5G網(wǎng)絡(luò)支持下的智慧課堂應(yīng)用研究

陳國華 郭正民

摘? 要 5G網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前移動通信領(lǐng)域最尖端的發(fā)展趨勢，是世界科技發(fā)展的重要方面，將會給世界帶來巨大改變。5G網(wǎng)絡(luò)支持下的智慧課堂建設(shè)也將煥發(fā)全新的面貌。闡述5G應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)性能，展示5G優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)性能，繼而對5G環(huán)境下智慧課堂中的VR/AR教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、互動教學(xué)三種全新的教學(xué)方式進行應(yīng)用研究分析，闡述5G+智慧課堂的典型應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞 5G網(wǎng)絡(luò);智慧課堂;VR/AR教學(xué);遠(yuǎn)程教學(xué);遠(yuǎn)程全息課堂;互動教學(xué);STEM;人工智能;eMBB;mMTC;uRLLC

中圖分類號：G642.421? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）12-0068-03

1 前言

5G可謂是2019年最為熱門的詞語，關(guān)于5G的相關(guān)報道自年初起便鋪天蓋地而來。2019年10月31日，隨著工信部與三大運營商5G商用啟動儀式的舉行，我國正式進入5G商用時代。5G網(wǎng)絡(luò)具有高速率、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延等特點，具有出色的網(wǎng)絡(luò)性能（表1），能夠支持豐富多樣的業(yè)務(wù)種類、終端種類、服務(wù)種類，為用戶提供極致的網(wǎng)絡(luò)體驗，驅(qū)動人類社會進入萬物互聯(lián)的時代。5G的浪潮席卷整個世界，也給教育行業(yè)帶來全新的機遇，5G時代的智慧課堂建設(shè)將會開啟全新的篇章。

2 5G應(yīng)用場景下的智慧課堂

5G的典型應(yīng)用場景? 3Gpp定義了5G的三大應(yīng)用場景：eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）、uRLLC（超高可靠和低時延通信）。這三大應(yīng)用場景共同構(gòu)建了5G的應(yīng)用體系[1]。

eMBB增強移動寬帶場景強調(diào)的是以人為中心接入多媒體內(nèi)容、業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景，是對原來的移動寬帶在用戶、體驗、系統(tǒng)性能等技術(shù)指標(biāo)上進行強化。該應(yīng)用場景包括高用戶密度、高業(yè)務(wù)容量的熱點地區(qū)以及有著高移動速度、期望無隙覆蓋的廣域覆蓋環(huán)境。這一場景下用戶最為直觀的體驗便是網(wǎng)絡(luò)速度的極大提升與無隙的用戶體驗。由此可見，增強移動寬帶場景，可以為智慧課堂中對于高速流量要求的設(shè)備提供強有力的保障。

mMTC海量機器類通信場景的特征是數(shù)量龐大的、高密度的終端連接進入網(wǎng)絡(luò)，每個終端發(fā)送小量的時延不敏感數(shù)據(jù)。為了應(yīng)對海量的終端接入，5G通過無線接入技術(shù)，合理利用頻譜、小區(qū)加密等方式提升網(wǎng)絡(luò)的終端容量。智慧課堂的建設(shè)必然需要大量的終端設(shè)備，5G強大的終端接入容量完全可以滿足智慧課堂當(dāng)中的硬件設(shè)備的接入性能要求。

uRLLC超強可靠和低延時通信場景主要在保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠傳輸?shù)耐瑫r，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下大幅降低移動網(wǎng)絡(luò)通信的延時。5G應(yīng)用了一種潛在的物理層技術(shù)——廣義頻分復(fù)用技術(shù)，使得5G無線網(wǎng)絡(luò)的時延達(dá)到驚人的1 ms。除此之外，5G通過內(nèi)容緩存以及D2D技術(shù)對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)端到端時延的性能進一步提升。5G優(yōu)異的低時延技術(shù)大幅度降低了用戶訪問內(nèi)容的時延，使得用戶在當(dāng)前4G的使用體驗上有著極大的提升，能夠使現(xiàn)存的智慧課堂更加“智慧”。

