朱 珂 王 瑋 楊露彬

（1.河南師范大學(xué) 教育學(xué)部；2.河南師范大學(xué) 河南省教育大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河南新鄉(xiāng) 453007）

一、引言

自國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)制造2025》以來(lái)，智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等應(yīng)用技術(shù)開(kāi)始受到廣泛的關(guān)注[1]。從基礎(chǔ)教育到高等教育領(lǐng)域，融合了智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)的教學(xué)活動(dòng)廣泛開(kāi)展[2]。與此同時(shí)，在2019年度英國(guó)開(kāi)放大學(xué)發(fā)布的《創(chuàng)新教學(xué)報(bào)告》中指出，要用新技術(shù)賦能教學(xué)，特別強(qiáng)調(diào)了“機(jī)器人陪伴學(xué)習(xí)”和“基于無(wú)人機(jī)的學(xué)習(xí)”兩種教學(xué)法[3]?？梢?jiàn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用已經(jīng)引起了世界各國(guó)的高度重視。

隨著無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)迅猛增長(zhǎng)，為教育場(chǎng)景的拓展和融合提供了無(wú)限可能。在移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，5G 技術(shù)帶來(lái)了一場(chǎng)革命性的突破，不僅推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也使教育教學(xué)進(jìn)入了跨界融合、創(chuàng)新教育的新階段[4]。

無(wú)人機(jī)技術(shù)可以為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，構(gòu)建綜合技能訓(xùn)練的立體化教學(xué)場(chǎng)景。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)通信鏈路呈現(xiàn)出應(yīng)用新需求，即與移動(dòng)通信技術(shù)緊密結(jié)合的發(fā)展新趨勢(shì)。在即將到來(lái)的5G 時(shí)代，無(wú)人機(jī)有望成為5G 通訊技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景[5]，“5G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)使得一些難以想象的應(yīng)用成為可能。隨著5G 技術(shù)的不斷成熟與大規(guī)模應(yīng)用，“5G+無(wú)人機(jī)”在教育教學(xué)領(lǐng)域的滲透，將對(duì)教師的教育理念、教學(xué)方式以及學(xué)生的學(xué)習(xí)行為等帶來(lái)重大的影響。

基于此，本文通過(guò)剖析無(wú)人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，梳理無(wú)人機(jī)技術(shù)與教育融合的典型案例，結(jié)合5G 通訊技術(shù)的特有優(yōu)勢(shì)，分析“5G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景、路徑以及未來(lái)發(fā)展遠(yuǎn)景；探討“5G+無(wú)人機(jī)”在重構(gòu)學(xué)習(xí)空間、賦能創(chuàng)新教育層面的優(yōu)勢(shì)與潛力，以期為新技術(shù)視域下的教育教學(xué)創(chuàng)新，提供借鑒和參考。

二、無(wú)人機(jī)及關(guān)鍵技術(shù)

（一）無(wú)人機(jī)概述

“無(wú)人機(jī)”具有各種不同的名稱及縮寫(xiě)，例如“無(wú)人駕駛飛行器”（UAV）、“無(wú)人機(jī)系統(tǒng)”（UAS）、“遙控飛機(jī)系統(tǒng)”（RPAS）、“微型飛行器”（MAV）等[6]。無(wú)人機(jī)一詞，通常指不搭載飛行員，由地面控制系統(tǒng)操作，并能夠在某種程度上自主飛行的飛機(jī)[7]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)是指機(jī)上無(wú)人狀態(tài)下，由遠(yuǎn)程控制或嵌入式計(jì)算機(jī)程序駕駛的飛機(jī)，或者稱之為是一種無(wú)人駕駛飛機(jī)，由技術(shù)人員遙控操作或有機(jī)載電腦自動(dòng)控制[8]。從狹義概念上來(lái)說(shuō)，“無(wú)人機(jī)”是一種空中飛行平臺(tái)[9]。顯而易見(jiàn)，飛機(jī)本身可以作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，而無(wú)人機(jī)的飛行通常還需要相關(guān)遙控以及通信鏈路的支持。我們將包含由無(wú)人機(jī)本身、地面控制站和通信數(shù)據(jù)鏈路組成的系統(tǒng)，稱之為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)[10]。因此，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)不僅是無(wú)人飛行器本身，還包括無(wú)人機(jī)通信、任務(wù)載荷設(shè)備和地面設(shè)備等設(shè)施[11]。

（二）無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

近年來(lái)，由于無(wú)人機(jī)制造技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，無(wú)人機(jī)應(yīng)用于民用和商業(yè)領(lǐng)域的步伐顯著加快。同時(shí)，計(jì)算能力和微電子等技術(shù)的快速增長(zhǎng)，也在推動(dòng)著無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展。智能化的無(wú)人機(jī)成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的智能化需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）全面環(huán)境感知與認(rèn)知；（2）多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策；（3）自主導(dǎo)航控制；（4）人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)[12]。

