文/溫靜 劉學(xué)洪 黎生 許春

四川大學(xué)積極推進(jìn)數(shù)字技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，加快5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開(kāi)展5G+智慧教育探索實(shí)踐，涵蓋5G 校園融合專網(wǎng)建設(shè)、AI+知識(shí)圖譜的智慧教學(xué)平臺(tái)建設(shè)、5G+XR（Extended Reality）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等技術(shù)和應(yīng)用，助力教育教學(xué)效果提升，形成一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、效果明顯的5G 與教育教學(xué)融合的典型應(yīng)用。

5 G+“云上川大”的智慧教育架構(gòu)

5G+“云上川大”智慧教育以5G 校園融合專網(wǎng)建設(shè)為基礎(chǔ)，結(jié)合邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)能力，全面服務(wù)于互動(dòng)教學(xué)、知識(shí)推薦、沉浸式教學(xué)等核心應(yīng)用場(chǎng)景。圖1 為5G+“云上川大”智慧教育總體方案框架?？傮w方案按“端-管-云-應(yīng)用-門戶”的主流ICT(Information and Communications Technology)架構(gòu)，包含終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層、門戶層五個(gè)層次，具體功能詳述如下：

圖1 5G+“云上川大”智慧教育總體方案框架

終端層：終端層適配不同的應(yīng)用系統(tǒng)作為采集設(shè)備、顯示設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備，其中采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)源經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)狡脚_(tái)層進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并最終反饋到展示設(shè)備進(jìn)行呈現(xiàn)，同時(shí)需要聯(lián)動(dòng)操作系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行設(shè)備完成處理。

網(wǎng)絡(luò)層：構(gòu)建5G 校園融合專網(wǎng)，發(fā)揮大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特點(diǎn)，同時(shí)融合局域網(wǎng)、WiFi 網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等，將終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)高速安全地傳輸?shù)狡脚_(tái)層進(jìn)行處理。

平臺(tái)層：平臺(tái)層充分利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可基于不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行搭建部署，具備分析能力、渲染能力、資源調(diào)度和管理能力的集中化云平臺(tái)。向下接入?yún)R聚各應(yīng)用系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理，并面向上層場(chǎng)景化應(yīng)用提供資源優(yōu)化、成本優(yōu)化的數(shù)據(jù)服務(wù)。

應(yīng)用層：主要面向“5G+智慧教育”重點(diǎn)任務(wù)，打造互動(dòng)教學(xué)、個(gè)性化知識(shí)推薦、5G+VR 沉浸式教室等教育場(chǎng)景應(yīng)用創(chuàng)新，促進(jìn)教育高質(zhì)量發(fā)展和高素質(zhì)人才培養(yǎng)。

門戶層：為學(xué)生、教師、管理人員、上級(jí)單位提供訪問(wèn)與服務(wù)入口，支持多協(xié)議、多終端訪問(wèn)，并以分權(quán)分域的機(jī)制提供差異化的功能界面和操作權(quán)限，提升用戶服務(wù)體驗(yàn)。

“AI+知識(shí)圖譜”賦能教學(xué)

本質(zhì)上，知識(shí)圖譜屬于一種語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)建立和展示各種實(shí)體關(guān)聯(lián)，一方面利用實(shí)體關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)資源的推薦、查詢，另一方面利用可視化形式展示各種結(jié)構(gòu)關(guān)系。一般情況下，知識(shí)圖譜的構(gòu)建包括知識(shí)抽取、知識(shí)表示、知識(shí)融合、知識(shí)推理、知識(shí)存儲(chǔ)等步驟。

基于“AI+知識(shí)圖譜”的教學(xué)資源建設(shè)與管理

開(kāi)拓教學(xué)數(shù)據(jù)資源，豐富知識(shí)原點(diǎn)。第一，課堂錄播自動(dòng)入庫(kù)，沉淀校本優(yōu)質(zhì)課程資源。采集的教學(xué)資源可統(tǒng)一保存到“大川學(xué)堂”教學(xué)資源管理平臺(tái)，作為四川大學(xué)校本資源庫(kù)優(yōu)質(zhì)資源沉淀。在錄播資源管理方面，支持教師、管理員自主上載，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集約化管理。第二，5G 智慧直播，創(chuàng)設(shè)優(yōu)質(zhì)資源新興渠道。課堂實(shí)時(shí)畫面通過(guò)5G 校園融合專網(wǎng)傳輸?shù)健按蟠▽W(xué)堂”智慧教學(xué)平臺(tái)，為校際師生、督導(dǎo)教研組、校外專家等提供課堂在線直播。同時(shí)為后續(xù)知識(shí)圖譜的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)源。第三，智慧教育大平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)公共平臺(tái)資源存量匯聚。“大川學(xué)堂”以國(guó)家智慧教育平臺(tái)為藍(lán)本，對(duì)接統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)愛(ài)課程、學(xué)堂在線、智慧樹(shù)、人衛(wèi)慕課等公有平臺(tái)課程資源的校本匯聚、互聯(lián)共享。

