虚实结合的《移动通信》在线课程设计与实践

摘要：在5G技术、人工智能、增强现实等新技术迅猛发展的背景下，从改革高职在线课堂教学手段出发，构建了“虚实结合、云端协同”的《移动通信》课程教学改革实施方案。针对传统教学方式抽象、枯燥，理论教学与实践教学相脱节等问题，以《移动通信》课程为例，融入虚拟可视化教学手段，构建云（部署于云中心的精品在线开放课程及相关资源）-端（应用于端侧的课堂教学实践）协同架构，开发可视化体验式的虚实结合的课堂教学内容和教学资源，满足高职扩招背景下虚实结合的远程在线课程教学的需要。

关键词：移动通信；虚拟可视化；增强现实（AR：Augmented Reality） ；虚实结合；高职扩招

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）28-0148-03

1 引言

高职扩招后生源多样化，学习场所分散化。此外，由于气候危机或其他不可抗力因素影响，导致实体学校停止线下教学，改为线上教学屡有发生：如北京在2015、2016年就因雾霾停课而转为采用远程在线教学；再者，全球新冠肺炎疫情不断恶化，“外防输入、内防反弹”防控政策常态化，国内散发疫情时有发生，导致部分地区紧急停止线下授课。上述两大因素加速了在线教育的发展，高质量在线教育成了不少学生和家长的刚需。高等教育未来主义者布莱恩·亚历山大认为，在线教学是满足各群体学习需求而实现教育公平的重要形态[1]。如何开展高质量在线教学是未来的研究热点，是“促进优质资源共建共享”的具体措施落脚点之一，是落实《中国教育现代化2035》《加快推进教育现代化实施方案（2018—2022年）》等文件关于“加快信息化时代教育变革”的具体体现[2]。

2021年4月，Educause发布《2021地平线报告：教与学版》首次将“高质量在线教学”纳入影响未来高等教育教学的六项关键技术和实践之一[3]。高职扩招生源多样化、新冠肺炎疫情等因素影响，紧急在线教学应向高质量在线学习转型，设计高质量的学习资源，确保在线教学的可持续发展。《2020地平线报告：教与学版》指出，扩展现实技术（增强现实/虚拟现实/混合现实/触感技术）是影响全球高等教育教学的6项新技术与实践之一[4]。远程在线教育急需结合最新技术实现提质增效，实现在线教学的全方位变革。广东某高职院校1项针对14029名非毕业班学生的线上教学调查显示，93.75%的学生对远程在线教学持认可态度。但在对于教师线上教学资源所需提升之处的调查中，39.72%的学生认为需要提升课程PPT 课件，29.57%的学生认为需要提升音视频材料，23.71%的学生认为需要提升相关文献材料，7.00%认为需要线上作业，如图1所示。因此，在开展线上教学时，教师应更加注重在线课程资源建设，运用最新技术手段提升各种学习资源的质量，提升驾驭远程在线教学的能力，从而确保远程在线教学质量。

融合增强现实技术的虚实结合的远程在线教学，通过在现实环境中叠加虚拟的三维信息，给在线学习者提供超越现实的多感官交互体验，是“情景教学、工作过程导向教学、线上线下混合教学”的一种有机结合，是提高远程在线教学质量的重要手段，不但能提高学生的参与度，激励学生进行知识构建，培养学生动手动脑能力，而且使学生以最少的付出得到最大的学习效果，提高学生满意度与注意力。基于增强现实的远程在线资源开发主要有两种方法：一是全新开发基于增强现实技术的在线课程，该方法要求开发者熟练掌握相关课程内容和相关增强现实开发工具，难度大，需要协同各方资源进行联合开发；二是在传统精品资源共享课/精品在线开放课程平台的基础上，利用增强现实技术开发若干虚实结合的虚拟可视化教学资源，取代传统课程资源的一个或若干部分，从而实现传统在线资源的转型升级，是研究者普遍采用的手段，该方法能最大化利用原有平台的资源，见效快[5-6]。

