四川大学智慧教育方案设计与实现

文/温静 刘学洪 黎生 许春

四川大学积极推进数字技术与教育教学的深度融合，加快5G、云计算、大数据等新型基础设施建设，开展5G+智慧教育探索实践，涵盖5G 校园融合专网建设、AI+知识图谱的智慧教学平台建设、5G+XR（Extended Reality）创新实验室等技术和应用，助力教育教学效果提升，形成一个技术先进、效果明显的5G 与教育教学融合的典型应用。

5 G+“云上川大”的智慧教育架构

5G+“云上川大”智慧教育以5G 校园融合专网建设为基础，结合边缘计算、物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术能力，全面服务于互动教学、知识推荐、沉浸式教学等核心应用场景。图1 为5G+“云上川大”智慧教育总体方案框架。总体方案按“端-管-云-应用-门户”的主流ICT(Information and Communications Technology)架构，包含终端层、网络层、平台层、应用层、门户层五个层次，具体功能详述如下：

图1 5G+“云上川大”智慧教育总体方案框架

终端层：终端层适配不同的应用系统作为采集设备、显示设备和执行设备，其中采集设备采集的数据源经由网络层传输到平台层进行存储和处理，并最终反馈到展示设备进行呈现，同时需要联动操作系统通过执行设备完成处理。

网络层：构建5G 校园融合专网，发挥大带宽、低时延、广连接的特点，同时融合局域网、WiFi 网、物联网等，将终端设备采集的数据高速安全地传输到平台层进行处理。

平台层：平台层充分利用云计算、大数据、人工智能等技术，可基于不同的网络架构进行搭建部署，具备分析能力、渲染能力、资源调度和管理能力的集中化云平台。向下接入汇聚各应用系统终端的数据，进行数据交换、数据处理，并面向上层场景化应用提供资源优化、成本优化的数据服务。

应用层：主要面向“5G+智慧教育”重点任务，打造互动教学、个性化知识推荐、5G+VR 沉浸式教室等教育场景应用创新，促进教育高质量发展和高素质人才培养。

门户层：为学生、教师、管理人员、上级单位提供访问与服务入口，支持多协议、多终端访问，并以分权分域的机制提供差异化的功能界面和操作权限，提升用户服务体验。

“AI+知识图谱”赋能教学

本质上，知识图谱属于一种语义网络，用来建立和展示各种实体关联，一方面利用实体关联实现资源的推荐、查询，另一方面利用可视化形式展示各种结构关系。一般情况下，知识图谱的构建包括知识抽取、知识表示、知识融合、知识推理、知识存储等步骤。

基于“AI+知识图谱”的教学资源建设与管理

开拓教学数据资源，丰富知识原点。第一，课堂录播自动入库，沉淀校本优质课程资源。采集的教学资源可统一保存到“大川学堂”教学资源管理平台，作为四川大学校本资源库优质资源沉淀。在录播资源管理方面，支持教师、管理员自主上载，实现统一集约化管理。第二，5G 智慧直播，创设优质资源新兴渠道。课堂实时画面通过5G 校园融合专网传输到“大川学堂”智慧教学平台，为校际师生、督导教研组、校外专家等提供课堂在线直播。同时为后续知识图谱的构建提供数据源。第三，智慧教育大平台建设，实现公共平台资源存量汇聚。“大川学堂”以国家智慧教育平台为蓝本，对接统一接口，实现爱课程、学堂在线、智慧树、人卫慕课等公有平台课程资源的校本汇聚、互联共享。

丰富的教学资源处理工具，提升资源处理能力。在“大川学堂”智慧教学平台上，可以通过在线剪辑工具、精品课程模板、多类型检索方式，满足管理员、教师等对教学视频的重构和再生。通过课堂语音识别、教学板书识别、知识点识别、智能字幕等，为教师备课、教务管理、教学应用等提供丰富的应用。为了实现超高清、高清视频的低延时访问，平台上所有资源支持以5G 校园融合专网进行访问，提升使用体验。

AI+知识图谱技术赋能，实现优质资源循环再造。通过多元资源沉淀，利用获得的课堂录播、教学课件、学生视频等作为元资源，经过AI 智能剪辑或知识切片等原子化处理后形成相应教学知识片段，结合教学设计对知识片段进行标签化处理或重构形成新的教学知识点供教学使用。形成的知识点可根据相关主题或者专题设计成相关微课，系列微课则可进一步组建体系化的课程内容。

