“5G+XR”教育場域的構建、要素創(chuàng)新及應用場景

范文蓉，劉 峰

(南京郵電大學教育科學與技術學院，江蘇 南京 210023)

0 引言

目前國內互聯(lián)網(wǎng)教育市場正蓬勃發(fā)展，對利用信息化技術來提高教育質量和教學效率方面有著更加強烈地訴求。同時，教育部于2018 年印發(fā)的“教育信息化2.0 行動計劃”明確提出要充分發(fā)揮信息技術資源優(yōu)勢，改革教育傳統(tǒng)模式，并全力促進新一代信息技術與教育教學的深度結合[1]。近年來，基于新技術環(huán)境指導的體驗式學習方法與實踐逐步成為學術界研究的熱點和趨勢之一，擴展現(xiàn)實XR 作為一種全新的人機交互感知技術，為實現(xiàn)體驗式學習提供了強有力的環(huán)境支持[2]。

然而，在實踐過程中鮮有學校能真正將擴展現(xiàn)實融入課堂，這背后存在諸多原因。當前，我國基礎實施的千兆級網(wǎng)絡難以支持XR 在網(wǎng)絡中的實時傳輸，存在遠程交互延遲、學習資源傳輸慢、渲染過程處理慢等技術問題，嚴重拉低了知識的傳遞效率[3]。而5G技術的超高傳輸速率特性能夠為此帶來生機，成為數(shù)據(jù)流量密集型的XR 實時用戶交互背后的技術支撐。在此背景下，利用5G 技術賦能XR，能夠在實際教育應用場景中實現(xiàn)諸多突破[4]。

1 5G的核心價值及其對教育變革的推動

1.1 XR教學模式的困境

具身認知理論為XR 技術用于教育領域奠定了理論基礎，兩者都強調了身體活動及體驗過程對人類認知塑造的重要性[5]。在XR 教學模式中，學生可以通過視覺、聽覺和觸覺直接與所學內容互動，從而將原本模糊的知識點轉化為具體的互動資源形式，形成有效的認知[6]。然而，在當前動態(tài)、復雜、開放的教學過程中，XR 終端的數(shù)據(jù)收集質量差、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸延遲久、邏輯運算速度低等現(xiàn)實問題，讓學生難以做到在自然的狀態(tài)下去感知和互動，這與具身認知理論完全相悖，使得實際教學中學生認知能力的提升效果大打折扣?？梢?，近乎真實的情境需求以及學生的沉浸式體驗效果無一不對網(wǎng)絡的實時互動傳輸提出了超高要求，全新學習資源、學習工具的開發(fā)迫在眉睫。

1.2 5G的核心價值及其對教育變革的推動

5G 世界統(tǒng)一標準最早于2018 年推出，其實際應用優(yōu)勢被認為主要在增強型寬帶（峰值可達20Gpbs）、高可靠低時延接入（僅為1ms）以及海量物聯(lián)網(wǎng)（連接密度達10Tbps/km2）三大方面，在各行各業(yè)都具有非常廣闊的發(fā)展前景[7][8]。2019 年4 月，中國移動發(fā)布的“5G+智慧教育白皮書”為5G 助力移動智慧教育發(fā)展打造里程碑，移動網(wǎng)絡技術的發(fā)展和網(wǎng)絡教育資源的完善促使以5G為支撐的教育應用逐漸發(fā)展起來，即將推動傳統(tǒng)教學模式的全新變革[9]。

5G 的三大優(yōu)勢能為XR 教學模式提供強有力的網(wǎng)絡技術支持，但絕不僅限于此，更為重要是通過與之融合形成一個“5G+XR”教育場域。在此場域中，5G網(wǎng)絡會激活擴展現(xiàn)實等一系列技術，從而構建三維空間與現(xiàn)實空間有機結合的教學場景，打造數(shù)字道具和實物道具映射組合的教學工具，進行虛擬實踐和現(xiàn)實實踐滲透融合的體驗式學習[10]。