5G+智慧課堂? 智慧課堂是一種創(chuàng)新教學(xué)模式，打破了傳統(tǒng)的單向教學(xué)方式，可以更好地實現(xiàn)師生雙向互動。智慧課堂在“先學(xué)后教，以學(xué)定教”的教學(xué)理念指導(dǎo)下，全方位構(gòu)建“課前微課導(dǎo)學(xué)、課堂互動探究、課后個性輔導(dǎo)”的教學(xué)模式，利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，最終實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容數(shù)字化、教學(xué)決策數(shù)據(jù)化、交流互動多樣化評價。傳統(tǒng)的智慧課堂以校園網(wǎng)內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)、無線Wi-Fi為數(shù)據(jù)支撐，以藍(lán)牙、ZiGbee、NB-IoT實現(xiàn)課堂物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。但由于網(wǎng)絡(luò)條件的限制，目前的智慧課堂存在較大的缺陷：在上課學(xué)習(xí)行為比較集中，網(wǎng)絡(luò)并發(fā)量較高的階段，網(wǎng)絡(luò)資源無法滿足用戶的需求;課室當(dāng)中的硬件設(shè)備沒有無縫對接，使用的網(wǎng)絡(luò)多而復(fù)雜，智慧程度不高;建設(shè)周期長，維護成本高，不能夠大量、全面地開展建設(shè)。

5G時代的到來將會賦予智慧課堂全新的面貌。相較于傳統(tǒng)智慧課堂，5G智慧課堂通過各組成硬件終端的5G化，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)與生俱來的技術(shù)和業(yè)務(wù)優(yōu)勢，帶給學(xué)校用戶更快、更好、更流暢的使用體驗。5G環(huán)境下的智慧課堂將會有革新：超高帶寬將使得學(xué)校不再需要部署多種網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)承載統(tǒng)一;高速率、低延時將會創(chuàng)造遠(yuǎn)程教學(xué)新的局面，雙師課堂、遠(yuǎn)程全息課堂將會成為遠(yuǎn)程教學(xué)當(dāng)中的常用教學(xué)方式;智慧課堂當(dāng)中的教學(xué)將會出現(xiàn)新的應(yīng)用場景，如VR/AR教學(xué)、高清立體顯示、全息課堂、遠(yuǎn)程考試監(jiān)測、學(xué)習(xí)行為追蹤和挖掘、智能實驗系統(tǒng)和智能教學(xué)系統(tǒng)等。

3 5G新型教學(xué)場景

5G+VR/AR教學(xué)? VR（Virtual Reality）即虛擬現(xiàn)實，也稱靈境技術(shù)，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)。VR利用計算機根據(jù)現(xiàn)實世界環(huán)境生成一種模擬環(huán)境，提供給用戶關(guān)于視覺、觸覺的感官模擬，使用戶能夠身臨其境。AR（Augmented Reality）即增強現(xiàn)實，是通過視覺與現(xiàn)實世界的連接，疊加全息影像，增強視覺效果。

5G時代，VR/AR教育的出現(xiàn)將會為傳統(tǒng)教育帶來新的血液，給傳統(tǒng)教育帶來一場巨大的變革。憑借5G大帶寬、低延時、高速率的特性，可以快速地把教師的教學(xué)內(nèi)容上傳至云端，以云計算技術(shù)實現(xiàn)VR/AR應(yīng)用的運行、渲染、展現(xiàn)和控制，繼而通過5G網(wǎng)絡(luò)把處理后的音視頻信息流傳遞到智慧課堂終端[2]。在5G優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)性環(huán)境中，學(xué)生可以感受到VR/AR所帶來的極致體驗。課堂也將會成為一個有趣的場景，VR/AR將會使得教學(xué)內(nèi)容發(fā)生從2D到3D的躍升，原來在圖書和黑板上所呈現(xiàn)的平面內(nèi)容將會變成栩栩如生的可視化的三維畫面;某些知識點中復(fù)雜抽象的場景，如數(shù)學(xué)中的立體圖形、物理中的電磁場、地理中的地球運動等，將不再需要教師費盡心力地解釋，學(xué)生絞盡腦汁地想象，VR/AR可以把這些場景形象、可視化地展示出來，學(xué)生可以輕松地認(rèn)知與理解[3]。