彭迪　楊進中　位靜

摘? ?要：隨著5G技術的不斷成熟，現(xiàn)有的學習方式、教學手段都會受到一定的挑戰(zhàn)。5G技術以其高數(shù)據(jù)傳輸速率、低網(wǎng)絡延遲，以及移動性、低功耗和廣覆蓋的特點，滿足了高清視頻、虛擬視頻、物聯(lián)網(wǎng)通信等大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨?，為STEM教育進一步發(fā)展提供了堅實的技術支撐和運作基礎。因此，“5G+STEM”技術的應用將是教育信息化的重要基礎，該技術可以充分實現(xiàn)STEM跨學科的個性化學習，完善STEM教育評價體系，提升STEM教師專業(yè)發(fā)展。文章在梳理5G和STEM技術發(fā)展應用的基礎上，分析了“5G+STEM”技術的未來應用路徑與思路，STEM教育在新一輪信息技術革命浪潮中迎來新的機遇與挑戰(zhàn)。

關鍵詞：5G;STEM教育;教育技術

中圖分類號：G40-057 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2020）19-0011-05

一、引言

2019年2月，中共中央、國務院聯(lián)合發(fā)布《中國教育現(xiàn)代化2035》文件，文件提出推進教育現(xiàn)代化的指導思想以及教育信息化的重要內容，要求加快信息化時代的教育變革，建設智能化校園，統(tǒng)籌建設一體化和智能化的教學、管理服務平臺。[1]5G時代的到來引起各界廣泛關注，目前5G網(wǎng)絡已由研發(fā)階段轉入實用階段，必將對教育產生巨大影響。STEM教育作為跨學科、綜合性的教育模式，已經逐漸引起我國的重視，近年來我國發(fā)布一系列相關規(guī)劃，積極推動STEM教育發(fā)展。2019年教育部發(fā)布的《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》提出，探索跨學科教學等教育教學新模式。[2]作為STEM教育主要部分之一的技術（Technology），5G網(wǎng)絡技術的發(fā)展，勢必會對STEM教育跨學科教學模式的發(fā)展起到極大的助力作用。因此，5G作為新一代通信技術，為STEM教育的繁榮發(fā)展提供了可靠的技術支持，同時在5G大背景下，以項目式、跨學科為建設中心的STEM教育偏向于網(wǎng)絡教學資源建設也是順勢而為。

本文主要從三個方面對“5G+STEM”進行研究：首先介紹了5G與STEM教育的國內外研究現(xiàn)狀;其次研究了“5G+STEM”技術教與學的應用路徑;最后對“5G+STEM”技術的挑戰(zhàn)與反思進行分析總結。

二、研究現(xiàn)狀和實踐進展

本研究以“5G”和“STEM教育”為主題詞，從中國知網(wǎng)和Web of Science數(shù)據(jù)庫共搜到1篇中文研究論文。 以“5G”和“教育”為主題詞進行檢索，共搜到129篇相關研究論文，其中，中文123篇，英文6篇。從發(fā)表論文數(shù)量看，我國在5G網(wǎng)絡應用于教育界的研究遠高于其他國家。從文獻內容來看，我國研究主要聚焦在三個方面：第一類是5G技術推動教與學形態(tài)的研究，包括5G技術對學校教育資源和教育理論的影響研究、5G網(wǎng)絡探索時代混合教學模式的研究以及5G網(wǎng)絡對教學改革和教師發(fā)展的影響;第二類是5G推動專業(yè)學科的發(fā)展，包括影視業(yè)、藝術專業(yè)、應用統(tǒng)計專業(yè)、醫(yī)學專業(yè)等，以醫(yī)學專業(yè)應用研究為主;第三類是5G技術促進教育技術手段的應用，主要體現(xiàn)在“5G+互聯(lián)網(wǎng)”、“5G+AI”、“5G+智慧校園的建設”、“5G+VR＼MR”、“5G+無人機”等方面。

國外5G與教育相關的研究主要包括以下幾個方面，Demestichas等人主要研究5G網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng)的架構，詳細闡述了增強型移動寬帶（EMBB）、超高可靠及低延遲通信（URLLC）、大規(guī)模機器類通信（MMTC）的5G三大應用場景，分析了5G生態(tài)系統(tǒng)三個區(qū)塊內的各種服務，并提出該模型完全可以應用于教育服務。[3]Gómez等人提出一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠與虛擬學習主題相關聯(lián)的物理對象進行對接，通過一系列實驗結果證明他們的模型可以提高教學效果;[4]Delali在文中討論了5G生態(tài)系統(tǒng)的使用，提出應用于教育行業(yè)的系統(tǒng)框架，分析了其相關技術應用于教育的可行性和在教學過程中帶來的優(yōu)勢。[5]

