“移動通信”課程虛擬可視化教學(xué)實踐

黃巧潔，劉沛強

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507；2.華迪計算機集團有限公司，北京 100195）

增強現(xiàn)實（AR：Augmented Reality）是利用計算機圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，借助顯示設(shè)備將虛擬對象與真實環(huán)境融為一體，提供了一種接近真實、便捷的教學(xué)方式。將AR 技術(shù)應(yīng)用于“移動通信”課程教學(xué)，用虛擬的、直觀的三維場景及設(shè)備構(gòu)建校企跨界合作、教學(xué)環(huán)境與工作場景結(jié)合的教學(xué)實踐內(nèi)容，可以快速縮短教學(xué)與5G 新興技術(shù)的距離，能有效解決教學(xué)資源不足的難題，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信息化素養(yǎng)，促進工學(xué)結(jié)合等實踐教學(xué)模式的變革。以“移動通信”為典型課程開展研究，緊跟國內(nèi)外高等職業(yè)教育理論研究與改革實踐前沿，基于虛擬可視等信息化手段探索國內(nèi)高職教學(xué)模式改革實踐，體現(xiàn)國家對高職教育發(fā)展的新精神、新要求，賦予“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”新的內(nèi)涵。

一、國內(nèi)外增強現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用研究

（一）國內(nèi)增強現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用綜述

沈克在基于增強現(xiàn)實的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)研究中，討論了增強現(xiàn)實技術(shù)在大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中應(yīng)用的可行性[1]。張連峰提出基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建虛實結(jié)合校內(nèi)實踐教學(xué)基地的基本思路[2]。李青等開展了基于“微波技術(shù)與天線”課程的移動探究性實踐學(xué)習(xí)活動[3]。陳錦錫在高職院校船機電專業(yè)教學(xué)過程中，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計開發(fā)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，滿足高職院校船機電士官專業(yè)教學(xué)訓(xùn)練需求[4]。張向燕等以APP 的形式將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于“機械原理”教學(xué)中，為師生帶來極大便利[5]。汪成等提出利用增強現(xiàn)實解決大學(xué)物理實驗課問題的新思路[6]。徐男等開發(fā)了用于數(shù)值優(yōu)化教學(xué)的交互式輕型增強現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)，有效提升學(xué)習(xí)效率[7]。國內(nèi)基于增強現(xiàn)實教學(xué)設(shè)計的研究起步比較晚，特別是針對高職院校相關(guān)學(xué)科開展的研究更晚，雖然目前已取得一些成果，但仍需在與高職課程結(jié)構(gòu)相匹配的基于工作過程的虛實結(jié)合交互性上進行積極的實踐與探索。

（二）國外增強現(xiàn)實教學(xué)應(yīng)用綜述

國外對于增強現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)應(yīng)用研究主要集中在教學(xué)場景的創(chuàng)造、教學(xué)實驗的模擬等。哥倫比亞大學(xué)計算機圖形與用戶界面實驗室研發(fā)了增強現(xiàn)實維修系統(tǒng)來輔助新兵學(xué)習(xí)，能夠通過數(shù)據(jù)內(nèi)容的指導(dǎo)在實際操作過程中快速掌握裝甲車的維護等技能[8]。Hsiao 等開發(fā)了一個增強現(xiàn)實的天氣系統(tǒng)Weather observers，可以幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)地理學(xué)科中關(guān)于大氣系統(tǒng)的知識[9]。Santos 等將AR 技術(shù)融入詞匯教學(xué)程序中，學(xué)習(xí)者通過掃描實景可以獲得相關(guān)的詞匯進行學(xué)習(xí)[10]。哈佛大學(xué)的Eco Mobile 實驗室將AR 技術(shù)用于環(huán)境科學(xué)戶外教學(xué)實踐中，有效提升學(xué)習(xí)者興趣和主動探索的積極性[11]。新加坡國立大學(xué)將AR 技術(shù)運用在大學(xué)物理實驗中，利用AR實驗的雙向知識構(gòu)建過程，助力學(xué)生對知識的理解與應(yīng)用[12]。歐洲列支敦士登大學(xué)將AR 技術(shù)運用到數(shù)學(xué)展覽中，有效輔助學(xué)習(xí)者在非正式學(xué)習(xí)環(huán)境中的知識構(gòu)建過程[13]。西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)和委內(nèi)瑞拉西蒙玻利瓦爾大學(xué)將AR 技術(shù)應(yīng)用在電磁學(xué)的實驗教學(xué)中，大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)愉悅性和滿足感[14]。國外增強現(xiàn)實在教育的應(yīng)用研究比較早，也取得了很大的成功，但尚無基于增強現(xiàn)實的“移動通信”虛擬可視化實踐案例可循。

