基于边缘计算的智慧云课堂的教学实践探索

陈巧 章小华 胡浙东

［摘           要］  随着人工智能技术的快速发展，智慧云课堂逐渐代替了传统课堂的教学模式。在基于云计算和虚拟现实的课堂中，用户需要经常与远程云中心服务器进行交互，这往往会给服务器带来较大的负载量，产生较长的时延，而这样的课堂效果表现得还不尽如人意。基于此，将边缘计算、虚拟现实技术与传统云课堂相结合，以店铺视觉课程为例进行研究分析，提出了一种结合边缘计算和虚拟现实技术的云课堂，有助于降低用户与云平台之间的数据交互时延，并对其特点进行了分析，创设了无处不在、不间断的智能虚拟化学习情境，让师生能够在虚拟环境中身临其境，不断吸引学生的学习兴趣，实现流畅的混合式教学体验。

［关    键   词］  人工智能；智慧云课堂；虚拟现实；边缘计算；店铺视觉；混合式教学

［中图分类号］  G642                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2024）03-0145-04

随着互联网和5G技术的不断发展，智慧教育的时代已经到来。实践课程的教学可以通过VR云课堂，即利用云计算平台结合虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术结合的教学方式进行教学[1]，已成为推动教学创新改革的重要选择。在基于云端的在线学习方式中，例如慕课网、微课、云班课等，改变了原有的传统线下授课形式，由于其具有灵活的碎片化学习方式，让学生的学习方式更加丰富多彩，而被很多高校推广使用[2]。VR能够产生接近真实环境的虚拟教学环境，近年来，谷歌眼镜、数据手套、三维鼠标等多种VR设备已从实验室应用转向了智慧课堂的建设中，通过云平台搭建桌面VR系统，可以为学生提供虚拟现实的学习环境[3]。结合云计算技术，VR云课堂可以让师生在这种环境中进行交互体验，增强了学生的想象力，提高了师生的互动性，使课堂更具趣味性[4]。

然而，这种基于云计算的VR教学方式仍处于起步阶段，构建VR云课堂的学习环境还存在一定的问题。例如，当学生在观看云平台上的教学视频和使用VR技术呈现虚拟环境的操作时，往往需要频繁地访问云中心服务器，以获取最新的网络数据。而VR应用对延迟敏感度高，其性能会因时延和服务器负载量不均匀而显著降低[5]。当有大量的学生与云服务器之间进行数据交互时，传统的云处理方式可能会因为服务器过载导致资源受限、时延变长、带宽占用等问题，使教学过程中逐渐出现长时间等待而无法加载的问题，影响到课堂的教学效果。为此，如何能够快速访问云服务器，并有效管理云平台的资源负载能力，成为提高云课堂教学满意度的关键问题。

边缘计算（Edge Computing）作为一种可以在靠近用户终端设备的边缘进行计算、存储和处理的新范例[6]，可用于优化网络资源负载，能够让用户获取云端数据的速度变快。

本文针对现有的VR云课堂，提出了一种结合边缘技术的新课堂架构，称为VR边缘云课堂。这种学习方式使用方便，受众面广，而边缘云平台具有建设成本低，利于学生自学，网络学习资源能够共享等优势。因此，本文结合边缘计算和VR技術，以店铺视觉课程为例，提出了基于边缘计算的VR边缘云课堂以解决上述问题，构建了良好的云公共空间与教学私密空间，为学生营造了良好的学习氛围，并满足课堂应用的实时性和可靠性的需求。

一、现代云课堂教学体系架构中的问题

（一）传统云课堂的局限

对于传统的云课堂教学，教师可以把课程资源（包括PPT、软件、教学视频等资源）发布到云平台上，学生可以通过云平台观看高清学习视频、完成作业、课程评价等操作，因此需要经常访问云中心服务器。当有大量的学生在同一时间段内访问云服务器，进行数据交互时，会产生诸如下载课程资源传输慢、视频缓冲时间长、VR渲染卡顿等问题，从而影响了课程的教学体验。

