基于边缘计算的智慧云课堂的教学实践探索

［摘           要］  随着人工智能技术的快速发展，智慧云课堂逐渐代替了传统课堂的教学模式。在基于云计算和虚拟现实的课堂中，用户需要经常与远程云中心服务器进行交互，这往往会给服务器带来较大的负载量，产生较长的时延，而这样的课堂效果表现得还不尽如人意。基于此，将边缘计算、虚拟现实技术与传统云课堂相结合，以店铺视觉课程为例进行研究分析，提出了一种结合边缘计算和虚拟现实技术的云课堂，有助于降低用户与云平台之间的数据交互时延，并对其特点进行了分析，创设了无处不在、不间断的智能虚拟化学习情境，让师生能够在虚拟环境中身临其境，不断吸引学生的学习兴趣，实现流畅的混合式教学体验。

［关    键   词］  人工智能；智慧云课堂；虚拟现实；边缘计算；店铺视觉；混合式教学

［中图分类号］  G642                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2024）03-0145-04

随着互联网和5G技术的不断发展，智慧教育的时代已经到来。实践课程的教学可以通过VR云课堂，即利用云计算平台结合虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术结合的教学方式进行教学[1]，已成为推动教学创新改革的重要选择。在基于云端的在线学习方式中，例如慕课网、微课、云班课等，改变了原有的传统线下授课形式，由于其具有灵活的碎片化学习方式，让学生的学习方式更加丰富多彩，而被很多高校推广使用[2]。VR能够产生接近真实环境的虚拟教学环境，近年来，谷歌眼镜、数据手套、三维鼠标等多种VR设备已从实验室应用转向了智慧课堂的建设中，通过云平台搭建桌面VR系统，可以为学生提供虚拟现实的学习环境[3]。结合云计算技术，VR云课堂可以让师生在这种环境中进行交互体验，增强了学生的想象力，提高了师生的互动性，使课堂更具趣味性[4]。

然而，这种基于云计算的VR教学方式仍处于起步阶段，构建VR云课堂的学习环境还存在一定的问题。例如，当学生在观看云平台上的教学视频和使用VR技术呈现虚拟环境的操作时，往往需要频繁地访问云中心服务器，以获取最新的网络数据。而VR应用对延迟敏感度高，其性能会因时延和服务器负载量不均匀而显著降低[5]。当有大量的学生与云服务器之间进行数据交互时，传统的云处理方式可能会因为服务器过载导致资源受限、时延变长、带宽占用等问题，使教学过程中逐渐出现长时间等待而无法加载的问题，影响到课堂的教学效果。为此，如何能够快速访问云服务器，并有效管理云平台的资源负载能力，成为提高云课堂教学满意度的关键问题。

边缘计算（Edge Computing）作为一种可以在靠近用户终端设备的边缘进行计算、存储和处理的新范例[6]，可用于优化网络资源负载，能够让用户获取云端数据的速度变快。

本文针对现有的VR云课堂，提出了一种结合边缘技术的新课堂架构，称为VR边缘云课堂。这种学习方式使用方便，受众面广，而边缘云平台具有建设成本低，利于学生自学，网络学习资源能够共享等优势。因此，本文结合边缘计算和VR技术，以店铺视觉课程为例，提出了基于边缘计算的VR边缘云课堂以解决上述问题，构建了良好的云公共空间与教学私密空间，为学生营造了良好的学习氛围，并满足课堂应用的实时性和可靠性的需求。

一、现代云课堂教学体系架构中的问题

（一）传统云课堂的局限

对于传统的云课堂教学，教师可以把课程资源（包括PPT、软件、教学视频等资源）发布到云平台上，学生可以通过云平台观看高清学习视频、完成作业、课程评价等操作，因此需要经常访问云中心服务器。当有大量的学生在同一时间段内访问云服务器，进行数据交互时，会产生诸如下载课程资源传输慢、视频缓冲时间长、VR渲染卡顿等问题，从而影响了课程的教学体验。

