“5G+XR”教育场域的构建、要素创新及应用场景

范文蓉，刘 峰

(南京邮电大学教育科学与技术学院，江苏 南京 210023)

0 引言

目前国内互联网教育市场正蓬勃发展，对利用信息化技术来提高教育质量和教学效率方面有着更加强烈地诉求。同时，教育部于2018 年印发的“教育信息化2.0 行动计划”明确提出要充分发挥信息技术资源优势，改革教育传统模式，并全力促进新一代信息技术与教育教学的深度结合[1]。近年来，基于新技术环境指导的体验式学习方法与实践逐步成为学术界研究的热点和趋势之一，扩展现实XR 作为一种全新的人机交互感知技术，为实现体验式学习提供了强有力的环境支持[2]。

然而，在实践过程中鲜有学校能真正将扩展现实融入课堂，这背后存在诸多原因。当前，我国基础实施的千兆级网络难以支持XR 在网络中的实时传输，存在远程交互延迟、学习资源传输慢、渲染过程处理慢等技术问题，严重拉低了知识的传递效率[3]。而5G技术的超高传输速率特性能够为此带来生机，成为数据流量密集型的XR 实时用户交互背后的技术支撑。在此背景下，利用5G 技术赋能XR，能够在实际教育应用场景中实现诸多突破[4]。

1 5G的核心价值及其对教育变革的推动

1.1 XR教学模式的困境

具身认知理论为XR 技术用于教育领域奠定了理论基础，两者都强调了身体活动及体验过程对人类认知塑造的重要性[5]。在XR 教学模式中，学生可以通过视觉、听觉和触觉直接与所学内容互动，从而将原本模糊的知识点转化为具体的互动资源形式，形成有效的认知[6]。然而，在当前动态、复杂、开放的教学过程中，XR 终端的数据收集质量差、网络数据传输延迟久、逻辑运算速度低等现实问题，让学生难以做到在自然的状态下去感知和互动，这与具身认知理论完全相悖，使得实际教学中学生认知能力的提升效果大打折扣。可见，近乎真实的情境需求以及学生的沉浸式体验效果无一不对网络的实时互动传输提出了超高要求，全新学习资源、学习工具的开发迫在眉睫。

1.2 5G的核心价值及其对教育变革的推动

5G 世界统一标准最早于2018 年推出，其实际应用优势被认为主要在增强型宽带（峰值可达20Gpbs）、高可靠低时延接入（仅为1ms）以及海量物联网（连接密度达10Tbps/km2）三大方面，在各行各业都具有非常广阔的发展前景[7][8]。2019 年4 月，中国移动发布的“5G+智慧教育白皮书”为5G 助力移动智慧教育发展打造里程碑，移动网络技术的发展和网络教育资源的完善促使以5G为支撑的教育应用逐渐发展起来，即将推动传统教学模式的全新变革[9]。

5G 的三大优势能为XR 教学模式提供强有力的网络技术支持，但绝不仅限于此，更为重要是通过与之融合形成一个“5G+XR”教育场域。在此场域中，5G网络会激活扩展现实等一系列技术，从而构建三维空间与现实空间有机结合的教学场景，打造数字道具和实物道具映射组合的教学工具，进行虚拟实践和现实实践渗透融合的体验式学习[10]。

2 “5G+XR”教育场域的构建

通过将5G 通信技术与传统XR 教学模式深度融合[11]，本文创新地构建出“5G+XR”教育场域。如图1所示，该场域包括以下几个部分。

图1 “5G+XR”教育场域的构建

⑴终端：作为XR 服务的用户端设备入口，主要工作包括使XR 应用本地化显示在师生用户显示屏中、对教学过程中使用者的位置进行追踪与定位、提供多样互动的操作方法、对需要传输的数据进行逻辑运算以及渲染输出高清图像。

①高清晰度显示：利用全景拼接等计算机图像显示技术构建虚拟场景，并在增强渲染和光场显示技术的支持下进行图形渲染，最终输出到学习者的终端显示屏中，实现高清晰度显示功能。

②位置追踪与定位：通过内置终端的各种感应器、陀螺仪、深度摄像头、显示屏等元器件，运用激光定位、红外光学等技术，精准收集学生的姿态、方位数据信息以及操控轨迹信息，并依照系统逻辑处理规则进行数据转换。

③多样互动操控：学生通过基础键鼠操控、遥控、语音识别、手势识别、脑电波识别和其他控制技术与终端实现多样交互。

⑵网络：实现用户终端与服务平台之间数据畅通的传输通道，其部分服务功能需要下一代5G网络的支撑。5G 的超低时延传输保障XR 对低时延交互的要求、大容量的网络宽带实现XR 对全景视频技术和应用信息的传送，其创新的边缘计算部署减轻了网络数据传输的压力，同时助力于实现更精致的XR教学内容。

⑶平台：主要提供数据管理、终端管理、运营维护等基础业务。在5G的支撑下，能够实现云端运行和图形渲染等功能，实时返回运算结果至用户端，用户根据信息实现对应的操作，完成应用体验。

