5G网络支持下的智慧课堂应用研究

     陈国华 郭正民

    

    摘? 要 5G网络是当前移动通信领域最尖端的发展趋势，是世界科技发展的重要方面，将会给世界带来巨大改变。5G网络支持下的智慧课堂建设也将焕发全新的面貌。阐述5G应用场景及网络性能，展示5G优异的网络性能，继而对5G环境下智慧课堂中的VR/AR教学、远程教学、互动教学三种全新的教学方式进行应用研究分析，阐述5G+智慧课堂的典型应用场景。

    关键词 5G网络;智慧课堂;VR/AR教学;远程教学;远程全息课堂;互动教学;STEM;人工智能;eMBB;mMTC;uRLLC

    中图分类号：G642.421? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）12-0068-03

    1 前言

    5G可谓是2019年最为热门的词语，关于5G的相关报道自年初起便铺天盖地而来。2019年10月31日，随着工信部与三大运营商5G商用启动仪式的举行，我国正式进入5G商用时代。5G网络具有高速率、泛在网、低功耗、低时延等特点，具有出色的网络性能（表1），能够支持丰富多样的业务种类、终端种类、服务种类，为用户提供极致的网络体验，驱动人类社会进入万物互联的时代。5G的浪潮席卷整个世界，也给教育行业带来全新的机遇，5G时代的智慧课堂建设将会开启全新的篇章。

    2 5G应用场景下的智慧课堂

    5G的典型应用场景? 3Gpp定义了5G的三大应用场景：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（超高可靠和低时延通信）。这三大应用场景共同构建了5G的应用体系[1]。

    eMBB增强移动宽带场景强调的是以人为中心接入多媒体内容、业务和数据的应用场景，是对原来的移动宽带在用户、体验、系统性能等技术指标上进行强化。该应用场景包括高用户密度、高业务容量的热点地区以及有着高移动速度、期望无隙覆盖的广域覆盖环境。这一场景下用户最为直观的体验便是网络速度的极大提升与无隙的用户体验。由此可见，增强移动宽带场景，可以为智慧课堂中对于高速流量要求的设备提供强有力的保障。

    mMTC海量机器类通信场景的特征是数量庞大的、高密度的终端连接进入网络，每个终端发送小量的时延不敏感数据。为了应对海量的终端接入，5G通过无线接入技术，合理利用频谱、小区加密等方式提升網络的终端容量。智慧课堂的建设必然需要大量的终端设备，5G强大的终端接入容量完全可以满足智慧课堂当中的硬件设备的接入性能要求。

    uRLLC超强可靠和低延时通信场景主要在保障网络稳定可靠传输的同时，在当前的网络状态下大幅降低移动网络通信的延时。5G应用了一种潜在的物理层技术——广义频分复用技术，使得5G无线网络的时延达到惊人的1 ms。除此之外，5G通过内容缓存以及D2D技术对于数据业务端到端时延的性能进一步提升。5G优异的低时延技术大幅度降低了用户访问内容的时延，使得用户在当前4G的使用体验上有着极大的提升，能够使现存的智慧课堂更加“智慧”。

    5G+智慧课堂? 智慧课堂是一种创新教学模式，打破了传统的单向教学方式，可以更好地实现师生双向互动。智慧课堂在“先学后教，以学定教”的教学理念指导下，全方位构建“课前微课导学、课堂互动探究、课后个性辅导”的教学模式，利用大数据、云计算、物联网与移动互联等新一代信息技术，最终实现教学内容数字化、教学决策数据化、交流互动多样化评价。传统的智慧课堂以校园网内的有线网络、无线Wi-Fi为数据支撑，以蓝牙、ZiGbee、NB-IoT实现课堂物联网结构。但由于网络条件的限制，目前的智慧课堂存在较大的缺陷：在上课学习行为比较集中，网络并发量较高的阶段，网络资源无法满足用户的需求;课室当中的硬件设备没有无缝对接，使用的网络多而复杂，智慧程度不高;建设周期长，维护成本高，不能够大量、全面地开展建设。

    5G时代的到来将会赋予智慧课堂全新的面貌。相较于传统智慧课堂，5G智慧课堂通过各组成硬件终端的5G化，充分利用5G网络与生俱来的技术和业务优势，带给学校用户更快、更好、更流畅的使用体验。5G环境下的智慧课堂将会有革新：超高带宽将使得学校不再需要部署多种网络，实现5G网络承载统一;高速率、低延时将会创造远程教学新的局面，双师课堂、远程全息课堂将会成为远程教学当中的常用教学方式;智慧课堂当中的教学将会出现新的应用场景，如VR/AR教学、高清立体显示、全息课堂、远程考试监测、学习行为追踪和挖掘、智能实验系统和智能教学系统等。

    3 5G新型教学场景

    5G+VR/AR教学? VR（Virtual Reality）即虚拟现实，也称灵境技术，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。VR利用计算机根据现实世界环境生成一种模拟环境，提供给用户关于视觉、触觉的感官模拟，使用户能够身临其境。AR（Augmented Reality）即增强现实，是通过视觉与现实世界的连接，叠加全息影像，增强视觉效果。

    5G时代，VR/AR教育的出现将会为传统教育带来新的血液，给传统教育带来一场巨大的变革。凭借5G大带宽、低延时、高速率的特性，可以快速地把教师的教学内容上传至云端，以云计算技术实现VR/AR应用的运行、渲染、展现和控制，继而通过5G网络把处理后的音视频信息流传递到智慧课堂终端[2]。在5G优异的网络性环境中，学生可以感受到VR/AR所带来的极致体验。课堂也将会成为一个有趣的场景，VR/AR将会使得教学内容发生从2D到3D的跃升，原来在图书和黑板上所呈现的平面内容将会变成栩栩如生的可视化的三维画面;某些知识点中复杂抽象的场景，如数学中的立体图形、物理中的电磁场、地理中的地球运动等，将不再需要教师费尽心力地解释，学生绞尽脑汁地想象，VR/AR可以把这些场景形象、可视化地展示出来，学生可以轻松地认知与理解[3]。