5G网络环境下远程互动智慧教室建设探究

关键词：5G网；远程互动；智慧教室建设

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）25-0107-03

0 引言

近年来，人工智能、云计算、大数据、物联网等新兴技术不断发展，在这些新技术与教育教学深度融合的背景下，教育也随之从传统走向智慧，开启了教育信息化、智能化的新时代，高科技赋能教育，教育也为科技发展带来更多的想象空间和应用场景[1]。教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》明确指出：大力推进智能教育，开展以学习者为中心的智能化教学环境建设，利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，探索泛在、智能、灵活的教育教学新环境建设与应用模式。随着5G时代到来，也为教育应用提供了更强大的动力支持。在这样的背景下，互动探究式、自主开放性的智慧教学场景建设便成为越来越多高校教育技术工作者研究的主要问题，而5G+远程互动智慧教室的建设是其中最具代表性的项目之一。它的最大特色在于利用具有高传输率、低网络延时、大连接能力、低功率消耗特性的5G网络，联合物联网、VR、云存储等先进技术，搭载智能的教室管控系统以及高科技的配套硬件设施[2]，可以摆脱时空限制实现异地无感知的教学，让学生足不出户就可以享受到学校的优质教学资源，还可以通过远程互动支持实现对师范教学基地、企业实训中心或中小学校实时互动教学，为学习者提供身临其境的课堂体验效果和随时随地的远程学习服务，让教与学的过程变得毫无障碍、画面更清晰、智能物联更稳定、通话音质更流畅。

1 远程互动智慧教室设计理念与框架

基于5G网络环境打造的涵盖远程互动黑板、录播、VR直播在内的远程互动智慧教室，其拓扑结构如图1所示，可以通过高清视音频通信与多媒体协作，实现师生校内校外、线上线下的实时交流，为学习者提供身临其境的课堂体验效果和随时随地的远程学习服务，可以支持各种条件下的教学、培训、研讨等，还能通过云平台面向全市分享优质互动课堂平台和资源。

1.1 提供智能化的教学环境

远程互动智慧教室的建设将分散的软硬件教学系统有机结合，为师生提供了可视化、移动化、舒适化的教学环境。教师通过智能讲台上的“一键上课”按钮或手机扫码就能开启教学所需的投影、电子黑板、触屏一体机、音响等设备，可以方便快捷地开启专业课程教学、实验实训教学、翻转教学、研究型教学等互动教学，通过大屏进行教学书写，投屏分享各类文件资料，学生也可实现异地实时参与课堂互动教学，通过移动端投屏分享学习内容。

1.2 促进与学科内容相融合

通过现代信息技术手段，改变传统单一的以文本表示知识的形式，使学生的认知内容和认知方式变得更自然、更人性化。后期形成一整套“资源整合型”的信息技术与学科内容相融合的教学应用系统，构建具有学校教育教学特色，且能推动学生信息素养提升的校本数字化教育资源体系。

1.3 推动课堂形式的变革

远程互动智慧教室打破传统的教室布局，教室的课桌摆放形式多样，摈弃了传统讲台，让教师深入学生中间，面向学生教学并直接小组讨论，使课堂从教师主导转为学生主导，从教师讲授变为学生研讨，促进教师的教和学生的学深度融合。

1.4 提升信息化建设水平

对管理者而言远程互动智慧教室通过教学平台的覆盖，可以实现对所有设备的统一管理和维护以及教学资源的存储、汇聚、共享。

1.5 促进教育资源共享

通过优质教学资源的共享、辐射，促进不同学校教师之间的学习交流，推动教学创新，提高教学质量，缓解优质教学资源不均衡问题。

1.6 实现智慧教学测评

基于5G的智慧教学环境下可以采集大量数据信息，通过对这些数据的分析可以对学生的学习过程和学习效果进行全方位立体化测评[3]，根据测评结果教师还可以有针对性地开展辅导，提升教学效果。同时也可以对教师教学进行真实、公开、公正的评价，提高教师教学水平。

2 远程互动智慧教室建设内容

5G网络环境下的远程互动智慧教室建设主要包含：显示部分、智能控制、高清录播系统、扩声部分、课桌椅部分及环境提升部分等。通过多媒体技术、互联网技术、5G物联网技术以及音视频处理等相关技术的结合，将教室智能控制系统、无线显示系统、分组讨论等系统有机融合，实现以学生为中心、以问题为导向、以讨论引导学习的新型教学方式，将学生对知识的内化过程转移至课堂，提高学生主动学习的兴趣和自我学习、终身学习的能力，培养学生的批判性思维、逻辑思辨能力、团队协作精神和沟通能力。

2.1 5G 网络环境建设

远程互动智慧教室采用的是5G定制网，它以5G 网络为基础，实现对连接、计算、智能等全部数字化能力的“融合定制”，有“致远”“比邻”“如翼”三类定制网服务模式。本课题5G环境采用“比邻”模式打造如图2所示，通过新建5G室外基站搭建5G无线网接入环境。用户数据经STN-A、STN-B、城域ER等节点传至UPF，UPF分流数据通过政企专线接入校园，满足VR/AR课程、教学直播录播等业务场景需要。

2.2 新型智慧物理空间设计

内部环境设计结合色彩、照明、容量等相关因素展开，打造舒适友好的物理空间。教室墙壁选用浅色调，其反光性能有效提高人物面部亮度，提高摄像质量；课室照明系统选用非直射三基色灯，白炽灯型（色温在3 200 K左右）或日光型（5 600 K左右），对于讲台区域，采用分区管理不同的光照区域，在投影屏幕前设置可调光源，避免强光照射投影屏幕区，同时，在讲台上方设置一个灯光区域，以调节讲台的光线，使之更柔和，亮度更均匀；室内配置可移动的折叠桌椅，支持多种拼接方式，可开展小组讨论、PBL教学、会议讨论等不同类型的活动。技术环境则对室内各种环境因素、主要设施进行智能集中调控，从而创造新型智慧的教学场景。

