5G背景下基于虛擬現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)教學(xué)應(yīng)用及模式研究

張婧

摘? 要：互聯(lián)網(wǎng)的普及使得線上教育的規(guī)模逐步擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2020年中國(guó)在線教育用戶規(guī)模將突破3億人，然而線上教育由于沒(méi)有課堂環(huán)境體驗(yàn)使得教學(xué)成果不及線下教學(xué)，5G技術(shù)的提出大大降低了網(wǎng)絡(luò)延遲，使得虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)教學(xué)進(jìn)入課堂成為可能，因此，本文將基于虛擬現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)教學(xué)應(yīng)用及模式進(jìn)行分析與研究，從而提高課堂及在線學(xué)習(xí)的知識(shí)吸收率。

關(guān)鍵詞：5G? 虛擬現(xiàn)實(shí)? 教學(xué)模式? 互動(dòng)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（c）-0205-03

Abstract： The popularity of the Internet has gradually expanded the scale of online education. It is expected that the number of online education users in China will exceed 300 million in 2020. However， the lack of classroom environment experience makes online education less effective than offline teaching. Reduced network delay， making it possible for virtual reality interactive teaching to enter the classroom. Therefore， this article will analyze and research based on virtual reality interactive teaching applications and models， thereby improving the knowledge absorption rate of classroom and online learning.

Key Words： 5G; Virtual reality; Teaching mode; Interactive teaching

5G的商用使虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、人工智能等技術(shù)發(fā)揮能效，打破了VR在傳輸方面的技術(shù)屏障，解決了高傳輸延時(shí)導(dǎo)致在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的眩暈問(wèn)題，使得在移動(dòng)環(huán)境下虛擬現(xiàn)實(shí)和沉浸式視頻的分辨率可達(dá)到人眼的分辨率。一般而言，除了沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)，全新的虛擬現(xiàn)實(shí)將完全擺脫傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)的頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣等常用交互設(shè)備上的空間傳感器，從而實(shí)現(xiàn)更自然的人機(jī)交互。傳統(tǒng)教育模式受到時(shí)空限制，5G下的虛擬現(xiàn)實(shí)具有突破時(shí)空限制的顯著特點(diǎn)，為人們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、協(xié)同工作等提供新手段，在軍事、航天、教育培訓(xùn)、電子商務(wù)等方面具有良好的應(yīng)用前景[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的現(xiàn)實(shí)感操作和身臨其境的真實(shí)感，讓參與者產(chǎn)生身臨其境的真實(shí)感有助于激發(fā)學(xué)習(xí)者采用不同于傳統(tǒng)教室環(huán)境的新穎學(xué)習(xí)方法。虛擬現(xiàn)實(shí)的使用對(duì)教學(xué)法及語(yǔ)言教育大有益處。根據(jù)刺激和構(gòu)建主義理論，在教學(xué)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的主要優(yōu)點(diǎn)就是身臨其境的情境刺激帶來(lái)更深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。而基于5G場(chǎng)景下的VR教育也會(huì)開(kāi)拓更多應(yīng)用場(chǎng)景，比如地震、消防等災(zāi)害場(chǎng)景的模擬演習(xí)、模擬諸多高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的教學(xué)培訓(xùn)，VR應(yīng)用場(chǎng)景還可以在更多的教育應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大能效。

教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》指出，到2022年基本實(shí)現(xiàn)“三全兩高一大”的發(fā)展目標(biāo)，其中包括數(shù)字校園建設(shè)覆蓋全體學(xué)校和建成“互聯(lián)網(wǎng)+教育”大平臺(tái)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的教育模式契合這一發(fā)展目標(biāo)。2020年，在線教育的潛在市場(chǎng)需求仍有很大的空間需要拓展，將虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合到在線教育將有助于提升在線教育的沉浸式體驗(yàn)感。同時(shí)，5G等信息技術(shù)發(fā)展將作為推動(dòng)在線教育模式改革的助燃劑，同時(shí)給傳統(tǒng)教育領(lǐng)域的改革指引新的思路和方向。

