基于5G+VR的沉浸式研学实训平台研究及应用

王慧

【摘要】    基于5G网络的高速率、低时延、大连接特性以及VR的沉浸性、交互性和构想性特点，本文提出构造以5G网络为基础，将VR、AR、超高清互动内容为承载的知识实训平台，与研学实践基地线下实地场景相融合，打造基于5G+VR的沉浸式研学实训平台，探索“线上+线下”实训新模式，让实训集聚学习性、互动性、沉浸式和科技性，增强知识实训的吸引力和感染力。

【关键词】    5G    VR    AR    研學    知识实训    沉浸式    互动性

一、研究背景

现代化进程中，科技是关键，教育是基础。传统课堂式教育实训形式单一，亟需丰富教学方式方法。研学实训继承和发展了“读万卷书，行万里路”的教育理念和人文精神，结合国际上“研究性学习”的先进理念、方法、模式，成为人才教育的新内容和新方式。随着5G和VR技术的发展与普及，如何将书本知识学习、研学实践基地与5G+VR技术进行融合，打造基于5G+VR的沉浸式研学实训平台是本文研究方向。

二、基本概念和理论

2.1 5G

5G是第五代移动通信技术的简称，优势为：一是高速率，最高可达10Gbit/s，能满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输应用;二是低时延，低于1毫秒，能够满足自动驾驶、远程医疗等实时应用;三是大连接，能提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。

2.2 VR/AR

VR（Virtual Reality）虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，让使用者如同身临其境一般，具备沉浸性、交互性和构想性三大特点，能满足沉浸式、互动式的学习体验类应用。AR（Augmented Reality） 增强现实是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，通过多媒体、三维建模、实时跟踪、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后应用到真实世界，为用户提供现实环境中的物理和增强信息。

2.3研学

研学是“研究性学习”和“实地场所”相结合的教育活动，以科技、红色、历史、军事、航天等各类主题开展实训教育，建立体验式教学实训模式，让参与者在真实场馆中沉浸式体验学习。

2.4知识学习平台

知识学习平台是以文字、图片、视频、直播等多种形式对知识进行教育、讲解、培训、测试及评估的线上学习平台。

三、基于5G+VR的研学实训新模式研究

3.1研学实训现状分析

目前研学实训体验程度较浅，学习效果欠佳，易出现“游”大于“学”的情况，主要问题：一是教学形式简单，多为参观研学基地，以听讲解、观看视频、参与一些轻互动体验活动等为主，学员仅能获得短暂感慨和体会，缺乏一种持续性的学习理解，学习深度不足，实训效果欠佳。二是时间限制，由于线下参观学习受时间因素影响，多以半日或一日为主，无法将实训基地承载的知识内涵深入领悟。三是地理限制，远距离学员无法实地学习，且由于位置离散导致相关联的研学基地知识无法融合和发挥研学实训最大价值。

3.2研学实训VR/AR应用

1. VR虚拟研学基地。VR虚拟研学基地根据实现方式不同分为两种，实景全景拍摄和虚拟建模。实景全景拍摄，是依托研学基地，利用超高像素矩阵摄影技术对基地进行全景拍摄，再通过虚拟图像处理技术将影像合成处理，形成360度全息影像。虚拟建模是根据学习主题，将主题相关的场景影像、图片、音视频等内容聚合渲染，并通过计算机建模算法搭建合成。与此同时，研学基地知识内容也可以通过VR技术制作成学习素材。相比传统VR，云VR通过云计算技术，将音频、视频、游戏等内容进行渲染，在云端处理和编解码，生成视频流媒体，借助优质网络，通过终端推送至用户。由于不受本地算力限制，云VR扩展了传统VR的业务模式和使用场景，更利于研学实训内容大规模学习运用。

2.研学实训AR内容。通过AR技术对研学基地学习内容进行虚拟建模，增强现实信息丰富教学内容。传统AR技术计算、渲染均在终端，对终端硬件要求较高，受限于本地算力，难以开展大场景业务应用。云VR通过基于5G技术特性，将内容部署在云端处理，即存储、计算、建模、编解码、渲染等主要功能集中在云端，生成视频流媒体推送至用户，可以大大降低学习门槛，有助于实训内容的融合互通。

3.3基于VR/AR研学实训新平台

为增强学习教育的持续性、全面性和感染力，将知识学习平台、研学实践基地与5G+VR/AR+云网技术进行融合，打造研学实训新平台，通过登录平台开展一站式研学实训。

1.实景研学实训。实景研学实训依托研学基地实地参观学习，知识实训平台作为导览，指导学员自主完成研学全部知识学习。平台采集研学基地多维度信息，包括地理信息、全景信息、路线信息、学习站点信息、知识点信息等。对采集信息数据加工处理后向学员推荐研学基地最优学习路线，通过实时交互学员位置信息，在路线上引导学员前往各子学习站点。识别学员到达后，平台自动推送学习任务，并根据学员学习情况智能推荐下一个学习任务。

