范文蓉，劉 峰

(南京郵電大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)教育市場(chǎng)正蓬勃發(fā)展，對(duì)利用信息化技術(shù)來(lái)提高教育質(zhì)量和教學(xué)效率方面有著更加強(qiáng)烈地訴求。同時(shí)，教育部于2018 年印發(fā)的“教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃”明確提出要充分發(fā)揮信息技術(shù)資源優(yōu)勢(shì)，改革教育傳統(tǒng)模式，并全力促進(jìn)新一代信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度結(jié)合[1]。近年來(lái)，基于新技術(shù)環(huán)境指導(dǎo)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)方法與實(shí)踐逐步成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)之一，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)XR 作為一種全新的人機(jī)交互感知技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)提供了強(qiáng)有力的環(huán)境支持[2]。

然而，在實(shí)踐過(guò)程中鮮有學(xué)校能真正將擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)融入課堂，這背后存在諸多原因。當(dāng)前，我國(guó)基礎(chǔ)實(shí)施的千兆級(jí)網(wǎng)絡(luò)難以支持XR 在網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)傳輸，存在遠(yuǎn)程交互延遲、學(xué)習(xí)資源傳輸慢、渲染過(guò)程處理慢等技術(shù)問(wèn)題，嚴(yán)重拉低了知識(shí)的傳遞效率[3]。而5G技術(shù)的超高傳輸速率特性能夠?yàn)榇藥?lái)生機(jī)，成為數(shù)據(jù)流量密集型的XR 實(shí)時(shí)用戶交互背后的技術(shù)支撐。在此背景下，利用5G 技術(shù)賦能XR，能夠在實(shí)際教育應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)諸多突破[4]。

1 5G的核心價(jià)值及其對(duì)教育變革的推動(dòng)

1.1 XR教學(xué)模式的困境

具身認(rèn)知理論為XR 技術(shù)用于教育領(lǐng)域奠定了理論基礎(chǔ)，兩者都強(qiáng)調(diào)了身體活動(dòng)及體驗(yàn)過(guò)程對(duì)人類認(rèn)知塑造的重要性[5]。在XR 教學(xué)模式中，學(xué)生可以通過(guò)視覺、聽覺和觸覺直接與所學(xué)內(nèi)容互動(dòng)，從而將原本模糊的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具體的互動(dòng)資源形式，形成有效的認(rèn)知[6]。然而，在當(dāng)前動(dòng)態(tài)、復(fù)雜、開放的教學(xué)過(guò)程中，XR 終端的數(shù)據(jù)收集質(zhì)量差、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延遲久、邏輯運(yùn)算速度低等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，讓學(xué)生難以做到在自然的狀態(tài)下去感知和互動(dòng)，這與具身認(rèn)知理論完全相悖，使得實(shí)際教學(xué)中學(xué)生認(rèn)知能力的提升效果大打折扣?？梢?，近乎真實(shí)的情境需求以及學(xué)生的沉浸式體驗(yàn)效果無(wú)一不對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)互動(dòng)傳輸提出了超高要求，全新學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)工具的開發(fā)迫在眉睫。

1.2 5G的核心價(jià)值及其對(duì)教育變革的推動(dòng)

5G 世界統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)最早于2018 年推出，其實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為主要在增強(qiáng)型寬帶（峰值可達(dá)20Gpbs）、高可靠低時(shí)延接入（僅為1ms）以及海量物聯(lián)網(wǎng)（連接密度達(dá)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(guó)移動(dòng)發(fā)布的“5G+智慧教育白皮書”為5G 助力移動(dòng)智慧教育發(fā)展打造里程碑，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)教育資源的完善促使以5G為支撐的教育應(yīng)用逐漸發(fā)展起來(lái)，即將推動(dòng)傳統(tǒng)教學(xué)模式的全新變革[9]。

5G 的三大優(yōu)勢(shì)能為XR 教學(xué)模式提供強(qiáng)有力的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，但絕不僅限于此，更為重要是通過(guò)與之融合形成一個(gè)“5G+XR”教育場(chǎng)域。在此場(chǎng)域中，5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)激活擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)等一系列技術(shù)，從而構(gòu)建三維空間與現(xiàn)實(shí)空間有機(jī)結(jié)合的教學(xué)場(chǎng)景，打造數(shù)字道具和實(shí)物道具映射組合的教學(xué)工具，進(jìn)行虛擬實(shí)踐和現(xiàn)實(shí)實(shí)踐滲透融合的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)[10]。