《國家職業(yè)教育改革實施方案》等文件指出加快信息化時代教育變革，利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式改革。AR 技術(shù)與具體的課程教學(xué)應(yīng)用結(jié)合，在教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)、教學(xué)實驗的模擬、教學(xué)活動的組織等方面將進一步豐富課堂教學(xué)實踐，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且對教學(xué)效果有正向促進作用。國家“十四五”規(guī)劃綱要提出了加快5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；渴?，前瞻布局6G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲備，在未來十年將迎來移動通信技術(shù)發(fā)展的黃金時期。本文以新一代移動通信技術(shù)為例，基于增強現(xiàn)實開展“移動通信”課程虛擬可視化輔助教學(xué)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)進行5G 新技術(shù)課程教學(xué)實踐，對保證教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效率具有重要意義。

二、“移動通信”課程開展虛擬可視化教學(xué)的可行性分析

（一）“移動通信”課程教學(xué)與實踐面臨的挑戰(zhàn)

當代信息技術(shù)發(fā)展迅猛，新技術(shù)層出不窮，受學(xué)時、教學(xué)設(shè)備等影響，高職教育中課堂教學(xué)與實踐面臨新的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)如下：

1.課程內(nèi)容與學(xué)時之間的矛盾突出，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難保證教學(xué)質(zhì)量

以O(shè)BE 成果導(dǎo)向的課程開發(fā)與學(xué)習(xí)成效評量機制對傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生巨大沖擊?！耙苿油ㄐ拧鄙婕耙苿油ㄐ呕炯夹g(shù)原理和現(xiàn)網(wǎng)運行的各代移動通信系統(tǒng)及其演進技術(shù)，如2G（GSM、GPRS）、3G（WCDMA、TD-SCDMA 和CDMA2000）、4G（TD-LTE和LTE FDD）及5G。高職擴招后生源多樣性也對傳統(tǒng)的集中式課堂與實踐教學(xué)帶來新的挑戰(zhàn)。受學(xué)時的限制和新技術(shù)的不斷發(fā)展，采用傳統(tǒng)的僅以課堂教學(xué)為主的教學(xué)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)方式缺乏靈活性，抽象、枯燥、比較難直觀呈現(xiàn)，很難保證教學(xué)質(zhì)量，無法適應(yīng)現(xiàn)代職業(yè)教育的生源多樣化的特點，無法滿足個性化學(xué)習(xí)的教學(xué)需求以及終身學(xué)習(xí)的“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”需求。

2.在特殊實訓(xùn)操作中，實踐教學(xué)條件受限

“移動通信”實訓(xùn)教學(xué)涉及一些危險系數(shù)大的實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，如涉及高空作業(yè)的基站安裝與維護，出于安全因素考慮在教學(xué)實踐過程中往往被忽略，但這些實訓(xùn)任務(wù)在企業(yè)實戰(zhàn)中至關(guān)重要，造成了教學(xué)實踐與企業(yè)生產(chǎn)實踐的脫節(jié)。

（二）開展虛擬可視化教學(xué)的可行性分析

1.AR 展現(xiàn)5G 新技術(shù)，帶動學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