1.全面環(huán)境感知與認(rèn)知

無(wú)人機(jī)飛行安全是無(wú)人機(jī)關(guān)注的首要問(wèn)題[13]。能否實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)智能化自主飛行，成為無(wú)人機(jī)發(fā)展的重要問(wèn)題[14]。無(wú)人機(jī)的環(huán)境感知包括對(duì)環(huán)境特征的提取、目標(biāo)的識(shí)別等，同時(shí)還應(yīng)具有自主避障功能，無(wú)人機(jī)的智能化自主飛行問(wèn)題才能得到解決。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)必須具備更加全面的環(huán)境感知能力，才能實(shí)現(xiàn)在更加復(fù)雜廣闊的自然環(huán)境中進(jìn)行感知與識(shí)別。

其中，視覺(jué)感知是無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境感知最重要的技術(shù)，視覺(jué)感知技術(shù)綜合單目視覺(jué)感知技術(shù)、雙目視覺(jué)深度感知/立體視覺(jué)技術(shù)、光流感知技術(shù)等技術(shù)于一體，并且正在由簡(jiǎn)單的視覺(jué)向更加智能化的仿生視覺(jué)方向發(fā)展。目前，單一的視覺(jué)感知已經(jīng)無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)全自主導(dǎo)航的需求，因此，需要與衛(wèi)星導(dǎo)航、激光掃描測(cè)距、紅外測(cè)距、超聲波測(cè)距、微波與毫米波雷達(dá)測(cè)距等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自主飛行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加精確地感知環(huán)境，有效實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主避障和導(dǎo)航功能。

2.多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策

多無(wú)人機(jī)協(xié)同主要是通過(guò)傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知，并運(yùn)用通信線路進(jìn)行無(wú)人機(jī)之間的信息交融，結(jié)合飛行管理系統(tǒng)進(jìn)行航跡規(guī)劃的過(guò)程[15]。

規(guī)劃與協(xié)同技術(shù)包括路徑規(guī)劃和協(xié)同控制[16]，兩者相輔相成，見(jiàn)圖1。無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)探測(cè)飛行態(tài)勢(shì)，及時(shí)的規(guī)劃、修改系統(tǒng)路線，進(jìn)而自動(dòng)生成可行的飛行軌跡。無(wú)人機(jī)自主飛行能夠有效避開(kāi)障礙，防止碰撞，最終實(shí)現(xiàn)飛行目標(biāo)。未來(lái)無(wú)人機(jī)需要具備較強(qiáng)的自主決策能力，才能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的工作。目前，針對(duì)自主決策技術(shù)在無(wú)人機(jī)編隊(duì)中的多機(jī)協(xié)調(diào)、任務(wù)分配、機(jī)群任務(wù)規(guī)劃等方面的問(wèn)題，還需要再作深入研究[17]。

圖1 無(wú)人機(jī)編隊(duì)自主協(xié)調(diào)控制

3.自主導(dǎo)航控制

目前的無(wú)人機(jī)主要依靠地面人員遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行。未來(lái)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具備的自主導(dǎo)航控制能力，不僅能完成局部環(huán)境的精確導(dǎo)航，還將實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的遠(yuǎn)程精確定位[18]?？梢钥吹?，以實(shí)現(xiàn)自主飛行與管理、自主決策為目標(biāo)的自主導(dǎo)航控制是無(wú)人機(jī)操控領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)需要具備較高的自主性，才能滿足無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的工作需求[19]。自主化和智能化是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)區(qū)別于有人機(jī)系統(tǒng)的最重要的技術(shù)特征[20]。未來(lái)，無(wú)人機(jī)將會(huì)朝著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，由單機(jī)自主性趨向于多機(jī)無(wú)人自主協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)多機(jī)的集群自主決策和運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖2。

4.人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)

未來(lái)無(wú)人機(jī)將不再通過(guò)簡(jiǎn)單的遙控以及程序控制的方式進(jìn)行自主控制，而是向人機(jī)智能融合的交互控制，甚至朝著全自主控制的方向發(fā)展。隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)智能化水平的提高，更多的有人系統(tǒng)將與具備人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)與有人系統(tǒng)的高效協(xié)同。

隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的智能化、信息化水平的不斷提高，人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)水平將不斷得到提升。未來(lái)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，將通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)間的交互、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)間的交互、人機(jī)功能的動(dòng)態(tài)分配、任務(wù)協(xié)同綜合現(xiàn)實(shí)、腦機(jī)接口等技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)協(xié)同。

圖2 無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)化、分布式、自主協(xié)調(diào)控制的發(fā)展方向

