黃巧潔，劉沛強(qiáng)

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507；2.華迪計(jì)算機(jī)集團(tuán)有限公司，北京 100195）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR：Augmented Reality）是利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，借助顯示設(shè)備將虛擬對(duì)象與真實(shí)環(huán)境融為一體，提供了一種接近真實(shí)、便捷的教學(xué)方式。將AR 技術(shù)應(yīng)用于“移動(dòng)通信”課程教學(xué)，用虛擬的、直觀的三維場景及設(shè)備構(gòu)建校企跨界合作、教學(xué)環(huán)境與工作場景結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，可以快速縮短教學(xué)與5G 新興技術(shù)的距離，能有效解決教學(xué)資源不足的難題，有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信息化素養(yǎng)，促進(jìn)工學(xué)結(jié)合等實(shí)踐教學(xué)模式的變革。以“移動(dòng)通信”為典型課程開展研究，緊跟國內(nèi)外高等職業(yè)教育理論研究與改革實(shí)踐前沿，基于虛擬可視等信息化手段探索國內(nèi)高職教學(xué)模式改革實(shí)踐，體現(xiàn)國家對(duì)高職教育發(fā)展的新精神、新要求，賦予“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”新的內(nèi)涵。

一、國內(nèi)外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用研究

（一）國內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用綜述

沈克在基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)研究中，討論了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中應(yīng)用的可行性[1]。張連峰提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合校內(nèi)實(shí)踐教學(xué)基地的基本思路[2]。李青等開展了基于“微波技術(shù)與天線”課程的移動(dòng)探究性實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)[3]。陳錦錫在高職院校船機(jī)電專業(yè)教學(xué)過程中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，滿足高職院校船機(jī)電士官專業(yè)教學(xué)訓(xùn)練需求[4]。張向燕等以APP 的形式將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于“機(jī)械原理”教學(xué)中，為師生帶來極大便利[5]。汪成等提出利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課問題的新思路[6]。徐男等開發(fā)了用于數(shù)值優(yōu)化教學(xué)的交互式輕型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)，有效提升學(xué)習(xí)效率[7]。國內(nèi)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)的研究起步比較晚，特別是針對(duì)高職院校相關(guān)學(xué)科開展的研究更晚，雖然目前已取得一些成果，但仍需在與高職課程結(jié)構(gòu)相匹配的基于工作過程的虛實(shí)結(jié)合交互性上進(jìn)行積極的實(shí)踐與探索。

（二）國外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用綜述

國外對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用研究主要集中在教學(xué)場景的創(chuàng)造、教學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬等。哥倫比亞大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形與用戶界面實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修系統(tǒng)來輔助新兵學(xué)習(xí)，能夠通過數(shù)據(jù)內(nèi)容的指導(dǎo)在實(shí)際操作過程中快速掌握裝甲車的維護(hù)等技能[8]。Hsiao 等開發(fā)了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的天氣系統(tǒng)Weather observers，可以幫助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)地理學(xué)科中關(guān)于大氣系統(tǒng)的知識(shí)[9]。Santos 等將AR 技術(shù)融入詞匯教學(xué)程序中，學(xué)習(xí)者通過掃描實(shí)景可以獲得相關(guān)的詞匯進(jìn)行學(xué)習(xí)[10]。哈佛大學(xué)的Eco Mobile 實(shí)驗(yàn)室將AR 技術(shù)用于環(huán)境科學(xué)戶外教學(xué)實(shí)踐中，有效提升學(xué)習(xí)者興趣和主動(dòng)探索的積極性[11]。新加坡國立大學(xué)將AR 技術(shù)運(yùn)用在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，利用AR實(shí)驗(yàn)的雙向知識(shí)構(gòu)建過程，助力學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用[12]。歐洲列支敦士登大學(xué)將AR 技術(shù)運(yùn)用到數(shù)學(xué)展覽中，有效輔助學(xué)習(xí)者在非正式學(xué)習(xí)環(huán)境中的知識(shí)構(gòu)建過程[13]。西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)和委內(nèi)瑞拉西蒙玻利瓦爾大學(xué)將AR 技術(shù)應(yīng)用在電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)愉悅性和滿足感[14]。國外增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育的應(yīng)用研究比較早，也取得了很大的成功，但尚無基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的“移動(dòng)通信”虛擬可視化實(shí)踐案例可循。

