5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室建設(shè)探究

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)；遠(yuǎn)程互動(dòng)；智慧教室建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）25-0107-03

0 引言

近年來(lái)，人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)不斷發(fā)展，在這些新技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的背景下，教育也隨之從傳統(tǒng)走向智慧，開(kāi)啟了教育信息化、智能化的新時(shí)代，高科技賦能教育，教育也為科技發(fā)展帶來(lái)更多的想象空間和應(yīng)用場(chǎng)景[1]。教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》明確指出：大力推進(jìn)智能教育，開(kāi)展以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教學(xué)環(huán)境建設(shè)，利用智能技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革，探索泛在、智能、靈活的教育教學(xué)新環(huán)境建設(shè)與應(yīng)用模式。隨著5G時(shí)代到來(lái)，也為教育應(yīng)用提供了更強(qiáng)大的動(dòng)力支持。在這樣的背景下，互動(dòng)探究式、自主開(kāi)放性的智慧教學(xué)場(chǎng)景建設(shè)便成為越來(lái)越多高校教育技術(shù)工作者研究的主要問(wèn)題，而5G+遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室的建設(shè)是其中最具代表性的項(xiàng)目之一。它的最大特色在于利用具有高傳輸率、低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、大連接能力、低功率消耗特性的5G網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)、VR、云存儲(chǔ)等先進(jìn)技術(shù)，搭載智能的教室管控系統(tǒng)以及高科技的配套硬件設(shè)施[2]，可以擺脫時(shí)空限制實(shí)現(xiàn)異地?zé)o感知的教學(xué)，讓學(xué)生足不出戶(hù)就可以享受到學(xué)校的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程互動(dòng)支持實(shí)現(xiàn)對(duì)師范教學(xué)基地、企業(yè)實(shí)訓(xùn)中心或中小學(xué)校實(shí)時(shí)互動(dòng)教學(xué)，為學(xué)習(xí)者提供身臨其境的課堂體驗(yàn)效果和隨時(shí)隨地的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)服務(wù)，讓教與學(xué)的過(guò)程變得毫無(wú)障礙、畫(huà)面更清晰、智能物聯(lián)更穩(wěn)定、通話音質(zhì)更流暢。

1 遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室設(shè)計(jì)理念與框架

基于5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境打造的涵蓋遠(yuǎn)程互動(dòng)黑板、錄播、VR直播在內(nèi)的遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，可以通過(guò)高清視音頻通信與多媒體協(xié)作，實(shí)現(xiàn)師生校內(nèi)校外、線上線下的實(shí)時(shí)交流，為學(xué)習(xí)者提供身臨其境的課堂體驗(yàn)效果和隨時(shí)隨地的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)服務(wù)，可以支持各種條件下的教學(xué)、培訓(xùn)、研討等，還能通過(guò)云平臺(tái)面向全市分享優(yōu)質(zhì)互動(dòng)課堂平臺(tái)和資源。

1.1 提供智能化的教學(xué)環(huán)境

遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室的建設(shè)將分散的軟硬件教學(xué)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，為師生提供了可視化、移動(dòng)化、舒適化的教學(xué)環(huán)境。教師通過(guò)智能講臺(tái)上的“一鍵上課”按鈕或手機(jī)掃碼就能開(kāi)啟教學(xué)所需的投影、電子黑板、觸屏一體機(jī)、音響等設(shè)備，可以方便快捷地開(kāi)啟專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、研究型教學(xué)等互動(dòng)教學(xué)，通過(guò)大屏進(jìn)行教學(xué)書(shū)寫(xiě)，投屏分享各類(lèi)文件資料，學(xué)生也可實(shí)現(xiàn)異地實(shí)時(shí)參與課堂互動(dòng)教學(xué)，通過(guò)移動(dòng)端投屏分享學(xué)習(xí)內(nèi)容。

1.2 促進(jìn)與學(xué)科內(nèi)容相融合

通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)手段，改變傳統(tǒng)單一的以文本表示知識(shí)的形式，使學(xué)生的認(rèn)知內(nèi)容和認(rèn)知方式變得更自然、更人性化。后期形成一整套“資源整合型”的信息技術(shù)與學(xué)科內(nèi)容相融合的教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)建具有學(xué)校教育教學(xué)特色，且能推動(dòng)學(xué)生信息素養(yǎng)提升的校本數(shù)字化教育資源體系。

