摘 要：5G通讯技术融合虚拟现实技术为推动新工科背景下虚拟仿真实验教学改革创新提供了有力的技术支撑。从教育理念、教育形态、教学组织、创新创业教育、人才培养这5方面阐述了5G技术对新工科背景下虚拟仿真实验教学的影响。5G技术的教育应用延伸了教育基础理论，促进智慧教育从融合应用向创新发展的高阶演进，开启“线上线下”课堂组织的新模式，推动了多学科交叉融合、产学研协同创新、人才培养与知识体系重构的融合更新，解决了现在传统教学体系与新工科建设人才需求之间的矛盾，有利于实践新工科人才培养战略。5G技术对引领高等教育信息化实现跨越式发展具有重要意义。
关键词:5G; 虚拟现实;新工科;智慧教育;
开展“新工科”建设是引领中国高等教育改革，打好创新人才培养机制攻坚战的重要举措。为此，2017年6月，教育部办公厅印发了《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》（教高厅函〔2017〕33号），对新工科建设改革工作做了详细部署，并于2018年3月印发了《教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》（教高厅函〔2018〕17号），批准在全国高校建设612个首批“新工科”研究与实践项目。“新工科”建设工作在历经了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等阶段的酝酿之后，教育部正式认定为新工科项目，意味着备受关注的高校新工科建设开始进入实施阶段。
尽管在《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》（教高司函〔2017〕6号）中已经明确了新工科研究和实践要围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量和新体系共“五新”开展，然而，由于缺乏清晰的结构框架和可视化模型，缺乏可以支撑改革工作实施的创新技术和人才，新工科建设工作仍然需要较长时间的摸索和积累，才能实现培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才及支撑产业转型升级的目标[1]。虚拟现实技术的教育应用开启了虚实结合进行实验实训教学的新模式[2],5G技术的出现促使教育生态系统发生重大转变[3]，随着2019年4月“5G+虚拟仿真实验教学中心”在江苏省揭牌成立，意味着中国高等教育已经开启5G教学模式，期待5G技术能够助力教育信息化实现跨越式发展。
1 延伸高等教育新理念
随着5G相关技术支持的教育应用不断拓展和虚拟仿真教学资源的不断开发，传统教育理念与新技术、新教学形式的碰撞已经不可避免。由于虚拟现实环境的体验式学习可提供多维度的感官刺激，而5G通信的高速传输和零时延特性，增强了沉浸感和刺激反应的逼真性，从而提升了交互逼真性和感知效果，因此，基于大数据技术建立的数据库，在云平台、电子信息、传感技术和人工智能等技术的支持下，借助于人机交互界面呈现的精准双向信息，体验者可以根据自身理解、认知需求，体验式学习，提高创新能力和实践水平[4]。正是以上原因，实施5G技术的工程教育应用，加深对视觉、触觉刺激反应的感知效果，从而延伸行为主义理论；通过构建虚拟现实环境，积极调动体验者的观察思维、批判思维和创新思维，主动形成和发展认知结构，从而延伸了认知主义理论；在逼真的场景中，体验者在原有知识基础上，针对具体问题情境进行再加工，实现个人的诉求和愿景，并且可以提出质疑，予以反复检验和修正，不断获取新知识构建中的回馈信息，从而延伸了构建主义理论；在利用虚拟现实技术建立的三维虚拟现实认知空间内，借助于三维LED屏显系统、头戴式立体显示系统、智能眼镜等手段或设施，在5G环境下，深化认知程度和内涵，拓宽认知空间，从而延伸了情景认知理论；在云平台和人工智能等技术的支持下，基于5G环境下的虚拟仿真教学资源更加注重多人协作交互性，容易形成资源的分布式构建，从而有助于延伸分布式认知理论。教育基础理论及其特征如表1所示。
