5G背景下基于虚拟现实的互动教学应用及模式研究

张婧

摘  要：互联网的普及使得线上教育的规模逐步扩大，预计2020年中国在线教育用户规模将突破3亿人，然而线上教育由于没有课堂环境体验使得教学成果不及线下教学，5G技术的提出大大降低了网络延迟，使得虚拟现实互动教学进入课堂成为可能，因此，本文将基于虚拟现实的互动教学应用及模式进行分析与研究，从而提高课堂及在线学习的知识吸收率。

关键词：5G  虚拟现实  教学模式  互动教学

中图分类号：G71                                文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0205-03

Abstract： The popularity of the Internet has gradually expanded the scale of online education. It is expected that the number of online education users in China will exceed 300 million in 2020. However， the lack of classroom environment experience makes online education less effective than offline teaching. Reduced network delay， making it possible for virtual reality interactive teaching to enter the classroom. Therefore， this article will analyze and research based on virtual reality interactive teaching applications and models， thereby improving the knowledge absorption rate of classroom and online learning.

Key Words： 5G; Virtual reality; Teaching mode; Interactive teaching

5G的商用使虚拟现实（VR）、人工智能等技术发挥能效，打破了VR在传输方面的技术屏障，解决了高传输延时导致在虚拟现实应用过程中产生的眩晕问题，使得在移动环境下虚拟现实和沉浸式视频的分辨率可达到人眼的分辨率。一般而言，除了沉浸式虚拟现实，全新的虚拟现实将完全摆脱传统的虚拟现实的头盔显示器、数据手套、数据衣等常用交互设备上的空间传感器，从而实现更自然的人机交互。传统教育模式受到时空限制，5G下的虚拟现实具有突破时空限制的显著特点，为人们分析问题、解决问题、协同工作等提供新手段，在军事、航天、教育培训、电子商务等方面具有良好的应用前景[1]。虚拟现实环境的现实感操作和身临其境的真实感，让参与者产生身临其境的真实感有助于激发学习者采用不同于傳统教室环境的新颖学习方法。虚拟现实的使用对教学法及语言教育大有益处。根据刺激和构建主义理论，在教学中运用虚拟现实的主要优点就是身临其境的情境刺激带来更深刻的学习体验。而基于5G场景下的VR教育也会开拓更多应用场景，比如地震、消防等灾害场景的模拟演习、模拟诸多高成本、高风险的教学培训，VR应用场景还可以在更多的教育应用领域发挥更大能效。

教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》指出，到2022年基本实现“三全两高一大”的发展目标，其中包括数字校园建设覆盖全体学校和建成“互联网+教育”大平台。基于虚拟现实的教育模式契合这一发展目标。2020年，在线教育的潜在市场需求仍有很大的空间需要拓展，将虚拟现实结合到在线教育将有助于提升在线教育的沉浸式体验感。同时，5G等信息技术发展将作为推动在线教育模式改革的助燃剂，同时给传统教育领域的改革指引新的思路和方向。

1  基于虚拟现实教育的发展现状分析

2017年12月，虚拟现实教育应用研究院在北京成立，并于2019年春季召开了“高等学校虚拟显示技术教育应用研讨会”，在高校教学中引入虚拟现实将是未来高校教育改革的方向。2018年6月开始，百度VR教室先后在安徽合肥习友路小学、浙江、上海等地相继打造了一个VR教室的真实环境。2019年3月，上海工程技术大学实现校园内5G信号覆盖率达98.6%，为建立沉浸式教学提供有力支撑。湖北华中科技大学成为首个5G校园试验网基地，5G远程教学等应用将在校园上线，预计2019年下半年通信芯片研发成功，实现5G虚拟现实课程教学等更多强大的功能应用。北京师范大学蔡苏等提出基于虚拟现实的学习环境架构[2]，以一个虚拟现实概念演示书通过虚实结合展示了中学物理中的单摆、牛顿第一定律等实验。Cai 等学者构建了一个基于虚拟现实技术的一对多学习系统[3]，教师可以通过网络视频交互系统将实时增强的视频教学信息传输给学生。Cai和 Chiang等人将VR技术与微软Kinect体感交互技术相结合。研究表明，基于VR的体感教学软件能够帮助学生理解磁场和磁感线等抽象的概念，有助于学生更高效地学习物理规律，在改善学生的学习兴趣方面有不错的效果。为了提高语言学习的效率，最好能让学生真正进入到接近真实生活场景中，由于时间和资金的限制，很多学生无法满足上述条件，基于VR的沉浸式语言学习为学生学习语言提供了良好的交互式语言学习环境，朱尧平[4]提出虚拟现实技术应用到高效英语教学的理论基础。雷巧鸣[5]提出利用VR技术，教师可以创设出多维度结合的视听和动手交互的学习方式。