三、無(wú)人機(jī)與教育的融合現(xiàn)狀及應(yīng)用場(chǎng)景

目前，無(wú)人機(jī)在航空檢測(cè)、攝影、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、交通控制、搜救、包裹投遞等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[21]。與此同時(shí)，無(wú)人機(jī)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也逐漸興起，如，機(jī)器人教育、多學(xué)科工程教育、無(wú)人機(jī)3D 建模和編程等方面。無(wú)人機(jī)教育不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)精神以及動(dòng)手能力方面，起到了重要的促進(jìn)作用。

（一）將智能設(shè)備融入教學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物理空間抽象內(nèi)容的具象化

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷成熟，教育工作者已經(jīng)開(kāi)始利用無(wú)人機(jī)來(lái)吸引學(xué)生，將無(wú)人機(jī)技術(shù)融入到教學(xué)過(guò)程中[22]。無(wú)人機(jī)被認(rèn)為是在課堂上引入技術(shù)形式的重要發(fā)展。大量無(wú)人機(jī)的應(yīng)用案例顯示，無(wú)人機(jī)在課堂上不僅可以用于特定學(xué)科的技能開(kāi)發(fā)，還可以促進(jìn)創(chuàng)新思維、問(wèn)題解決和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的提升[23]。

無(wú)人機(jī)以教育工具的形式呈現(xiàn)在日常課堂教學(xué)過(guò)程中[24]，將物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)以及歷史、英語(yǔ)、美術(shù)等學(xué)科進(jìn)行融合，見(jiàn)圖3。無(wú)人機(jī)教育通過(guò)融合多門(mén)學(xué)科于一體，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力、好奇心、想象力、探索力等。同時(shí)，在無(wú)人機(jī)課程教授過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)面向真實(shí)問(wèn)題的實(shí)踐活動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)，可充分提高自身的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力[25]。

（二）通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行控制進(jìn)行編程學(xué)習(xí)，提升學(xué)生編程能力

2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中提出要加強(qiáng)人工智能教育建設(shè)，逐步推廣編程教育[26]。隨后，各地相繼落實(shí)編程教育政策，并開(kāi)始積極推行編程教育。編程能力已經(jīng)成為每個(gè)學(xué)生必備的基本技能，學(xué)習(xí)編程可以培養(yǎng)編程思維，進(jìn)而解決工作及生活中的實(shí)際問(wèn)題。

編程是一個(gè)強(qiáng)調(diào)“邏輯思維”的學(xué)科，通過(guò)編寫(xiě)無(wú)人機(jī)程序控制代碼，不但能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)操作能力，更重要是培養(yǎng)了學(xué)生的自律性、創(chuàng)造力和自主學(xué)習(xí)能力。無(wú)人機(jī)課程因其“趣味性強(qiáng)”、“內(nèi)容豐富”、“軟硬結(jié)合”的優(yōu)點(diǎn)[27]，在越來(lái)越多的中小學(xué)課程中得到普及，逐漸成為一種新型的教育形式。例如，DJ 大疆創(chuàng)新推出Tello Edu 教育編程無(wú)人機(jī)，以趣味無(wú)人機(jī)為載體，針對(duì)STEAM 教育場(chǎng)景及需求進(jìn)行革新升級(jí)。同時(shí)，配套打造專屬教育版APP 及教師培訓(xùn)體系[28]。此外，眾多可視化積木編程控制飛行器也不斷涌現(xiàn)，學(xué)生可實(shí)時(shí)調(diào)整代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器起降、速度及翻滾多項(xiàng)飛行參數(shù)的設(shè)定，極大地提高了教學(xué)效率[29]。

圖3 無(wú)人機(jī)與多學(xué)科教學(xué)的融合

（三）以項(xiàng)目協(xié)同式學(xué)習(xí)為教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的手眼協(xié)同能力

新技術(shù)的應(yīng)用大大加快了教育革新的步伐，無(wú)人機(jī)作為典型代表，除了新技術(shù)應(yīng)用之外，在教學(xué)方法層面的創(chuàng)新和實(shí)踐也不斷涌現(xiàn)[30]。在無(wú)人機(jī)的具體教學(xué)過(guò)程中，運(yùn)用項(xiàng)目式教學(xué)法來(lái)引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題、討論問(wèn)題、制定計(jì)劃、收集信息、解決問(wèn)題并最終呈現(xiàn)作品。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，增長(zhǎng)了動(dòng)手能力，鍛煉了邏輯思維，掌握了實(shí)際操作的技巧，最終實(shí)現(xiàn)了自身的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