豐富的教學(xué)資源處理工具，提升資源處理能力。在“大川學(xué)堂”智慧教學(xué)平臺(tái)上，可以通過(guò)在線剪輯工具、精品課程模板、多類型檢索方式，滿足管理員、教師等對(duì)教學(xué)視頻的重構(gòu)和再生。通過(guò)課堂語(yǔ)音識(shí)別、教學(xué)板書識(shí)別、知識(shí)點(diǎn)識(shí)別、智能字幕等，為教師備課、教務(wù)管理、教學(xué)應(yīng)用等提供豐富的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)超高清、高清視頻的低延時(shí)訪問(wèn)，平臺(tái)上所有資源支持以5G 校園融合專網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)，提升使用體驗(yàn)。

AI+知識(shí)圖譜技術(shù)賦能，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源循環(huán)再造。通過(guò)多元資源沉淀，利用獲得的課堂錄播、教學(xué)課件、學(xué)生視頻等作為元資源，經(jīng)過(guò)AI 智能剪輯或知識(shí)切片等原子化處理后形成相應(yīng)教學(xué)知識(shí)片段，結(jié)合教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)知識(shí)片段進(jìn)行標(biāo)簽化處理或重構(gòu)形成新的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)供教學(xué)使用。形成的知識(shí)點(diǎn)可根據(jù)相關(guān)主題或者專題設(shè)計(jì)成相關(guān)微課，系列微課則可進(jìn)一步組建體系化的課程內(nèi)容。

“AI+知識(shí)圖譜”技術(shù)賦能教學(xué)模式變革

四川大學(xué)各校區(qū)可通過(guò)5G+遠(yuǎn)程超高清互動(dòng)教學(xué)實(shí)現(xiàn)校本部與多個(gè)異地校區(qū)開(kāi)展聯(lián)合教研活動(dòng)，超低延時(shí)增加互動(dòng)體驗(yàn)，提高教研效果。

互動(dòng)實(shí)時(shí)反饋，支撐教師差異化教學(xué)。依托智慧教學(xué)環(huán)境下“愛(ài)課堂”教學(xué)互動(dòng)實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)，閉環(huán)式實(shí)現(xiàn)“課前—課中—課后”移動(dòng)互動(dòng)式教學(xué)，構(gòu)建“數(shù)據(jù)收集—分析預(yù)測(cè)—教學(xué)決策”精準(zhǔn)化教學(xué)模型，支撐教師差異化教學(xué)活動(dòng)。

知識(shí)圖譜賦能學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)。課程地圖作為知識(shí)圖譜的一種呈現(xiàn)方式，由眾多知識(shí)點(diǎn)組成，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)不僅關(guān)聯(lián)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容，也可以將習(xí)題、文獻(xiàn)等其他資源作為拓展補(bǔ)充。知識(shí)點(diǎn)之間采用非線性關(guān)系，有助于知識(shí)表達(dá)和內(nèi)容呈現(xiàn)。同時(shí)，知識(shí)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系在一定程度上蘊(yùn)含領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗(yàn)、知識(shí)關(guān)聯(lián)與學(xué)習(xí)路徑，為基于課程內(nèi)容的自適應(yīng)學(xué)習(xí)奠定一定的基礎(chǔ)。

通過(guò)“課程地圖”，學(xué)生可以非常直觀地了解本課程的知識(shí)脈絡(luò)和層級(jí)關(guān)系，幫助學(xué)生系統(tǒng)高效地構(gòu)建知識(shí)體系、優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑。同時(shí)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)支持多格式內(nèi)容綁定，學(xué)生可以根據(jù)相關(guān)路徑了解具體學(xué)習(xí)活動(dòng)需掌握的前序和后續(xù)知識(shí)點(diǎn)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生可以自主確定學(xué)習(xí)目標(biāo)，自覺(jué)完成學(xué)習(xí)任務(wù)，不斷優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑、提高學(xué)習(xí)績(jī)效。

基于5G+VR 的多模態(tài)教學(xué)技術(shù)研究與應(yīng)用

5G 技術(shù)促進(jìn)了VR 與教育技術(shù)的融合，從而為學(xué)習(xí)者構(gòu)建多模態(tài)課程資源，提供多模態(tài)的交互學(xué)習(xí)環(huán)境創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。學(xué)生在與多模態(tài)資源的交互中，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多通道的輸入和輸出，調(diào)動(dòng)多種感官協(xié)同參與，與教師和學(xué)生展開(kāi)深入的交流和討論，從而獲得深層次的知識(shí)建構(gòu)，有效提升問(wèn)題解決和協(xié)作溝通等高階思維能力。

