“移动通信”课程虚拟可视化教学实践

黄巧洁，刘沛强

（1.广东农工商职业技术学院，广东 广州 510507；
2.华迪计算机集团有限公司，北京 100195）

增强现实（AR：Augmented Reality）是利用计算机图形技术和可视化技术，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，提供了一种接近真实、便捷的教学方式。将AR 技术应用于“移动通信”课程教学，用虚拟的、直观的三维场景及设备构建校企跨界合作、教学环境与工作场景结合的教学实践内容，可以快速缩短教学与5G 新兴技术的距离，能有效解决教学资源不足的难题，有效提升学生的学习兴趣和信息化素养，促进工学结合等实践教学模式的变革。以“移动通信”为典型课程开展研究，紧跟国内外高等职业教育理论研究与改革实践前沿，基于虚拟可视等信息化手段探索国内高职教学模式改革实践，体现国家对高职教育发展的新精神、新要求，赋予“互联网+职业教育”新的内涵。

（一）国内增强现实教学应用综述

沈克在基于增强现实的大学计算机基础课程教学研究中，讨论了增强现实技术在大学计算机基础教学中应用的可行性[1]。张连峰提出基于虚拟现实技术构建虚实结合校内实践教学基地的基本思路[2]。李青等开展了基于“微波技术与天线”课程的移动探究性实践学习活动[3]。陈锦锡在高职院校船机电专业教学过程中，基于虚拟现实技术设计开发虚拟训练系统，满足高职院校船机电士官专业教学训练需求[4]。张向燕等以APP 的形式将增强现实技术应用于“机械原理”教学中，为师生带来极大便利[5]。汪成等提出利用增强现实解决大学物理实验课问题的新思路[6]。徐男等开发了用于数值优化教学的交互式轻型增强现实教学系统，有效提升学习效率[7]。国内基于增强现实教学设计的研究起步比较晚，特别是针对高职院校相关学科开展的研究更晚，虽然目前已取得一些成果，但仍需在与高职课程结构相匹配的基于工作过程的虚实结合交互性上进行积极的实践与探索。

（二）国外增强现实教学应用综述

国外对于增强现实技术教学应用研究主要集中在教学场景的创造、教学实验的模拟等。哥伦比亚大学计算机图形与用户界面实验室研发了增强现实维修系统来辅助新兵学习，能够通过数据内容的指导在实际操作过程中快速掌握装甲车的维护等技能[8]。Hsiao 等开发了一个增强现实的天气系统Weather observers，可以帮助学习者学习地理学科中关于大气系统的知识[9]。Santos 等将AR 技术融入词汇教学程序中，学习者通过扫描实景可以获得相关的词汇进行学习[10]。哈佛大学的Eco Mobile 实验室将AR 技术用于环境科学户外教学实践中，有效提升学习者兴趣和主动探索的积极性[11]。新加坡国立大学将AR 技术运用在大学物理实验中，利用AR实验的双向知识构建过程，助力学生对知识的理解与应用[12]。欧洲列支敦士登大学将AR 技术运用到数学展览中，有效辅助学习者在非正式学习环境中的知识构建过程[13]。西班牙马德里卡洛斯三世大学和委内瑞拉西蒙玻利瓦尔大学将AR 技术应用在电磁学的实验教学中，大幅提升学生的学习愉悦性和满足感[14]。国外增强现实在教育的应用研究比较早，也取得了很大的成功，但尚无基于增强现实的“移动通信”虚拟可视化实践案例可循。

《国家职业教育改革实施方案》等文件指出加快信息化时代教育变革，利用现代技术加快推动人才培养模式改革。AR 技术与具体的课程教学应用结合，在教学情境的创设、教学实验的模拟、教学活动的组织等方面将进一步丰富课堂教学实践，能够提高学生的学习兴趣，并且对教学效果有正向促进作用。国家“十四五”规划纲要提出了加快5G 网络规模化部署，前瞻布局6G 网络技术储备，在未来十年将迎来移动通信技术发展的黄金时期。本文以新一代移动通信技术为例，基于增强现实开展“移动通信”课程虚拟可视化辅助教学，利用现代信息技术进行5G 新技术课程教学实践，对保证教学质量，提高教学效率具有重要意义。

（一）“移动通信”课程教学与实践面临的挑战

当代信息技术发展迅猛，新技术层出不穷，受学时、教学设备等影响，高职教育中课堂教学与实践面临新的挑战，具体表现如下：

1.课程内容与学时之间的矛盾突出，传统教学方式很难保证教学质量

以OBE 成果导向的课程开发与学习成效评量机制对传统教学模式产生巨大冲击。“移动通信”涉及移动通信基本技术原理和现网运行的各代移动通信系统及其演进技术，如2G（GSM、GPRS）、3G（WCDMA、TD-SCDMA 和CDMA2000）、4G（TD-LTE和LTE FDD）及5G。高职扩招后生源多样性也对传统的集中式课堂与实践教学带来新的挑战。受学时的限制和新技术的不断发展，采用传统的仅以课堂教学为主的教学方式，学生学习方式缺乏灵活性，抽象、枯燥、比较难直观呈现，很难保证教学质量，无法适应现代职业教育的生源多样化的特点，无法满足个性化学习的教学需求以及终身学习的“互联网+职业教育”需求。

2.在特殊实训操作中，实践教学条件受限

“移动通信”实训教学涉及一些危险系数大的实训教学任务，如涉及高空作业的基站安装与维护，出于安全因素考虑在教学实践过程中往往被忽略，但这些实训任务在企业实战中至关重要，造成了教学实践与企业生产实践的脱节。

