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BVR
智慧
教育
中的
应用
挑战
第34卷第3期2023年5月广西广播电视大学学报JOURNAL OF GUANGXI OPENUNIVERSITYVol.34 No.3May.2023“5G+VR”i在智慧教育中的应用及挑战*李心蓓王竹新王娟(江苏师范大学智慧教育学院,江苏徐州221116)摘要5G作为新一代信息基础设施的重要组成部分,在4G的基础上进一步实现了技术突破与硬件升级,其凭借自身特性和优势与VR融合创新,打造教育应用场景,呈现新的教学体验,有助于进一步提升教育效果,推动虚拟现实在教育教学中的深入应用。文章探索“5G+VR”在智慧教育中的应用场景,在分析“5G+VR”在智慧教育中应用现状的基础上,从课堂教学、虚拟实验室、虚拟校园和远程教学四个方面探讨其应用场景,从核心技术、人才培养以及教学内容三个方面揭示了其面临的挑战并提出了应对策略。关键词5G;VR;智慧教育;应用场景;优势;挑战中图分类号 G434文献标识码 A文章编号】10 0 8-7 6 56(2 0 2 3)0 3-0 0 0 5-0 6引言5G时代的来临为智慧教育注入了新动能,5G作为高质量载体,可以实现高速率传输,5G的高速率、超大连接和超低延时性使它成为虚拟体验升级的密钥,更为重要的是,5G和VR具有较强的适配性,因而能促进两者的融合创新。2 0 19年,5G技术与虚拟现实技术相结合,将其引人教育教学,可以使学生更好地沉浸到虚拟现实教育情境中,从而提升学习效果。2 0 2 1年,我国教育部等六部门印发的关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见指出,要进一步深化5G的应用,运用感知交互、仿真实验等设备,打造生动直观的新课堂。2 0 2 1年,工业和信息化部等十部门印发的5G应用“扬帆”行动计划(2 0 2 1-2 0 2 3年)强调加快对5G教学终端设备及虚拟现实教学数字内容的研发,结合VR技术打造沉浸式课堂,实现场景化交互教学,加大5G在智慧课堂等场景的推广。因此,5G和VR的*【基金项目2 0 2 1年江苏高校哲学社会科学研究重大项目“人工智能视域下在线教育治理机制与路径研究”(编号:2 0 2 1SJZDA161);2022年江苏师范大学研究生实践创新计划项目“基于OMO教学模式的初中人工智能课程内容设计研究”(编号:2022XKT1495)收稿日期2 0 2 3-0 4-0 3融合创新对推进智慧教育建设具有重大且长远的意义。5G的加持会给师生带来新的教学体验,打造出互动化、个性化、沉浸式课堂,从而推动“5G+VR”在智慧教育中的应用,给教育带来新的变革。搭载5G技术,利用VR为用户创造沉浸式互动体验,契合新一代信息技术发展需求,也符合“新基建”的倡导。推进5G和VR的深度融合并应用于智慧教育是顺应教育现代化的必然要求,同时也是推进“5G+智慧教育”建设的重要举措。因此,我们需要深人探讨并不断推进“5G+VR”在智慧教育中的应用,同时应对可能面临的技术、人才、教学内容、伦理、安全等方面的挑战。一、“5G+VR”在智慧教育中的应用(一)“5G+VR”在智慧教育中的应用现状5G和虚拟现实技术作为新一代信息技术,并非孤立存在,而是以智能化为主线交融共生、以相互赋能作为协同演进的动力 2。5李心蓓等/著1.问题的提出2019年,霍奇森等学者通过实验法得出研究结论:在课堂沉浸式虚拟现实中,学生表现出更高的学习满意度,虚拟现实技术辅助教学既可以发挥激励作用,还能抓住学习者的注意力。然而,施瓦策等学者发现,虚拟现实常见的问题是系统可能引发晕动症,分散用户的注意力,这也是未来虚拟现实技术研究要解决的问题之一。2虚拟现实产业发展白皮书发布自2 0 19 年中国正式迈入5G商用元年以来,5G的建设速度不断加快。虚拟现实产业发展白皮书(2 0 19 年)指出,虚拟现实技术和5G技术的快速发展,增强了虚拟现实设备的使用体验,用户的认可度不断提升。