2.3 基于物联网的智能环境管理

教室内配置了嵌入式CPU的智能融合信息终端，能够实现设备的一键控制或模式控制，师生无须专门培训即可自主操作。同时，设备具有扩展性，支持实时语音广播、定时广播任务接收与播放，并能够在紧急情况下对教室进行语音广播；具备手机扫码功能，微信小程序扫码即可直接控制教室设备；预留相关物理控制功能，支持通过集中管理软件及微信小程序实现远程对终端设备及物联灯光控制进行手动、定时集控管理，真正意义上实现对教室内设备的智能物联管控。

2.4 高清录播系统

触控录播主机集成了远程互动主机、导播主机、显示触控屏、视频编解码器、音频处理器、网络交换机等多个传统设备，支持远程文件传输机制，可以将录制的课程资源通过5G网络上传到校园资源平台；内置的音频处理模块，自带回声抑制、噪声消除以及自动增益等音频DSP处理，能够有效保障互动过程中，本地和远端教室都能够得到清晰、准确的语音效果；导播系统能智能实现课堂实况全程拍摄，完整地还原教师讲解、学生听课、互动讨论等各个环节的授课情况，实现了日常教师授课的高效优质录制。

2.5 VR 直播系统

智慧教学场景使用支持机内8K拼接输出、分辨率高、画质好的全景相机，负责现场360度场景的采集。相机内部直接进行4K/8K的视频拼接，使用5G+RTMP的推流协议，通过互联网快速高效地将采集的视频流传输给VR直播平台，再通过VR一体机、手机或电脑端展现给师生。

2.6 红外扩声系统

教学扩声是课堂教学的重要组成部分。通过对教室环境、教学特点、管理方式等因素的分析，智慧教学场景内配置了智能化的扫声系统。该系统采用850 nm红外光线进行音频传输，由于红外光线的物理特性非常适合高密度使用环境，能够很好地弥补其他无线技术的缺陷，充分满足了教学教育应用的需求。

3 远程互动智慧教室建设意义

教学是教育的核心业务，而课堂是教学活动发生的主要场所。基于5G环境下物联网、云计算、虚拟现实、人工智能等新兴技术在多媒体教室的应用，智慧教育在教学效果、教学创新、教学智能、教学资源覆盖等方面都得到了极大的提升，远程互动智慧教室的建设也变得意义重大。

3.1 解决教育资源的公平性问题

随着教育信息化的不断发展，优质师源覆盖范围小、无法共享，城乡教育资源不均衡的问题日益凸显，而5G网络环境下的远程互动智慧教室通过音视频流、VR直播等技术可以将不同地点的课堂连接起来，打造名师远程互动课堂。大、中、小学的教学名师通过远程互动智慧教学环境，讲授的优质公开课可以突破时间空间限制，借助于超高清可交互的教学平台实时展示，聆听者还可以与名师展开交流互动，这不仅为培养高素质教师提供了优质资源，也缩小了区域、城乡、校际优质教学资源的差距，让每个学生都能够享受到优质的教育资源。

3.2 创建VR 仿真学习环境

5G远程互动智慧教室配备超大屏4K/8K级别显示设备，加上5G毫秒级延迟时间及百兆传输速率，融合VR技术构建虚拟空间，构造虚拟场景，如地震、消防等自然灾害场景，飞机驾驶、医学手术等高风险场景，太空、深海等科普教学场景，将抽象的知识可视化、形象化地展示，为学生提供传统教学环境无法实现的个性化、沉浸式的学习体验，满足学生多样化的学习需求，不断提升学生获取知识的积极性和主动性。

3.3 构建“三个课堂”混合教学模式。

融合5G＋远程互动智慧教室及相关企业的优质资源，打造线上、线下、企业授课的混合教学模式，校内课堂学习理论知识，企业课堂完成实战训练，这种混合教学模式可以使教学更生动形象，让学生获得更真实的体验，也进一步扩大了优质资源的覆盖面，促进信息技术与教育教学实践深度融合，提升了学校教育信息化建设水平。

3.4 采集个性化教与学分析数据

通过高清课堂录播系统和在线课堂互动平台，记录教师授课、学生学习的全过程，并对此进行整体与个体、教师端与学生端的全方位数据精准分析。这有助于获得有效的教学评价和学生个性化学习情况[4]，帮助教师及时对教学进行动态调整，根据学生数据分析定制个性化的教学内容，不断提升教学效果。同时教师还能根据教学评价规划自身的成长路径，有利于教师的个人发展。

3.5 开展研讨交流和学科竞赛

5G远程互动智慧教室配置了可移动拼接桌椅、人机交互显示设备、手机互动系统等、便于校内师生以及校外专家学者开展线上线下的研讨交流；360°全景直播设备也为高校各类学科竞赛的线上开展提供了高清晰度视频和高保真音效，大大提升了互动效果。

4 总结

综上所述，基于5G技术打造涵盖远程互动黑板、录播、VR直播在内的远程互动智慧教室，不仅能推动高校与各中小学的深度融合和资源共享，与现场师生共同参与智慧课堂，激发学生的学习兴趣，提升老师的教学水平，还能为教学提供舒适易用的现代化多媒体环境，打造智能化、感知化、泛在化的教学新模式，增强学生个性化、精细化、沉浸式的学习新特征[5]，提升学校教学信息化应用水平。