1? 基于虛擬現(xiàn)實(shí)教育的發(fā)展現(xiàn)狀分析

2017年12月，虛擬現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用研究院在北京成立，并于2019年春季召開(kāi)了“高等學(xué)校虛擬顯示技術(shù)教育應(yīng)用研討會(huì)”，在高校教學(xué)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)將是未來(lái)高校教育改革的方向。2018年6月開(kāi)始，百度VR教室先后在安徽合肥習(xí)友路小學(xué)、浙江、上海等地相繼打造了一個(gè)VR教室的真實(shí)環(huán)境。2019年3月，上海工程技術(shù)大學(xué)實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)5G信號(hào)覆蓋率達(dá)98.6%，為建立沉浸式教學(xué)提供有力支撐。湖北華中科技大學(xué)成為首個(gè)5G校園試驗(yàn)網(wǎng)基地，5G遠(yuǎn)程教學(xué)等應(yīng)用將在校園上線，預(yù)計(jì)2019年下半年通信芯片研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)5G虛擬現(xiàn)實(shí)課程教學(xué)等更多強(qiáng)大的功能應(yīng)用。北京師范大學(xué)蔡蘇等提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境架構(gòu)[2]，以一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)概念演示書(shū)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合展示了中學(xué)物理中的單擺、牛頓第一定律等實(shí)驗(yàn)。Cai 等學(xué)者構(gòu)建了一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一對(duì)多學(xué)習(xí)系統(tǒng)[3]，教師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻交互系統(tǒng)將實(shí)時(shí)增強(qiáng)的視頻教學(xué)信息傳輸給學(xué)生。Cai和 Chiang等人將VR技術(shù)與微軟Kinect體感交互技術(shù)相結(jié)合。研究表明，基于VR的體感教學(xué)軟件能夠幫助學(xué)生理解磁場(chǎng)和磁感線等抽象的概念，有助于學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)物理規(guī)律，在改善學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣方面有不錯(cuò)的效果。為了提高語(yǔ)言學(xué)習(xí)的效率，最好能讓學(xué)生真正進(jìn)入到接近真實(shí)生活場(chǎng)景中，由于時(shí)間和資金的限制，很多學(xué)生無(wú)法滿足上述條件，基于VR的沉浸式語(yǔ)言學(xué)習(xí)為學(xué)生學(xué)習(xí)語(yǔ)言提供了良好的交互式語(yǔ)言學(xué)習(xí)環(huán)境，朱堯平[4]提出虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到高效英語(yǔ)教學(xué)的理論基礎(chǔ)。雷巧鳴[5]提出利用VR技術(shù)，教師可以創(chuàng)設(shè)出多維度結(jié)合的視聽(tīng)和動(dòng)手交互的學(xué)習(xí)方式。

國(guó)外較早地開(kāi)展了虛擬現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用。美國(guó)微軟公司的首個(gè)不受線纜限制的全息計(jì)算機(jī)設(shè)備HoloLens將助力于教育改革。新西蘭的一所學(xué)校中采用HoloLens進(jìn)行交互式教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)周圍真實(shí)環(huán)境中的全息影像互動(dòng)，有效地提升學(xué)生的創(chuàng)造力。Math Hololens可以提供幾何教學(xué)中的立體幾何對(duì)象顯示。美國(guó)科格威爾工藝學(xué)院在全球首先開(kāi)設(shè)VR/AR課程，旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)VR/AR的認(rèn)知和感知方面的知識(shí)，掌握開(kāi)發(fā)人機(jī)界面及交互的設(shè)計(jì)原則及技能，以及VR/AR的故事敘述方式[6]。格林內(nèi)爾學(xué)院開(kāi)設(shè)了沉浸式體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，目的在于探索VR和AR以及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于提高文化科學(xué)學(xué)習(xí)效率的影響。

MOOC平臺(tái)作為中國(guó)最大的在線教學(xué)平臺(tái)，擁有非常豐富的教學(xué)資源，然而，MOOC平臺(tái)雖然解決了不同地域?qū)W生平等地獲取教學(xué)資源的問(wèn)題，但是MOOC課程缺乏學(xué)習(xí)過(guò)程的沉浸感體驗(yàn)，雖然通過(guò)課堂的測(cè)試可以增加學(xué)生在線上課的參與感，但是學(xué)生的知識(shí)獲取率仍然不高。另外，MOOC實(shí)踐中還存在著一個(gè)非常突出的問(wèn)題就是教學(xué)實(shí)驗(yàn)非常薄弱[7]，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將為上述問(wèn)題提供解決方案，在MOOC教學(xué)平臺(tái)上引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于醫(yī)學(xué)、物理、生物等學(xué)科的教學(xué)開(kāi)展將提供良好的沉浸感、交互性和可想象性。

目前，VR教育現(xiàn)有終端較為成熟，國(guó)內(nèi)外企業(yè)和少數(shù)高校已經(jīng)建立了VR教學(xué)的早期體驗(yàn)環(huán)境和相應(yīng)的一體化設(shè)備。利用VR實(shí)現(xiàn)教學(xué)中的動(dòng)態(tài)交互是教育改革的發(fā)展趨勢(shì)，然而， 通過(guò)分析基于VR的線上與線下教育現(xiàn)狀，VR教育存在的不足亦十分突出，具體包括如下4個(gè)方面：