1.3 推動(dòng)課堂形式的變革

遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室打破傳統(tǒng)的教室布局，教室的課桌擺放形式多樣，擯棄了傳統(tǒng)講臺(tái)，讓教師深入學(xué)生中間，面向?qū)W生教學(xué)并直接小組討論，使課堂從教師主導(dǎo)轉(zhuǎn)為學(xué)生主導(dǎo)，從教師講授變?yōu)閷W(xué)生研討，促進(jìn)教師的教和學(xué)生的學(xué)深度融合。

1.4 提升信息化建設(shè)水平

對(duì)管理者而言遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室通過(guò)教學(xué)平臺(tái)的覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的統(tǒng)一管理和維護(hù)以及教學(xué)資源的存儲(chǔ)、匯聚、共享。

1.5 促進(jìn)教育資源共享

通過(guò)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享、輻射，促進(jìn)不同學(xué)校教師之間的學(xué)習(xí)交流，推動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新，提高教學(xué)質(zhì)量，緩解優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源不均衡問(wèn)題。

1.6 實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)測(cè)評(píng)

基于5G的智慧教學(xué)環(huán)境下可以采集大量數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)效果進(jìn)行全方位立體化測(cè)評(píng)[3]，根據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果教師還可以有針對(duì)性地開(kāi)展輔導(dǎo)，提升教學(xué)效果。同時(shí)也可以對(duì)教師教學(xué)進(jìn)行真實(shí)、公開(kāi)、公正的評(píng)價(jià)，提高教師教學(xué)水平。

2 遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室建設(shè)內(nèi)容

5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室建設(shè)主要包含：顯示部分、智能控制、高清錄播系統(tǒng)、擴(kuò)聲部分、課桌椅部分及環(huán)境提升部分等。通過(guò)多媒體技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及音視頻處理等相關(guān)技術(shù)的結(jié)合，將教室智能控制系統(tǒng)、無(wú)線顯示系統(tǒng)、分組討論等系統(tǒng)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、以問(wèn)題為導(dǎo)向、以討論引導(dǎo)學(xué)習(xí)的新型教學(xué)方式，將學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化過(guò)程轉(zhuǎn)移至課堂，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣和自我學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維、邏輯思辨能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和溝通能力。

2.1 5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)

遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室采用的是5G定制網(wǎng)，它以5G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接、計(jì)算、智能等全部數(shù)字化能力的“融合定制”，有“致遠(yuǎn)”“比鄰”“如翼”三類(lèi)定制網(wǎng)服務(wù)模式。本課題5G環(huán)境采用“比鄰”模式打造如圖2所示，通過(guò)新建5G室外基站搭建5G無(wú)線網(wǎng)接入環(huán)境。用戶(hù)數(shù)據(jù)經(jīng)STN-A、STN-B、城域ER等節(jié)點(diǎn)傳至UPF，UPF分流數(shù)據(jù)通過(guò)政企專(zhuān)線接入校園，滿(mǎn)足VR/AR課程、教學(xué)直播錄播等業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要。

2.2 新型智慧物理空間設(shè)計(jì)

內(nèi)部環(huán)境設(shè)計(jì)結(jié)合色彩、照明、容量等相關(guān)因素展開(kāi)，打造舒適友好的物理空間。教室墻壁選用淺色調(diào)，其反光性能有效提高人物面部亮度，提高攝像質(zhì)量；課室照明系統(tǒng)選用非直射三基色燈，白熾燈型（色溫在3 200 K左右）或日光型（5 600 K左右），對(duì)于講臺(tái)區(qū)域，采用分區(qū)管理不同的光照區(qū)域，在投影屏幕前設(shè)置可調(diào)光源，避免強(qiáng)光照射投影屏幕區(qū)，同時(shí)，在講臺(tái)上方設(shè)置一個(gè)燈光區(qū)域，以調(diào)節(jié)講臺(tái)的光線，使之更柔和，亮度更均勻；室內(nèi)配置可移動(dòng)的折疊桌椅，支持多種拼接方式，可開(kāi)展小組討論、PBL教學(xué)、會(huì)議討論等不同類(lèi)型的活動(dòng)。技術(shù)環(huán)境則對(duì)室內(nèi)各種環(huán)境因素、主要設(shè)施進(jìn)行智能集中調(diào)控，從而創(chuàng)造新型智慧的教學(xué)場(chǎng)景。