2 “5G+XR”教育場域的構建

通過將5G 通信技術與傳統(tǒng)XR 教學模式深度融合[11]，本文創(chuàng)新地構建出“5G+XR”教育場域。如圖1所示，該場域包括以下幾個部分。

圖1 “5G+XR”教育場域的構建

⑴終端：作為XR 服務的用戶端設備入口，主要工作包括使XR 應用本地化顯示在師生用戶顯示屏中、對教學過程中使用者的位置進行追蹤與定位、提供多樣互動的操作方法、對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行邏輯運算以及渲染輸出高清圖像。

①高清晰度顯示：利用全景拼接等計算機圖像顯示技術構建虛擬場景，并在增強渲染和光場顯示技術的支持下進行圖形渲染，最終輸出到學習者的終端顯示屏中，實現(xiàn)高清晰度顯示功能。

②位置追蹤與定位：通過內置終端的各種感應器、陀螺儀、深度攝像頭、顯示屏等元器件，運用激光定位、紅外光學等技術，精準收集學生的姿態(tài)、方位數(shù)據(jù)信息以及操控軌跡信息，并依照系統(tǒng)邏輯處理規(guī)則進行數(shù)據(jù)轉換。

③多樣互動操控：學生通過基礎鍵鼠操控、遙控、語音識別、手勢識別、腦電波識別和其他控制技術與終端實現(xiàn)多樣交互。

⑵網(wǎng)絡：實現(xiàn)用戶終端與服務平臺之間數(shù)據(jù)暢通的傳輸通道，其部分服務功能需要下一代5G網(wǎng)絡的支撐。5G 的超低時延傳輸保障XR 對低時延交互的要求、大容量的網(wǎng)絡寬帶實現(xiàn)XR 對全景視頻技術和應用信息的傳送，其創(chuàng)新的邊緣計算部署減輕了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Γ瑫r助力于實現(xiàn)更精致的XR教學內容。

⑶平臺：主要提供數(shù)據(jù)管理、終端管理、運營維護等基礎業(yè)務。在5G的支撐下，能夠實現(xiàn)云端運行和圖形渲染等功能，實時返回運算結果至用戶端，用戶根據(jù)信息實現(xiàn)對應的操作，完成應用體驗。

⑷應用：在XR 應用開發(fā)框架下結合通用的圖形開發(fā)引擎研發(fā)各種XR 應用內容，以實現(xiàn)多項邏輯編程、圖形渲染和定位操控等工作，開發(fā)出各式各樣的教學資源。

3 “5G+XR”教育場域中的要素創(chuàng)新

3.1 開發(fā)新型教學資源

傳統(tǒng)的信息化教學中已有文字、圖片、動畫、聲音和錄像等各種形式呈現(xiàn)的教學資源[12]。在擴展現(xiàn)實技術高速發(fā)展環(huán)境下，全息影像、立體視頻、三維動畫、3D打印模型等多種形態(tài)的新型教學資源先后涌現(xiàn)，例如太陽系的三維動態(tài)模型視頻。一些不利于通過傳統(tǒng)教學掌握的內容，被擴展現(xiàn)實等技術形象地表征出來，從而使學習者們更深刻地領會教學內容、掌握課程要領。如圖2所示，在5G 網(wǎng)絡能夠保障學習資源的快速傳輸并能存儲、處理、共享的條件下，教學資源勢必會向著立體化、動態(tài)化、逼真化發(fā)展。

圖2 “5G+XR”教育場域中的新型教學資源

3.2 催生智能教學工具

在“5G+XR”教育場域中，陳舊的教育軟硬件系統(tǒng)將更新?lián)Q代，進而催生更加智能化的教學工具。4G時代，電腦、手機、平板等電子設備為學生們的移動學習提供了良好支持，但對提高學生課堂學習興趣效果并不顯著[13]。到了5G 時代，終端設備將朝著更加智能化、輕便化和人性化的方向演進，比如，以眼鏡、運動服飾等形態(tài)存在的穿戴型產(chǎn)品以及折疊式手機、迷你無人機等智能終端。豐富的終端設備和高速的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可以做到對信息的高質高效采集和高速可靠傳輸，其提供的沉浸式學習體驗將成為激發(fā)學生好奇心和學習興趣的完美解決方案。