国外较早地开展了虚拟现实在教育中的应用。美国微软公司的首个不受线缆限制的全息计算机设备HoloLens将助力于教育改革。新西兰的一所学校中采用HoloLens进行交互式教学，可实现周围真实环境中的全息影像互动，有效地提升学生的创造力。Math Hololens可以提供几何教学中的立体几何对象显示。美国科格威尔工艺学院在全球首先开设VR/AR课程，旨在让学生学习VR/AR的认知和感知方面的知识，掌握开发人机界面及交互的设计原则及技能，以及VR/AR的故事叙述方式[6]。格林内尔学院开设了沉浸式体验实验室，目的在于探索VR和AR以及混合现实技术对于提高文化科学学习效率的影响。

MOOC平台作为中国最大的在线教学平台，拥有非常丰富的教学资源，然而，MOOC平台虽然解决了不同地域学生平等地获取教学资源的问题，但是MOOC课程缺乏学习过程的沉浸感体验，虽然通过课堂的测试可以增加学生在线上课的参与感，但是学生的知识获取率仍然不高。另外，MOOC实践中还存在着一个非常突出的问题就是教学实验非常薄弱[7]，虚拟现实技术将为上述问题提供解决方案，在MOOC教学平台上引入虚拟现实技术对于医学、物理、生物等学科的教学开展将提供良好的沉浸感、交互性和可想象性。

目前，VR教育现有终端较为成熟，国内外企业和少数高校已经建立了VR教学的早期体验环境和相应的一体化设备。利用VR实现教学中的动态交互是教育改革的发展趋势，然而， 通过分析基于VR的线上与线下教育现状，VR教育存在的不足亦十分突出，具体包括如下4个方面：

（1）VR内容生态体系不完善，现有VR教学资料仅覆盖少数学科门类，目前的VR教育资源主要覆盖K12教育和高校的部分学科，因此，VR教育内容比较零散，没有形成体系和规模，VR教育资源一方面需要进行同类整合，另一方面需要体现各学科的特色。

（2）面向消费者的教育类应用存在缺陷和不足，无法满足各年龄层次的使用需求，现在的VR教育应用模式不够成熟，未来可以考虑根据用户需求推荐VR教育资源解决这一问题。

（3）设备资金投入较高，学生在利用基于VR的教育资源进行学习时，必须佩戴VR设备才能进行VR教育内容的学习，然而，体验感好的VR设备通常比较昂贵。

（4）缺少成熟的教育模式和量化指标。VR教育尚处于发展初期，企业和高校都主要进行基于VR的教学资源平台建设，然而，对于如何将VR教育引入课堂、如何量化评价VR教育对于学生知识吸收率的影响等尚存在缺失，因此，亟需通过大数据对VR教育的教学效果进行评估。

2  高校中虚拟现实教育模式分析

教育部办公厅在《2019年教育信息化和网络安全工作要点》中提出，要培养提升教师和学生的信息素养，推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用。其中，VR在辅助教育的知识传授方面，将发挥非常重要的作用。同时，虚拟现实技术带来的身临其境的教学方式是推动教育信息化改革的重要契机，同时虚拟现实技术还可以避免部分有危险的实训中产生的学术人身伤亡，应用前景广泛。5G时代下使得虚拟现实的效用得以实现，以5G为应用环境，VR为呈现手段，在整个教育互动过程中将成为不可或缺的一环，但虚拟现实在高校教学中的应用模式尚没有成熟的框架，亟需进行深入研究。

5G通信技术具有高带宽和低延迟的特点，因此，基5G将VR引入到教学过程中时，学生能够在不同视角，以交互式超高清全景视频为载体，身临其境地进入世界任何地方的课堂，从而真正实现每个人教育资源的平等，在参与到教师的授课或实验过程中时，学生能够与老师即时进行互动。因此，5G与VR的结合将能彻底解决地域差异导致的教育不均衡问题，从而有效提高全球的教育水平。但将虚拟现实引入到高校教育中仍需考虑以下四个方面。