表1 教育基础理论及其特征
由以上分析不难得知，5G技术是顺应现代高等教育教学发展的必然选择，这不仅改变了教与学的方式，而且影响到教育的理念、文化和生态[5]。教育理念的延伸必将扩展课堂教学模式，并付诸实施。
2 助力智慧教育模式创新发展
2018年4月，教育部公布了《教育信息化2.0行动计划》（教技〔2018〕6号），明确提出以人工智能、大数据等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究和示范，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构。5G通信技术能够满足全时域、全空域、全受众的智能学习需求，以当前认定的虚拟仿真实验教学中心和教学项目建设为载体，通过丰富大容量智能教学资源和拓展在线智能教育、智能实验室、虚拟场景等智能学习空间，促使传统的教学环境向更加个性化、精准化、智能化、融合化的方向发展[6]。随着5G技术的发展与应用，新工科背景下的高等教育信息化在内涵、深度和质量上也在不断发展[7]，主要体现在教学服务由数字化课堂教学模式向智慧课堂教学模式转型、由传统教室向智慧学习环境转型、由经验性教学向基于证据的教学转变、由标准化学习向个性化学习转变[8]、由翻转课堂向教学结构性变革转变等方面，如图1所示。可以说，正是由于5G通信技术的教育应用，才使面向现代“互联网+”教育体系的建设成为可能。目前，5G技术已经发展到商用阶段，并且新的5G应用功能仍在不断研发中，将现代信息技术和智能技术深度融入教育教学全过程，促进传统教学结构性变革，形成了引领教育改革发展的新途径和新模式。
3 开启课堂教学组织新模式
5G通信具有高速度、泛在网、低功率、低时延、万物互联、重构安全等特点，在5G相关技术支持下，远程互动教育、远程智能教育、多场景虚拟仿真实验、全景课堂等教学模式得以实现，再结合云平台、人工智能、大数据等新一代先进技术，将智能管理、人脸识别、语音识别等人机交互界面信息引入课堂之内，可以定制个性化的课程，也能够满足多样化的教学需求，因此，5G技术的教育应用，已经颠覆了传统的课堂教学形式，打破了传统教育的时空界限和学校围墙[9]。融合5G通信技术、VR/AR虚拟仿真技术、大数据技术等前沿技术，虚拟仿真实验教学变成沉浸于虚拟空间的体验之旅，未来基于5G环境的虚拟仿真的教学实验将没有学院、学校、国别，以及专业和行业的限制，将是多场景、多空间、多团队交互的教学模式[10]。
课堂教学组织模式的变革，一方面有利于全国高校教学资源的均衡发展，对于北京等教育基础雄厚地域的高校，可以面向高精尖学科领域建立未来技术学院，对于中西部地域教育基础薄弱的高校，可以利用综合实力较强和学科优势明显高校所开放共享的教学资源，针对当地经济发展急需专业，与行业企业共建共管现代产业学院；另一方面，有效推动学科交叉融合，促进理工结合、文工渗透、工工交叉（如图2所示），有利于孕育产生交叉专业，以及建立跨院系、跨学科、跨专业的人才培养机制[11]。可以预见，一场以课堂教学模式深刻变革推动高等教育变轨超车的大戏正在上演。
4 健全创新创业教育体系
中国在2013年、2014年和2015年先后批准建立了共300个国家级虚拟仿真实验教学中心，又于2018年和2019年分别认定了105个和296个国家虚拟仿真实验教学项目，虚拟现实技术的教育应用不仅推动了高校实验教学改革和创新工作，而且丰富了中国创新创业教育形式[12]。尽管受高校自身建设水平、地理位置、历史文化、社会经济及行政体制等因素的影响，中国虚拟仿真实验项目的现行分布还不均衡，并且教学资源开发滞后于学科发展以及各高校教学需求的差异化，导致创新创业课程还不能满足学科或当地经济急需专业发展的需要，但是已经初步形成了一套行之有效的教学方法，并且随着考核评价制度的不断完善，创新创业教学课程的标准体系也初现雏形[13]。同时，2018年9月，教育部还制定了《卓越工程师教育培养计划2.0》（教高〔2018〕3号），明确提出要健全创新创业教育体系，并对组织实施提出宝贵意见。
