5G全息遠程互動智慧教室設計與應用*

王超 趙玉寶 李俊鵬 黃曉丹

山東大學 濟南 250100

0 引言

近年來，以5G、人工智能、虛擬現實、區塊鏈等為代表的新一代信息技術蓬勃發展，給各行各業帶來了新的機遇和挑戰。在數字化、智能化的浪潮中，技術變革教育的價值和作用日益凸顯，教育作為前沿技術的重要實踐領域備受矚目[1]。黨的二十大首次將“推進教育數字化”寫入黨代會報告。教育部從2022年開始全面推動教育數字化戰略行動。2021年，教育部等六部門發布《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，對加快推進教育新基建，構建高質量教育支撐體系作出了總體部署，明確提出“依托感知交互、仿真實驗等裝備，打造生動直觀形象的新課堂”[2]。教育部2018年印發的《教育信息化2.0行動計劃》指出，要“構建智慧學習支持環境”，“加快面向5G網絡的高校智能學習體系建設”[3]。教室是開展課堂教學、實驗教學等教學活動的主陣地，如何更好地推動教室智慧化和數字化建設，成為當前教育信息化領域的研究熱點。

1 智慧教室發展現狀及趨勢

1.1 當前智慧教室的主要特征及存在的問題

智慧教室作為“互聯網+教育”的最新產物，對構建智慧學習環境、推動課堂教學改革起到了重要的支撐和引領作用。目前，我國高校主流智慧教室主要依托云計算、大數據、物聯網等技術，實現人機（或人人）交互、環境控制、課堂資源再現、遠程教學、學情分析等功能[4]。這一類智慧教室中教學資源的呈現形式一般是平面化的，以PPT、視頻資料、電子白板等為主。

隨著虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality,AR）等技術日益成熟，國內一些高校開始探索將VR/AR技術融入智慧教室，打造基于云渲染的VR/AR智慧教室[5]。另有高校將VR技術與遠程直播相結合，為學習者營造一種通過手機等智能終端進行沉浸式遠程學習的虛擬環境[6]。學習者佩戴VR眼鏡或VR頭盔，借助3D素材進行立體化、沉浸式、交互式學習，增強了學習的趣味性和直觀性。

不論是時下主流的智慧教室，還是新興的VR/AR智慧教室，在開展教學過程中都面臨一些問題。在進行異地遠程直播教學時，現場教師一般都能夠通過監視大屏和拾音擴音系統與異地遠程學習者進行問答互動，但時常面臨畫面卡頓、聲音失真、交互性不強等問題；遠程學習者通過屏幕觀看教師授課，臨場感不強，授課教師給現場學生展示的實物，遠程學生無法獲得真實體驗，往往會導致遠程直播教學呈現“現場教師在線播、遠程學生隱身聽”的狀態[7]。另外，VR/AR智慧教室雖然實現了教學資源的立體化呈現，但是需要學習者佩戴特定設備，使用不便且長時間佩戴容易產生眩暈感。

5G和全息投影技術的出現與不斷發展，為未來智慧教室建設打開了新的空間。全息技術兼具全沉浸性、全數據化、全互動性等特征[8]，能夠打破現實世界和虛擬世界的界限，在現有物理場景的基礎上，營造出一種互動性的混合現實（Mixed Realty,MR）環境。人們開始探索基于全息技術將授課教師全息投影到遠程教室，增強遠程聽課學生的臨場感；同時將教學資源全息化，利用全息投影構建出能夠以裸眼觀看的3D虛擬影像，增強學習的立體感，從而使得智慧教室的遠程直播教學效果真正具備“遠程現場感，現場沉浸感”。

1.2 全息投影技術的基本概念及在教育中的應用現狀

英國科學家丹尼斯·蓋伯于1948年首次提出全息概念[9]，隨著光學和計算機等技術的不斷發展進步，全息投影技術在軍事、舞臺設計、場館展示等領域都有了廣泛的應用。

全息投影技術是利用光的干涉和衍射原理來呈現物體三維影像的技術[10]，它將物體發出的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來，存儲在記錄介質中，形成“全息干涉圖”。當用再現光照射全息圖時，重現出原始物光場，從而恢復出原物體逼真的三維圖像，形成立體全息影像[11]。全息投影技術是一種可擴展、可重復使用和可傳送的3D顯示技術，且用戶無需使用特殊的眼鏡，就可以看到3D全息影像。