⑷应用：在XR 应用开发框架下结合通用的图形开发引擎研发各种XR 应用内容，以实现多项逻辑编程、图形渲染和定位操控等工作，开发出各式各样的教学资源。

3 “5G+XR”教育场域中的要素创新

3.1 开发新型教学资源

传统的信息化教学中已有文字、图片、动画、声音和录像等各种形式呈现的教学资源[12]。在扩展现实技术高速发展环境下，全息影像、立体视频、三维动画、3D打印模型等多种形态的新型教学资源先后涌现，例如太阳系的三维动态模型视频。一些不利于通过传统教学掌握的内容，被扩展现实等技术形象地表征出来，从而使学习者们更深刻地领会教学内容、掌握课程要领。如图2所示，在5G 网络能够保障学习资源的快速传输并能存储、处理、共享的条件下，教学资源势必会向着立体化、动态化、逼真化发展。

图2 “5G+XR”教育场域中的新型教学资源

3.2 催生智能教学工具

在“5G+XR”教育场域中，陈旧的教育软硬件系统将更新换代，进而催生更加智能化的教学工具。4G时代，电脑、手机、平板等电子设备为学生们的移动学习提供了良好支持，但对提高学生课堂学习兴趣效果并不显著[13]。到了5G 时代，终端设备将朝着更加智能化、轻便化和人性化的方向演进，比如，以眼镜、运动服饰等形态存在的穿戴型产品以及折叠式手机、迷你无人机等智能终端。丰富的终端设备和高速的数据传输系统，可以做到对信息的高质高效采集和高速可靠传输，其提供的沉浸式学习体验将成为激发学生好奇心和学习兴趣的完美解决方案。

3.3 赋能学生多元互动

互动形式单一和情感互动的缺乏是当前学生行为互动的重要问题[14]。“5G+XR”教育场域带来的改变主要体现在以下两点：①破除了传统信息化教学中对主体身体的禁锢。在便携式可穿戴设备以及5G 高速无线网络技术的支持下，基于语音、手势、脑电波信息的交互技术突破了以往的技术限制，给予人充分的物理空间，得以舒适、灵活和自由的进行交互。②增强主体对外部事物的感知能力。在5G 与XR 技术所支持的教学活动中，全新的高清教学资源具有良好的可交互性，对实现情境渲染、模拟仿真非常有利，这给学生带来了新鲜的感官体验，学生主体意识增强，对外部事物的感知能力增强，对待学习更加投入。

4 “5G+XR”教育场域的应用场景

4.1 高清交互式课堂教学

高清交互式课堂教学是对现有互联网智慧课堂教学的全新升级。在利用扩展现实技术实现沉浸式教学的过程中，相关移动设备皆可接入5G 网络，能够消除网络时延对人类视觉感知的影响，为学习者提供真正无缝和沉浸式的实时学习体验。具体实践创新体现在以下两点：第一，高度还原了现实情境，使得教师和学生之间、学生之间、学生和机器之间的互动更加多样化，有助于提高学生的学习体验和情感交流。第二，5G的高带宽技术扩大了网络视频存储的可用容量，使渲染后的高清画质得以无障碍传输，提高虚拟环境的真实感，重塑学生学习体验。

4.2 实时情景化远程教学

远程教育正作为学校教学的重要补充肩负重任[15]。“5G+XR”的组合，在虚拟学习场景建立、多用户协作、人机交互等方面具有得天独厚的优势，能够实现网上“面对面”的互动课程，全面改善当前远程教育系统的整体学习环境[16]。除此之外，大带宽的通信技术支持着音频、视频传输的需要，将不同地点的课堂连接起来，为一对一、一对多、多对多的远程网络课堂中的师生提供实时的沟通，促进优质互联网教育资源之间的交流互动和共建共享。

4.3 虚拟仿真实验教学

传统的实验教学主要是在校内开展，且授课时间比较固定，课堂空间也十分局限。在XR 教学中，运用三维虚拟现实技术形成的仿真实验教学情境，突破了以往在传统的实验教学系统中受时间、空间环境等的诸多约束，为学习者进行亲身实践活动创造了机会。目前已有国内学者开发出虚拟物理实验室，为学生提供随时随地在真实设备上做实验的体验，极大程度上加强了学习者对实践课程的认知[17]。

5 结束语

5G 的三大优势让XR 技术在教育领域有了许多新形式的突破，为我国在不同教育阶段形成全新形态的教学模式提供技术支撑，也为教育技术的整体革新与跨越式发展带来生机。本文认为，“5G+XR”技术紧密结合而形成的教育场域应用前景十分广阔，不仅能提高教学资源的动态性、丰富性，也能在一定程度上弥补传统教学形式单一的缺陷。但要想真正的在教学中实现“润物细无声”的体验式教学，还需要我们在均衡教学资源、改革教学模式、教师培训、设备性能等方面做出努力，让扩展现实技术早日与实际教学相融合。