此外，通過(guò)開(kāi)展青少年的無(wú)人機(jī)教育競(jìng)賽等形式，探索實(shí)施趣悅學(xué)習(xí)，不僅能充分滿足學(xué)生對(duì)科學(xué)技術(shù)的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生善于學(xué)習(xí)、勤于動(dòng)手、勇于探索的精神，還能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立思考能力。在無(wú)人機(jī)的飛行訓(xùn)練過(guò)程中，也增加了學(xué)生操作實(shí)踐的機(jī)會(huì)，訓(xùn)練了學(xué)生的手眼腦等多種感官的協(xié)同活動(dòng)，更有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)活動(dòng)的參與動(dòng)機(jī)。

（四）以協(xié)作學(xué)習(xí)為教學(xué)形式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的團(tuán)隊(duì)協(xié)作創(chuàng)新精神

在教育信息化背景下，對(duì)創(chuàng)新能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)成為教育變革的主旋律[31]。STEM 教育理念致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，在無(wú)人機(jī)活動(dòng)課中，運(yùn)用STEM 教育理念，能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識(shí)，習(xí)得創(chuàng)新方法、擴(kuò)展創(chuàng)新思維。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主要依靠各個(gè)系統(tǒng)組成部分之間的相互協(xié)調(diào)。基于無(wú)人機(jī)的小組協(xié)作學(xué)習(xí)，以小組同伴之間相互合作、問(wèn)題解決、協(xié)同設(shè)計(jì)等各種交互模式，充分發(fā)揮學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作。小組協(xié)作學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生之間互相交流、彼此協(xié)同，讓每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員成為團(tuán)體中間的一份子，共享實(shí)踐的愉悅。此外，在無(wú)人機(jī)競(jìng)賽的過(guò)程中，要組裝一架速度和穩(wěn)定性均良好的無(wú)人機(jī)，不僅需要精確運(yùn)算和了解無(wú)人機(jī)的飛行原理，更重要的是要根據(jù)團(tuán)隊(duì)小組成員的不同特長(zhǎng)分配設(shè)計(jì)、操控和后勤等工作，這些過(guò)程充分培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的精神。

（五）實(shí)施無(wú)人機(jī)動(dòng)手操作訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的方向感、運(yùn)動(dòng)技能

運(yùn)動(dòng)技能是學(xué)生個(gè)體發(fā)展的重要組成部分，它涵蓋了平衡、協(xié)調(diào)、方向感等技能[32]。在無(wú)人機(jī)操作的過(guò)程中，能夠有效提升學(xué)習(xí)者的運(yùn)動(dòng)技能。

無(wú)人機(jī)技術(shù)涵蓋飛行原理、空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)、人工智能知識(shí)等，其綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)，無(wú)人機(jī)的教育應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，見(jiàn)圖4。設(shè)置無(wú)人機(jī)綜合實(shí)踐課程，通過(guò)讓學(xué)生親手拆解、組裝機(jī)械零件、連通導(dǎo)線、安裝部件等活動(dòng)，可鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力[33]。一些無(wú)人機(jī)教育平臺(tái)通過(guò)讓學(xué)生自己動(dòng)手，進(jìn)行無(wú)人機(jī)構(gòu)件的數(shù)字建模、3D 打印組件，進(jìn)而組裝無(wú)人機(jī)等活動(dòng)，來(lái)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、激發(fā)學(xué)生探索的興趣[34]。此外，進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行訓(xùn)練，可以加快學(xué)生方向感的養(yǎng)成，充分訓(xùn)練學(xué)生的協(xié)調(diào)性[35]。

（六）無(wú)人機(jī)與學(xué)科教學(xué)的有效融合

1.學(xué)習(xí)障礙者的教育

圖4 無(wú)人機(jī)的教育應(yīng)用領(lǐng)域

隨著教育大眾化的不斷普及，殘障學(xué)生有越來(lái)越多的機(jī)會(huì)接受教育。殘障學(xué)習(xí)者作為弱勢(shì)群體中的一個(gè)特殊群體，對(duì)其教育支持問(wèn)題應(yīng)該引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》明確提出，要完善特殊教育體系，大力推進(jìn)殘疾人職業(yè)教育，重視發(fā)展殘疾人教育[36]。

這里的殘障人員主要是指肢體殘障者，包括：缺失手臂、偏癱、下體殘疾乘坐輪椅、下肢殘疾拄杖、缺手指腳趾的群體等。這些肢體殘障人群由于肢體器官的損傷而導(dǎo)致的肢體活動(dòng)困難，對(duì)他們的學(xué)習(xí)生活都造成了一定的影響。無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)及應(yīng)用，能夠滿足肢體殘障人員的需求。比如，谷歌的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，無(wú)人機(jī)的攝像頭能夠讓肢體殘障學(xué)習(xí)者“看到”一些不容易從地面發(fā)現(xiàn)的東西，使肢體殘障學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景觀摩[37]。

2.開(kāi)展移動(dòng)學(xué)習(xí)