在5G與STEM相關研究方面，葛詩婕在《5G互聯(lián)網(wǎng)時代下基于STEAM的藝術發(fā)展新趨勢》中從全面深入跨學科整合教學、落實智慧課堂、創(chuàng)新線上線下教學等三個方面論述了5G技術的發(fā)展給STEAM教育帶來的變化，重點介紹了STEAM教育模式中藝術教育在5G時代的發(fā)展趨勢。[6]

由以上可知，基于5G技術的革新國內外研究給教育發(fā)展描繪了豐富的應用情境和未來方向，智慧校園的建設、VR＼MR等在課堂中的應用、AI和無人機的發(fā)展，以及國外學者提出的5G生態(tài)系統(tǒng)都可以為教育服務，5G通信技術解決了傳統(tǒng)教育中面臨的一系列問題的同時，更對智慧校園、智慧教育等的應用和普及起到了重要的支撐作用。但從文獻數(shù)量上看，關于5G技術在教育領域結合應用的研究并不是很多，主要體現(xiàn)在教育資源和教育理論、教育技術發(fā)展、教育公共服務等方面，缺乏對STEM教育和5G網(wǎng)絡的研究。而在5G、云計算、人工智能和大數(shù)據(jù)的支持下，STEM教育的教與學將朝著智能化的方向發(fā)展，“5G+STEM”技術的無縫融合，是教育數(shù)字化轉型的一種創(chuàng)新。將5G引入STEM課程，將全力推動我國STEM教育以及教育信息化的變革。

本文在“5G+STEM”視域下，結合5G通訊技術的特有優(yōu)勢，分析“5G+STEM”技術的未來教學應用場景，從STEM教學環(huán)境、STEM教師發(fā)展、STEM教學評價三個路徑探討“5G+STEM”技術的優(yōu)勢和潛力，以期為“5G+STEM”教育發(fā)展創(chuàng)新提供有效借鑒和參考。

三、“5G+STEM”技術教與學的應用路徑

1.改善STEM教學環(huán)境，提升教學質量

互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，知識不再是線性的、集中的，而是分散的、碎片化的，學生必須加強不同類型信息的加工和不同學科知識的整合，這也是STEM教育跨學科學習的目標之一。[7]STEM教育學習的主要方式之一為項目式學習，其教學方法是為學生提供一些關鍵素材，構建一個聯(lián)系真實世界的情境，學生以小組合作方式在此情境中解決一個開放式問題或者完成一項綜合性任務。

就目前國內STEM教育而言，課程內容主要集中在3D打印機、機器人學習等科學課，課程來源大多直接移植國外經驗的STEM課程、硬件公司開設的STEM課程，以及教師、培訓機構自己開發(fā)設計的STEM課程，課堂形式以項目式學習為主，一定程度上注重學生的主動參與和體驗，強調學生的主體地位。[8]但教學實際情況往往是，學生僅限于信息的收集，學習的課程單一，學科之間整合不夠，缺少STEM教育整合創(chuàng)新。因此，STEM教學質量的提升必須依賴5G網(wǎng)絡的發(fā)展，以此來實現(xiàn)沉浸式學習，讓學生真正體會到STEM教育課堂的技術整合，擺脫“大手工課”，抓住STEM教育的宗旨。