（二）课堂环境的监管

课堂上，当某些学生因为教师的授课方式、课程的内容、个人的情绪等因素产生一定的消极状态，例如犯困、玩手机、聊天等情况，从而脱离了正常的教学活动。这种消极状态往往具有传染性，其他学生可能会受到这类学生的影响而使自己也陷入这种消极状态。现有的云课堂的方式可以对学生的学习状态进行监管，但由于需要对学生的学习状态进行抓拍并分析，而云平台的处理时间较长，具有一定的滞后性，而教师在课堂上不一定能够及时顾忌这类学生，从而影响了教学效果。

（三）学生知识能力的培养

在讲解课程理论方面的知识时，学生无法在真实的职业情境中进行学习，导致学生缺乏一定的想象力，而单纯的PPT展示不足以激发学生的视听感受，导致学生学习的主动性和动手能力较弱。很多学生在学习中一味地模仿教学案例，缺乏一定的创造力，不能将知识较好地融入实际学习中。通过VR技术的应用，学生可以体验到模拟真实环境的职业情境，课堂教学效果有了较大的改善。然而这种虚拟环境的图像视频文件资源相对较大，当有大量学生访问云平台时，服务器将无法做到高频率的实时更新，以致学生会逐渐降低使用兴趣，不仅浪费了资源，还影响了教学效果。

二、基于边缘计算的智慧云课堂改革方案

（一）边缘计算概述

边缘计算能够在网络节点周边，以一种更靠近传感器数据源的方式，分布式执行任务。这不仅可以减少网络传递时延，还具有响应性更强、降低服务器部署成本、对用户数据进行隐私保护等方面的优势。目前，各种智慧化校园应用应运而生，学校可以利用校园中的各种智能设备，包括监控、机房、人脸识别门禁、无人机、停车场等基础设施，师生使用的手机、平板、笔记本电脑等移动设备，并对这些异构设备进行整合，在靠近用户的边缘设置网络边缘节点。边缘计算能够对数据进行计算卸载、存储和加密，适合课堂中的实时应用，能够为用户提供便捷的缓存资源下载、VR渲染、高清视频直播等数据交换。

（二）VR边缘云课堂的网络架构

为提供更好的教学环境，学校可以与知名企业进行合作教学。整合智慧校园内的异构设备，利用其分布式计算、缓存和数据交互的特点，为师生提供数据的获取和处理，实现资源共享。在教学过程中，教师需要将理论知识联系实践问题，认真设计制作教学视频，由于边缘服务器的资源是有限的，因此，不能把教学中的所有资源全部部署到边缘服务器上。教师需要对资源进行筛选，对于经常访问的共享资源，可以将其部署在边缘服务器上，将其余资源部署到云中心服务器上。通过接入云课堂，教师和学生可以直接从边缘服务器获取，而不需要再通过云中心服务器进行数据的交换，从而缩短了资源获取的时间[7]。当师生对云中心服务器中的某一资源的获取量增大时，可以为边缘服务器设定一个阈值。当资源请求量超过了某个阈值时，边缘服务器将会自动从云中心服务器中获取该资源，以提高学生的学习体验。边缘服务器也会定期对其存储的资源进行检查，若某些资源低于阈值时，将通知用户清理或执行自动清理，以提高服务器的数据处理性能。在课堂上，可利用智能终端设备的摄像头对学生的学习状态进行抓拍，并在边缘服务器中对其进行分析处理，以降低云中心服务器的数据传输量，提高云课堂的运行效率，并能够提供及时的反馈信息给学生和教师，从而改善学生的学习状态。

（三）VR边缘云课堂的系统架构

为提高学生的学习主动性，VR边缘云课堂让学生能够在虚拟仿真的环境下体验职业工作环境，这不仅会激发学生的学习兴趣，还可以提高学生的学习参与度，让学生能够在实践中学到知识，提高他们的综合职业素养。边缘云课堂通过边缘服务器将虚拟现实系统连接起来，形成时空耦合的分布式虚拟环境，使边缘云教学方式能够有效地融入新的教学方式中。VR边缘云课堂如图1所示，边缘基站、辅助设备与边缘服务器互连，压缩的可扩展内容驻留在边缘服务器中，学生可通过无线VR设备接收教学视频、音频、图片等内容。本文所提出的VR边缘云课堂可以根据学生所在位置、技能水平和教学场景等情境因素，向用户推送个性化的学习资源，并对其学习状态进行实时检测，以提供良好的教学体验。