“AI+知识图谱”技术赋能教学模式变革

四川大学各校区可通过5G+远程超高清互动教学实现校本部与多个异地校区开展联合教研活动，超低延时增加互动体验，提高教研效果。

互动实时反馈，支撑教师差异化教学。依托智慧教学环境下“爱课堂”教学互动实时反馈系统，闭环式实现“课前—课中—课后”移动互动式教学，构建“数据收集—分析预测—教学决策”精准化教学模型，支撑教师差异化教学活动。

知识图谱赋能学生个性化学习。课程地图作为知识图谱的一种呈现方式，由众多知识点组成，每个知识点不仅关联相关知识内容，也可以将习题、文献等其他资源作为拓展补充。知识点之间采用非线性关系，有助于知识表达和内容呈现。同时，知识点的拓扑关系在一定程度上蕴含领域专家经验、知识关联与学习路径，为基于课程内容的自适应学习奠定一定的基础。

通过“课程地图”，学生可以非常直观地了解本课程的知识脉络和层级关系，帮助学生系统高效地构建知识体系、优化学习路径。同时各个知识点支持多格式内容绑定，学生可以根据相关路径了解具体学习活动需掌握的前序和后续知识点。在学习过程中，学生可以自主确定学习目标，自觉完成学习任务，不断优化学习路径、提高学习绩效。

基于5G+VR 的多模态教学技术研究与应用

5G 技术促进了VR 与教育技术的融合，从而为学习者构建多模态课程资源，提供多模态的交互学习环境创造了机会。学生在与多模态资源的交互中，实现视觉、听觉、触觉等多通道的输入和输出，调动多种感官协同参与，与教师和学生展开深入的交流和讨论，从而获得深层次的知识建构，有效提升问题解决和协作沟通等高阶思维能力。

5G+VR 助力教学模式变革

多模态教学资源平台研究。多模态教学模式将VR 与教学相融合，以优质资源为核心，集终端、应用系统、内容于一体的多模态教学资源平台，为学生创设接近真实的学习环境，将抽象概念具象化，为学生提供高度开放、可交互、沉浸式的三维学习环境。多模态教学资源平台的搭建主要包含了六大模块：VR 内容云平台，负责VR 内容的管理，支撑川大本地创作内容的上传；GPU 渲染集群，负责内容创作软件的硬件支撑，同时云端GPU虚化渲染支撑四川大学一体机VR 内容教学；VR 本地内容创作区，负责四川大学本地VR 内容创作，使用云桌面依托云计算中心硬件资源进行内容的创作及上传；川大教学管理平台，负责VR 内容资源的管理；无线VR 体验教学，在5G 覆盖下通过VR 一体机进行无拘束体验教学；VR 本地教学区，依托云端VR 教学资源在本地进行大班教学、小班协同教学、大空间实训教学等。

沉浸式教学内容资源的建设与管理。多模态教学内容资源的管理涉及多个方面，主要包括：向学生VR 一体机进行数据传输（即教学资源对应的视频或文本资源），注意力监控（通过眼球追踪实现在教师端中控系统展示学生的视线图，通过对学生视线可视化帮助教师识别困惑、分心的学生，实现针对性教育和辅导、设备异常报警、中控便捷选课等功能）。高效检索技术有两种实现方式：一是研究分布式异构模式的检索技术，通过构建分布式教学资源数据库的全局逻辑视图，利用分布式查询处理、分布式查询优化、分布式检索调度执行以及检索结果融合技术，实现分布式异构教学资源的统一检索接口；二是研究基于图数据库的路径检索，以教师为节点，搜索节点间多步路径，检索教师教授的各个知识点，实现对资源的高效检索。

沉浸式教学实践。在建党100 周年之际，信息化建设与管理办公室以四川大学校友江竹筠烈士纪念馆为基础，依托5G+XR创新实验室，自主拍摄、研发制作了第一个红色教育内容资源《江姐纪念馆VR 馆》。

AR 促进虚拟教研环境建设

由四川大学信息化建设与管理办公室策划摄制的系列访谈栏目《川大人》，从不同领域、不同专业挖掘川大的宝藏教师，分享他们的人生经验和教书育人的故事，辐射青年教师和学生。该节目制作采用虚拟演播室技术，构建开发三维虚拟教学及访谈场景，建立同真实场景一致的演播及讲演环境。虚拟三维场景与现场拍摄的人物活动进行实时合成，使背景和人物达到自然融合的效果。在后期制作上，采用抠像技术和虚拟现实图文技术，配合前期拍摄的灯光技术，使三维虚拟场景和人物进行实时合成，融为一体，给人一种真实的立体空间感。