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能環(huán)境管理

教室內(nèi)配置了嵌入式CPU的智能融合信息終端，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的一鍵控制或模式控制，師生無(wú)須專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)即可自主操作。同時(shí)，設(shè)備具有擴(kuò)展性，支持實(shí)時(shí)語(yǔ)音廣播、定時(shí)廣播任務(wù)接收與播放，并能夠在緊急情況下對(duì)教室進(jìn)行語(yǔ)音廣播；具備手機(jī)掃碼功能，微信小程序掃碼即可直接控制教室設(shè)備；預(yù)留相關(guān)物理控制功能，支持通過(guò)集中管理軟件及微信小程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)終端設(shè)備及物聯(lián)燈光控制進(jìn)行手動(dòng)、定時(shí)集控管理，真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)設(shè)備的智能物聯(lián)管控。

2.4 高清錄播系統(tǒng)

觸控錄播主機(jī)集成了遠(yuǎn)程互動(dòng)主機(jī)、導(dǎo)播主機(jī)、顯示觸控屏、視頻編解碼器、音頻處理器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等多個(gè)傳統(tǒng)設(shè)備，支持遠(yuǎn)程文件傳輸機(jī)制，可以將錄制的課程資源通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)上傳到校園資源平臺(tái)；內(nèi)置的音頻處理模塊，自帶回聲抑制、噪聲消除以及自動(dòng)增益等音頻DSP處理，能夠有效保障互動(dòng)過(guò)程中，本地和遠(yuǎn)端教室都能夠得到清晰、準(zhǔn)確的語(yǔ)音效果；導(dǎo)播系統(tǒng)能智能實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)況全程拍攝，完整地還原教師講解、學(xué)生聽(tīng)課、互動(dòng)討論等各個(gè)環(huán)節(jié)的授課情況，實(shí)現(xiàn)了日常教師授課的高效優(yōu)質(zhì)錄制。

2.5 VR 直播系統(tǒng)

智慧教學(xué)場(chǎng)景使用支持機(jī)內(nèi)8K拼接輸出、分辨率高、畫(huà)質(zhì)好的全景相機(jī)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)360度場(chǎng)景的采集。相機(jī)內(nèi)部直接進(jìn)行4K/8K的視頻拼接，使用5G+RTMP的推流協(xié)議，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)快速高效地將采集的視頻流傳輸給VR直播平臺(tái)，再通過(guò)VR一體機(jī)、手機(jī)或電腦端展現(xiàn)給師生。

2.6 紅外擴(kuò)聲系統(tǒng)

教學(xué)擴(kuò)聲是課堂教學(xué)的重要組成部分。通過(guò)對(duì)教室環(huán)境、教學(xué)特點(diǎn)、管理方式等因素的分析，智慧教學(xué)場(chǎng)景內(nèi)配置了智能化的掃聲系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用850 nm紅外光線進(jìn)行音頻傳輸，由于紅外光線的物理特性非常適合高密度使用環(huán)境，能夠很好地彌補(bǔ)其他無(wú)線技術(shù)的缺陷，充分滿(mǎn)足了教學(xué)教育應(yīng)用的需求。

3 遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室建設(shè)意義

教學(xué)是教育的核心業(yè)務(wù)，而課堂是教學(xué)活動(dòng)發(fā)生的主要場(chǎng)所。基于5G環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新興技術(shù)在多媒體教室的應(yīng)用，智慧教育在教學(xué)效果、教學(xué)創(chuàng)新、教學(xué)智能、教學(xué)資源覆蓋等方面都得到了極大的提升，遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室的建設(shè)也變得意義重大。