虚拟现实产业发展白皮书(2021年)提出5G云VR智慧教育解决方案,让不同地区的学生体验沉浸式、低时延共享课堂,推动优质教育均衡发展。3.发展与变化通过对比2 0 19年和2 0 2 1年的虚拟现实产业发展白皮书发现,在经历了VR元年以及2017年的VR遇冷之后,虚拟现实产业发展势头逐渐向好的方向发展,VR与相应技术的结合也催生了新业态、新模式的出现,呈现高速发展的趋势。5G与VR的融合创新已在教育领域有所应用,例如,中国移动(成都)产业研究院、中国科学技术馆等联合研发的“5G+VR智慧科普教育平台”,用于支持四川?山的师生与成都市泡桐树小学师生同步课堂教学和学习,教师与学生在“直/录播授课教室”上课,“接收教室”播放课堂画面,课堂还配有VR头显,这两种形态的教室统称为“5G+VR智慧教室”。但是,与其他很多领域相比,教育领域关于“5G+VR”的关键技术或产品相对较少,5G对于VR发挥的作用在教育领域并不是立竿见影的,但是发展前景是可观的。2021年,全球虚拟现实产业进人新一轮爆发期,为5G与VR的融合创新提供了更多的机遇。华中科技大学在“5G+VR在线虚拟直播”解决方案中提出,将教学中的场景、人员、知识以及技术进行多方面的联动,创新学习方式。在5G的加持下,虚拟现实在智慧教育中的应用不断增多,从而促进了教学效率的提高,“5G+VR”在智慧教育中的应用使得原有VR视频的画面感和体验感6“5G+VR”在智慧教育中的应用及挑战得到了大幅度提升,从而促进了教育形式的优化。5G凭借其特有的技术优势进一步促进了在线VR教育的发展。(二)“5G+VR”在智慧教育中的应用场景“5G+VR”在智慧教育中的应用场景以“5G+VR”的技术优势作为支撑进行构建,因此,本文在分析“5G+VR”的技术优势的基础上,进一步阐述了对应用场景的构建。1“5G+VR”在智慧教育中的技术优势(1)高质量载体:高速率传输5G作为高质量载体具有高速率传输的特点。VR视频不论是占用内存量还是终端的运算量都远高于普通视频,一段超高清的VR全景视频在4G网络下是难以实现流畅播放的,而在5G网络下便可以实现实时的流畅播放,且画面质量会得到提升。另外,基于5G的高速率这一特点,VR的3D计算机图形处理和3D音效也会达到更好的效果。因此,与4G网络相比,5G网络可以展现更清晰的画质、更流畅的交互,让用户获得更好的体验。(2)虚拟体验升级密钥:超大可靠性、超低延时性5G网络在技术上能够同时实现高速率、超大连接和超低延时性,在网络低延时的情况下,仍能实现超高速率。在VR技术中,头部运动跟踪、手势感应等都需要足够低的网络时延。5G网络可以在很大程度上减少由于网络延迟而导致的眩晕感,提升学生在VR课堂上的体验感,增加学生学习的热情,使得“5G+VR”给智慧教育带来深层次的改变。此外,5G网络的超高可靠性可以保障数据的安全和准确,学生在享受丰富多彩课堂的同时,数据隐私安全也能够得到保障。(3)合作搭档:5G和VR的较强适配性要充分发挥虚拟现实技术的作用,需要良好的通信网络。5G和VR具有较强的适配性,5G的高速率改善了VR视频的画面质量和观看体验,并使VR技术在维度空间上得到拓展,连通了用户与多元场景之间的全方位、沉浸式联系。5G的技术优势契合VR所需要的网络支持,同时为虚拟现实技术在智慧教育中的应用带来了更多机遇,也进一步印证了5G和VR的较强适配性。基于上述三点,5G之于4G对VR的重要性和必要性便可以体现出来,5G和VR作为技术支撑,第34卷第3期2023年5月为应用场景的构建奠定了坚实的基础。5G的普及,将突破VR发展的数据传输瓶颈,VR教育领域的一些重要平台和关键技术将取得突破性进展4。2.“5G+VR”在智慧教育中的应用场景构建虚拟现实教育是“5G+智慧教育”的重要领域,其应用场景的建构对于5G时代下虚拟现实教育的发展十分重要。中国联通“5G+智慧教育”典型应用场景白皮书从定义、政策背景、应用场景以及网络要求等方面对“5G+虚拟现实教育”进行了深入阐述,本文结合“5G+虚拟现实教育”应用场景和现阶段已有的研究,对“5G+VR”在智慧教育中的应用场景构建从四个方面开展了进一步的论证,其整体框架如图1所示。