有學者通過實驗驗證提出，情境化培訓與傳統(tǒng)的在線指導相結合可以有效改善學習成果。[9]5G網(wǎng)絡技術的普及帶動增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術的發(fā)展，主打虛實融合、多人協(xié)作互動的混合現(xiàn)實教育裝備成為教育信息化發(fā)展的新方向，引領“VR＼AR+教育”的2.0時代發(fā)展。[10]實現(xiàn)5G在STEM教育中的自動化，典型的例子是觸覺互聯(lián)網(wǎng)的應用，通過增強觸覺來增強人機通信的能力，提高人機交互的友好度，可用于遠程訪問、查看、操縱和控制真實或虛擬對象，這是確保學生分別具有增強和虛擬現(xiàn)實內容的互動和觸覺的方式。[11]這種新技術使虛擬手術、虛擬駕駛、飛機駕駛、地震模擬等情境教學輕松實現(xiàn);在STEM項目中一些考古學、海洋學等難以接觸實物的課程通過VR虛擬不是接觸標本和僅限于視頻，更多的是三維、立體的真實生物模型，為項目式學習提供更加真實的情境，Delali Kwasi Dake等人采用華為技術有限公司的5G生態(tài)系統(tǒng)模型提出，利用5G生態(tài)系統(tǒng)部署觸覺增強現(xiàn)實技術，使學習水生游覽的學習者可以產生水體的確切溫度、水生植物和動物的觸覺，這對于要體驗觸摸水中波痕感覺的學生來說，在現(xiàn)實世界中是昂貴且高風險的嘗試，但5G給觸覺互聯(lián)網(wǎng)技術提供了可能性，使學生在虛擬教室里有觸摸鯨魚的感覺，并且可以實時獲得互動觸覺反饋、數(shù)據(jù)交換所涉及的速度。[5]紐約大學和哥倫比亞工程學院的研究人員以及整個紐約市的公立學校正在開發(fā)一種沉浸式的新型教育工具包，讓學生在一系列有關云、互聯(lián)網(wǎng)和虛擬實驗室中進行協(xié)作，旨在使用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術來創(chuàng)建以STEM為主題的“密室逃脫”式游戲;該團隊還研發(fā)了一個稱為5G COVET的教育工具包，包括高科技的游戲化學習模塊集，集成了耳機、傳感器、攝像頭等最新連接，這種模型有助于引發(fā)STEM教育的變革。[12]5G網(wǎng)絡典型的低延遲特點不僅降低了STEM教育成本，改善了教學環(huán)境，在一些難以實現(xiàn)的項目式學習中更為學生提供了更加真實的教學情境，MR全息教室讓抽象場景變得更生動形象，增強了學習的沉浸性和臨場感，激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維和能力，極大提高了STEM教育學習效果;同時移動性便攜式基站也讓大量場館甚至是難以開展STEM教育的偏遠地區(qū)成為學習體驗場所，在一定程度上也促進了教育公平。

2.提升STEM教師發(fā)展，改變教師角色

STEM教育的興起對教師發(fā)展提出了要求，目前我國很多STEM教師大多是科學課或者綜合實踐課教師出身，很難達到STEM課程的教學要求;很多教師不會上STEM課，缺少足夠的STEM教師，[13]也沒有專門針對STEM課程的培訓，[8]這類粗線條的STEM課程難以開展有針對性的、規(guī)?；慕處熍嘤?，直接導致了中小學基礎教育課程中的STEM教育不能得到廣泛推廣。[14]

5G網(wǎng)絡時代的到來，為教師STEM專業(yè)發(fā)展提供了契機和跳板，教師在STEM教育觀念、STEM課程開發(fā)等方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面，借助5G信息技術的進步和普及，要求教師具備更強的學習能力和適應能力，轉換教師的角色屬性，5G網(wǎng)絡推動STEM課程提升和發(fā)展的同時，教師也必須轉變STEM教育觀念，將知識性的學習轉移到觀念的更新和信息處理能力的提升上，技術和觀念的進步是同步一體的，引導學生提升邏輯思維能力和學習認知能力;[15]另一方面，我國STEM課程的開發(fā)一直處于起步階段，STEM教育教師資源不足，5G網(wǎng)絡智慧時代硬件設備的開發(fā)使教學實現(xiàn)智慧化，教師可以從繁瑣工作中解放出來，專注于STEM課程設計，同時通過教室內移動智能設備5G技術也可以讓教師方便獲取與STEM課程相關的知識資料，方便教師交流和學習，有利于STEM課程發(fā)展和教師STEM專業(yè)發(fā)展。除此之外，5G網(wǎng)絡給STEM課堂教學環(huán)境和硬件設備帶來了便利性，也有利于教師更好地開展STEM教學，提升個人課堂教學水平。

3.完善STEM評價機制，實現(xiàn)個性化學習

目前國際上STEM教育質量評價具有較強的可操作性的研究較少，而國內少量相關研究主要是介紹國外STEM教育評價的研究進展。嚴重缺乏成熟可行的可適用于我國STEM教育發(fā)展的評價工具，評價機制的匱乏很大程度上制約了我國STEM教育的可持續(xù)發(fā)展。[16]通過梳理國內外STEM教育評價工具，發(fā)現(xiàn)其主要評價對象聚焦在課堂、教師以及學生三方面，評價方法主要包括課堂觀察和教師教學兩方面。國外在STEM教育評價方面開發(fā)了較多的評價工具，評價內容也相對全面，與國外STEM教育評價研究相比，我國相關研究大多是在介紹國外STEM教育評價的研究進展。

從近兩年少數(shù)研究來看，何克抗提出了創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力三層級的評價機制，主張將我國青少年培育成為創(chuàng)新性人才;[17]樊雅琴等將小學生參與度劃分為認知參與度、情感參與度、行為參與度以及社交參與度等四個維度，基于此來開發(fā)STEM學生參與度評價工具，并將年齡、性別等作為評價要素，根據(jù)評價結果提出項目式STEM教學中學生參與度的提高策略。[18]吳忭等提出了利用網(wǎng)絡分析法對STEM教育開展評價的新思路。[19]