（1）VR內(nèi)容生態(tài)體系不完善，現(xiàn)有VR教學(xué)資料僅覆蓋少數(shù)學(xué)科門類，目前的VR教育資源主要覆蓋K12教育和高校的部分學(xué)科，因此，VR教育內(nèi)容比較零散，沒(méi)有形成體系和規(guī)模，VR教育資源一方面需要進(jìn)行同類整合，另一方面需要體現(xiàn)各學(xué)科的特色。

（2）面向消費(fèi)者的教育類應(yīng)用存在缺陷和不足，無(wú)法滿足各年齡層次的使用需求，現(xiàn)在的VR教育應(yīng)用模式不夠成熟，未來(lái)可以考慮根據(jù)用戶需求推薦VR教育資源解決這一問(wèn)題。

（3）設(shè)備資金投入較高，學(xué)生在利用基于VR的教育資源進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，必須佩戴VR設(shè)備才能進(jìn)行VR教育內(nèi)容的學(xué)習(xí)，然而，體驗(yàn)感好的VR設(shè)備通常比較昂貴。

（4）缺少成熟的教育模式和量化指標(biāo)。VR教育尚處于發(fā)展初期，企業(yè)和高校都主要進(jìn)行基于VR的教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)，然而，對(duì)于如何將VR教育引入課堂、如何量化評(píng)價(jià)VR教育對(duì)于學(xué)生知識(shí)吸收率的影響等尚存在缺失，因此，亟需通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)VR教育的教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)估。

2? 高校中虛擬現(xiàn)實(shí)教育模式分析

教育部辦公廳在《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》中提出，要培養(yǎng)提升教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用。其中，VR在輔助教育的知識(shí)傳授方面，將發(fā)揮非常重要的作用。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的身臨其境的教學(xué)方式是推動(dòng)教育信息化改革的重要契機(jī)，同時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以避免部分有危險(xiǎn)的實(shí)訓(xùn)中產(chǎn)生的學(xué)術(shù)人身傷亡，應(yīng)用前景廣泛。5G時(shí)代下使得虛擬現(xiàn)實(shí)的效用得以實(shí)現(xiàn)，以5G為應(yīng)用環(huán)境，VR為呈現(xiàn)手段，在整個(gè)教育互動(dòng)過(guò)程中將成為不可或缺的一環(huán)，但虛擬現(xiàn)實(shí)在高校教學(xué)中的應(yīng)用模式尚沒(méi)有成熟的框架，亟需進(jìn)行深入研究。

5G通信技術(shù)具有高帶寬和低延遲的特點(diǎn)，因此，基5G將VR引入到教學(xué)過(guò)程中時(shí)，學(xué)生能夠在不同視角，以交互式超高清全景視頻為載體，身臨其境地進(jìn)入世界任何地方的課堂，從而真正實(shí)現(xiàn)每個(gè)人教育資源的平等，在參與到教師的授課或?qū)嶒?yàn)過(guò)程中時(shí)，學(xué)生能夠與老師即時(shí)進(jìn)行互動(dòng)。因此，5G與VR的結(jié)合將能徹底解決地域差異導(dǎo)致的教育不均衡問(wèn)題，從而有效提高全球的教育水平。但將虛擬現(xiàn)實(shí)引入到高校教育中仍需考慮以下四個(gè)方面。

（1）將VR引入到高校教學(xué)中，教師和學(xué)生作為參與主體，決定著VR教學(xué)的效果，教師需要從傳統(tǒng)的面對(duì)面課堂過(guò)渡到新的教學(xué)模式中，對(duì)于習(xí)慣了傳統(tǒng)教學(xué)模式的教師來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)化到VR教學(xué)需要對(duì)課堂教學(xué)進(jìn)行較大的調(diào)整;學(xué)生作為VR教學(xué)的參與者，同樣需要做出調(diào)整，可以考慮通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)高校教師和學(xué)生對(duì)于在教學(xué)中引入VR教學(xué)的接受度，并對(duì)VR在課堂中所占比例進(jìn)行調(diào)研，形成調(diào)研報(bào)告。