2 5G有力支撑虚实结合的远程在线教学

2020年上半年，受新冠肺炎疫情影响，全国各级各类学校都按照“教学要求不降低，教学标准不降低，教学质量不降低”的总要求开展线上教学。然而，实际操作过程中仍存在一些问题，如广东某高职院校关于线上教学调查显示，在远程教学过程中或多或少存在一些问题：87.65%的学生曾遇到过网络不通畅，66.68%的学生报告网络教学中存在有杂音，其他问题有：开麦会有回音（46.12%） 、看不清画面（31.85%） 、会自动退出网课页面（32.64%） 等，如图2所示。

随着5G网络的规模化部署及普及，5G通信超高传输速率、超低时延的特征，使得在线教育不再卡顿、网络连接不畅等问题不复存在，打破了远程在线教学的时空限制，彻底打通了远程在线教学的“最后一公里”问题。充分利用5G网络技术优势，将会给学习者带来更快、更好、更流畅的体验。主要原因如下：一是网络承载统一，学校不需要部署多种网络；二是超高带宽，保证了远程在线教学的画面效果；三是速度更快，延时更低，保证远程在线教学时，学生能毫无延迟感知课堂画面，并进行实时交互；四是在教育上催生新的应用场景，如VR、AR实验环境、智能教学系统等[7]。

随着专业学院、现代学徒制、三二分段等高职扩招试点项目的开展，学生往往不在高职院校学习，在人才培养过程中可能存在教学点缺少教师、课程开设不齐等难题，衍生出对双师课堂远程教学的需要，5G边缘计算技术保证了双师课堂的低时延互动，5G网络切片技术可提供双师专网服务，真正将远端听课学生打造为名师侧的一个近端模块，从而提供双师课堂的沉浸感用户体验。在远程教学过程中，基于5G的大带宽、低时延等特性，将增强现实AR教学内容上云端，利用云端的计算能力实现AR应用的运行、渲染/呈现等，并将AR画面和声音高效编码，从而形成音视频流，并利用网络传输到终端，可在远程教学中将教学内容体验从2D跃升到3D，形成栩栩如生的三维交互式教学场景，将抽象的概念、理论和实验操作更加直观、形象地展示在学生面前，寓教于乐，助力学生提升对知识的认识和理解，有效提升学生的知识迁移能力和学习兴趣，更好地促进工学结合等实践教学模式的变革。

3 虚实结合的《移动通信》远程在线教学资源设计

为了解决《移动通信》课程教学中新技术不断涌现、课程教学内容多、学时紧张、专业理论与实践脱节等突出矛盾，利用增强现实辅助教学手段，化难为简，化繁为简，将抽象化为直观，设计了“虚实结合、云端协同”的《移动通信》远程在线教学资源，有效解决学校及相关教学点存在的设备更新滞后、实训难等短板，更好地满足扩招生源多样化对个性化教学的要求，实现“做中学、做中教”“以学生为中心”等现代职教理念有机融合，实现“资源体系重构化、资源组成碎片化、内在逻辑合理化”的辅学辅教目的，并满足生源多样化的远程在线教学需要。

3.1 《移动通信》课程教学中的突出问题及解决方案

《移动通信》发展迅猛、课程内容更新快，教学中对于各种不断涌现的新技术内容的讲解，大部分采用灌鸭式教学，抽象、枯燥、比较难直观呈现；此外，由于实训条件的限制，有些实训内容无法让学生动手操作，如运营商不可能让学生实地考察正在运营的基站并进行接线操作。可见，《移动通信》采用传统教学方式很难保证教学质量，且学习缺乏灵活性，无法满足高职教育生源多样化所带来的个性化学习的教学需求，也无法满足终身学习的“互联网+职业教育”需求。