將全息投影技術應用于智慧教室建設，涉及3D全息圖像采集、渲染、編碼、傳輸、解碼等多個環節，數據量大、實時性要求高，普通4G網絡環境無法滿足遠程直播互動教學的低延時要求。相比于4G網絡通信技術，5G技術具有超高速率、低延時、低功耗、大規模連接、高可靠性等特點[12]，能夠提供每秒千兆的峰值傳輸速率、每秒百兆以上的平均傳輸速率以及毫秒級的網絡延時[13]，其作為全息投影技術的底層網絡支撐環境，將極大地提升教學體驗。

當前，全息技術在教育領域中的應用還處于初步探索階段[14]，國內外對于全息投影技術在智慧教室建設中的應用研究比較少，研究成果也主要集中在全息教室對教育教學模式影響的理論分析方面，對5G全息互動智慧教室的基礎設計模式、設計方案等方面的研究更是寥寥無幾。在此背景下，本文從技術層面提出了一種支持異地遠程互動授課的5G全息智慧教室（以下簡稱“5G全息智慧教室”）設計方案。

2 5G全息智慧教室設計方案

2.1 5G全息智慧教室總體需求

結合山東大學教育教學工作需要，本文所提方案擬基于5G網絡環境，建成3個異地校區共6間5G全息智慧教室，除具備常規智慧教室的相關功能外，還能夠支持一對一或一對多的全息遠程教學。授課教師可在任意教室授課，其立體三維影像能夠實時傳輸到遠程教室進行同步呈現，遠程教室的學生無需佩戴任何設備即可看到具有裸眼3D效果的教師1∶1三維影像。能夠支持全息課件播放，現場和遠程教室均能呈現其三維影像。教師授課過程中播放的PPT課件、在線板書內容也能夠作為全息影像元素進行顯示。此外，多校區師生能夠同時參與全息互動教學，音頻信息和視頻信息同步傳輸。

2.2 5G全息智慧教室整體架構

三校區5G全息智慧教室整體部署架構如圖1所示。每間教室都部署有全息圖像采集系統和全息圖像還原系統。各個校區的教室相互聯通，并由總控中心統一控制。授課教室全息圖像采集系統采集的圖像，傳輸到一間或多間遠程聽課教室，由遠程聽課教室的全息圖像還原系統進行還原呈現。同時，授課教室和遠程聽課教室的全息圖像還原系統，也可以同時全息呈現教師播放的全息三維模型。

圖1 三校區5G全息遠程互動教室總體部署架構圖

本地教室與遠程教室之間全息圖像及音頻信號交互流程如圖2所示。在本地教室中，授課教師的全息影像經過采集和處理后，與音頻信息一并經過信號編碼系統壓縮編碼，然后通過5G網絡傳輸系統發送至遠端教室進行信號解碼、媒體分配以及全息圖像還原。同時，遠程教室學生聽課視頻和音頻分別經過超清攝像機和拾音器采集、壓縮編碼后，通過5G網絡傳輸系統發送至本地教室進行信號解碼和媒體分發。其中，遠程學生聽課視頻畫面通過授課教師前方的監視器進行實時顯示，便于授課教師掌握遠程教室學生聽課情況。

圖2 本地教室與遠程教室數據交互示意圖

2.3 核心軟硬件子系統設計

本文設計的5G全息智慧教室的核心子系統主要包括：設備控制系統、全息圖像采集系統、圖像處理系統、5G網絡傳輸系統、全息圖像還原系統、全息三維引擎系統、全息云平臺、物聯感知系統及情境感知系統等。

2.3.1 設備控制系統

設備控制系統的主要作用是對教室內各類型設備進行集中控制和管理，完成對系統各個組件的開啟、關閉操作。借助設備控制系統，授課教師可以方便快捷地進行系統一鍵啟動和關閉，也能夠進行各功能間的相互切換。