（1）将VR引入到高校教学中，教师和学生作为参与主体，决定着VR教学的效果，教师需要从传统的面对面课堂过渡到新的教学模式中，对于习惯了传统教学模式的教师来说，转化到VR教学需要对课堂教学进行较大的调整;学生作为VR教学的参与者，同样需要做出调整，可以考虑通过调查问卷统计高校教师和学生对于在教学中引入VR教学的接受度，并对VR在课堂中所占比例进行调研，形成调研报告。

（2）将VR引入到传统教学模式中，教学模式和教学策略都需要进行重新设计，通过将教学知识点进行分解，选择能够通过VR展现的教学知识点引导学生进行互动式学习，从而为学生提供互动式的学习体验，帮助学生通过主动的参与式学习，积极构建自己对知识的理解。教学模式可分别以讲授式、自主式和交互/协作式。在混合教学模式中，应以学生为课堂主导者，提高学生的参与度，从而激发混合式教学中学生学习的兴趣，提升学习效果。

（3）反馈阶段是将VR引入高校教學过程中最为重要的一个阶段。通过教学过程产生的评价数据，使基于VR的混合教学效果不断提升，从而促进教学模式不断改进。在对VR交互教学进行评价时，可以综合不同角度进行评价，如课堂社区意识、学生参与度和基于问题的学习框架等。在基于VR的混合教学模式中，VR互动教学对学生知识吸收率的影响是一个重要的指标，利用该指标可以定量描述VR教学对教学效果的影响。通过对教师和学生对VR应用于教学的满意度调查，可进一步分析信息技术对教学效果影响的关键因素有哪些，将该结果反馈到VR教学应用模式中对相应的环节和要素进行修订与完善。

（4）探索VR教学在高校教学改革中的应用模式，形成混合式教学模式规范，研究移动课堂加入高校教学体系的可行性，并推广到其他学院的专业课教学中进行应用。

3  结语

传统的教学方式过于枯燥，多媒体教学丰富了知识的呈现形式，翻转课堂的教学模式改变了教师在课堂上演独角戏的现状，将学习的决定权从教师转移给学生，改变了学生课堂上参与度低的现状，使得课堂内的宝贵时间用于研究解决问题的方案，实现了拓展性、思考性教学。5G技术下的虚拟现实教育弥补了课堂互动的缺失，教室内的每一个学生都可参与到学习过程中，避免了边缘学生的互动缺失问题。VR可辅助教育的知识传授，提高知识的传递和获取效率，提升学生认知和理解知识的效果。虚拟现实技术带来的身临其境的教学方式是推动教育信息化改革的重要契机，但虚拟现实在高校教学中的应用模式尚没有成熟的框架，亟需进行深入研究。

参考文献

[1] 左智科.5G 时代应用型高校教学模式探讨[J].教学研究，2017（15）：117.

[2] 蔡苏，张晗，薛晓茹.虚拟现实（VR）在教学中的应用案例评述[J].中国电化教育，2017（362）：1-10.

[3] 蔡苏，张晗，薛晓茹，等.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述[J].中国电化教育，2017（3）：1-9，30.

[4] 朱尧平.VR技术在高校英语教学领域的应用研究[J].科教文汇（中旬刊），2020（4）：177-178.

[5] 雷巧鸣.VR技术在英语教学中的应用研究[J].中国教育技术装备，2016（23）：131-132.

[6] 丁飞，张登银，师晓晔，等.基于VR/AR的互动式教学研究与实践[J].软件导刊，2018，17（12）：213-216.

[7] 谢绍平，刘强，谌贻波.虚拟实验：MOOC环境下实验教学的重要发展方向[J].教学研究，2018（23）：74-79.

[8] 杨小梅.MOOC给高校传统教学带来的冲击及思考[C].Information Engineering Research Institute， USASingapore Management and Sports Science Institute， Singapore.Proceedings of 2017 6th EEM International Conference on Education Science and Social Science （EEMESSS 2017）.Information Engineering Research Institute， USA、Singapore Management and Sports Science Institute， Singapore：智能信息技术应用学会，2017：439-442.