（二）课堂环境的监管

课堂上，当某些学生因为教师的授课方式、课程的内容、个人的情绪等因素产生一定的消极状态，例如犯困、玩手机、聊天等情况，从而脱离了正常的教学活动。这种消极状态往往具有传染性，其他学生可能会受到这类学生的影响而使自己也陷入这种消极状态。现有的云课堂的方式可以对学生的学习状态进行监管，但由于需要对学生的学习状态进行抓拍并分析，而云平台的处理时间较长，具有一定的滞后性，而教师在课堂上不一定能够及时顾忌这类学生，从而影响了教学效果。

（三）学生知识能力的培养

在讲解课程理论方面的知识时，学生无法在真实的职业情境中进行学习，导致学生缺乏一定的想象力，而单纯的PPT展示不足以激发学生的视听感受，导致学生学习的主动性和动手能力较弱。很多学生在学习中一味地模仿教学案例，缺乏一定的创造力，不能将知识较好地融入实际学习中。通过VR技术的应用，学生可以体验到模拟真实环境的职业情境，课堂教学效果有了较大的改善。然而这种虚拟环境的图像视频文件资源相对较大，当有大量学生访问云平台时，服务器将无法做到高频率的实时更新，以致学生会逐渐降低使用兴趣，不仅浪费了资源，还影响了教学效果。

二、基于边缘计算的智慧云课堂改革方案

（一）边缘计算概述

边缘计算能够在网络节点周边，以一种更靠近传感器数据源的方式，分布式执行任务。这不仅可以减少网络传递时延，还具有响应性更强、降低服务器部署成本、对用户数据进行隐私保护等方面的优势。目前，各种智慧化校园应用应运而生，学校可以利用校园中的各种智能设备，包括监控、机房、人脸识别门禁、无人机、停车场等基础设施，师生使用的手机、平板、笔记本电脑等移动设备，并对这些异构设备进行整合，在靠近用户的边缘设置网络边缘节点。边缘计算能够对数据进行计算卸载、存储和加密，适合课堂中的实时应用，能够为用户提供便捷的缓存资源下载、VR渲染、高清视频直播等数据交换。

（二）VR边缘云课堂的网络架构

为提供更好的教学环境，学校可以与知名企业进行合作教学。整合智慧校园内的异构设备，利用其分布式计算、缓存和数据交互的特点，为师生提供数据的获取和处理，实现资源共享。在教学过程中，教师需要将理论知识联系实践问题，认真设计制作教学视频，由于边缘服务器的资源是有限的，因此，不能把教学中的所有资源全部部署到边缘服务器上。教师需要对资源进行筛选，对于经常访问的共享资源，可以将其部署在边缘服务器上，将其余资源部署到云中心服务器上。通过接入云课堂，教师和学生可以直接从边缘服务器获取，而不需要再通过云中心服务器进行数据的交换，从而缩短了资源获取的时间[7]。当师生对云中心服务器中的某一资源的获取量增大时，可以为边缘服务器设定一个阈值。当资源请求量超过了某个阈值时，边缘服务器将会自动从云中心服务器中获取该资源，以提高学生的学习体验。边缘服务器也会定期对其存储的资源进行检查，若某些资源低于阈值时，将通知用户清理或执行自动清理，以提高服务器的数据处理性能。在课堂上，可利用智能终端设备的摄像头对学生的学习状态进行抓拍，并在边缘服务器中对其进行分析处理，以降低云中心服务器的数据传输量，提高云课堂的运行效率，并能够提供及时的反馈信息给学生和教师，从而改善学生的学习状态。

（三）VR边缘云课堂的系统架构

为提高学生的学习主动性，VR边缘云课堂让学生能够在虚拟仿真的环境下体验职业工作环境，这不仅会激发学生的学习兴趣，还可以提高学生的学习参与度，让学生能够在实践中学到知识，提高他们的综合职业素养。边缘云课堂通过边缘服务器将虚拟现实系统连接起来，形成时空耦合的分布式虚拟环境，使边缘云教学方式能够有效地融入新的教学方式中。VR边缘云课堂如图1所示，边缘基站、辅助设备与边缘服务器互连，压缩的可扩展内容驻留在边缘服务器中，学生可通过无线VR设备接收教学视频、音频、图片等内容。本文所提出的VR边缘云课堂可以根据学生所在位置、技能水平和教学场景等情境因素，向用户推送个性化的学习资源，并对其学习状态进行实时检测，以提供良好的教学体验。