2.3.2 全息圖像采集系統

全息圖像采集系統采用一臺或者多臺高感光度攝像模組采集立體圖像信息，對采集對象進行全維度影像掃描，實時合成立體模型。

2.3.3 圖像處理系統

圖像處理系統對采集到的動態圖像進行渲染和全息特征預處理，通過改變顏色高光、銳化、對比度、陰影、邊緣增強等處理，使得圖像更具3D立體顯示的視覺特征，構建全息虛擬影像的成像場。采集過程中動態跟蹤對象軌跡并調整光線，保持雙眼差的均衡值。此外，還要對圖像進行編碼壓縮，在不改變圖像顯示質量的前提下，進一步減少數據量的傳輸，降低網絡延時。

2.3.4 5G網絡傳輸系統

5G全息智慧教室通過5G客戶前置設備（Customer Premise Equipment，簡稱CPE）接入5G網絡，利用5G通信技術實現本地教室與遠程教室雙向信號的實時交互傳輸，確保本地教室和遠程教室在三維圖像、音視頻信號等方面交互的實時性、流暢性。

2.3.5 全息圖像還原系統

全息圖像還原系統將經采集處理后的授課教師全息圖像，借助全息膜等高分子納米光學材料，1∶1立體還原在遠程教室的前方，遠程聽課學生無需借助任何穿戴設備便能實現裸眼立體的視覺效果，三維圖像更加清晰、更加逼真。通過超高清視頻捕捉技術，可以清晰地看到授課教師的面部表情和肢體動作。

2.3.6 全息三維引擎系統

全息三維引擎系統的主要功能是實現裸眼條件下的全息顯示效果。授課教師在上課過程中，可以隨時從全息三維引擎中調取全息教學資源，并與授課教師共同顯示在本地教室中，同時，遠程教室也能夠同時顯示該全息教學資源模型以及授課教師的三維影像。授課教師可以對全息教學資源模型進行常規交互操作，比如位移、旋轉查看、放大縮小以及模型的分解與合成等。

2.3.7 全息云平臺

全息云平臺主要服務于教學資源的上傳與下載，連接本地端和云端，可以有效減少本地服務器的存儲空間占用，同時為云端數字課程與資源的存儲、管理和對外分享提供便捷通道。

2.3.8 物聯感知系統

物聯感知系統的主要作用是實時感知教室內溫濕度、空氣質量、照度等物理環境狀態，并根據預設參數對空調、新風系統、燈光等進行自適應調節，為師生開展教學活動提供友好、舒適的室內環境。

2.3.9 情境感知系統

5G全息遠程教室通過情境感知系統實現本地和遠程教學全過程數據采集、存儲和智能分析。教室內部攝像機能夠對師生教學狀態進行實時感知，智能分析本地和遠程教室學生的出勤率、抬頭率、師生的互動率等，為過程評價和教學質量持續改進提供數據參考。

2.4 圖像采集端教室設計

圖像采集端教室結構如圖3所示。教室前端講臺區域即為教師授課區域，該區域部署特種黑板、投影機、投影幕布、燈光增強矩陣、雙監視屏幕、圖像采集攝像機等。全息圖像采集系統能夠實時捕捉授課區域內的教師動態影像圖像并傳輸至遠端教室。教師在本地教室的板書、PPT投影畫面也能夠同步傳輸。

圖3 圖像采集端教室結構圖

圖像采集端教室基于傳統教室改造，在傳統教室基礎上進行場景和燈光系統搭建。教師授課區域不配置綠幕背景，避免教室影棚化，減輕教師的“鏡頭壓力”和學生聽課的不適感。如圖4所示，采集端教室整體格局和傳統教室幾乎無差別，只是增設了相關設備，因此，無論是開展傳統教學還是全息遠程教學，都可以在該教室中進行。

圖4 采集端教室實景圖

2.5 圖像還原端教室設計

全息圖像還原教室劃分為兩個區域：一側是全息圖像還原系統架設區域，用于呈現授課教師1∶1全息立體影像、全息課件模型；另一側是學生聽課區域。如圖5所示，全息還原系統架設區域是一個立方體結構，會占據教室一部分空間，區域內為純暗環境，以便減少外部環境光的干擾，最大化突出虛擬人像。此外，該區域還會嵌入5.1音箱系統、舞臺燈光系統，控制系統等。

圖5 圖像還原端教室效果圖

學生通過此空間結構能夠看到教師的全息影像，聽到教師的立體聲。全息教師的圖像位置將1∶1站立于講臺中間，并橫向沿中軸線位移。主教室黑板板書字跡也可以同步顯示在虛擬場景內。在使用全息三維引擎調用并呈現全息教學資源模型時，模型結構將呈現在教師前側，形成多層立體圖像，如圖6所示。