（二）开展虚拟可视化教学的可行性分析

1.AR 展现5G 新技术，带动学生创新思维的培养

将分立3D 可视化素材模型有机整合为可视化课程，构建实时互动教学平台。通过虚拟可视化呈现，为虚拟世界和真实世界的接轨提供空间，在与虚拟世界互动的过程中助力学生理解抽象的知识内容，满足学生对教学的个性化需求，实现“做中学、做中教”“以学生为中心”等现代职教理念有机融合，达到“资源体系重构化、资源组成碎片化、内在逻辑合理化”的辅学辅教目的，使课程学习变得更自由、灵活、快乐，克服了传统教学课堂沉闷、抬头率不高、学生高阶能力培养不足等问题，切实提升课程教学质量和人才培养质量。

2.基于虚拟可视化课堂教学交互体验模式，加强学生的参与度

基于增强现实的虚拟可视化教学是“情景教学、工作过程导向教学、线上线下混合教学”的一种有机结合。基于增强现实的虚拟可视化正赋予新时代教育现代化更多新的内涵。从当前现状分析，在未来的教学中采用虚拟可视化的方式辅助教学尤为重要，不但能提高学生的参与度，激励学生进行知识构建，培养学生动手动脑的能力，而且使学生以最少的付出得到最大的学习效果，提高学生满意度与注意力。

围绕虚拟可视化辅助教学模式，结合移动通信课程特点，优化“移动通信”课程体验式课堂教学内容，整合出与课程体系结构相匹配的基于工作过程的虚实结合的教学方法。

（一）重构5G 智能背景下“移动通信”课程的教学内容

以移动通信基本知识和基本能力的培养为核心，结合虚拟可视化呈现方式和高职学生特点，将生产和生活常用实例作为载体引入到教学过程中，优化“移动通信”课程结构与教学内容，完善课程资源，探索以直观虚拟可视化方式呈现深奥抽象的理论知识，解决课时少与内容多的突出矛盾，抢占制定课程标准的制高点，为5G 智能背景下虚实结合的“移动通信”教学实践提供鲜活实例。经优化调整后的“移动通信”课程结构与教学内容设计为三大模块“基础-系统-工程”，围绕三大模块，设计了十大任务。教学氛围尽量模拟企业环境，体现工作任务。移动通信基础和移动通信系统两大模块八大任务使学生全面掌握移动通信的组网与结构；
移动通信工程模块使学生初步具备系统安装、调试与优化能力。通过三大模块的学习使学生全面掌握移动通信系统的建网工作流程，如图1 所示。在组网及系统安装调试部分教学实践过程引入了虚拟可视化相关呈现方式辅助教学。

（二）虚拟可视化的“移动通信”实时互动系统设计

根据课程内容，选择关键部件构建3D 可视化模型部件，如基站系统、核心网设备等，并逐步积累完善，建立虚拟可视化素材库。采用Unity2017.4.40三维交互制作平台和AR SDK 引擎，将3D 可视化模型部件构建出可视化系统，将分立的素材模型有机整合为可视化课程，实现与学生实时教学互动，从而对真实情境下所需要的技能进行训练。通过摄像头图片采集、图像特征计算、图像特征匹配与识别，寻找相关联的显示教学资源虚拟素材，将虚拟信息与现实环境叠加，输出虚实结合的场景（如图2所示）。

（三）虚拟可视化的教学实践

1.在广东省青年教师教学大赛的实践

运用增强现实构建了虚拟可视化辅助教学场景，笔者在广东省高校（高职）青年教师教学大赛的教学绝活展示中，直观展示了基于移动通信进行图像信息识别编码与传输过程，综合成绩获得了省级决赛一等奖（如图3 所示）。

2.在“移动通信”课程教学上的实践

在本校2020 级现代通信技术专业不同班级分别开展“移动通信”常规教学和虚拟可视化教学。其中，常规教学班采用常规教学法，实验班采用虚拟可视化辅助教学。实验班授课时，在基站的安装与调试、核心网关键设备等内容中，通过三维虚拟化全方位展示了设备的外形构造。特别是在基站安装部署设计中，与实景地图融合，综合模拟选址、建站的全过程。图4 展示了不同场景下基站系统的部署样例，使学生迅速了解不同场景下基站系统部署的差异，这种基于工作过程的虚实结合的教学方法在课堂中获得了学生肯定。

（一）质量评价

为准确分析增强现实对学生学习成效的影响，对上述常规教学班和实验班在课程结束后通过考试验证学生的学习成效。实验班平均成绩为78.2分，常规教学班平均分为73.0 分，各分数段占比如图5 所示。采用增强现实的实验班在平均分、及格率、优良成绩占比等均明显优于常规教学班，说明基于增强现实的虚拟可视化教学能有效提高教学效率，促进学生学习。

（二）教学评价

在课程结束时，对上述班级进行问卷调查，了解学生对本课程实施虚拟可视化教学的整体评价。实验班统计结果显示高达91%的学生对实施虚拟可视化教学感到满意，明显高于常规教学班79%的教学满意度，如图6 所示。但有个别学生对实施虚拟可视化教学不满意，这可能与个别学生对虚拟可视化接受程度有关，需要教师进行积极摸索，改进教学方法，对学生进行积极的引导。通过教学评价，促进教师不断提高教学技艺，激发学生不断提高学习兴趣及学习积极性，为社会培养高素质的技术技能人才。

本文以现代通信技术专业的核心课程“移动通信”为例，结合5G 智能背景下移动通信技术的最新进展，深入开展虚实结合的教学探索，优化教学过程，提高教学质量和效益；
提升学生信息化素养，适应信息时代的学习方法；
增强学生终身学习的意识，提高创新、创业能力；
为实现质量型扩招提供新型教学模式的落地措施。