“5G+STEM”技术教与学的未来应用路径及反思*

彭迪　杨进中　位静

摘   要：随着5G技术的不断成熟，现有的学习方式、教学手段都会受到一定的挑战。5G技术以其高数据传输速率、低网络延迟，以及移动性、低功耗和广覆盖的特点，满足了高清视频、虚拟视频、物联网通信等大数据量传输的需求，为STEM教育进一步发展提供了坚实的技术支撑和运作基础。因此，“5G+STEM”技术的应用将是教育信息化的重要基础，该技术可以充分实现STEM跨学科的个性化学习，完善STEM教育评价体系，提升STEM教师专业发展。文章在梳理5G和STEM技术发展应用的基础上，分析了“5G+STEM”技术的未来应用路径与思路，STEM教育在新一轮信息技术革命浪潮中迎来新的机遇与挑战。

关键词：5G;STEM教育;教育技术

中图分类号：G40-057 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）19-0011-05

一、引言

2019年2月，中共中央、国务院联合发布《中国教育现代化2035》文件，文件提出推进教育现代化的指导思想以及教育信息化的重要内容，要求加快信息化时代的教育变革，建设智能化校园，统筹建设一体化和智能化的教学、管理服务平台。[1]5G时代的到来引起各界广泛关注，目前5G网络已由研发阶段转入实用阶段，必将对教育产生巨大影响。STEM教育作为跨学科、综合性的教育模式，已经逐渐引起我国的重视，近年来我国发布一系列相关规划，积极推动STEM教育发展。2019年教育部发布的《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》提出，探索跨学科教学等教育教学新模式。[2]作为STEM教育主要部分之一的技术（Technology），5G网络技术的发展，势必会对STEM教育跨学科教学模式的发展起到极大的助力作用。因此，5G作为新一代通信技术，为STEM教育的繁荣发展提供了可靠的技术支持，同时在5G大背景下，以项目式、跨学科为建设中心的STEM教育偏向于网络教学资源建设也是顺势而为。

本文主要从三个方面对“5G+STEM”进行研究：首先介绍了5G与STEM教育的国内外研究现状;其次研究了“5G+STEM”技术教与学的应用路径;最后对“5G+STEM”技术的挑战与反思进行分析总结。

二、研究现状和实践进展

本研究以“5G”和“STEM教育”为主题词，从中国知网和Web of Science数据库共搜到1篇中文研究论文。 以“5G”和“教育”为主题词进行检索，共搜到129篇相关研究论文，其中，中文123篇，英文6篇。从发表论文数量看，我国在5G网络应用于教育界的研究远高于其他国家。从文献内容来看，我国研究主要聚焦在三个方面：第一类是5G技术推动教与学形态的研究，包括5G技术对学校教育资源和教育理论的影响研究、5G网络探索时代混合教学模式的研究以及5G网络对教学改革和教师发展的影响;第二类是5G推动专业学科的发展，包括影视业、艺术专业、应用统计专业、医学专业等，以医学专业应用研究为主;第三类是5G技术促进教育技术手段的应用，主要体现在“5G+互联网”、“5G+AI”、“5G+智慧校园的建设”、“5G+VR＼MR”、“5G+无人机”等方面。

国外5G与教育相关的研究主要包括以下几个方面，Demestichas等人主要研究5G网络生态系统的架构，详细阐述了增强型移动宽带（EMBB）、超高可靠及低延迟通信（URLLC）、大规模机器类通信（MMTC）的5G三大应用场景，分析了5G生态系统三个区块内的各种服务，并提出该模型完全可以应用于教育服务。[3]Gómez等人提出一种系统，该系统能够与虚拟学习主题相关联的物理对象进行对接，通过一系列实验结果证明他们的模型可以提高教学效果;[4]Delali在文中讨论了5G生态系统的使用，提出应用于教育行业的系统框架，分析了其相关技术应用于教育的可行性和在教学过程中带来的优势。[5]

在5G与STEM相关研究方面，葛诗婕在《5G互联网时代下基于STEAM的艺术发展新趋势》中从全面深入跨学科整合教学、落实智慧课堂、创新线上线下教学等三个方面论述了5G技术的发展给STEAM教育带来的变化，重点介绍了STEAM教育模式中艺术教育在5G时代的发展趋势。[6]