针对上述问题，构建了“虚实结合、云端协同”的《移动通信》教学方案。虚实结合即把虚拟可视化融入课程教学的各环节，解决传统教学方式抽象、枯燥等现实问题。具体做法如下：将分立3D可视化素材模型有机整合为可视化课程，构建实时互动教学平台；通过虚拟可视化呈现，为虚拟世界和真实世界的接轨提供空间，使课程学习变得更自由、灵活、快乐。云端协同即远程在线课程学习与传统课堂教学协同，通过在云中心部署精品在线开放课程平台及相关虚拟可视化素材资料，并应用于传统课堂教学端侧，形成云端协同架构。该教学方案可针对不同生源分类施教、因材施教，助力学生与虚拟世界互动的过程中建构对所学内容的理解，解决《移动通信》课程教学与先进技术脱节、理论与实践脱节等关键性问题，切实提升课程教学质量和人才培养质量。

3.2 教学内容及教学场景的虚拟可视化设计

通过前期已做好的《移动通信》精品在线开放课程，开发基于增强现实的教学资源并上传网站，构成云端资源。教师上课时可在课堂端侧直接访问相关资源，学生在课外也可直接访问网站进行在线学习，为了保证实时互动效果，建议通过5G网络访问资源，如图3所示。

基于增强现实的资源开发是设计重点，需要基于学习环境整合学习内容，基于学习内容开发学习环境。选取《移动通信》的抽象概念、移动通信网系统设备、信令信号流程等进行动态演示，实现复杂设备结构和参数的可视化，实现超越现实事物感官体验；也可设计AR实训教学场景，将虚拟信息融入现实环境，实现真实环境的场景再造，不受场地、资源限制，教学内容更有弹性，使学生产生超越现实的虚拟体验。具体设计时采用Unity2017.4.40三维交互制作平台进行场景搭建，借助EasyAR开发工具包进行三维渲染、虚拟信息交互叠加及人机交互，设计《移动通信》课程中关于电磁波传输、图像信息识别编码与传输、基站系统部署等虚拟可视化展示场景

虚实结合的远程在线教学资源将学习内容、学习环境有机融合为一体，是对传统在线教学资源的优化创新，将增强现实资源部署到云端在线开放课程平台，实现资源的升级改造。为了保证交互效果，学习者通过智能终端时，建议借助5G网络进行在线学习。学习者通过摄像头图片采集、图像特征计算、图像特征匹配与识别，寻找相关联的教学资源虚拟素材，将虚拟信息与现实环境叠加，输出虚实结合的场景，如图4、图5所示。

4 结束语

本文基于高职扩招专项中教学模式改革发展的需求，探索了5G网络对高质量在线教学的支撑作用；以《移动通信》为例，构建云端协同架构，设计虚拟可视化互动系统，构建虚实结合的《移动通信》远程在线教学平台，克服传统学习资源缺乏带入感、真实感和沉浸感的缺陷，助力学生在与虚拟世界互动的过程中，建构对所学内容的理解，适应高职扩招新形势背景下不同生源随时随处在线学习的需求，使课程学习变得更自由、更灵活、更快乐，辅以新型教学理念和教学模式，切实提升课程教学质量和人才培养质量，并满足终身教育的需要。

参考文献：

[1] 刘永贵，刘瑞，包雅君，等.《2020地平线报告》启示 因校制宜推动教学信息化[J].中国教育网络，2020（6）：28-30.

[2] 贾俊刚，李颖，林毓梁，等.5G时代背景下高职院校育人方式的机遇、挑战与变革[J].北京工业职业技术学院学报，2020，19（4）：53-56.

[3] 兰国帅，魏家财，张怡，等.未来高等教育教学：宏观趋势、关键技术实践和未来发展场景——《2021年地平线报告（教学版）》要点与思考[J].开放教育研究，2021，27（3）：15-28.

[4] 兰国帅，郭倩，张怡，等.影响未来高等教育教学的宏观趋势、技术实践和未来场景——《2020年EDUCAUSE地平线报告（教学版）》要点与思考[J].开放教育研究，2020，26（2）：27-39.

[5] 刘革平，王星.虚拟现实重塑在线教育：学习资源、教学组织与系统平台[J].中国电化教育，2020（11）：87-96.

[6] 张向燕，张勤俭，张武，等.增强现实技术在课程教学中的应用[J].教育现代化，2020，7（48）：137-140.

[7] 中国移动. 5G+智慧教育白皮书. 中国移动政企客户分公司，2019（4）：29.

【通联编辑：王力】