基于5G+AI環(huán)境下高職實訓(xùn)教學(xué)智慧課堂的探索*

龐新苗 ， 張若鋼 ， 易躍洋 ， 李志成

（湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411207）

1 高職智慧課堂建設(shè)的機遇

1）隨著“工匠精神”“大國工匠”理念地位的提升，國家越來越重視職業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。然而不同于傳統(tǒng)的理論知識課堂教學(xué)形式，實訓(xùn)教學(xué)（技能操作類教學(xué)）的重要組成部分是老師技能動作的言傳身教和學(xué)生對操作的不斷練習(xí)、糾錯和熟練等。實訓(xùn)教學(xué)由于學(xué)生觀摩空間有限，生生間/師生間技能操作與傳授造成了諸多教學(xué)不便，教師在示范和演示某一技能操作時，不是所有的同學(xué)都能同時很清楚和直觀地學(xué)習(xí)和掌握，老師難以同時觀察所有學(xué)生的練習(xí)動作，進行實時指導(dǎo)糾正，不利于學(xué)生實時、快速、生動地掌握各種技能知識。

2）進入21世紀以來，依托海量數(shù)據(jù)、大規(guī)模計算，人工智能（AI）獲得了飛躍式發(fā)展，深度學(xué)習(xí)模型的提出，更是直接驅(qū)動AI在圖像識別、語音識別、自然語言處理等方面取得眾多技術(shù)突破。結(jié)合“5G”通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率高達10 Gbit/s、網(wǎng)絡(luò)延遲低于1 ms和百萬級超大連接的特點，相對于4G，5G 技術(shù)具有更強的關(guān)鍵性能力：傳輸峰值速率達到20 Gbps、用戶體驗數(shù)據(jù)率達到100 Mbps。5G+AI將實現(xiàn)教學(xué)場景大量、實時、生動易懂地展現(xiàn)，也給實訓(xùn)教學(xué)（技能操作類教學(xué)）方式帶來了更多的可能性。

3）在這種時代背景和學(xué)校實訓(xùn)教學(xué)面臨的現(xiàn)實問題下，研究如何以音視頻技術(shù)和交互式技術(shù)應(yīng)用為核心，以學(xué)生技能提升為中心的5G+AI智慧課堂整體解決方案（主要包含示范教學(xué)、仿真實操、教學(xué)數(shù)據(jù)分析、教學(xué)視頻比賽錄轉(zhuǎn)播、實訓(xùn)課程資源庫等功能），以實現(xiàn)高職院校實訓(xùn)教學(xué)智慧化需求尤為重要。

2 國內(nèi)外的基本研究狀況

1）隨著我國信息化發(fā)展進程的加快，對于智慧教育的研究受到越來越多學(xué)者的重視。有學(xué)者指出，智能化技術(shù)促發(fā)了教育系統(tǒng)的“形變”，而智慧教育則將引發(fā)教育系統(tǒng)的“質(zhì)變”[1]。2018年4月教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，其中指出要實現(xiàn)教育信息化2.0應(yīng)啟動“智慧教育創(chuàng)新引領(lǐng)行動，完善課程方案和課程標準，充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容”。為響應(yīng)國家有關(guān)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?！?，將人工智能課程納入常規(guī)教學(xué)，推動5G+AI智慧課堂的方案落地。關(guān)于5G環(huán)境下的智慧課堂研究，李玉強[2]提出了5G背景下智慧校園的建設(shè)趨勢主要在多應(yīng)用場景的智慧教室、云智慧平臺方面。蔡蘇等[3]開發(fā)了5G環(huán)境下的多模態(tài)智慧課堂實踐案例——“彩虹的秘密”，通過多模態(tài)資源整合、多模態(tài)互動、多模態(tài)評估的多模態(tài)智慧教學(xué)方式，利用5G高帶寬、低時延、大連接的技術(shù)特性，接入VR/AR/MR設(shè)備、全息投影、智能白板、移動終端、智慧學(xué)習(xí)筆等多種形態(tài)的智聯(lián)終端和教育裝備，實現(xiàn)多種軟硬件設(shè)備間的無縫互聯(lián)、協(xié)同工作，為學(xué)習(xí)者提供沉浸式的實時學(xué)習(xí)體驗[4]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，僅2012—2017年，就有195位作者發(fā)表1篇關(guān)于智慧教育教學(xué)的論文；發(fā)表2篇關(guān)于智慧教育教學(xué)的論文的作者有28位?？梢娫谖覈泻芏鄬W(xué)者在研究智慧教學(xué)，而關(guān)于智慧教育主題的文獻數(shù)量在2018年也在持續(xù)增長。