《國家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》等文件指出加快信息化時(shí)代教育變革，利用現(xiàn)代技術(shù)加快推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革。AR 技術(shù)與具體的課程教學(xué)應(yīng)用結(jié)合，在教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬、教學(xué)活動(dòng)的組織等方面將進(jìn)一步豐富課堂教學(xué)實(shí)踐，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且對(duì)教學(xué)效果有正向促進(jìn)作用。國家“十四五”規(guī)劃綱要提出了加快5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；渴?，前瞻布局6G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)儲(chǔ)備，在未來十年將迎來移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期。本文以新一代移動(dòng)通信技術(shù)為例，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開展“移動(dòng)通信”課程虛擬可視化輔助教學(xué)，利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行5G 新技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐，對(duì)保證教學(xué)質(zhì)量，提高教學(xué)效率具有重要意義。

二、“移動(dòng)通信”課程開展虛擬可視化教學(xué)的可行性分析

（一）“移動(dòng)通信”課程教學(xué)與實(shí)踐面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)代信息技術(shù)發(fā)展迅猛，新技術(shù)層出不窮，受學(xué)時(shí)、教學(xué)設(shè)備等影響，高職教育中課堂教學(xué)與實(shí)踐面臨新的挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)如下：

1.課程內(nèi)容與學(xué)時(shí)之間的矛盾突出，傳統(tǒng)教學(xué)方式很難保證教學(xué)質(zhì)量

以O(shè)BE 成果導(dǎo)向的課程開發(fā)與學(xué)習(xí)成效評(píng)量機(jī)制對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生巨大沖擊。“移動(dòng)通信”涉及移動(dòng)通信基本技術(shù)原理和現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的各代移動(dòng)通信系統(tǒng)及其演進(jìn)技術(shù)，如2G（GSM、GPRS）、3G（WCDMA、TD-SCDMA 和CDMA2000）、4G（TD-LTE和LTE FDD）及5G。高職擴(kuò)招后生源多樣性也對(duì)傳統(tǒng)的集中式課堂與實(shí)踐教學(xué)帶來新的挑戰(zhàn)。受學(xué)時(shí)的限制和新技術(shù)的不斷發(fā)展，采用傳統(tǒng)的僅以課堂教學(xué)為主的教學(xué)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)方式缺乏靈活性，抽象、枯燥、比較難直觀呈現(xiàn)，很難保證教學(xué)質(zhì)量，無法適應(yīng)現(xiàn)代職業(yè)教育的生源多樣化的特點(diǎn)，無法滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的教學(xué)需求以及終身學(xué)習(xí)的“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”需求。

2.在特殊實(shí)訓(xùn)操作中，實(shí)踐教學(xué)條件受限

“移動(dòng)通信”實(shí)訓(xùn)教學(xué)涉及一些危險(xiǎn)系數(shù)大的實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，如涉及高空作業(yè)的基站安裝與維護(hù)，出于安全因素考慮在教學(xué)實(shí)踐過程中往往被忽略，但這些實(shí)訓(xùn)任務(wù)在企業(yè)實(shí)戰(zhàn)中至關(guān)重要，造成了教學(xué)實(shí)踐與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的脫節(jié)。

（二）開展虛擬可視化教學(xué)的可行性分析

1.AR 展現(xiàn)5G 新技術(shù)，帶動(dòng)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

將分立3D 可視化素材模型有機(jī)整合為可視化課程，構(gòu)建實(shí)時(shí)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)。通過虛擬可視化呈現(xiàn)，為虛擬世界和真實(shí)世界的接軌提供空間，在與虛擬世界互動(dòng)的過程中助力學(xué)生理解抽象的知識(shí)內(nèi)容，滿足學(xué)生對(duì)教學(xué)的個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)、做中教”“以學(xué)生為中心”等現(xiàn)代職教理念有機(jī)融合，達(dá)到“資源體系重構(gòu)化、資源組成碎片化、內(nèi)在邏輯合理化”的輔學(xué)輔教目的，使課程學(xué)習(xí)變得更自由、靈活、快樂，克服了傳統(tǒng)教學(xué)課堂沉悶、抬頭率不高、學(xué)生高階能力培養(yǎng)不足等問題，切實(shí)提升課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2.基于虛擬可視化課堂教學(xué)交互體驗(yàn)?zāi)Ｊ剑訌?qiáng)學(xué)生的參與度