2 “5G+XR”教育場(chǎng)域的構(gòu)建

通過(guò)將5G 通信技術(shù)與傳統(tǒng)XR 教學(xué)模式深度融合[11]，本文創(chuàng)新地構(gòu)建出“5G+XR”教育場(chǎng)域。如圖1所示，該場(chǎng)域包括以下幾個(gè)部分。

圖1 “5G+XR”教育場(chǎng)域的構(gòu)建

⑴終端：作為XR 服務(wù)的用戶端設(shè)備入口，主要工作包括使XR 應(yīng)用本地化顯示在師生用戶顯示屏中、對(duì)教學(xué)過(guò)程中使用者的位置進(jìn)行追蹤與定位、提供多樣互動(dòng)的操作方法、對(duì)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)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(jì)算機(jī)圖像顯示技術(shù)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景，并在增強(qiáng)渲染和光場(chǎng)顯示技術(shù)的支持下進(jìn)行圖形渲染，最終輸出到學(xué)習(xí)者的終端顯示屏中，實(shí)現(xiàn)高清晰度顯示功能。

②位置追蹤與定位：通過(guò)內(nèi)置終端的各種感應(yīng)器、陀螺儀、深度攝像頭、顯示屏等元器件，運(yùn)用激光定位、紅外光學(xué)等技術(shù)，精準(zhǔn)收集學(xué)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(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

③多樣互動(dòng)操控：學(xué)生通過(guò)基礎(chǔ)鍵鼠操控、遙控、語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、腦電波識(shí)別和其他控制技術(shù)與終端實(shí)現(xiàn)多樣交互。

⑵網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)用戶終端與服務(wù)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)暢通的傳輸通道，其部分服務(wù)功能需要下一代5G網(wǎng)絡(luò)的支撐。5G 的超低時(shí)延傳輸保障XR 對(duì)低時(shí)延交互的要求、大容量的網(wǎng)絡(luò)寬帶實(shí)現(xiàn)XR 對(duì)全景視頻技術(shù)和應(yīng)用信息的傳送，其創(chuàng)新的邊緣計(jì)算部署減輕了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Γ瑫r(shí)助力于實(shí)現(xiàn)更精致的XR教學(xué)內(nèi)容。

⑶平臺(tái)：主要提供數(shù)據(jù)管理、終端管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等基礎(chǔ)業(yè)務(wù)。在5G的支撐下，能夠?qū)崿F(xiàn)云端運(yùn)行和圖形渲染等功能，實(shí)時(shí)返回運(yùn)算結(jié)果至用戶端，用戶根據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作，完成應(yīng)用體驗(yàn)。

⑷應(yīng)用：在XR 應(yīng)用開發(fā)框架下結(jié)合通用的圖形開發(fā)引擎研發(fā)各種XR 應(yīng)用內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)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(xué)資源。

3 “5G+XR”教育場(chǎng)域中的要素創(chuàng)新

3.1 開發(fā)新型教學(xué)資源

傳統(tǒng)的信息化教學(xué)中已有文字、圖片、動(dòng)畫、聲音和錄像等各種形式呈現(xiàn)的教學(xué)資源[12]。在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)高速發(fā)展環(huán)境下，全息影像、立體視頻、三維動(dòng)畫、3D打印模型等多種形態(tài)的新型教學(xué)資源先后涌現(xiàn)，例如太陽(yáng)系的三維動(dòng)態(tài)模型視頻。一些不利于通過(guò)傳統(tǒng)教學(xué)掌握的內(nèi)容，被擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)等技術(shù)形象地表征出來(lái)，從而使學(xué)習(xí)者們更深刻地領(lǐng)會(huì)教學(xué)內(nèi)容、掌握課程要領(lǐng)。如圖2所示，在5G 網(wǎng)絡(luò)能夠保障學(xué)習(xí)資源的快速傳輸并能存儲(chǔ)、處理、共享的條件下，教學(xué)資源勢(shì)必會(huì)向著立體化、動(dòng)態(tài)化、逼真化發(fā)展。

圖2 “5G+XR”教育場(chǎng)域中的新型教學(xué)資源

3.2 催生智能教學(xué)工具

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

3.3 賦能學(xué)生多元互動(dòng)