（四）VR边缘云课堂的教学思路

VR边缘云课堂结合翻转课堂的思路，将教师和学生两者的角色进行转变，教师从知识传授者转变为教学资源的开发者和教学的引导者，学生在课堂中占据主导地位，从知识的接受者转变为知识的构建者[8]。课前，要求教师根据课程的教学内容拍摄视频，学生积极参与互动，教师设计对应的教学情境。课堂上，教师可以通过云课堂发布活动，学生可以通过云课堂进行练习，并提出问题。教师可以针对学生提出问题及时解答，为学生提供帮助，与学生共同解决问题，实现知识的内化。在教学管理上，VR边缘云课堂可以对学生的学习情况进行跟踪记录，并对学生的表情进行拍摄，通过边缘服务器的处理，获取实时的情绪状态，并对学生的消极状态进行提示，实现智慧化干预。课后，教师可以对所学知识进行补充和拓展，将资源发布到云课堂上，学生可以对自己的不足之处进行强化训练。这种因材施教的学习模式，可以让学生差异化、自由化地选择学习弱点进行巩固，无限地延伸了课堂。

三、VR边缘云课堂的教学设计——以店铺视觉课程为例

店铺视觉作为电商美工、店铺装修实训等课程的后续课程，主要讲授Photoshop图像处理、Premiere视频剪辑、店铺设计以及店铺运营理论知识等相结合的综合性课程，为学生将来从事网店美工、产品运营、网页设计等工作做准备。由于图片处理、视频制作、网页设计、VR运营等教学资源需要服务器具有较大的存储空间环境，以及快速的响应机制，因此，传统的云课堂的教学建设已无法满足需求。针对上述提到的内容，本文将VR边缘云课堂应用于店铺视觉课程，包括边缘计算网络平台的建设和VR学习环境的搭建，并给出了课程的教学方案，形成了注重学生感受和教学体验的混合式教学体验。

（一）教学方式设计

为保证教学模式的实施，本文以边缘计算、VR、移动开发技术为支撑，设计了相应的网络教学系统和学生学习平台。利用校园中的智能设备搭建了一个VR边缘云课堂教学平台，教师可以在服务器上发布教学视频，主要用于学生的课前学习。学生可以穿戴VR设备，连接无线网络，利用手机、电脑、平板等电子设备，获取3D的虚拟场景。在场景中，学生可与虚拟画面进行交互，实现视觉设计、商品推广、营销策划等多种形式的体验式移动学习。

（二）教学内容设计

VR边缘云课堂将教学形式设计为课前学生自我学习、课堂师生互动解答、课后复习巩固的形式，在优化店铺视觉教学的课程中，教师会从视觉设计、营销策略和产品运营等多维度进行教学。课外，教师制作教学视频、素材、练习题等学习资料，并上传到平台上，学生可以利用碎片化的时间，有目的地系统学习，服务器可以通过移动设备推送相应的学习内容，将学生的学习成果最大化。在课堂上，系统可根据学生的自学情况给出数据分析结果，依据系统分析数据的结果，教师可以结合实际问题设计课堂教学活动，采用更有效的方式进行教学，帮助学生对知识理解和吸收。

（三）教学评价设计

学习轨迹履历表评价指标如表1所示，在边缘云平台上为每位学生建立了个人履历表，履历表上记录了学生的学习过程，保存了学生的考勤记录、互动情况、实验练习等内容。学生可登录平台查看自己的履历表，教师可定期发布公告信息和作业任务。边缘服务器定期通过云中心服务器进行分析处理，将分析结果及时反馈给教师，供教师参考，同时可以督促學生自主探究学习，提高学习效果。

四、VR边缘云课堂的教学实践

在完成上述教学平台的搭建之后，为验证上述课程改革的有效性，本文给出了以下教学实践方案。

（一）研究对象

研究对象为信息工程学院学生，随机分成两个班级，一个班级学生为实验组，通过VR边缘云课堂进行教学，另一个班级学生为对照组，使用传统云课堂方式进行教学。

（二）教学过程

首先，教师向学生介绍本次课程的教学计划、学习形式和考核方法，教师需督促所有学生在VR边缘云平台上用自己的学号注册一个账户，建立自己的学习轨迹履历表。教师作为超级管理员，可以通过输入自己的工号来管理学生信息。之后，学生通过云平台的能力测试环节，了解自身的基础水平。教师通过对学生的测试结果进行数据分析，找出学生的薄弱环节，有针对性地调整教学计划。