（2）將VR引入到傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教學(xué)模式和教學(xué)策略都需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，通過(guò)將教學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，選擇能夠通過(guò)VR展現(xiàn)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)式學(xué)習(xí)，從而為學(xué)生提供互動(dòng)式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助學(xué)生通過(guò)主動(dòng)的參與式學(xué)習(xí)，積極構(gòu)建自己對(duì)知識(shí)的理解。教學(xué)模式可分別以講授式、自主式和交互/協(xié)作式。在混合教學(xué)模式中，應(yīng)以學(xué)生為課堂主導(dǎo)者，提高學(xué)生的參與度，從而激發(fā)混合式教學(xué)中學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提升學(xué)習(xí)效果。

（3）反饋階段是將VR引入高校教學(xué)過(guò)程中最為重要的一個(gè)階段。通過(guò)教學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，使基于VR的混合教學(xué)效果不斷提升，從而促進(jìn)教學(xué)模式不斷改進(jìn)。在對(duì)VR交互教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可以綜合不同角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，如課堂社區(qū)意識(shí)、學(xué)生參與度和基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)框架等。在基于VR的混合教學(xué)模式中，VR互動(dòng)教學(xué)對(duì)學(xué)生知識(shí)吸收率的影響是一個(gè)重要的指標(biāo)，利用該指標(biāo)可以定量描述VR教學(xué)對(duì)教學(xué)效果的影響。通過(guò)對(duì)教師和學(xué)生對(duì)VR應(yīng)用于教學(xué)的滿意度調(diào)查，可進(jìn)一步分析信息技術(shù)對(duì)教學(xué)效果影響的關(guān)鍵因素有哪些，將該結(jié)果反饋到VR教學(xué)應(yīng)用模式中對(duì)相應(yīng)的環(huán)節(jié)和要素進(jìn)行修訂與完善。

（4）探索VR教學(xué)在高校教學(xué)改革中的應(yīng)用模式，形成混合式教學(xué)模式規(guī)范，研究移動(dòng)課堂加入高校教學(xué)體系的可行性，并推廣到其他學(xué)院的專業(yè)課教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用。

3? 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的教學(xué)方式過(guò)于枯燥，多媒體教學(xué)豐富了知識(shí)的呈現(xiàn)形式，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式改變了教師在課堂上演獨(dú)角戲的現(xiàn)狀，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，改變了學(xué)生課堂上參與度低的現(xiàn)狀，使得課堂內(nèi)的寶貴時(shí)間用于研究解決問(wèn)題的方案，實(shí)現(xiàn)了拓展性、思考性教學(xué)。5G技術(shù)下的虛擬現(xiàn)實(shí)教育彌補(bǔ)了課堂互動(dòng)的缺失，教室內(nèi)的每一個(gè)學(xué)生都可參與到學(xué)習(xí)過(guò)程中，避免了邊緣學(xué)生的互動(dòng)缺失問(wèn)題。VR可輔助教育的知識(shí)傳授，提高知識(shí)的傳遞和獲取效率，提升學(xué)生認(rèn)知和理解知識(shí)的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)的身臨其境的教學(xué)方式是推動(dòng)教育信息化改革的重要契機(jī)，但虛擬現(xiàn)實(shí)在高校教學(xué)中的應(yīng)用模式尚沒(méi)有成熟的框架，亟需進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 左智科.5G 時(shí)代應(yīng)用型高校教學(xué)模式探討[J].教學(xué)研究，2017（15）：117.

[2] 蔡蘇，張晗，薛曉茹.虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）在教學(xué)中的應(yīng)用案例評(píng)述[J].中國(guó)電化教育，2017（362）：1-10.

[3] 蔡蘇，張晗，薛曉茹，等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在教學(xué)中的應(yīng)用案例評(píng)述[J].中國(guó)電化教育，2017（3）：1-9，30.

[4] 朱堯平.VR技術(shù)在高校英語(yǔ)教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].科教文匯（中旬刊），2020（4）：177-178.

[5] 雷巧鳴.VR技術(shù)在英語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2016（23）：131-132.

[6] 丁飛，張登銀，師曉曄，等.基于VR/AR的互動(dòng)式教學(xué)研究與實(shí)踐[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（12）：213-216.

[7] 謝紹平，劉強(qiáng)，諶貽波.虛擬實(shí)驗(yàn)：MOOC環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向[J].教學(xué)研究，2018（23）：74-79.

[8] 楊小梅.MOOC給高校傳統(tǒng)教學(xué)帶來(lái)的沖擊及思考[C].Information Engineering Research Institute， USASingapore Management and Sports Science Institute， Singapore.Proceedings of 2017 6th EEM International Conference on Education Science and Social Science （EEMESSS 2017）.Information Engineering Research Institute， USA、Singapore Management and Sports Science Institute， Singapore：智能信息技術(shù)應(yīng)用學(xué)會(huì)，2017：439-442.