互動(dòng)形式單一和情感互動(dòng)的缺乏是當(dāng)前學(xué)生行為互動(dòng)的重要問(wèn)題[14]?！?G+XR”教育場(chǎng)域帶來(lái)的改變主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：①破除了傳統(tǒng)信息化教學(xué)中對(duì)主體身體的禁錮。在便攜式可穿戴設(shè)備以及5G 高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，基于語(yǔ)音、手勢(shì)、腦電波信息的交互技術(shù)突破了以往的技術(shù)限制，給予人充分的物理空間，得以舒適、靈活和自由的進(jìn)行交互。②增強(qiáng)主體對(duì)外部事物的感知能力。在5G 與XR 技術(shù)所支持的教學(xué)活動(dòng)中，全新的高清教學(xué)資源具有良好的可交互性，對(duì)實(shí)現(xiàn)情境渲染、模擬仿真非常有利，這給學(xué)生帶來(lái)了新鮮的感官體驗(yàn)，學(xué)生主體意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)外部事物的感知能力增強(qiáng)，對(duì)待學(xué)習(xí)更加投入。

4 “5G+XR”教育場(chǎng)域的應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 高清交互式課堂教學(xué)

高清交互式課堂教學(xué)是對(duì)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)智慧課堂教學(xué)的全新升級(jí)。在利用擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)沉浸式教學(xué)的過(guò)程中，相關(guān)移動(dòng)設(shè)備皆可接入5G 網(wǎng)絡(luò)，能夠消除網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)人類視覺感知的影響，為學(xué)習(xí)者提供真正無(wú)縫和沉浸式的實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。具體實(shí)踐創(chuàng)新體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：第一，高度還原了現(xiàn)實(shí)情境，使得教師和學(xué)生之間、學(xué)生之間、學(xué)生和機(jī)器之間的互動(dòng)更加多樣化，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和情感交流。第二，5G的高帶寬技術(shù)擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)的可用容量，使渲染后的高清畫質(zhì)得以無(wú)障礙傳輸，提高虛擬環(huán)境的真實(shí)感，重塑學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4.2 實(shí)時(shí)情景化遠(yuǎn)程教學(xué)

遠(yuǎn)程教育正作為學(xué)校教學(xué)的重要補(bǔ)充肩負(fù)重任[15]?！?G+XR”的組合，在虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景建立、多用戶協(xié)作、人機(jī)交互等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)上“面對(duì)面”的互動(dòng)課程，全面改善當(dāng)前遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的整體學(xué)習(xí)環(huán)境[16]。除此之外，大帶寬的通信技術(shù)支持著音頻、視頻傳輸?shù)男枰?，將不同地點(diǎn)的課堂連接起來(lái)，為一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)課堂中的師生提供實(shí)時(shí)的溝通，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)互聯(lián)網(wǎng)教育資源之間的交流互動(dòng)和共建共享。

4.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是在校內(nèi)開展，且授課時(shí)間比較固定，課堂空間也十分局限。在XR 教學(xué)中，運(yùn)用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)形成的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)情境，突破了以往在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中受時(shí)間、空間環(huán)境等的諸多約束，為學(xué)習(xí)者進(jìn)行親身實(shí)踐活動(dòng)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。目前已有國(guó)內(nèi)學(xué)者開發(fā)出虛擬物理實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供隨時(shí)隨地在真實(shí)設(shè)備上做實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)，極大程度上加強(qiáng)了學(xué)習(xí)者對(duì)實(shí)踐課程的認(rèn)知[17]。

5 結(jié)束語(yǔ)

5G 的三大優(yōu)勢(shì)讓XR 技術(shù)在教育領(lǐng)域有了許多新形式的突破，為我國(guó)在不同教育階段形成全新形態(tài)的教學(xué)模式提供技術(shù)支撐，也為教育技術(shù)的整體革新與跨越式發(fā)展帶來(lái)生機(jī)。本文認(rèn)為，“5G+XR”技術(shù)緊密結(jié)合而形成的教育場(chǎng)域應(yīng)用前景十分廣闊，不僅能提高教學(xué)資源的動(dòng)態(tài)性、豐富性，也能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)形式單一的缺陷。但要想真正的在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的體驗(yàn)式教學(xué)，還需要我們?cè)诰饨虒W(xué)資源、改革教學(xué)模式、教師培訓(xùn)、設(shè)備性能等方面做出努力，讓擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)早日與實(shí)際教學(xué)相融合。