隨著學(xué)習(xí)實(shí)踐和技術(shù)工具的改變，移動(dòng)學(xué)習(xí)打破了傳統(tǒng)教育環(huán)境的壁壘，以其豐富、多樣的學(xué)習(xí)方式，推動(dòng)了教育領(lǐng)域的深刻變革[38]。然而，由于受到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)速率、終端設(shè)備性能等因素的限制，移動(dòng)學(xué)習(xí)在信息獲取與呈現(xiàn)、云端支持、多模態(tài)情景融合等方面尚需強(qiáng)化。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在移動(dòng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用逐漸增多，諸如在內(nèi)容分發(fā)、云端加持、空間規(guī)劃、環(huán)境融合等方面進(jìn)行了大量實(shí)踐。并且，無(wú)人機(jī)在信息鏈路中繼、虛實(shí)空間連接中扮演著重要角色，細(xì)化了移動(dòng)學(xué)習(xí)模式中的空間分割、環(huán)境融合等方面的設(shè)計(jì)。這些均有效推動(dòng)了移動(dòng)學(xué)習(xí)的深入發(fā)展。

3.課堂“虛擬實(shí)地考察”

實(shí)地考察是自然社會(huì)科學(xué)課程中的一項(xiàng)基本技能，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)地觀測(cè)能力和綜合分析能力，但實(shí)地考察活動(dòng)通常受到時(shí)間、距離、開(kāi)銷、安全等因素的制約。因此，借助無(wú)人機(jī)等技術(shù)手段來(lái)實(shí)施虛擬實(shí)地考察活動(dòng)，輔助或部分替代實(shí)踐活動(dòng)是一種可行的辦法。虛擬實(shí)地考察融合了無(wú)人機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等，可以實(shí)現(xiàn)與特定位置對(duì)象的充分交互，例如，自然景觀、博物館、動(dòng)物園等。虛擬實(shí)地考察提供了以“學(xué)生為中心”的教學(xué)方法，并使基于內(nèi)容教學(xué)的教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了多樣化。此外，虛擬教學(xué)允許學(xué)生在視覺(jué)沉浸的環(huán)境中，查看人物和地點(diǎn)信息，幫助學(xué)生聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)場(chǎng)景的有效融合。

Bergin 等認(rèn)為，“虛擬實(shí)地考察包括以互聯(lián)網(wǎng)或定制的多媒體軟件的形式進(jìn)行計(jì)算，以支持學(xué)習(xí)和提供有關(guān)正在調(diào)查的主題信息[39]”。無(wú)人機(jī)虛擬實(shí)地考察提供了一種愉快而有趣的學(xué)習(xí)方式，相較而言，無(wú)人機(jī)的虛擬實(shí)地考察比傳統(tǒng)實(shí)地考察更具有特殊優(yōu)勢(shì)，比如，可以以俯視、環(huán)繞等特殊視角觀察對(duì)象。總體來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)顯著提高了收集和分析地理空間和環(huán)境數(shù)據(jù)的能力。

4.實(shí)施地理教育

隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)不僅被應(yīng)用于軍事中，還被用于許多民間應(yīng)用，如，地形測(cè)繪、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[40]，見(jiàn)圖5。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作為一種新型測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用。盡管，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的研究在開(kāi)發(fā)階段還存在一定的限制，但是一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)人機(jī)繪制地圖進(jìn)行了探索與實(shí)踐[41]。例如，密歇根理工大學(xué)的測(cè)量工程項(xiàng)目主要從事無(wú)人機(jī)圖像采集和攝影測(cè)量處理方面的研究[42]。另外，在地理教學(xué)過(guò)程中也可以運(yùn)用無(wú)人機(jī)，進(jìn)入人類難以到達(dá)或者危險(xiǎn)地區(qū)的通道，如，充斥有害氣體或處于不穩(wěn)定狀態(tài)的火山地區(qū)。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)作為成像和制圖平臺(tái)也引起了人們的極大關(guān)注。無(wú)人機(jī)在地理信息探索中，以高分辨率、低成本、便捷的部署方式，收集現(xiàn)場(chǎng)特定圖像。無(wú)人機(jī)圖像的地學(xué)應(yīng)用，已經(jīng)具備廣闊的應(yīng)用前景。目前，已投入使用的應(yīng)用包括：考古、建筑、文化遺產(chǎn)、大規(guī)模測(cè)繪、三維城市建模、城市狀態(tài)監(jiān)測(cè)、農(nóng)林、自然災(zāi)害等領(lǐng)域[43]。此外，相關(guān)學(xué)術(shù)組織也明確提出，基于無(wú)人機(jī)的地理空間數(shù)據(jù)收集技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[44]。