5G+VR 助力教學(xué)模式變革

多模態(tài)教學(xué)資源平臺(tái)研究。多模態(tài)教學(xué)模式將VR 與教學(xué)相融合，以優(yōu)質(zhì)資源為核心，集終端、應(yīng)用系統(tǒng)、內(nèi)容于一體的多模態(tài)教學(xué)資源平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)接近真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境，將抽象概念具象化，為學(xué)生提供高度開(kāi)放、可交互、沉浸式的三維學(xué)習(xí)環(huán)境。多模態(tài)教學(xué)資源平臺(tái)的搭建主要包含了六大模塊：VR 內(nèi)容云平臺(tái)，負(fù)責(zé)VR 內(nèi)容的管理，支撐川大本地創(chuàng)作內(nèi)容的上傳；GPU 渲染集群，負(fù)責(zé)內(nèi)容創(chuàng)作軟件的硬件支撐，同時(shí)云端GPU虛化渲染支撐四川大學(xué)一體機(jī)VR 內(nèi)容教學(xué)；VR 本地內(nèi)容創(chuàng)作區(qū)，負(fù)責(zé)四川大學(xué)本地VR 內(nèi)容創(chuàng)作，使用云桌面依托云計(jì)算中心硬件資源進(jìn)行內(nèi)容的創(chuàng)作及上傳；川大教學(xué)管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)VR 內(nèi)容資源的管理；無(wú)線VR 體驗(yàn)教學(xué)，在5G 覆蓋下通過(guò)VR 一體機(jī)進(jìn)行無(wú)拘束體驗(yàn)教學(xué)；VR 本地教學(xué)區(qū)，依托云端VR 教學(xué)資源在本地進(jìn)行大班教學(xué)、小班協(xié)同教學(xué)、大空間實(shí)訓(xùn)教學(xué)等。

沉浸式教學(xué)內(nèi)容資源的建設(shè)與管理。多模態(tài)教學(xué)內(nèi)容資源的管理涉及多個(gè)方面，主要包括：向?qū)W生VR 一體機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（即教學(xué)資源對(duì)應(yīng)的視頻或文本資源），注意力監(jiān)控（通過(guò)眼球追蹤實(shí)現(xiàn)在教師端中控系統(tǒng)展示學(xué)生的視線圖，通過(guò)對(duì)學(xué)生視線可視化幫助教師識(shí)別困惑、分心的學(xué)生，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性教育和輔導(dǎo)、設(shè)備異常報(bào)警、中控便捷選課等功能）。高效檢索技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是研究分布式異構(gòu)模式的檢索技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建分布式教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的全局邏輯視圖，利用分布式查詢處理、分布式查詢優(yōu)化、分布式檢索調(diào)度執(zhí)行以及檢索結(jié)果融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)教學(xué)資源的統(tǒng)一檢索接口；二是研究基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的路徑檢索，以教師為節(jié)點(diǎn)，搜索節(jié)點(diǎn)間多步路徑，檢索教師教授的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的高效檢索。

沉浸式教學(xué)實(shí)踐。在建黨100 周年之際，信息化建設(shè)與管理辦公室以四川大學(xué)校友江竹筠烈士紀(jì)念館為基礎(chǔ)，依托5G+XR創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，自主拍攝、研發(fā)制作了第一個(gè)紅色教育內(nèi)容資源《江姐紀(jì)念館VR 館》。

AR 促進(jìn)虛擬教研環(huán)境建設(shè)

由四川大學(xué)信息化建設(shè)與管理辦公室策劃攝制的系列訪談欄目《川大人》，從不同領(lǐng)域、不同專業(yè)挖掘川大的寶藏教師，分享他們的人生經(jīng)驗(yàn)和教書育人的故事，輻射青年教師和學(xué)生。該節(jié)目制作采用虛擬演播室技術(shù)，構(gòu)建開(kāi)發(fā)三維虛擬教學(xué)及訪談場(chǎng)景，建立同真實(shí)場(chǎng)景一致的演播及講演環(huán)境。虛擬三維場(chǎng)景與現(xiàn)場(chǎng)拍攝的人物活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)合成，使背景和人物達(dá)到自然融合的效果。在后期制作上，采用摳像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)圖文技術(shù)，配合前期拍攝的燈光技術(shù)，使三維虛擬場(chǎng)景和人物進(jìn)行實(shí)時(shí)合成，融為一體，給人一種真實(shí)的立體空間感。