由以上可知，基于5G技术的革新国内外研究给教育发展描绘了丰富的应用情境和未来方向，智慧校园的建设、VR＼MR等在课堂中的应用、AI和无人机的发展，以及国外学者提出的5G生态系统都可以为教育服务，5G通信技术解决了传统教育中面临的一系列问题的同时，更对智慧校园、智慧教育等的应用和普及起到了重要的支撑作用。但从文献数量上看，关于5G技术在教育领域结合应用的研究并不是很多，主要体现在教育资源和教育理论、教育技术发展、教育公共服务等方面，缺乏对STEM教育和5G网络的研究。而在5G、云计算、人工智能和大数据的支持下，STEM教育的教与学将朝着智能化的方向发展，“5G+STEM”技術的无缝融合，是教育数字化转型的一种创新。将5G引入STEM课程，将全力推动我国STEM教育以及教育信息化的变革。

本文在“5G+STEM”视域下，结合5G通讯技术的特有优势，分析“5G+STEM”技术的未来教学应用场景，从STEM教学环境、STEM教师发展、STEM教学评价三个路径探讨“5G+STEM”技术的优势和潜力，以期为“5G+STEM”教育发展创新提供有效借鉴和参考。

三、“5G+STEM”技术教与学的应用路径

1.改善STEM教学环境，提升教学质量

互联网环境下，知识不再是线性的、集中的，而是分散的、碎片化的，学生必须加强不同类型信息的加工和不同学科知识的整合，这也是STEM教育跨学科学习的目标之一。[7]STEM教育学习的主要方式之一为项目式学习，其教学方法是为学生提供一些关键素材，构建一个联系真实世界的情境，学生以小组合作方式在此情境中解决一个开放式问题或者完成一项综合性任务。

就目前国内STEM教育而言，课程内容主要集中在3D打印机、机器人学习等科学课，课程来源大多直接移植国外经验的STEM课程、硬件公司开设的STEM课程，以及教师、培训机构自己开发设计的STEM课程，课堂形式以项目式学习为主，一定程度上注重学生的主动参与和体验，强调学生的主体地位。[8]但教学实际情况往往是，学生仅限于信息的收集，学习的课程单一，学科之间整合不够，缺少STEM教育整合创新。因此，STEM教学质量的提升必须依赖5G网络的发展，以此来实现沉浸式学习，让学生真正体会到STEM教育课堂的技术整合，摆脱“大手工课”，抓住STEM教育的宗旨。

有学者通过实验验证提出，情境化培训与传统的在线指导相结合可以有效改善学习成果。[9]5G网络技术的普及带动增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术的发展，主打虚实融合、多人协作互动的混合现实教育装备成为教育信息化发展的新方向，引领“VR＼AR+教育”的2.0时代发展。[10]实现5G在STEM教育中的自动化，典型的例子是触觉互联网的应用，通过增强触觉来增强人机通信的能力，提高人机交互的友好度，可用于远程访问、查看、操纵和控制真实或虚拟对象，这是确保学生分别具有增强和虚拟现实内容的互动和触觉的方式。[11]这种新技术使虚拟手术、虚拟驾驶、飞机驾驶、地震模拟等情境教学轻松实现;在STEM项目中一些考古学、海洋学等难以接触实物的课程通过VR虚拟不是接触标本和仅限于视频，更多的是三维、立体的真实生物模型，为项目式学习提供更加真实的情境，Delali Kwasi Dake等人采用华为技术有限公司的5G生态系统模型提出，利用5G生态系统部署触觉增强现实技术，使学习水生游览的学习者可以产生水体的确切温度、水生植物和动物的触觉，这对于要体验触摸水中波痕感觉的学生来说，在现实世界中是昂贵且高风险的尝试，但5G给触觉互联网技术提供了可能性，使学生在虚拟教室里有触摸鲸鱼的感觉，并且可以实时获得互动触觉反馈、数据交换所涉及的速度。[5]纽约大学和哥伦比亚工程学院的研究人员以及整个纽约市的公立学校正在开发一种沉浸式的新型教育工具包，让学生在一系列有关云、互联网和虚拟实验室中进行协作，旨在使用虚拟现实和增强现实技术来创建以STEM为主题的“密室逃脱”式游戏;该团队还研发了一个称为5G COVET的教育工具包，包括高科技的游戏化学习模块集，集成了耳机、传感器、摄像头等最新连接，这种模型有助于引发STEM教育的变革。[12]5G网络典型的低延迟特点不仅降低了STEM教育成本，改善了教学环境，在一些难以实现的项目式学习中更为学生提供了更加真实的教学情境，MR全息教室让抽象场景变得更生动形象，增强了学习的沉浸性和临场感，激发了学生的创新思维和能力，极大提高了STEM教育学习效果;同时移动性便携式基站也让大量场馆甚至是难以开展STEM教育的偏远地区成为学习体验场所，在一定程度上也促进了教育公平。