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬可視化教學(xué)是“情景教學(xué)、工作過程導(dǎo)向教學(xué)、線上線下混合教學(xué)”的一種有機(jī)結(jié)合?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬可視化正賦予新時(shí)代教育現(xiàn)代化更多新的內(nèi)涵。從當(dāng)前現(xiàn)狀分析，在未來的教學(xué)中采用虛擬可視化的方式輔助教學(xué)尤為重要，不但能提高學(xué)生的參與度，激勵(lì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦的能力，而且使學(xué)生以最少的付出得到最大的學(xué)習(xí)效果，提高學(xué)生滿意度與注意力。

三、“移動(dòng)通信”課程虛擬可視化的探索實(shí)踐

圍繞虛擬可視化輔助教學(xué)模式，結(jié)合移動(dòng)通信課程特點(diǎn)，優(yōu)化“移動(dòng)通信”課程體驗(yàn)式課堂教學(xué)內(nèi)容，整合出與課程體系結(jié)構(gòu)相匹配的基于工作過程的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法。

（一）重構(gòu)5G 智能背景下“移動(dòng)通信”課程的教學(xué)內(nèi)容

以移動(dòng)通信基本知識(shí)和基本能力的培養(yǎng)為核心，結(jié)合虛擬可視化呈現(xiàn)方式和高職學(xué)生特點(diǎn)，將生產(chǎn)和生活常用實(shí)例作為載體引入到教學(xué)過程中，優(yōu)化“移動(dòng)通信”課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容，完善課程資源，探索以直觀虛擬可視化方式呈現(xiàn)深?yuàn)W抽象的理論知識(shí)，解決課時(shí)少與內(nèi)容多的突出矛盾，搶占制定課程標(biāo)準(zhǔn)的制高點(diǎn)，為5G 智能背景下虛實(shí)結(jié)合的“移動(dòng)通信”教學(xué)實(shí)踐提供鮮活實(shí)例。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后的“移動(dòng)通信”課程結(jié)構(gòu)與教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為三大模塊“基礎(chǔ)-系統(tǒng)-工程”，圍繞三大模塊，設(shè)計(jì)了十大任務(wù)。教學(xué)氛圍盡量模擬企業(yè)環(huán)境，體現(xiàn)工作任務(wù)。移動(dòng)通信基礎(chǔ)和移動(dòng)通信系統(tǒng)兩大模塊八大任務(wù)使學(xué)生全面掌握移動(dòng)通信的組網(wǎng)與結(jié)構(gòu)；移動(dòng)通信工程模塊使學(xué)生初步具備系統(tǒng)安裝、調(diào)試與優(yōu)化能力。通過三大模塊的學(xué)習(xí)使學(xué)生全面掌握移動(dòng)通信系統(tǒng)的建網(wǎng)工作流程，如圖1 所示。在組網(wǎng)及系統(tǒng)安裝調(diào)試部分教學(xué)實(shí)踐過程引入了虛擬可視化相關(guān)呈現(xiàn)方式輔助教學(xué)。

（二）虛擬可視化的“移動(dòng)通信”實(shí)時(shí)互動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)課程內(nèi)容，選擇關(guān)鍵部件構(gòu)建3D 可視化模型部件，如基站系統(tǒng)、核心網(wǎng)設(shè)備等，并逐步積累完善，建立虛擬可視化素材庫。采用Unity2017.4.40三維交互制作平臺(tái)和AR SDK 引擎，將3D 可視化模型部件構(gòu)建出可視化系統(tǒng)，將分立的素材模型有機(jī)整合為可視化課程，實(shí)現(xiàn)與學(xué)生實(shí)時(shí)教學(xué)互動(dòng)，從而對(duì)真實(shí)情境下所需要的技能進(jìn)行訓(xùn)練。通過攝像頭圖片采集、圖像特征計(jì)算、圖像特征匹配與識(shí)別，尋找相關(guān)聯(lián)的顯示教學(xué)資源虛擬素材，將虛擬信息與現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加，輸出虛實(shí)結(jié)合的場景（如圖2所示）。