2）國外智慧教育研究起步較早，信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，經(jīng)驗相對豐富，能夠為解決我國智慧校園建設(shè)中存在的突出問題提供有益思路。國外一流大學(xué)關(guān)于智慧教育的建設(shè)進入了一個全新的高度，以實現(xiàn)學(xué)校有效的IT治理為目標，例如在智慧教育建設(shè)排名第一的麻省理工學(xué)院，在建設(shè)時明確設(shè)立校級首席信息官職位和辦公室，并根據(jù)應(yīng)用服務(wù)建立不同的分支部門，形成了決策、管理、服務(wù)三位一體的機構(gòu)職能。斯坦福大學(xué)和劍橋大學(xué)的信息化組織機構(gòu)最為健全，其中，斯坦福大學(xué)設(shè)立了CIO辦公室、戰(zhàn)略服務(wù)部、企業(yè)技術(shù)部等7個部門；劍橋大學(xué)除上述7個核心部門外，還設(shè)立了負責(zé)全校信息化頂層設(shè)計的架構(gòu)部和負責(zé)校級核心業(yè)務(wù)的大項系統(tǒng)部。國外一流大學(xué)在建設(shè)智慧教育時都不再是建設(shè)單一的智慧教室來滿足某一教學(xué)功能，基本實現(xiàn)了從IT管理向IT治理的轉(zhuǎn)變，并將IT治理的核心觀念貫穿到各部門業(yè)務(wù)職能中，非常重視IT發(fā)展和大學(xué)整體愿景之間的關(guān)聯(lián)與互促。同時，深切意識到保護師生個人信息與教學(xué)科研成果信息安全的重要性，信息風(fēng)險和安全管理已成為各高校共同的關(guān)注重點，為我國的智慧校園建設(shè)提供了很好的借鑒。

3 高職智慧課堂建設(shè)的目標

北京市高等教育學(xué)會在《中國現(xiàn)代教育裝備》期刊發(fā)表的《高等學(xué)校智慧教室建設(shè)技術(shù)要求》中明確：高等學(xué)校智慧教室建設(shè)應(yīng)遵循教育部《高等學(xué)校數(shù)字校園建設(shè)規(guī)范（試行）》的總體要求，以“統(tǒng)籌、集約、綠色、發(fā)展、開放、共享、安全”為原則，根據(jù)實際情況按需建設(shè)[5]。新一代智慧教室將集多媒體教學(xué)、可視化教學(xué)質(zhì)量管理、智慧課堂、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源、多媒體設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化管理于一體[6]。5G+AI環(huán)境下高職實訓(xùn)教學(xué)智慧課堂主要目標是以5G+AI技術(shù)為基礎(chǔ)，聚焦人臉識別、行為分析、智能語音、視頻結(jié)構(gòu)化、大數(shù)據(jù)技術(shù)與教學(xué)的深度融合，開發(fā)簡易平臺，打通人臉點名、考勤、教學(xué)錄轉(zhuǎn)播、行為分析、語音識別等應(yīng)用壁壘，實現(xiàn)人臉點名考勤管理、課堂行為分析、示范教學(xué)、仿真實操、教學(xué)數(shù)據(jù)分析、教學(xué)視頻錄轉(zhuǎn)播、實訓(xùn)課程資源庫、實訓(xùn)回放分析[7]、場外實時指導(dǎo)等功能，滿足教師、學(xué)生等角色在技能傳授中的需求，探索建立以實訓(xùn)教學(xué)為核心的5G+AI實訓(xùn)教學(xué)智慧課堂整體解決方案，逐步整合“教”“學(xué)”“管”“評”的綜合功能[8]。通過智慧課堂的開發(fā)和升級，高職的實訓(xùn)教學(xué)能達到以創(chuàng)新能力為導(dǎo)向，并融合相應(yīng)的社會真實案例作為載體，提升學(xué)生的技能創(chuàng)新能力和實踐操作能力[9]，并適當將智慧課堂作為支撐延伸至整個教學(xué)過程。

4 高職智慧課堂建設(shè)的可行性分析

1）基于5G+AI環(huán)境的高職智慧課堂建設(shè)研究是符合當下職業(yè)教育培養(yǎng)大國工匠精神的，它適應(yīng)我國職業(yè)教育的發(fā)展和要求，是深化教育教學(xué)改革，創(chuàng)新教育方法，探索多種方式形成各類拔尖技能人才的時代要求。

2）本研究具有很強的操作性和實踐性，又具有很強的創(chuàng)新性，既應(yīng)用了當前最先進的5G技術(shù)，也結(jié)合了不斷融入教學(xué)的AI技術(shù)，符合湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院在職業(yè)教育的理念，而且該校在2017年就開始應(yīng)用先進信息化技術(shù)教學(xué)，建設(shè)了基于AI技術(shù)的汽車虛擬仿真實訓(xùn)室。

3）本研究以先進5G技術(shù)為基礎(chǔ)，聚焦人臉識別、行為分析、智能語音、視頻結(jié)構(gòu)化、大數(shù)據(jù)技術(shù)與教學(xué)的深度融合，建立以課堂為核心的5G智慧教室整體解決方案，是5G技術(shù)和AI技術(shù)融合應(yīng)用到教學(xué)中很好的案例。

4）在2020年初由于受新冠疫情的影響，各高校加速推動學(xué)院的信息化教學(xué)模式的改革，特別是線上教學(xué)的教、考、評一體的模式在不斷升級更新。