2.提升STEM教师发展，改变教师角色

STEM教育的兴起对教师发展提出了要求，目前我国很多STEM教师大多是科学课或者综合实践课教师出身，很难达到STEM课程的教学要求;很多教师不会上STEM课，缺少足够的STEM教师，[13]也没有专门针对STEM课程的培训，[8]这类粗线条的STEM课程难以开展有针对性的、规模化的教师培训，直接导致了中小学基础教育课程中的STEM教育不能得到广泛推广。[14]

5G网络时代的到来，为教师STEM专业发展提供了契机和跳板，教师在STEM教育观念、STEM课程开发等方面都面临着巨大的挑战。一方面，借助5G信息技术的进步和普及，要求教师具备更强的学习能力和适应能力，转换教师的角色属性，5G网络推动STEM课程提升和发展的同时，教师也必须转变STEM教育观念，将知识性的学习转移到观念的更新和信息处理能力的提升上，技术和观念的进步是同步一体的，引导学生提升逻辑思维能力和学习认知能力;[15]另一方面，我国STEM课程的开发一直处于起步阶段，STEM教育教师资源不足，5G网络智慧时代硬件设备的开发使教学实现智慧化，教师可以从繁琐工作中解放出来，专注于STEM课程设计，同时通过教室内移动智能设备5G技术也可以让教师方便获取与STEM课程相关的知识资料，方便教师交流和学习，有利于STEM课程发展和教师STEM专业发展。除此之外，5G网络给STEM课堂教学环境和硬件设备带来了便利性，也有利于教师更好地开展STEM教学，提升个人课堂教学水平。

3.完善STEM评价机制，实现个性化学习

目前国际上STEM教育质量评价具有较强的可操作性的研究较少，而国内少量相关研究主要是介绍国外STEM教育评价的研究进展。严重缺乏成熟可行的可适用于我国STEM教育发展的评价工具，评价机制的匮乏很大程度上制约了我国STEM教育的可持续发展。[16]通过梳理国内外STEM教育评价工具，发现其主要评价对象聚焦在课堂、教师以及学生三方面，评价方法主要包括课堂观察和教师教学两方面。国外在STEM教育评价方面开发了较多的评价工具，评價内容也相对全面，与国外STEM教育评价研究相比，我国相关研究大多是在介绍国外STEM教育评价的研究进展。

从近两年少数研究来看，何克抗提出了创新意识、创新思维、创新能力三层级的评价机制，主张将我国青少年培育成为创新性人才;[17]樊雅琴等将小学生参与度划分为认知参与度、情感参与度、行为参与度以及社交参与度等四个维度，基于此来开发STEM学生参与度评价工具，并将年龄、性别等作为评价要素，根据评价结果提出项目式STEM教学中学生参与度的提高策略。[18]吴忭等提出了利用网络分析法对STEM教育开展评价的新思路。[19]

综上可以看出我国针对STEM教育评价的实践进展缺乏成熟可行且适用于我国STEM教育的评价工具，除了对STEM教育评价指标体系不明确之外，更主要原因是对STEM教育的跨学科性、真实性情境，以及学生在项目式学习中所体现出的协作交流、问题理解、活动探究等外显行为的指标测量无法进行切实可行的记录和分析，5G网络的发展可对这一问题进行完善。

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（編辑：王天鹏）