將分立3D 可視化素材模型有機整合為可視化課程，構(gòu)建實時互動教學(xué)平臺。通過虛擬可視化呈現(xiàn)，為虛擬世界和真實世界的接軌提供空間，在與虛擬世界互動的過程中助力學(xué)生理解抽象的知識內(nèi)容，滿足學(xué)生對教學(xué)的個性化需求，實現(xiàn)“做中學(xué)、做中教”“以學(xué)生為中心”等現(xiàn)代職教理念有機融合，達到“資源體系重構(gòu)化、資源組成碎片化、內(nèi)在邏輯合理化”的輔學(xué)輔教目的，使課程學(xué)習(xí)變得更自由、靈活、快樂，克服了傳統(tǒng)教學(xué)課堂沉悶、抬頭率不高、學(xué)生高階能力培養(yǎng)不足等問題，切實提升課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.基于虛擬可視化課堂教學(xué)交互體驗?zāi)Ｊ?，加強學(xué)生的參與度

基于增強現(xiàn)實的虛擬可視化教學(xué)是“情景教學(xué)、工作過程導(dǎo)向教學(xué)、線上線下混合教學(xué)”的一種有機結(jié)合?；谠鰪姮F(xiàn)實的虛擬可視化正賦予新時代教育現(xiàn)代化更多新的內(nèi)涵。從當前現(xiàn)狀分析，在未來的教學(xué)中采用虛擬可視化的方式輔助教學(xué)尤為重要，不但能提高學(xué)生的參與度，激勵學(xué)生進行知識構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生動手動腦的能力，而且使學(xué)生以最少的付出得到最大的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生滿意度與注意力。

三、“移動通信”課程虛擬可視化的探索實踐

圍繞虛擬可視化輔助教學(xué)模式，結(jié)合移動通信課程特點，優(yōu)化“移動通信”課程體驗式課堂教學(xué)內(nèi)容，整合出與課程體系結(jié)構(gòu)相匹配的基于工作過程的虛實結(jié)合的教學(xué)方法。

（一）重構(gòu)5G 智能背景下“移動通信”課程的教學(xué)內(nèi)容

以移動通信基本知識和基本能力的培養(yǎng)為核心，結(jié)合虛擬可視化呈現(xiàn)方式和高職學(xué)生特點，將生產(chǎn)和生活常用實例作為載體引入到教學(xué)過程中，優(yōu)化“移動通信”課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容，完善課程資源，探索以直觀虛擬可視化方式呈現(xiàn)深奧抽象的理論知識，解決課時少與內(nèi)容多的突出矛盾，搶占制定課程標準的制高點，為5G 智能背景下虛實結(jié)合的“移動通信”教學(xué)實踐提供鮮活實例。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后的“移動通信”課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計為三大模塊“基礎(chǔ)-系統(tǒng)-工程”，圍繞三大模塊，設(shè)計了十大任務(wù)。教學(xué)氛圍盡量模擬企業(yè)環(huán)境，體現(xiàn)工作任務(wù)。移動通信基礎(chǔ)和移動通信系統(tǒng)兩大模塊八大任務(wù)使學(xué)生全面掌握移動通信的組網(wǎng)與結(jié)構(gòu)；移動通信工程模塊使學(xué)生初步具備系統(tǒng)安裝、調(diào)試與優(yōu)化能力。通過三大模塊的學(xué)習(xí)使學(xué)生全面掌握移動通信系統(tǒng)的建網(wǎng)工作流程，如圖1 所示。在組網(wǎng)及系統(tǒng)安裝調(diào)試部分教學(xué)實踐過程引入了虛擬可視化相關(guān)呈現(xiàn)方式輔助教學(xué)。

