文/溫靜 劉學洪 黎生 許春

四川大學積極推進數(shù)字技術(shù)與教育教學的深度融合，加快5G、云計算、大數(shù)據(jù)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開展5G+智慧教育探索實踐，涵蓋5G 校園融合專網(wǎng)建設(shè)、AI+知識圖譜的智慧教學平臺建設(shè)、5G+XR（Extended Reality）創(chuàng)新實驗室等技術(shù)和應用，助力教育教學效果提升，形成一個技術(shù)先進、效果明顯的5G 與教育教學融合的典型應用。

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)合邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)能力，全面服務于互動教學、知識推薦、沉浸式教學等核心應用場景。圖1 為5G+“云上川大”智慧教育總體方案框架。總體方案按“端-管-云-應用-門戶”的主流ICT(Information and Communications Technology)架構(gòu)，包含終端層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層、門戶層五個層次，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)絡層傳輸?shù)狡脚_層進行存儲和處理，并最終反饋到展示設(shè)備進行呈現(xiàn)，同時需要聯(lián)動操作系統(tǒng)通過執(zhí)行設(shè)備完成處理。

網(wǎng)絡層：構(gòu)建5G 校園融合專網(wǎng)，發(fā)揮大帶寬、低時延、廣連接的特點，同時融合局域網(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_層進行處理。

平臺層：平臺層充分利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可基于不同的網(wǎng)絡架構(gòu)進行搭建部署，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。向下接入?yún)R聚各應用系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理，并面向上層場景化應用提供資源優(yōu)化、成本優(yōu)化的數(shù)據(jù)服務。

應用層：主要面向“5G+智慧教育”重點任務，打造互動教學、個性化知識推薦、5G+VR 沉浸式教室等教育場景應用創(chuàng)新，促進教育高質(zhì)量發(fā)展和高素質(zhì)人才培養(yǎng)。

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

“AI+知識圖譜”賦能教學

本質(zhì)上，知識圖譜屬于一種語義網(wǎng)絡，用來建立和展示各種實體關(guān)聯(lián)，一方面利用實體關(guān)聯(lián)實現(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，知識圖譜的構(gòu)建包括知識抽取、知識表示、知識融合、知識推理、知識存儲等步驟。

基于“AI+知識圖譜”的教學資源建設(shè)與管理

開拓教學數(shù)據(jù)資源，豐富知識原點。第一，課堂錄播自動入庫，沉淀校本優(yōu)質(zhì)課程資源。采集的教學資源可統(tǒng)一保存到“大川學堂”教學資源管理平臺，作為四川大學校本資源庫優(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。課堂實時畫面通過5G 校園融合專網(wǎng)傳輸?shù)健按蟠▽W堂”智慧教學平臺，為校際師生、督導教研組、校外專家等提供課堂在線直播。同時為后續(xù)知識圖譜的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)源。第三，智慧教育大平臺建設(shè)，實現(xiàn)公共平臺資源存量匯聚。“大川學堂”以國家智慧教育平臺為藍本，對接統(tǒng)一接口，實現(xiàn)愛課程、學堂在線、智慧樹、人衛(wèi)慕課等公有平臺課程資源的校本匯聚、互聯(lián)共享。

豐富的教學資源處理工具，提升資源處理能力。在“大川學堂”智慧教學平臺上，可以通過在線剪輯工具、精品課程模板、多類型檢索方式，滿足管理員、教師等對教學視頻的重構(gòu)和再生。通過課堂語音識別、教學板書識別、知識點識別、智能字幕等，為教師備課、教務管理、教學應用等提供豐富的應用。為了實現(xiàn)超高清、高清視頻的低延時訪問，平臺上所有資源支持以5G 校園融合專網(wǎng)進行訪問，提升使用體驗。

AI+知識圖譜技術(shù)賦能，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源循環(huán)再造。通過多元資源沉淀，利用獲得的課堂錄播、教學課件、學生視頻等作為元資源，經(jīng)過AI 智能剪輯或知識切片等原子化處理后形成相應教學知識片段，結(jié)合教學設(shè)計對知識片段進行標簽化處理或重構(gòu)形成新的教學知識點供教學使用。形成的知識點可根據(jù)相關(guān)主題或者專題設(shè)計成相關(guān)微課，系列微課則可進一步組建體系化的課程內(nèi)容。

“AI+知識圖譜”技術(shù)賦能教學模式變革

四川大學各校區(qū)可通過5G+遠程超高清互動教學實現(xiàn)校本部與多個異地校區(qū)開展聯(lián)合教研活動，超低延時增加互動體驗，提高教研效果。

互動實時反饋，支撐教師差異化教學。依托智慧教學環(huán)境下“愛課堂”教學互動實時反饋系統(tǒng)，閉環(huán)式實現(xiàn)“課前—課中—課后”移動互動式教學，構(gòu)建“數(shù)據(jù)收集—分析預測—教學決策”精準化教學模型，支撐教師差異化教學活動。