綜上可以看出我國針對STEM教育評價的實踐進展缺乏成熟可行且適用于我國STEM教育的評價工具，除了對STEM教育評價指標體系不明確之外，更主要原因是對STEM教育的跨學科性、真實性情境，以及學生在項目式學習中所體現(xiàn)出的協(xié)作交流、問題理解、活動探究等外顯行為的指標測量無法進行切實可行的記錄和分析，5G網(wǎng)絡的發(fā)展可對這一問題進行完善。

[4]Interaction System based on Internet of Things as Support for Education[J].Procedia Computer Science，2013（21）：132-139.

[5]Dake D K，Adjei B.5G Enabled Technologies for Smart Education[J].International Journal of Advanced Computer Science and Applications，2019，10（12）.

[6]葛詩婕.5G互聯(lián)網(wǎng)時代下基于STEAM的藝術發(fā)展新趨勢[J].美術教育研究，2019（19）.

[7]趙慧臣，張娜鈺，馬佳雯.STEM教育跨學科學習共同體：促進學習方式變革[J].開放教育研究，2020，26（3）：91-98.

[8]楊彥軍，饒菲菲.跨學科整合型STEM課程開發(fā)案例研究及啟示——以美國火星教育項目STEM課程為例[J].電化教育研究，2019（2）：113-122.

[9]Mohammadi A，Grosskopf K，Killingsworth J.Workforce Development Through Online Experiential Learning for STEM Education[J].2019.

[10]王瀟，謝漪珺.教育隨5G再上新臺階[J].上海信息化，2020（3）：53-55.

[11]Jiangfeng Cheng，Weihai Chen，F(xiàn)ei Tao，Chun-Liang Lin.Industrial IoT in 5G environment towards smart manufacturing[J].Journal of Industrial Information Integration，2018（10）.

[12]Jesse Adams（2019）.5G in 3D：Immersive COSMOS Education Toolkit Wins Verizon EdTech Challenge[EB/OL].https：//engineering.columbia.edu/news/verizon-edtech-challenge.2019-02-08.

[13]楊開城，竇玲玉，李波.STEM教育的困境及出路[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2020（2）：20-28.

[14]黃樺.STEM教育深度融入科學課程教學的實踐路徑[J].現(xiàn)代教育技術，2018（5）：121-126.

[15]柴干.5G時代背景下教師網(wǎng)絡研修的創(chuàng)新探究[J].科技視界，2020（7）：240-242.

[16]李艷燕，董笑男.STEM教育質量評價指標體系構建[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2020（2）：48-55，72.

[17]謝琪，陳晶瑩.STEM教育評價的挑戰(zhàn)與對策[J].中小學數(shù)字化教學，2020（5）：25-28.

[18]樊雅琴，周東岱，楊君輝等.項目式STEM教學中學生參與度測量研究[J].現(xiàn)代教育技術，2018（1）：121-126.

[19]吳忭，王戈，盛海曦.認知網(wǎng)絡分析法：STEM教育中的學習評價新思路[J].遠程教育雜志，2018（6）：3-10.

[20]Escolano S O，Rhemann C，F(xiàn)anello S R，et al.Holoportation： Virtual 3D Teleportation in Real-time[C].29th ACM User Interface Software and Technology Symposium （UIST）.ACM，2016.

[21]Lee I.Big data：Dimensions，evolution，impacts，and challenges[J].Business Horizons，2017，60（3）：293-303.

[22]鄭旭東，楊九民.學習分析在高等教育領域內的創(chuàng)新應用：進展、挑戰(zhàn)與出路[J].中國電化教育，2016（2）：2-7.

[23]胡國良，黃美初.“5G+AI”視域下智慧學習空間的構建研究——基于開放大學的實踐探索[J].遠程教育雜志，2020（3）：95-104.

[24]翟雪松，孫玉璉，陳文莉等.5G融合的教育應用、挑戰(zhàn)與反思[J].開放教育研究，2019（6）：12-19.

[25]翟雪松，束永紅.創(chuàng)新能力的內涵、測量與培養(yǎng)——訪美國教育傳播與技術協(xié)會前主席布拉德·霍坎森教授[J].開放教育研究，2018（5）：4-10.

[26]曾麗穎，任平，曾本友.STEAM教師跨學科集成培養(yǎng)策略與螺旋式發(fā)展之路[J].電化教育研究，2019（3）：42-47.

[27]教技[2018]6號.教育部關于印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》的通知[Z].

（編輯：王天鵬）