（四）VR边缘云课堂的教学思路

VR边缘云课堂结合翻转课堂的思路，将教师和学生两者的角色进行转变，教师从知识传授者转变为教学资源的开发者和教学的引导者，学生在课堂中占据主导地位，从知识的接受者转变为知识的构建者[8]。课前，要求教师根据课程的教学内容拍摄视频，学生积极参与互动，教师设计对应的教学情境。课堂上，教师可以通过云课堂发布活动，学生可以通过云课堂进行练习，并提出问题。教师可以针对学生提出问题及时解答，为学生提供帮助，与学生共同解决问题，实现知识的内化。在教学管理上，VR边缘云课堂可以对学生的学习情况进行跟踪记录，并对学生的表情进行拍摄，通过边缘服务器的处理，获取实时的情绪状态，并对学生的消极状态进行提示，实现智慧化干预。课后，教师可以对所学知识进行补充和拓展，将资源发布到云课堂上，学生可以对自己的不足之处进行强化训练。这种因材施教的学习模式，可以让学生差异化、自由化地选择学习弱点进行巩固，无限地延伸了课堂。

三、VR边缘云课堂的教学设计——以店铺视觉课程为例

店铺视觉作为电商美工、店铺装修实训等课程的后续课程，主要讲授Photoshop图像处理、Premiere视频剪辑、店铺设计以及店铺运营理论知识等相结合的综合性课程，为学生将来从事网店美工、产品运营、网页设计等工作做准备。由于图片处理、视频制作、网页设计、VR运营等教学资源需要服务器具有较大的存储空间环境，以及快速的响应机制，因此，传统的云课堂的教学建设已无法满足需求。针对上述提到的内容，本文将VR边缘云课堂应用于店铺视觉课程，包括边缘计算网络平台的建设和VR学习环境的搭建，并给出了课程的教学方案，形成了注重学生感受和教学体验的混合式教学体验。

（一）教学方式设计

为保证教学模式的实施，本文以边缘计算、VR、移动开发技术为支撑，设计了相应的网络教学系统和学生学习平台。利用校园中的智能设备搭建了一个VR边缘云课堂教学平台，教师可以在服务器上发布教学视频，主要用于学生的课前学习。学生可以穿戴VR设备，连接无线网络，利用手机、电脑、平板等电子设备，获取3D的虚拟场景。在场景中，学生可与虚拟画面进行交互，实现视觉设计、商品推广、营销策划等多种形式的体验式移动学习。

（二）教学内容设计

VR边缘云课堂将教学形式设计为课前学生自我学习、课堂师生互动解答、课后复习巩固的形式，在优化店铺视觉教学的课程中，教师会从视觉设计、营销策略和产品运营等多维度进行教学。课外，教师制作教学视频、素材、练习题等学习资料，并上传到平台上，学生可以利用碎片化的时间，有目的地系统学习，服务器可以通过移动设备推送相应的学习内容，将学生的学习成果最大化。在课堂上，系统可根据学生的自学情况给出数据分析结果，依据系统分析数据的结果，教师可以结合实际问题设计课堂教学活动，采用更有效的方式进行教学，帮助学生对知识理解和吸收。

（三）教学评价设计

学习轨迹履历表评价指标如表1所示，在边缘云平台上为每位学生建立了个人履历表，履历表上记录了学生的学习过程，保存了学生的考勤记录、互动情况、实验练习等内容。学生可登录平台查看自己的履历表，教师可定期发布公告信息和作业任务。边缘服务器定期通过云中心服务器进行分析处理，将分析结果及时反馈给教师，供教师参考，同时可以督促学生自主探究学习，提高学习效果。

四、VR边缘云课堂的教学实践

在完成上述教学平台的搭建之后，为验证上述课程改革的有效性，本文给出了以下教学实践方案。

（一）研究对象

研究对象为信息工程学院学生，随机分成两个班级，一个班级学生为实验组，通过VR边缘云课堂进行教学，另一个班级学生为对照组，使用传统云课堂方式进行教学。