应用实现更紧密的互动、更深度的信息共享，应用可以基于网络的资源状况提供更优质的服务[19]。随着5G技术的推广与普及，实现大规模、大范围覆盖，“5G+VR”会进一步助力泛在学习环境，利用VR将这些可控的设备、场景重现，在这种環境中，学生能够获得丰富的学习体验。

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