圖6 遠程聽課學生視覺觀感效果

此外，圖像還原端教室利用監視攝像頭和無線麥克風，將學生聽課畫面傳輸到圖像采集端教室，并通過采集端教室的監視屏幕顯示畫面。

3 5G全息智慧教室應用場景

作為一種虛實結合的新型智慧教室，5G全息智慧教室應用場景廣闊，不論是開展日常教學活動，還是進行遠程直播授課、錄制課程資源，都可以依托5G全息智慧教室提升教學體驗。

3.1 日常教學

如設計方案所述，5G全息智慧教室在傳統教室基礎上進行小規模改造，不影響其進行常規教學的功能，師生在無需全息投影支持時僅需保持設備關閉即可正常開展傳統教學活動。授課教師也可以根據授課需要，提前上傳全息課件，在需要展示3D模型時一鍵開啟5G全息設備并進行立體呈現。如在講解天體構造、宇宙演化，或呈現人體大腦結構，抑或是介紹復雜機械部件時，可將課前上傳的相應模型通過全息三維引擎系統進行全息立體投影，學生就可以直觀地看到三維模型的全息畫面。如此便打破了傳統的平面化、單一化的多媒體教學方式[15]，達到了優化教學過程、激發學生學習興趣、提高教學效率的效果。

3.2 遠程直播授課

5G全息智慧教室能夠支持異地多校區之間的遠程直播互動教學，遠程聽課學生的臨場感、通透感更強，有利于拉近遠程聽課學生和授課教師之間的距離。此外，在軟硬件接口兼容的條件下，也能夠實現跨校直播授課。在這種場景下，如果教育教學條件發達地區的教師能夠以全息遠程直播互動授課的方式與“老少邊貧”地區共同上課，則能有力推動優質教育資源共享，促進教育公平。

3.3 全息課程資源錄制錄播

5G全息智慧教室也可以作為一種新型的錄播教室，不僅能夠滿足傳統的視頻錄播需求，還能夠進行全息課程錄播。授課教師可以利用教室的全息圖像采集系統進行全息課程資源錄制，錄制的課程資源保存在云端，授課教師可以隨時下載。在教室全息圖像還原系統和全息三維引擎的幫助下，可以將錄制的全息課程資源進行播放和呈現，為學生提供一種異步學習方式。

4 5G全息遠程互動教室建設面臨的挑戰

目前，5G全息智慧教室的研究和探索仍處于初步階段，在教育教學領域的進一步發展也面臨著一些問題和挑戰。首先，5G全息遠程直播互動教室建設成本相對較高，影響了在高等教育和基礎教育領域的推廣和普及。其次，全息投影的立體圖像質量是決定全息教室教學效果的重要因素之一[16]，目前，全息技術已比較成熟，全息圖像的質量也相對較高，但是在虛擬圖像與現實物理環境的無縫融合方面還有待提升。再次，全息課件模型資源相對較少，全息課件的制作技術又比較復雜，這就在信息技術素養方面對授課教師提出了更高的要求。最后，雖然當代學生作為數字時代“原住民”對虛實結合的數字化學習環境適應力較強，但是大部分教師作為數字時代的“移民”對新技術應用于教育教學還存在著“敬而遠之”的心理，這也在一定程度上阻礙著5G全息智慧教室的進一步推廣與應用。

針對上述問題和挑戰，需要堅持以教學需求為導向，以提高教師教學水平和學生學習能力為出發點[17]，深入思考如何將光電信息領域的最新技術應用到5G全息智慧教室建設中，持續提升全息圖像呈現效果，優化用戶體驗，降低應用成本。同時，還需要進一步加強學校教育技術部門建設，做好全息教室使用培訓和教師支持服務工作。

5 結束語

虛擬空間和物理空間深度融合是智慧教室創新發展的重要方向。本文基于學校建設5G全息智慧教室的具體實踐，提出了一種可行的設計方案，從技術和應用場景等方面進行了分析和探索。隨著算力、存儲和網絡通信等技術的不斷進步，相信全息教室將在推動課堂革命，支撐“以學為中心”的教育教學改革，助力加快推進教育數字化，實現教育事業高質量發展等方面發揮更加重要的作用。