（三）虛擬可視化的教學(xué)實(shí)踐

1.在廣東省青年教師教學(xué)大賽的實(shí)踐

運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)構(gòu)建了虛擬可視化輔助教學(xué)場景，筆者在廣東省高校（高職）青年教師教學(xué)大賽的教學(xué)絕活展示中，直觀展示了基于移動(dòng)通信進(jìn)行圖像信息識(shí)別編碼與傳輸過程，綜合成績獲得了省級(jí)決賽一等獎(jiǎng)（如圖3 所示）。

2.在“移動(dòng)通信”課程教學(xué)上的實(shí)踐

在本校2020 級(jí)現(xiàn)代通信技術(shù)專業(yè)不同班級(jí)分別開展“移動(dòng)通信”常規(guī)教學(xué)和虛擬可視化教學(xué)。其中，常規(guī)教學(xué)班采用常規(guī)教學(xué)法，實(shí)驗(yàn)班采用虛擬可視化輔助教學(xué)。實(shí)驗(yàn)班授課時(shí)，在基站的安裝與調(diào)試、核心網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備等內(nèi)容中，通過三維虛擬化全方位展示了設(shè)備的外形構(gòu)造。特別是在基站安裝部署設(shè)計(jì)中，與實(shí)景地圖融合，綜合模擬選址、建站的全過程。圖4 展示了不同場景下基站系統(tǒng)的部署樣例，使學(xué)生迅速了解不同場景下基站系統(tǒng)部署的差異，這種基于工作過程的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法在課堂中獲得了學(xué)生肯定。

四、“移動(dòng)通信”虛實(shí)可視化教學(xué)評(píng)價(jià)

（一）質(zhì)量評(píng)價(jià)

為準(zhǔn)確分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成效的影響，對(duì)上述常規(guī)教學(xué)班和實(shí)驗(yàn)班在課程結(jié)束后通過考試驗(yàn)證學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。實(shí)驗(yàn)班平均成績?yōu)?8.2分，常規(guī)教學(xué)班平均分為73.0 分，各分?jǐn)?shù)段占比如圖5 所示。采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)班在平均分、及格率、優(yōu)良成績占比等均明顯優(yōu)于常規(guī)教學(xué)班，說明基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬可視化教學(xué)能有效提高教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。

（二）教學(xué)評(píng)價(jià)

在課程結(jié)束時(shí)，對(duì)上述班級(jí)進(jìn)行問卷調(diào)查，了解學(xué)生對(duì)本課程實(shí)施虛擬可視化教學(xué)的整體評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)班統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示高達(dá)91%的學(xué)生對(duì)實(shí)施虛擬可視化教學(xué)感到滿意，明顯高于常規(guī)教學(xué)班79%的教學(xué)滿意度，如圖6 所示。但有個(gè)別學(xué)生對(duì)實(shí)施虛擬可視化教學(xué)不滿意，這可能與個(gè)別學(xué)生對(duì)虛擬可視化接受程度有關(guān)，需要教師進(jìn)行積極摸索，改進(jìn)教學(xué)方法，對(duì)學(xué)生進(jìn)行積極的引導(dǎo)。通過教學(xué)評(píng)價(jià)，促進(jìn)教師不斷提高教學(xué)技藝，激發(fā)學(xué)生不斷提高學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)積極性，為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)技能人才。

五、結(jié)論

本文以現(xiàn)代通信技術(shù)專業(yè)的核心課程“移動(dòng)通信”為例，結(jié)合5G 智能背景下移動(dòng)通信技術(shù)的最新進(jìn)展，深入開展虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)探索，優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量和效益；提升學(xué)生信息化素養(yǎng)，適應(yīng)信息時(shí)代的學(xué)習(xí)方法；增強(qiáng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，提高創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力；為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量型擴(kuò)招提供新型教學(xué)模式的落地措施。