圖5 無(wú)人機(jī)野外地理觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

四、“5G+無(wú)人機(jī)”教與學(xué)的應(yīng)用路徑

5G 在提升傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同時(shí)，進(jìn)一步支持物聯(lián)網(wǎng)在商業(yè)、制造、醫(yī)療、交通等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用[45]。5G 通信技術(shù)以其高速度、高寬帶、低時(shí)延、快速緩存等特征，不僅解決了傳統(tǒng)教育中面臨的問(wèn)題，對(duì)智慧教育、智慧校園、智能遠(yuǎn)程教育的應(yīng)用與普及，也具有重要的支撐作用。5G 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在教學(xué)、教育管理、區(qū)域治理、終身學(xué)習(xí)以及教育公共服務(wù)等方面。

目前，在民用低成本無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)控制主要以Wi-Fi 或藍(lán)牙的方式實(shí)現(xiàn)，局限于速率、障礙干擾等因素，導(dǎo)致應(yīng)用場(chǎng)景限制較多，這極大地制約了無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和價(jià)值發(fā)揮。5G 網(wǎng)絡(luò)的超寬帶、超低時(shí)延和大規(guī)模通信可以彌補(bǔ)無(wú)人機(jī)在操控上的短板，實(shí)現(xiàn)更多的場(chǎng)景應(yīng)用。

在5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能的支持下，未來(lái)無(wú)人機(jī)將朝著智能化的方向發(fā)展?！?G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)的無(wú)縫融合，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種創(chuàng)新。在基于“智能”、“共享”、“常態(tài)”的信息化策略引導(dǎo)下，將5G引入教學(xué)過(guò)程中，將全力推動(dòng)教育信息化的變革[46]。譬如，通過(guò)“5G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)構(gòu)建智能環(huán)境以促進(jìn)教學(xué)轉(zhuǎn)型，使得教學(xué)從知識(shí)的傳遞轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)者的認(rèn)知建構(gòu)；營(yíng)造沉浸式教學(xué)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者帶來(lái)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)由被動(dòng)的接受轉(zhuǎn)向主動(dòng)參與；促進(jìn)教育決策由經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)向轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，以及實(shí)現(xiàn)教育管理中的特定需求和智能化管控。未來(lái)需要持續(xù)探索5G 技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新，基于“5G+無(wú)人機(jī)”的智能教育，將在教育信息獲取、VR沉浸式教學(xué)、AI 大數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)、校園智能化管理等應(yīng)用方面，具有較大的用武之地。

（一）路徑之一：“5G+無(wú)人機(jī)”輔助教育信息獲取

未來(lái)無(wú)人機(jī)需要處理不同類型的數(shù)據(jù)，如，語(yǔ)音、視頻和大數(shù)據(jù)文件，這對(duì)寬帶速率帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)[47]。5G 通信技術(shù)的到來(lái)，使5G 綜合承載無(wú)人機(jī)飛控、圖像、視頻等信息成為可能。在課堂學(xué)習(xí)中，無(wú)人機(jī)與就近連接5G 基站，將接收到的教育信息，例如，視頻、圖片等直接回傳至控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)超高速率與超低時(shí)延傳輸。無(wú)人機(jī)在巡檢飛行過(guò)程中，對(duì)獲取的教育信息進(jìn)行實(shí)時(shí)高清視頻回傳，并利用人工或計(jì)算機(jī)AI 進(jìn)行分析識(shí)別。由于，“5G+無(wú)人機(jī)”實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)、高緯度的超高清廣角俯視效果。在5G技術(shù)支持下，無(wú)人機(jī)可以采用吊裝360 度全景相機(jī)進(jìn)行多維度拍攝[48]。

基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的支持，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了超低時(shí)延的圖像傳輸和超高清的視頻傳輸，從而擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和視距范圍，為多維教育信息的獲取提供了可能。

（二）路徑之二：“5G+無(wú)人機(jī)”構(gòu)建VR 沉浸式教學(xué)場(chǎng)景

教學(xué)活動(dòng)的目標(biāo)是完成對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的傳授，并基于教學(xué)過(guò)程中的信息反饋提供及時(shí)支持。在此過(guò)程中，5G 可以發(fā)揮重要作用，如，在遠(yuǎn)程教學(xué)中通過(guò)AR/VR/全息技術(shù)改善學(xué)習(xí)體驗(yàn)；在互動(dòng)教學(xué)中通過(guò)提供低延時(shí)、高速率的反饋促進(jìn)教學(xué)效果的提升；在實(shí)驗(yàn)課堂中通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過(guò)程促進(jìn)沉浸式的體驗(yàn)。基于“5G+無(wú)人機(jī)”構(gòu)建VR/AR 沉浸式互動(dòng)學(xué)習(xí)模式，學(xué)生通過(guò)佩戴輕量級(jí)的AR 眼鏡終端進(jìn)行虛擬課程學(xué)習(xí)。同時(shí)，利用云計(jì)算技術(shù)開(kāi)展AR應(yīng)用的運(yùn)行、渲染等控制行為，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將AR 影像傳送到終端，幫助學(xué)生在沉浸式的過(guò)程中完成學(xué)習(xí)，為學(xué)生帶來(lái)了全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[49]。