（二）虛擬可視化的“移動通信”實時互動系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)課程內(nèi)容，選擇關(guān)鍵部件構(gòu)建3D 可視化模型部件，如基站系統(tǒng)、核心網(wǎng)設(shè)備等，并逐步積累完善，建立虛擬可視化素材庫。采用Unity2017.4.40三維交互制作平臺和AR SDK 引擎，將3D 可視化模型部件構(gòu)建出可視化系統(tǒng)，將分立的素材模型有機整合為可視化課程，實現(xiàn)與學(xué)生實時教學(xué)互動，從而對真實情境下所需要的技能進行訓(xùn)練。通過攝像頭圖片采集、圖像特征計算、圖像特征匹配與識別，尋找相關(guān)聯(lián)的顯示教學(xué)資源虛擬素材，將虛擬信息與現(xiàn)實環(huán)境疊加，輸出虛實結(jié)合的場景（如圖2所示）。

（三）虛擬可視化的教學(xué)實踐

1.在廣東省青年教師教學(xué)大賽的實踐

運用增強現(xiàn)實構(gòu)建了虛擬可視化輔助教學(xué)場景，筆者在廣東省高校（高職）青年教師教學(xué)大賽的教學(xué)絕活展示中，直觀展示了基于移動通信進行圖像信息識別編碼與傳輸過程，綜合成績獲得了省級決賽一等獎（如圖3 所示）。

2.在“移動通信”課程教學(xué)上的實踐

在本校2020 級現(xiàn)代通信技術(shù)專業(yè)不同班級分別開展“移動通信”常規(guī)教學(xué)和虛擬可視化教學(xué)。其中，常規(guī)教學(xué)班采用常規(guī)教學(xué)法，實驗班采用虛擬可視化輔助教學(xué)。實驗班授課時，在基站的安裝與調(diào)試、核心網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備等內(nèi)容中，通過三維虛擬化全方位展示了設(shè)備的外形構(gòu)造。特別是在基站安裝部署設(shè)計中，與實景地圖融合，綜合模擬選址、建站的全過程。圖4 展示了不同場景下基站系統(tǒng)的部署樣例，使學(xué)生迅速了解不同場景下基站系統(tǒng)部署的差異，這種基于工作過程的虛實結(jié)合的教學(xué)方法在課堂中獲得了學(xué)生肯定。

四、“移動通信”虛實可視化教學(xué)評價

（一）質(zhì)量評價

為準確分析增強現(xiàn)實對學(xué)生學(xué)習(xí)成效的影響，對上述常規(guī)教學(xué)班和實驗班在課程結(jié)束后通過考試驗證學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。實驗班平均成績?yōu)?8.2分，常規(guī)教學(xué)班平均分為73.0 分，各分數(shù)段占比如圖5 所示。采用增強現(xiàn)實的實驗班在平均分、及格率、優(yōu)良成績占比等均明顯優(yōu)于常規(guī)教學(xué)班，說明基于增強現(xiàn)實的虛擬可視化教學(xué)能有效提高教學(xué)效率，促進學(xué)生學(xué)習(xí)。

（二）教學(xué)評價

在課程結(jié)束時，對上述班級進行問卷調(diào)查，了解學(xué)生對本課程實施虛擬可視化教學(xué)的整體評價。實驗班統(tǒng)計結(jié)果顯示高達91%的學(xué)生對實施虛擬可視化教學(xué)感到滿意，明顯高于常規(guī)教學(xué)班79%的教學(xué)滿意度，如圖6 所示。但有個別學(xué)生對實施虛擬可視化教學(xué)不滿意，這可能與個別學(xué)生對虛擬可視化接受程度有關(guān)，需要教師進行積極摸索，改進教學(xué)方法，對學(xué)生進行積極的引導(dǎo)。通過教學(xué)評價，促進教師不斷提高教學(xué)技藝，激發(fā)學(xué)生不斷提高學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)積極性，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)技能人才。

五、結(jié)論

本文以現(xiàn)代通信技術(shù)專業(yè)的核心課程“移動通信”為例，結(jié)合5G 智能背景下移動通信技術(shù)的最新進展，深入開展虛實結(jié)合的教學(xué)探索，優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量和效益；提升學(xué)生信息化素養(yǎng)，適應(yīng)信息時代的學(xué)習(xí)方法；增強學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意識，提高創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力；為實現(xiàn)質(zhì)量型擴招提供新型教學(xué)模式的落地措施。