“5G+虚拟现实”技术打破了传统的基于学科的学院设置，利用信息化优化教育供给的典型路径，为同类区域的发展提供参照，有利于推进创新创业教学资源分类发展。例如：工科优势高校要对工程科技创新和产业创新发挥关键作用，综合性高校要对催生新技术和孕育新产业发挥引领作用，地方高校要对区域经济发展和产业转型升级发挥支撑作用等。不同类型高校创新创业教育的差异化发展模式对完善创新创业教育体系提供了良好的机遇。另外，5G技术与实验教学的深度融合形成的虚拟仿真实验实训新方案和新标准，搭建的多主体产学合作、协同育人实践平台，拓展的国际交流与合作途径，都对开发高等教育创新创业教学资源和完善教育体系有重要意义。
5 建立人才培养新模式
2017年6月，教育部高教司印发了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》（教高司〔2017〕6号），将开展深化“人才培养模式改革研究和实践”作为主要内容之一；为强化新工科建设工作，2020年2月，教育部办公厅印发了《教育部办公厅关于推荐第二批新工科研究与实践项目的通知》（教高厅函〔2020〕2号），公布了《第二批新工科研究与实践项目指南》，该指南中列出的6个选题中均包含涉及人才培养的课题。由此可以看出，开展新工科研究和实践最主要的目标之一便是解决人才短缺问题，主要包括复合型人才、新一代信息技术产业人才及高层次人才的匮乏问题[14]。根据2017年领英公布的全球人工智能（Artificial Intelligence,AI）人才分布情况（如图3所示），美国的AI人才数量超过全球总量的50%，而中国的人才数量在全球排名仅位列第7；据媒体报道，到2025年，中国的人工智能、大数据、智能制造等新一代信息技术产业人才缺口将达到950万。因此，当前需求驱动倒逼高等教育改革创新，期望建立和完善新工科背景下的人才培养机制，以培养能够支撑国家创新驱动发展的人才队伍。
5G通信技术对未来教育形态影响和教育理论延伸产生无法估量的作用，虚拟现实技术已经成为一种新的教育生产力，虚拟仿真⑩实验改变了传统实践教学与工程应用相差甚远的局面，新工科建设进一步加强了虚拟仿真实验教学创新的实施保障措施，因此，新工科背景下的“5G+虚拟仿真”实验教学更加有利于完善协同育人机制和推进产教融合、产学研合作办学、合作就业的创新发展。通过认定“国家和省级虚拟仿真实验项目”“产学合作、协同育人项目”，创建“校企联合共建实验室”“工程实践教育基地”“共享型人才培养实践平台”“大学生创新创业训练计划平台”，举办“大学生创新创业比赛”，提供“创客空间”“孵化基地”，引进国外优质教育资源和搭建国际合作网络，拓展实习实践资源等方式，构建产学合作、协同育人项目实施体系，搭建校企合作及大学生创新创业项目与社会的对接平台，以产业和技术发展的最新需求推动人才培养机制改革。
6 结语
5G技术为当前高等教育教学模式的创新发展提供了强有力的技术支持。融合5G通信技术的虚拟现实技术延伸了教育理念与实践，迫使给予5大基础理论以重新认识；促进教学系统的结构和形态变革与转型，构建智慧教育新模式；突破了传统课堂教学的时空限制，有利于实现远程教学和双师互动教学，开启了高等教育教学组织的新模式；为创新创业教育搭建学生实践平台，创新核心课程，丰富教学形式，以“虚实结合、产学融合、强化实践、开发共享”的实践教学理论构建创新创业教育新体系；较好地解决了现在传统教学体系与新工科建设人才需求之间的矛盾，有利于落实新工科时代创新型人才培养战略。
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