3.3 賦能學生多元互動

互動形式單一和情感互動的缺乏是當前學生行為互動的重要問題[14]。“5G+XR”教育場域帶來的改變主要體現(xiàn)在以下兩點：①破除了傳統(tǒng)信息化教學中對主體身體的禁錮。在便攜式可穿戴設備以及5G 高速無線網(wǎng)絡技術的支持下，基于語音、手勢、腦電波信息的交互技術突破了以往的技術限制，給予人充分的物理空間，得以舒適、靈活和自由的進行交互。②增強主體對外部事物的感知能力。在5G 與XR 技術所支持的教學活動中，全新的高清教學資源具有良好的可交互性，對實現(xiàn)情境渲染、模擬仿真非常有利，這給學生帶來了新鮮的感官體驗，學生主體意識增強，對外部事物的感知能力增強，對待學習更加投入。

4 “5G+XR”教育場域的應用場景

4.1 高清交互式課堂教學

高清交互式課堂教學是對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)智慧課堂教學的全新升級。在利用擴展現(xiàn)實技術實現(xiàn)沉浸式教學的過程中，相關移動設備皆可接入5G 網(wǎng)絡，能夠消除網(wǎng)絡時延對人類視覺感知的影響，為學習者提供真正無縫和沉浸式的實時學習體驗。具體實踐創(chuàng)新體現(xiàn)在以下兩點：第一，高度還原了現(xiàn)實情境，使得教師和學生之間、學生之間、學生和機器之間的互動更加多樣化，有助于提高學生的學習體驗和情感交流。第二，5G的高帶寬技術擴大了網(wǎng)絡視頻存儲的可用容量，使渲染后的高清畫質得以無障礙傳輸，提高虛擬環(huán)境的真實感，重塑學生學習體驗。

4.2 實時情景化遠程教學

遠程教育正作為學校教學的重要補充肩負重任[15]?！?G+XR”的組合，在虛擬學習場景建立、多用戶協(xié)作、人機交互等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)網(wǎng)上“面對面”的互動課程，全面改善當前遠程教育系統(tǒng)的整體學習環(huán)境[16]。除此之外，大帶寬的通信技術支持著音頻、視頻傳輸?shù)男枰?，將不同地點的課堂連接起來，為一對一、一對多、多對多的遠程網(wǎng)絡課堂中的師生提供實時的溝通，促進優(yōu)質互聯(lián)網(wǎng)教育資源之間的交流互動和共建共享。

4.3 虛擬仿真實驗教學

傳統(tǒng)的實驗教學主要是在校內開展，且授課時間比較固定，課堂空間也十分局限。在XR 教學中，運用三維虛擬現(xiàn)實技術形成的仿真實驗教學情境，突破了以往在傳統(tǒng)的實驗教學系統(tǒng)中受時間、空間環(huán)境等的諸多約束，為學習者進行親身實踐活動創(chuàng)造了機會。目前已有國內學者開發(fā)出虛擬物理實驗室，為學生提供隨時隨地在真實設備上做實驗的體驗，極大程度上加強了學習者對實踐課程的認知[17]。

5 結束語

5G 的三大優(yōu)勢讓XR 技術在教育領域有了許多新形式的突破，為我國在不同教育階段形成全新形態(tài)的教學模式提供技術支撐，也為教育技術的整體革新與跨越式發(fā)展帶來生機。本文認為，“5G+XR”技術緊密結合而形成的教育場域應用前景十分廣闊，不僅能提高教學資源的動態(tài)性、豐富性，也能在一定程度上彌補傳統(tǒng)教學形式單一的缺陷。但要想真正的在教學中實現(xiàn)“潤物細無聲”的體驗式教學，還需要我們在均衡教學資源、改革教學模式、教師培訓、設備性能等方面做出努力，讓擴展現(xiàn)實技術早日與實際教學相融合。