课程中，教师可结合“聚划算”“双11”“周年庆”等网购平台的热点促销活动，选择一个主题活动进行店铺视觉的教学。如图2所示，课前，教师会制作教学视频课程，并上传至边缘云端方便学生观看学习，学生需要完成课前设计的任务，如观看本单元的教学视频，学习教学视频中的设计方法，完成练习；在课堂上，学生可穿戴VR设备，在进行交互操作时，可以进行提问和讨论，记录笔记。教师在课堂活动中及时解决学生遇到的问题，指导学生完成练习，并注重培养学生的创造力、发散性思维能力，发现问题后及时调整教学计划和课堂活动；课后，教师通过边缘云平台布置相应的作业练习，学生按时完成，并将其上传到边缘云平台上，边缘云平台自动评估作品结果。之后，教师和学生可对作业进行多维度的评估，这种评估方式可以有效地幫助学生了解自己的学习效果，对自己的不足之处有一定的了解，并及时通过边缘云平台进行回顾。一次课程结束后，学生可对课堂教学进行相应的评价。教师也能够实时监管学生的学习情况，帮助他们更好地了解课堂教学效果，以便他们进行教学反思。

（三）课程的教学分析

学期即将结束时，学生可通过VR边缘云课堂的问卷进行教学评价，教师可通过边缘云平台对改革的课程质量、学生的兴趣水平以及学生的评价进行反馈分析，并对两组学生进行笔试，项目答辩，结果比较，完成教学反思。VR边缘云课堂可对师生进行访谈，给出一个综合性的评价结果和建议。最后，通过对两个班级的学生学习分数以及学生对教师的评价结果进行计算，若实验组分数高于对照组，则表明VR边缘云课堂是有效的。

五、结论

随着无线网络、智能设备和人工智能技术的普及，各地对计算机专业的人才需求也越来越大，智慧课堂的授课方式也发生了很大的变化，高校要积极适应社会对新兴技术人才的需求，同时，教学实践改革对培养人才也具有重要的推动作用。本次教学实践探索结合边缘计算和VR技术，让教学环境突破时间和空间上的限制，注重学生的理论学习和实践经验，通过VR边缘云课堂的形式，让学生在课堂中占据主导地位，应用学习轨迹履历表记录学生的学习情况，教师可根据学习进度进行实时监管。本次教学研究结合边缘计算，让云课堂不受时间限制，师生能够实时获取充足的在线资源，对知识进行补充和扩展。VR边缘云课堂可以产生实时的虚拟情境，让课堂不受空间的限制，能够让学生体验到真实的职业环境，有效地激起学生的学习兴趣，增强学生的学习动力，强化工作意识，提高学生的职业素养，从而提升教学效果。由于现阶段的研究对象仅为少量的学生样本，缺乏一定的代表性。在未来的研究中，我们将进一步扩大学生群体，研究各层次学生之间的干扰因素影响。

参考文献：

［1］李倩，刘茜，孟帅.虚拟现实（VR）如何参与教育：用户体验视角下的VR教育产品研究［J］.传媒经济与管理研究，2021（3）：34.

［2］吴颖，沈晶.微课，翻转课堂在高职院校信息化教学中的实证比较研究：以《网店视觉设计》项目课程为例［J］.职教论坛，2016（17）：71-74.

［3］杨辉.虚拟现实技术在教学领域的应用现状与前景分析［J］.衡水学院学报，2023，25（4）：82-86.

［4］张钊.面向5G时代人工智能智慧课堂的应用展望［J］.邮电设计技术，2021.

［5］李海强.基于VR技术的跨境电子商务实验教学应用研究［J］.财富时代，2019（7）：1.

［6］朱骥，景春峰，蒯本链，等.物联网中边缘计算关键技术及应用［J］.无线电通信技术，2023，49（4）：674-683.

［7］张志佳，李丹，陈丽.云计算人工智能边缘计算实验课程建设与探索［J］.电脑知识与技术（学术版），2023，19（12）：167-170.

［8］张枝实.基于边缘计算的教育应用研究［J］.山西广播电视大学学报，2023，28（1）：39-43.

◎编辑 王亚青