3.1 解決教育資源的公平性問(wèn)題

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，優(yōu)質(zhì)師源覆蓋范圍小、無(wú)法共享，城鄉(xiāng)教育資源不均衡的問(wèn)題日益凸顯，而5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室通過(guò)音視頻流、VR直播等技術(shù)可以將不同地點(diǎn)的課堂連接起來(lái)，打造名師遠(yuǎn)程互動(dòng)課堂。大、中、小學(xué)的教學(xué)名師通過(guò)遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教學(xué)環(huán)境，講授的優(yōu)質(zhì)公開(kāi)課可以突破時(shí)間空間限制，借助于超高清可交互的教學(xué)平臺(tái)實(shí)時(shí)展示，聆聽(tīng)者還可以與名師展開(kāi)交流互動(dòng)，這不僅為培養(yǎng)高素質(zhì)教師提供了優(yōu)質(zhì)資源，也縮小了區(qū)域、城鄉(xiāng)、校際優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的差距，讓每個(gè)學(xué)生都能夠享受到優(yōu)質(zhì)的教育資源。

3.2 創(chuàng)建VR 仿真學(xué)習(xí)環(huán)境

5G遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室配備超大屏4K/8K級(jí)別顯示設(shè)備，加上5G毫秒級(jí)延遲時(shí)間及百兆傳輸速率，融合VR技術(shù)構(gòu)建虛擬空間，構(gòu)造虛擬場(chǎng)景，如地震、消防等自然災(zāi)害場(chǎng)景，飛機(jī)駕駛、醫(yī)學(xué)手術(shù)等高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，太空、深海等科普教學(xué)場(chǎng)景，將抽象的知識(shí)可視化、形象化地展示，為學(xué)生提供傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境無(wú)法實(shí)現(xiàn)的個(gè)性化、沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，滿(mǎn)足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)需求，不斷提升學(xué)生獲取知識(shí)的積極性和主動(dòng)性。

3.3 構(gòu)建“三個(gè)課堂”混合教學(xué)模式。

融合5G＋遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室及相關(guān)企業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源，打造線上、線下、企業(yè)授課的混合教學(xué)模式，校內(nèi)課堂學(xué)習(xí)理論知識(shí)，企業(yè)課堂完成實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練，這種混合教學(xué)模式可以使教學(xué)更生動(dòng)形象，讓學(xué)生獲得更真實(shí)的體驗(yàn)，也進(jìn)一步擴(kuò)大了優(yōu)質(zhì)資源的覆蓋面，促進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)實(shí)踐深度融合，提升了學(xué)校教育信息化建設(shè)水平。

3.4 采集個(gè)性化教與學(xué)分析數(shù)據(jù)

通過(guò)高清課堂錄播系統(tǒng)和在線課堂互動(dòng)平臺(tái)，記錄教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程，并對(duì)此進(jìn)行整體與個(gè)體、教師端與學(xué)生端的全方位數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析。這有助于獲得有效的教學(xué)評(píng)價(jià)和學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)情況[4]，幫助教師及時(shí)對(duì)教學(xué)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)學(xué)生數(shù)據(jù)分析定制個(gè)性化的教學(xué)內(nèi)容，不斷提升教學(xué)效果。同時(shí)教師還能根據(jù)教學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)劃自身的成長(zhǎng)路徑，有利于教師的個(gè)人發(fā)展。

3.5 開(kāi)展研討交流和學(xué)科競(jìng)賽

5G遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室配置了可移動(dòng)拼接桌椅、人機(jī)交互顯示設(shè)備、手機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)等、便于校內(nèi)師生以及校外專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展線上線下的研討交流；360°全景直播設(shè)備也為高校各類(lèi)學(xué)科競(jìng)賽的線上開(kāi)展提供了高清晰度視頻和高保真音效，大大提升了互動(dòng)效果。

4 總結(jié)

綜上所述，基于5G技術(shù)打造涵蓋遠(yuǎn)程互動(dòng)黑板、錄播、VR直播在內(nèi)的遠(yuǎn)程互動(dòng)智慧教室，不僅能推動(dòng)高校與各中小學(xué)的深度融合和資源共享，與現(xiàn)場(chǎng)師生共同參與智慧課堂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升老師的教學(xué)水平，還能為教學(xué)提供舒適易用的現(xiàn)代化多媒體環(huán)境，打造智能化、感知化、泛在化的教學(xué)新模式，增強(qiáng)學(xué)生個(gè)性化、精細(xì)化、沉浸式的學(xué)習(xí)新特征[5]，提升學(xué)校教學(xué)信息化應(yīng)用水平。