知識圖譜賦能學生個性化學習。課程地圖作為知識圖譜的一種呈現(xiàn)方式，由眾多知識點組成，每個知識點不僅關(guān)聯(lián)相關(guān)知識內(nèi)容，也可以將習題、文獻等其他資源作為拓展補充。知識點之間采用非線性關(guān)系，有助于知識表達和內(nèi)容呈現(xiàn)。同時，知識點的拓撲關(guān)系在一定程度上蘊含領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗、知識關(guān)聯(lián)與學習路徑，為基于課程內(nèi)容的自適應學習奠定一定的基礎(chǔ)。

通過“課程地圖”，學生可以非常直觀地了解本課程的知識脈絡和層級關(guān)系，幫助學生系統(tǒng)高效地構(gòu)建知識體系、優(yōu)化學習路徑。同時各個知識點支持多格式內(nèi)容綁定，學生可以根據(jù)相關(guān)路徑了解具體學習活動需掌握的前序和后續(xù)知識點。在學習過程中，學生可以自主確定學習目標，自覺完成學習任務，不斷優(yōu)化學習路徑、提高學習績效。

基于5G+VR 的多模態(tài)教學技術(shù)研究與應用

5G 技術(shù)促進了VR 與教育技術(shù)的融合，從而為學習者構(gòu)建多模態(tài)課程資源，提供多模態(tài)的交互學習環(huán)境創(chuàng)造了機會。學生在與多模態(tài)資源的交互中，實現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺等多通道的輸入和輸出，調(diào)動多種感官協(xié)同參與，與教師和學生展開深入的交流和討論，從而獲得深層次的知識建構(gòu)，有效提升問題解決和協(xié)作溝通等高階思維能力。

5G+VR 助力教學模式變革

多模態(tài)教學資源平臺研究。多模態(tài)教學模式將VR 與教學相融合，以優(yōu)質(zhì)資源為核心，集終端、應用系統(tǒng)、內(nèi)容于一體的多模態(tài)教學資源平臺，為學生創(chuàng)設(shè)接近真實的學習環(huán)境，將抽象概念具象化，為學生提供高度開放、可交互、沉浸式的三維學習環(huán)境。多模態(tài)教學資源平臺的搭建主要包含了六大模塊：VR 內(nèi)容云平臺，負責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，負責內(nèi)容創(chuàng)作軟件的硬件支撐，同時云端GPU虛化渲染支撐四川大學一體機VR 內(nèi)容教學；VR 本地內(nèi)容創(chuàng)作區(qū)，負責四川大學本地VR 內(nèi)容創(chuàng)作，使用云桌面依托云計算中心硬件資源進行內(nèi)容的創(chuàng)作及上傳；川大教學管理平臺，負責VR 內(nèi)容資源的管理；無線VR 體驗教學，在5G 覆蓋下通過VR 一體機進行無拘束體驗教學；VR 本地教學區(qū)，依托云端VR 教學資源在本地進行大班教學、小班協(xié)同教學、大空間實訓教學等。

沉浸式教學內(nèi)容資源的建設(shè)與管理。多模態(tài)教學內(nèi)容資源的管理涉及多個方面，主要包括：向?qū)W生VR 一體機進行數(shù)據(jù)傳輸（即教學資源對應的視頻或文本資源），注意力監(jiān)控（通過眼球追蹤實現(xiàn)在教師端中控系統(tǒng)展示學生的視線圖，通過對學生視線可視化幫助教師識別困惑、分心的學生，實現(xiàn)針對性教育和輔導、設(shè)備異常報警、中控便捷選課等功能）。高效檢索技術(shù)有兩種實現(xiàn)方式：一是研究分布式異構(gòu)模式的檢索技術(shù)，通過構(gòu)建分布式教學資源數(shù)據(jù)庫的全局邏輯視圖，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)，實現(xiàn)分布式異構(gòu)教學資源的統(tǒng)一檢索接口；二是研究基于圖數(shù)據(jù)庫的路徑檢索，以教師為節(jié)點，搜索節(jié)點間多步路徑，檢索教師教授的各個知識點，實現(xiàn)對資源的高效檢索。

沉浸式教學實踐。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校友江竹筠烈士紀念館為基礎(chǔ)，依托5G+XR創(chuàng)新實驗室，自主拍攝、研發(fā)制作了第一個紅色教育內(nèi)容資源《江姐紀念館VR 館》。

AR 促進虛擬教研環(huán)境建設(shè)

由四川大學信息化建設(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)驗和教書育人的故事，輻射青年教師和學生。該節(jié)目制作采用虛擬演播室技術(shù)，構(gòu)建開發(fā)三維虛擬教學及訪談場景，建立同真實場景一致的演播及講演環(huán)境。虛擬三維場景與現(xiàn)場拍攝的人物活動進行實時合成，使背景和人物達到自然融合的效果。在后期制作上，采用摳像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實圖文技術(shù)，配合前期拍攝的燈光技術(shù)，使三維虛擬場景和人物進行實時合成，融為一體，給人一種真實的立體空間感。