基于無(wú)人機(jī)的全景虛擬現(xiàn)實(shí)VR 直播，運(yùn)用無(wú)人機(jī)掛載全景鏡頭進(jìn)行視頻拍攝，并完成視頻采集、拼接處理等過(guò)程，通過(guò)連入5G 網(wǎng)絡(luò)將4K/8K 全景視頻傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，最后傳輸給多位用戶，見(jiàn)圖6。當(dāng)用戶戴上VR 眼鏡，就能隨時(shí)隨地?zé)o延遲的體驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，為學(xué)習(xí)者帶來(lái)身臨其境的直播感受?；凇?G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)構(gòu)建的AR/VR 教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了輸送優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，完成了高效智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建。并且，基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持還實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的快速下載和實(shí)時(shí)交互。這些均使得教學(xué)過(guò)程更加生動(dòng)有趣。

（三）路徑之三：“5G+無(wú)人機(jī)”支持教育大數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)

教學(xué)評(píng)價(jià)涵蓋整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的學(xué)習(xí)過(guò)程評(píng)價(jià)，由于傳輸速度和帶寬的限制，其數(shù)據(jù)采集和呈現(xiàn)形式相對(duì)單一，難以對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)全流程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，缺乏深層次的剖析和及時(shí)引導(dǎo)。

基于“5G+無(wú)人機(jī)”的教育評(píng)價(jià)，運(yùn)用多元、多模態(tài)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，獲取多維的音視頻、測(cè)試、體質(zhì)健康等方面數(shù)據(jù)信息，為學(xué)習(xí)者提供立體、多元的評(píng)價(jià)。例如，杭州一所學(xué)校通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)，利用無(wú)人機(jī)結(jié)合面部識(shí)別技術(shù)。監(jiān)控學(xué)生的課堂注意力?；凇?G+無(wú)人機(jī)”的教育大數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)，以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，搭載攝像機(jī)和傳感器等各種設(shè)備，在教室等室內(nèi)環(huán)境多角度的收集學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)信息[50]。同時(shí)，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境憑借其高帶寬、高速率、低時(shí)延、邊緣計(jì)算等特性，使得在單位時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)單元中采集和傳輸更全面的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)成為可能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、自然語(yǔ)言處理等技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)者問(wèn)題的實(shí)時(shí)診斷。再結(jié)合AR/VR/全息投影等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者評(píng)價(jià)報(bào)告的多維立體展現(xiàn)和交互式干預(yù)方案的提供，見(jiàn)圖7。

圖6 基于5G 的無(wú)人機(jī)VR 直播

圖7 “5G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)教與學(xué)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)評(píng)測(cè)

（四）路徑之四：“5G+無(wú)人機(jī)”強(qiáng)化校園智能化管理

教育管理涵蓋了多個(gè)方面的內(nèi)容，不僅包含人與資源方面的安全管理，還包含了與教學(xué)、考試安排相關(guān)的教務(wù)管理，以及關(guān)于學(xué)校設(shè)備的智能管控。在傳統(tǒng)的教育管理中，由于網(wǎng)絡(luò)處理能力的限制，只能依靠人工來(lái)完成相應(yīng)的管理工作，任務(wù)相對(duì)繁瑣。在5G 通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，教育管理將更好地運(yùn)用高清視頻識(shí)別、智能感知等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而變得更加高效。

圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)生活軌跡，從離/到家軌跡跟蹤、校車人臉識(shí)別、到/離校門(mén)口無(wú)感人臉考勤、校園邊界視頻監(jiān)控預(yù)/告警、學(xué)生校內(nèi)活動(dòng)監(jiān)控、食堂“明廚亮灶”監(jiān)控等，對(duì)學(xué)生出行、活動(dòng)、飲食安全各環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤、視頻監(jiān)控、AI 分析、預(yù)警服務(wù)，為學(xué)生提供360 度全方位、全過(guò)程、全天候的安全保障服務(wù)，讓家長(zhǎng)及時(shí)了解孩子位置、在校表現(xiàn)情況；為學(xué)校管理提供強(qiáng)有力的安全管理手段，使得安全隱患前置化、隱患排查精細(xì)化、隱患處置數(shù)據(jù)化，打造了安全的學(xué)習(xí)環(huán)境；為教育主管部門(mén)日常監(jiān)管提供直觀、可視的監(jiān)督工具。通過(guò)智能學(xué)生卡，對(duì)學(xué)生進(jìn)行定位及軌跡跟蹤；運(yùn)用人臉識(shí)別技術(shù)，通過(guò)校車打卡、校門(mén)攝像頭進(jìn)行無(wú)感識(shí)別考勤；在校園區(qū)域和家庭區(qū)域設(shè)置電子圍欄，進(jìn)行安全防護(hù)；運(yùn)用周邊監(jiān)控，對(duì)校園周邊可疑/陌生人員進(jìn)行識(shí)別及預(yù)告警示；通過(guò)校內(nèi)監(jiān)控對(duì)食堂、樓道、辦公室視頻監(jiān)控等多地進(jìn)行智能分析，見(jiàn)圖8。