虚拟校园1VR+5G校园网图1“5G+VR”在智慧教育中的应用场景图(1)课堂教学:打造全面沉浸化的课堂教学传统4G环境下的VR课堂,虽然相较于普通课堂教学更具有数字化、沉浸式的效果,但是网络延迟带来的眩晕感、画面质量不稳定、视场角度不全等会影响学生参与课堂教学的体验感。在5G网络的支持下的VR课堂,知识点从抽象化转变为可视化、形象化,达到了更高的知识留存率;虚拟现实技术下的角色扮演在进行虚拟场景语义交互、物件交互以及游戏交互时,在高速率、低延时的5G网络支持下,其交互性进一步增强,不论是现场氛围的体验感还是交流细节的体验感都会更加沉浸、丰富、持久;在不同学科中,VR将学习内容进行情境创建,使抽象的概念理论形象化,进一步增强学生的参与感,使学习更加投人。5G的加持使得学生体验到更好的画面质量,从而提高了学习的兴趣和主动性,使得全面沉浸化学习体验成为可能。5G时代,课堂教学与虚拟现实技术的融合实现物理沉浸、感官沉浸与心理沉浸,实现师生教学深度沉浸化。广西广播电视大学学报JOURNAL OF GUANGXI OPENUNIVERSITY在VR多媒体教室中,学生可进行“太空场景体验”,通过可视化、形象化的方式,让学生体验到日食的形成过程,教师借助“5G+VR”技术,突破时空的限制,让学生在课堂上实现深度沉浸化。因此,5G网络加持下,VR课堂的体验感和交互性将进一步增强。网络时代,“5G+VR”对线上线下融合的混合式教学改革具有一定的支撑作用,引导教育教学从混合式教学内容及其设计入手,建设相应混合式学习资源。教师可依靠VR(虚拟现实)、AR(增强现实)等形式,对教学方式进行革新,特别是对于一些应用类课程,教师可以重新组织与编排授课内容,充分利用多种媒体手段,化抽象为形象,体现有效的教学交互,同时也可以借助虚拟仿真平台、仿真软件、仿真数据等开发虚拟仿真资源,利用“5G+VR”技术优势,整合无形的“情”和有形的“境”,让学生由情入境,开展沉浸式学VR课堂5G+VR虚拟实验室Vol.34 No.3May.2023远程教学习,产生乐学与愿学的欲望,提升学习效能。()虚拟实验室:拓展身临其境的实验空间虚拟实验室就是以计算机网络为核心将虚拟仪器通过网络连接起来以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统,其具有透明性、互动操作性、用户自主性以及安全性等特点,是传统实验室难以比拟的9。虚拟实验室通过三维模型和训练环节能够有效地集中学生注意力,提高学生动手能力,促进学生转变被动接受的固化思维0。在5G时代,利用VR打造的虚拟实验室所带来的体验感会进一步增强,不论是VR视频的流畅性还是真实性都会得到提升。此外,在“5G+VR”加持下,由于设备运算速度的提高,设备将会向轻量化发展,进而使得虚拟实验室更加便利,从而促进了“5G+VR”虚拟实验室的普及。例如,井冈山大学的目标是建立多层次、多形式的VR虚拟现实实训室,旨在提供一种开放、创新的教学模式,将交互、自主、沉浸、多感知等特点融合到教学实训中,可根据教学内容及需求实现“展示”“教学”“实训”“教学资源创作”等功能。(3)虚拟校园:构建与体验无边界的5G虚拟校园网虚拟校园是虚拟现实技术在教育中的重要应用,它是利用计算机中的先进技术对教学环境和校园的三维景观进行虚拟演示,让用户可以下载7李心蓓等/著或直接观看,具有很高的应用价值。“无边界”的5G虚拟校园网是搭建虚拟校园的优质载体,师生作为5G虚拟校园网的用户以及虚拟校园网核的核心,在“5G+VR”环境下,可以实现三维可视化虚拟校园内的教学、教务、校园生活等多项人性化服务。“无边界”则是体现在师生无论身处何处都可以直接访问校园网,不需要通过传统的VPN拨号进人校园内网。例如,复旦大学的5G虚拟校园网联合建设项目,目前已经初步建成了一张“无边界5G虚拟校园网”,该5G虚拟校园网在网络时延、传输速率等方面都优于V