5 高職智慧課堂建設(shè)的內(nèi)容研究

在高職院校專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)中，需要根據(jù)專業(yè)技能講授需求不同，探索如何在實訓(xùn)教學(xué)中技能訓(xùn)練前、訓(xùn)練中和訓(xùn)練后的全教學(xué)生命周期中，在各個環(huán)節(jié)適當選擇部署移動式、桌裝式、固定安裝式等多種前端設(shè)備，覆蓋近景拍攝、全景拍攝、音視頻錄制等能力。調(diào)用相應(yīng)的操作行為數(shù)據(jù)包，通過AI算法實現(xiàn)操作動作流程的合規(guī)監(jiān)測與評價。

合理利用以上通信技術(shù)和人工智能技術(shù)，總體的研究內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，在實訓(xùn)教學(xué)前能采用結(jié)合教學(xué)平臺的方法布置任務(wù)，明確重難點，適當?shù)靥峁┠承┲仉y點的解決視頻，有效地引導(dǎo)學(xué)生自我學(xué)習(xí)。其次，實訓(xùn)課堂教學(xué)全過程智慧化是本課題研究的主體，實訓(xùn)教學(xué)設(shè)計為三大模塊，即技能訓(xùn)練實操學(xué)習(xí)模塊、校內(nèi)觀摩學(xué)習(xí)模塊、校外觀摩和專家實時指導(dǎo)模塊。具體情況為：1）在實訓(xùn)室內(nèi)技能操作講授模塊，通過在實訓(xùn)室部署可實現(xiàn)移動式、桌裝式、固定安裝式等多種部署方案，滿足技能實訓(xùn)過程中對操作的近景細節(jié)拍攝、全景拍攝、專業(yè)儀器圖像錄入、聲音采集、音視頻播放[10]、數(shù)據(jù)存儲、解碼投屏等功能的需求，最好能輔以行為判別，對危險動作加以警示。2）在校內(nèi)觀摩學(xué)習(xí)模塊，在系統(tǒng)內(nèi)部部署直播推流設(shè)備，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)，通過安卓手機掃碼、IP鏈接打開等方式實時預(yù)覽實訓(xùn)教學(xué)的直播視頻，并輔以交互式手段，滿足學(xué)生即使不在場也能正常進行技能學(xué)習(xí)的需求[11]。3）在校外觀摩和專家實時指導(dǎo)模塊，通過網(wǎng)絡(luò)連通，部署錄播終端、全景攝像機、音箱系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、拾音系統(tǒng)等，可以實現(xiàn)與實驗實訓(xùn)室之間的音視頻互動，完成“點對點”“點對面”等多種視頻傳遞方式的業(yè)務(wù)要求，滿足校外專家實時連線指導(dǎo)的需求。4）在實訓(xùn)課堂教學(xué)后，應(yīng)有效地提供課堂中的數(shù)字教學(xué)資源給學(xué)生、老師和教學(xué)督導(dǎo)等，分別方便學(xué)生回顧、復(fù)習(xí)，老師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)技能情況，督導(dǎo)對教學(xué)全程進行指導(dǎo)、評價等。

為適應(yīng)智慧實訓(xùn)室的智能化建設(shè)需要，設(shè)計和規(guī)劃期就應(yīng)該合理采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)，可對智慧教室各類信息化設(shè)備高度整合，具有高擴展性，可以實現(xiàn)智能化控制、智能化數(shù)據(jù)快速推送、智能化管理。智慧實訓(xùn)室的智慧管理系統(tǒng)具有以下重要功能：智能控制、IC卡（或人臉識別）管理、智能顯示和智能識別等。

6 高職智慧課堂建設(shè)創(chuàng)新性分析

1）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用、音視頻技術(shù)、高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用使得專業(yè)操作類學(xué)習(xí)不再受地域限制，尤其在疫情防控時期，起到了減少人員流動和接觸的效果；實訓(xùn)操作教學(xué)過程全錄制（近景+遠景+音頻），可備學(xué)生課后自查提高和學(xué)生間相互借鑒學(xué)習(xí)，學(xué)生操作過程音視頻向觀摩室實時轉(zhuǎn)播，同時支持視頻回放，為校外的專家實時指導(dǎo)提供條件[12-13]。

2）5G高帶寬、低時延的特點，為整個實訓(xùn)教學(xué)過程從課前、課中、課后提供通信支撐。

3）AI技術(shù)賦能學(xué)生身份認證，自動巡航，結(jié)合2D視覺識別算法和3D圖像分析算法，提升實操動作規(guī)范性的識別精準度，實現(xiàn)對操作工藝和操作流程的實時合規(guī)檢測，有效防止學(xué)生翹課。

4）課堂教學(xué)全過程視頻素材可以存放在中心存儲設(shè)備中，可供下載與在線發(fā)布，有助于院校教學(xué)資源沉淀并形成自己的資源體系，進一步開發(fā)出社會培訓(xùn)課程資源庫，開展社會、行業(yè)、企業(yè)的職業(yè)技能培訓(xùn)，創(chuàng)新服務(wù)模式、促進資源共享等等。