圖8 “5G+無(wú)人機(jī)”支持的全方位校園安防系統(tǒng)

在5G 網(wǎng)絡(luò)的支持下，無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)安防場(chǎng)景的高清視頻實(shí)時(shí)傳輸和遠(yuǎn)程控制。在5G 網(wǎng)絡(luò)的大寬帶、低時(shí)延實(shí)時(shí)視頻流回傳，融合AI 深度學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)多手段的跟蹤監(jiān)控，極大地提升了將傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)用于安防場(chǎng)景的效率[51]。

無(wú)人機(jī)與AI 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在人臉識(shí)別、車輛識(shí)別等物體識(shí)別能力和自然語(yǔ)言交互能力等方面的提升，見(jiàn)圖9?；?G 網(wǎng)絡(luò)將無(wú)人機(jī)與固定攝像頭有機(jī)組合，建立靈活機(jī)動(dòng)的天地一體化無(wú)“死角”監(jiān)控應(yīng)急指揮系統(tǒng)。采用機(jī)器人、無(wú)人機(jī)相配合的方式，一方面彌補(bǔ)了固定攝像頭死角；另一方面實(shí)現(xiàn)全時(shí)域無(wú)間斷巡邏，同時(shí)借助于先進(jìn)的人工智能后臺(tái)，強(qiáng)化安保任務(wù)的服務(wù)能力，提高了工作效率。

圖9 “5G+無(wú)人機(jī)”線路監(jiān)控示意圖

五、展望與小結(jié)

無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，一直是世界科技發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。據(jù)美國(guó)《大眾科學(xué)》報(bào)道，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局（DARPA）正在資助科學(xué)家研發(fā)通過(guò)遺傳工程改造的人腦、納米技術(shù)和紅外線等工具，來(lái)即時(shí)接收單兵信息，最終目標(biāo)是打造可以用思想控制的武器。例如，思維控制的無(wú)人機(jī)智能化組群，直接用人腦接收無(wú)人機(jī)圖像等?？蒲袌F(tuán)隊(duì)將運(yùn)用“新一代非外科手術(shù)神經(jīng)技術(shù)”項(xiàng)目資金，研發(fā)可以無(wú)需手術(shù)就能讓人腦與機(jī)器實(shí)現(xiàn)快速無(wú)縫交流的技術(shù)。這意味著，將來(lái)人類可以用大腦直接操控?zé)o人機(jī)或者分析數(shù)據(jù)[52]。

無(wú)人機(jī)是眾多尖端技術(shù)融合的產(chǎn)物，無(wú)論是無(wú)人機(jī)本體的關(guān)鍵技術(shù)，或是與學(xué)科知識(shí)的融合拓展，無(wú)疑都蘊(yùn)含了巨大的教育潛能。而以5G 為代表的新一代通訊技術(shù)，為無(wú)人機(jī)潛能的發(fā)揮提供了無(wú)限的空間。應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到“5G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)的教育價(jià)值，這有助于我們把握將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于教育的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)以無(wú)人機(jī)為代表的信息技術(shù)與教育的深度融合與創(chuàng)新應(yīng)用。

本文梳理了目前“5G+無(wú)人機(jī)”的理論研究與實(shí)踐探索的現(xiàn)狀，結(jié)合其技術(shù)特征以及與教育融合的適切角度，探討制定“5G+無(wú)人機(jī)”教與學(xué)應(yīng)用路徑，初步揭示了“5G+無(wú)人機(jī)”在賦能創(chuàng)新教育，進(jìn)而推動(dòng)面向智能時(shí)代教育教學(xué)變革這一過(guò)程中的潛力。但需要指出的是，由于“5G+無(wú)人機(jī)”技術(shù)的融合與發(fā)展是一個(gè)連續(xù)且充滿不確定性的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從潛力到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)變，充滿了各種挑戰(zhàn)。而我們?cè)陉P(guān)注新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，更應(yīng)深入探討新技術(shù)賦能教育創(chuàng)新的內(nèi)在機(jī)理，需要結(jié)合教育發(fā)展規(guī)律，以更好地實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的改革與創(chuàng)新。