学习站点学习任务包括两类：一是引导学员实地观看阵地线下提供的各类图片、文字、音视频、AR等学习内容;二是推送线上学习内容，如文字、图片、音频、视频、VR、AR等。学员完成学习任务后，平台自动推送答题检测学习情况。完成答题后出具学习报告，包括成绩、正确率、薄弱项等。根据学习数据评估学员学习情况，智能制定下一个学习任务。学习站点学习达标后，平台引导学员前往下一个学习站点开展学习。完成所有学习任务后，平台出具研学整体学习报告，包括知识点掌握数量、质量、用时、成绩、积分以及不同圈层的排名情况，使学员可以全面了解自身学习情况。学员学习情况会同步给所在组织，便于组织了解学员的学习情况，针对性开展知识实训提升。

2.虚拟研学实训。虚拟研学实训是以知识实训平台为入口，进入VR虚拟研学基地进行学习。此方式是对受地理、时间等限制无法实地前往研学基地参观学习的一种学习形式补充。虚拟场馆通过热点交互、展厅切换、自动导览、音视频播放、地图导航等功能，引导学员通过终端設备进行沉浸式体验和学习。学习方式与实景研学实训基本相似，唯一区别所有学习任务均在线上完成。虚拟研学实训形式打破了实景研学实训受线下地域、空间、时间等多方面的限制，学员可以随时随地进入虚拟展馆进行参观学习。

3.研学实训5G应用。为提升研学实训成效、丰富实训内容，平台学习内容会以超高清视频内容、AR影像、VR全景视频为主，有利于学员沉浸式体验学习，通过签名、合影、留言、宣誓、竞答、VR游戏等提升实训互动性。相比传统音视频，高清视频、AR视频、VR视频、交互体验等需要更大、更清晰的画面，一段几秒钟的高清全景视频便可达到几十兆甚至几百兆。为避免出现卡顿、丢帧、花屏、时延眩晕等问题，5G网络切片可保障VR/AR对网络的需求，将网络中不同用户进行切片分类，充分发挥低时延特性。同时在保证VR/AR应用的时延、路径选择、带宽保证等方面能够进行严格区分和精细控制，提供差异化服务保障。5G技术的超大带宽、超低接入时延和广覆盖的接入服务，从技术上能实现VR/AR业务沉浸体验的要求。

4.研学实训AI应用。测评是检测学习成果的有效方式之一，传统答题测试较为枯燥，可通过引入人工智能AI技术增强竞答互动性和趣味性。AI+健身做为新兴行业不断被大众尤其是青年人所关注。研学实训与AI健身相结合，可以实现脑力和体力有机结合。

通过前端摄像头抓取学员动作，基于计算机视觉算法进行人体检测、姿态估计、姿态跟踪，实时获取学员的运动状态并传输给云端服务器，云端服务器通过AI动作识别算法分析将结果反馈至终端，指导学员动作调整并反馈答题结果。AI体感答题传输数据量较大且时延要求需毫秒级，因此5G技术的高速率和低时延是AI+健身+竞答优质体验的保障。

四、基于5G+VR的研学实训平台实现架构

基于5G+VR的研学实训平台架构分为三层：基础能力层、专业能力层和应用层。基础能力层主要为网络、安全、存储、监控及定位等基础公共功能部署。专业能力层是支撑应用层服务的功能实现模块，包括数据采集、数据加工、虚拟交互、内容呈现、体感能力和其他通用能力等。应用层是面向学员提供应用功能，是研学实训教育主要功能体现。

五、结束语

随着5G网络全面覆盖及VR/AR技术的日趋成熟，将科技融入研学实训教育，丰富内容、拓展形式、提升学习成效是研学工作的新挑战。本文提出基于5G+VR的沉浸式研学实训平台，充分利用5G特性及VR/AR沉浸式体验，将知识学习与研学基地深入融合，实现线下传统体验式、观摩式场景教学和线上虚拟场景体验学习及知识互动竞答结合，是“线上+线下”实训模式的新探索，让学习形式更具创造力、吸引力和感染力，学习成效更深入更持久。通过科技与知识学习、研学实训深度融合，使知识教育实训更具创造力、吸引力和感染力，真正实现用好科技技术，增强知识实训成效，为科教兴国战略实施添砖加瓦。

参  考  文  献

[1] 王玲. 基于5G网络VR技术在智慧党建中的创新应用. 《通信与信息技术》2019年第4期

[2] 郭鑫. 5G与VR在智慧党建的应用与实践. 《信息周刊》2018年第27期

[3] 吴珂. 基于深度体验的河南红色研学旅游产品开发研究.《太原市职业技术学院学报》2019年第10期