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“5G+STEM”技术教与学的未来应用路径及反思

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摘 要：随着 5G 技术的不断成熟，现有的学习方式、教学手段都会受到一定的挑战。 5G 技术以其高数 据传输速率、低网络延迟，以及移动性、低功耗和广覆盖的特点，满足了高清视频、虚拟视频、物联网通信等 大数据量传输的需求，为 STEM 教育进一步发展提供了坚实的技术支撑和运作基础。 因此，“5G+STEM”技 术的应用将是教育信息化的重要基础，该技术可以充分实现 STEM 跨学科的个性化学习，完善 STEM 教育 评价体系，提升 STEM 教师专业发展。 文章在梳理 5G 和 STEM 技术发展应用的基础上，分析了“5G+STEM” 技术的未来应用路径与思路，STEM 教育在新一轮信息技术革命浪潮中迎来新的机遇与挑战。 关键词：5G；STEM 教育；教育技术

1、引言 2019 年 2 月，中共中央、国务院联合发布《中国教育 现代化 2035》文件，文件提出推进教育现代化的指导思 想以及教育信息化的重要内容，要求加快信息化时代的 教育变革，建设智能化校园，统筹建设一体化和智能化 的教学、管理服务平台。 [1]5G 时代的到来引起各界广泛 关注，目前 5G 网络已由研发阶段转入实用阶段，必将对 教育产生巨大影响。STEM 教育作为跨学科、综合性的教 育模式，已经逐渐引起我国的重视，近年来我国发布一 系列相关规划，积极推动 STEM 教育发展。 2019 年教育 部发布的《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力 提升工程 2.0 的意见》提出，探索跨学科教学等教育教学 新模式。 [2]作为 STEM 教育主要部分之一的技术（Technology），5G 网络技术的发展，势必会对 STEM 教育跨学 科教学模式的发展起到极大的助力作用。 因此，5G 作为 新一代通信技术，为 STEM 教育的繁荣发展提供了可靠 的技术支持，同时在 5G 大背景下，以项目式、跨学科为 建设中心的 STEM 教育偏向于网络教学资源建设也是 顺势而为。 本文主要从三个方面对“5G+STEM”进行研究：首先 介绍了 5G 与 STEM 教育的国内外研究现状； 其次研究 了“5G+STEM”技 术教与学的应用路径 ；最 后 对 “5G+ STEM”技术的挑战与反思进行分析总结。 二、研究现状和实践进展 本研究以“5G”和“STEM 教育”为主题词，从中国知 网 和 Web of Science 数 据 库 共 搜 到 1 篇 中 文 研 究 论 文。 以“5G”和“教育”为主题词进行检索，共搜到 129 篇相关研究论文，其中，中文 123 篇，英文 6 篇。 从发表 论文数量看，我国在 5G 网络应用于教育界的研究远高于 其他国家。 从文献内容来看，我国研究主要聚焦在三个 方面：第一类是 5G 技术推动教与学形态的研究，包括5G 技术对学校教育资源和教育理论的影响研究、5G 网络 探索时代混合教学模式的研究以及 5G 网络对教学改革 和教师发展的影响；第二类是 5G 推动专业学科的发展， 包括影视业、艺术专业、应用统计专业、医学专业等，以医 学专业应用研究为主；第三类是 5G 技术促进教育技术手 段的应用，主要体现在“5G+互联网”、“5G+AI”、“5G+智慧 校园的建设”、“5G+VR\MR”、“5G+无人机”等方面。 国外 5G 与教育相关的研究主要包括以下几个方 面，Demestichas 等人主要研究 5G 网络生态系统的架构， 详细阐述了增强型移动宽带（EMBB）、超高可靠及低延迟 通信（URLLC）、大规模机器类通信（MMTC）的 5G 三大应 用场景， 分析了 5G 生态系统三个区块内的各种服务，并 提出该模型完全可以应用于教育服务。 [3]Gómez 等人提出 一种系统， 该系统能够与虚拟学习主题相关联的物理对 象进行对接， 通过一系列实验结果证明他们的模型可以提高教学效果；[4]Delali 在文中讨论了 5G 生态系统的使 用，提出应用于教育行业的系统框架，分析了其相关技术 应用于教育的可行性和在教学过程中带来的优势。 [5] 在 5G 与 STEM 相关研究方面，葛诗婕在《5G 互联 网时代下基于 STEAM 的艺术发展新趋势》 中从全面深 入跨学科整合教学、落实智慧课堂、创新线上线下教学 等三个方面论述了 5G 技术的发展给 STEAM 教育带来 的变化，重点介绍了 STEAM 教育模式中艺术教育在 5G 时代的发展趋势。 [6] 由以上可知， 基于 5G 技术的革新国内外研究给教 育发展描绘了丰富的应用情境和未来方向，智慧校园的 建设、VR\MR 等在课堂中的应用、AI 和无人机的发展， 以及国外学者提出的 5G 生态系统都可以为教育服务， 5G 通信技术解决了传统教育中面临的一系列问题的同 时，更对智慧校园、智慧教育等的应用和普及起到了重 要的支撑作用。但从文献数量上看，关于 5G 技术在教育 领域结合应用的研究并不是很多，主要体现在教育资源 和教育理论、教育技术发展、教育公共服务等方面，缺乏 对 STEM 教育和 5G 网络的研究。 而在 5G、云计算、人工 智能和大数据的支持下，STEM 教育的教与学将朝着智 能化的方向发展，“5G+STEM”技术的无缝融合，是教育 数字化转型的一种创新。 将 5G 引入 STEM 课程，将全力 推动我国 STEM 教育以及教育信息化的变革。 本文在“5G+STEM”视域下，结合 5G 通讯技术的特 有优势，分析“5G+STEM”技术的未来教学应用场景，从 STEM 教学环境、STEM 教师发展、STEM 教学评价三个 路径探讨“5G+STEM”技术的优势和潜力，以期为“5G+ STEM”教育发展创新提供有效借鉴和参考。 三、“5G+STEM”技术教与学的应用路径 1.改善 STEM 教学环境，提升教学质量 互联网环境下，知识不再是线性的、集中的，而是分 散的、碎片化的，学生必须加强不同类型信息的加工和 不同学科知识的整合，这也是 STEM 教育跨学科学习的 目标之一。[7]STEM 教育学习的主要方式之一为项目式学 习，其教学方法是为学生提供一些关键素材，构建一个 联系真实世界的情境，学生以小组合作方式在此情境中 解决一个开放式问题或者完成一项综合性任务。 就目前国内 STEM 教育而言，课程内容主要集中在 3D 打印机、机器人学习等科学课，课程来源大多直接移 植国外经验的 STEM 课程、 硬件公司开设的 STEM 课 程，以及教师、培训机构自己开发设计的 STEM 课程，课 堂形式以项目式学习为主，一定程度上注重学生的主动 参与和体验，强调学生的主体地位。 [8]但教学实际情况往 往是，学生仅限于信息的收集，学习的课程单一，学科之 间整合不够，缺少 STEM 教育整合创新。 因此，STEM 教 学质量的提升必须依赖 5G 网络的发展， 以此来实现沉 浸式学习，让学生真正体会到 STEM 教育课堂的技术整 合，摆脱“大手工课”，抓住 STEM 教育的宗旨。 有学者通过实验验证提出，情境化培训与传统的在 线指导相结合可以有效改善学习成果。 [9]5G 网络技术的 普及带动增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术的发展， 主打虚实融合、多人协作互动的混合现实教育装备成为 教育信息化发展的新方向，引领“VR\AR+教育”的 2.0 时 代发展。 [10]实现 5G 在 STEM 教育中的自动化，典型的例 子是触觉互联网的应用，通过增强触觉来增强人机通信 的能力， 提高人机交互的友好度， 可用于远程访问、查 看、操纵和控制真实或虚拟对象，这是确保学生分别具 有增强和虚拟现实内容的互动和触觉的方式。 [11]这种新 技术使虚拟手术、虚拟驾驶、飞机驾驶、地震模拟等情境 教学轻松实现；在 STEM 项目中一些考古学、海洋学等 难以接触实物的课程通过 VR 虚拟不是接触标本和仅 限于视频，更多的是三维、立体的真实生物模型，为项目 式学习提供更加真实的情境，Delali Kwasi Dake 等人采 用华为技术有限公司的 5G 生态系统模型提出，利用 5G 生态系统部署触觉增强现实技术，使学习水生游览的学 习者可以产生水体的确切温度、 水生植物和动物的触 觉，这对于要体验触摸水中波痕感觉的学生来说，在现 实世界中是昂贵且高风险的尝试， 但 5G 给触觉互联网 技术提供了可能性，使学生在虚拟教室里有触摸鲸鱼的 感觉，并且可以实时获得互动触觉反馈、数据交换所涉 及的速度。 [5]纽约大学和哥伦比亚工程学院的研究人员 以及整个纽约市的公立学校正在开发一种沉浸式的新 型教育工具包，让学生在一系列有关云、互联网和虚拟 实验室中进行协作，旨在使用虚拟现实和增强现实技术 来创建以 STEM 为主题的“密室逃脱”式游戏；该团队还 研发了一个称为 5G COVET 的教育工具包，包括高科技 的游戏化学习模块集，集成了耳机、传感器、摄像头等最 新连接，这种模型有助于引发 STEM 教育的变革。 [12]5G 网络典型的低延迟特点不仅降低了 STEM 教育成本，改 善了教学环境，在一些难以实现的项目式学习中更为学 生提供了更加真实的教学情境，MR 全息教室让抽象场 景变得更生动形象， 增强了学习的沉浸性和临场感，激 发了学生的创新思维和能力，极大提高了 STEM 教育学 习效果；同时移动性便携式基站也让大量场馆甚至是难 以开展 STEM 教育的偏远地区成为学习体验场所，在一 定程度上也促进了教育公平。

2.提升 STEM 教师发展，改变教师角色 STEM 教育的兴起对教师发展提出了要求， 目前我 国很多 STEM 教师大多是科学课或者综合实践课教师 出身，很难达到 STEM 课程的教学要求；很多教师不会 上 STEM 课，缺少足够的 STEM 教师，[13]也没有专门针对 STEM 课程的培训，[8]这类粗线条的 STEM 课程难以开展 有针对性的、规模化的教师培训，直接导致了中小学基 础教育课程中的 STEM 教育不能得到广泛推广。 [14] 5G 网络时代的到来， 为教师 STEM 专业发展提供 了契机和跳板，教师在 STEM 教育观念、STEM 课程开发 等方面都面临着巨大的挑战。一方面，借助 5G 信息技术 的进步和普及，要求教师具备更强的学习能力和适应能 力，转换教师的角色属性，5G 网络推动 STEM 课程提升 和发展的同时，教师也必须转变 STEM 教育观念，将知 识性的学习转移到观念的更新和信息处理能力的提升 上，技术和观念的进步是同步一体的，引导学生提升逻 辑思维能力和学习认知能力；[15]另一方面，我国 STEM 课 程的开发一直处于起步阶段，STEM 教育教师资源不足， 5G 网络智慧时代硬件设备的开发使教学实现智慧化， 教师可以从繁琐工作中解放出来，专注于 STEM 课程设 计， 同时通过教室内移动智能设备 5G 技术也可以让教 师方便获取与 STEM 课程相关的知识资料，方便教师交 流和学习，有利于 STEM 课程发展和教师 STEM 专业发 展。 除此之外，5G 网络给 STEM 课堂教学环境和硬件设 备带来了便利性， 也有利于教师更好地开展 STEM 教 学，提升个人课堂教学水平。 3.完善 STEM 评价机制，实现个性化学习 目前国际上 STEM 教育质量评价具有较强的可操 作性的研究较少，而国内少量相关研究主要是介绍国外 STEM 教育评价的研究进展。 严重缺乏成熟可行的可适 用于我国 STEM 教育发展的评价工具，评价机制的匮乏 很大程度上制约了我国 STEM 教育的可持续发展。 [16]通 过梳理国内外 STEM 教育评价工具，发现其主要评价对 象聚焦在课堂、教师以及学生三方面，评价方法主要包 括课堂观察和教师教学两方面。 国外在 STEM 教育评价 方面开发了较多的评价工具， 评价内容也相对全面，与 国外 STEM 教育评价研究相比，我国相关研究大多是在 介绍国外 STEM 教育评价的研究进展。 从近两年少数研究来看， 何克抗提出了创新意识、 创新思维、创新能力三层级的评价机制，主张将我国青 少年培育成为创新性人才；[17]樊雅琴等将小学生参与度 划分为认知参与度、情感参与度、行为参与度以及社交 参与度等四个维度，基于此来开发 STEM 学生参与度评 价工具，并将年龄、性别等作为评价要素，根据评价结果 提出项目式 STEM 教学中学生参与度的提高策略。 [18]吴 忭等提出了利用网络分析法对 STEM 教育开展评价的 新思路。 [19] 综上可以看出我国针对 STEM 教育评价的实践进 展缺乏成熟可行且适用于我国 STEM 教育的评价工具， 除了对 STEM 教育评价指标体系不明确之外，更主要原 因是对 STEM 教育的跨学科性、真实性情境，以及学生 在项目式学习中所体现出的协作交流、问题理解、活动 探究等外显行为的指标测量无法进行切实可行的记录 和分析，5G 网络的发展可对这一问题进行完善。 借鉴美国国家自然科学基金会组织开发的 UTOP （Uteach Observation Protocol）评价工具，以及在 STEM 教 育实际开展过程中需要形成性评价和总结性评价相结 合， 将学生的表现外显为可操作的评价指标， 从而对 STEM 课堂、教师、学生进行全面评价。 [16]5G 网络的发展 可以实现对课堂中学生表现进行实时捕捉和记录，体验 全息教室以及 VR、MR 等设备的发展。 有学者的研究中 提到 Holoporation 系统用于增强现实和虚拟现实的端到 端系统，与 5G 的结合可以提高其网络容量，该系统可以 自定义深度摄像头在一个建筑室内 360 度的人员、物体 和动作，然后通过网络实时传输给远程参与者；[20]Lee 在 他的研究中解释了物联网的重要性并能有效利用物联 网改善个性化和交互式学习，重点讨论了物联网在使用 智能相机进行学生移动追踪中的重要性，将这些技术运 用到 STEM 课堂中， 教师可以通过摄像头收集数据，实 时捕捉学生在 STEM 课堂中的学习行为，利用人工智能 在后台进行数据分析，通过状态识别根据数据进行实时 反馈，形成评估指数。 [21]这种智慧教育也可以对课堂环 境、课程环境、教学内容进行记录和反馈，对每一堂课所 记录的指标权重进行组合，为 STEM 教育质量评价提供 详细数据，有利于观察和量化，凸显每堂课、每位教师、 每位学生的特点。以美国普渡大学（Purdue University）构 建的“课程信号”干预系统为例，就是运用各种学习分析 技术，帮助教师分析学生的学习情况，为学习者提供适 切的、具有个性化和针对性的反馈，[22]同时满足智慧学 习效果评价的原则——重视过程和结果的平等。 [23]教师 在这个基础上进行个性化 STEM 教育，逐步建立起我国 科学的 STEM 教育评价体系，推动 STEM 教育健康发展。 四、“5G+STEM”技术的挑战分析 5G 给 STEM 教育带来了诸多便利和未来发展方 向。 然而基于 5G 和 STEM 现有研究基础和技术发展情 况，探索“5G+STEM”教育发展问题时，研究 5G 在 STEM教育改革中的应用仍需要保持谨慎态度。 作为教育者要 正确面对这些挑战，本文将从 STEM 教育公平、教师发 展和学生发展等三个方面加以分析。 1.STEM 教育公平亟待解决 5G 给 STEM 教育教学环境带来显著提高的同时， 我们必须认识到， 仅仅从 5G 传输速率上判断解决传输 延迟问题、VR/MR 没有可重复性的教育实践来解决教 育资源和教育公平问题是不够的。 不可否认，新技术给 STEM 课堂带来的新鲜度使学生投入更多的兴趣和时 间，但是在目前的应试教育体制下，成绩作为教育实验 的导向评价标准，[24]5G 技术带来的多边协作环境、 知识 共建体系，学生形成的创新能力、领导力等高阶思维和 认知能力容易被忽视。 [25]另外，STEM 教育在我国正处于 发展阶段， 很多地区甚至偏远地区都没有接触过 STEM 教育， 要在 5G 网络广泛使用的基础上通过解决传输速 率来普及 STEM 教育，从而促进 STEM 教育公平，也需 要一定的经济基础和时间；对于怎样通过“5G+STEM”技 术帮助一些弱势群体学习者，满足他们对 STEM 教育的 需求也是我们促进教育公平亟待解决的问题。 2.教师面临更大的挑战 STEM 教育的兴起给教师发展带来了极大挑战，教 学开展的每个实景问题都是综合性的，要求教师具备跨 学科的知识才能解决。 [26]5G 网络发展在给 STEM 教师一 定程度上解决这些问题的同时，也提出了新的挑战。 正 如《教育信息化 2.0 行动计划》所提出的，要将“人工智 能”等信息素养内容纳入教师信息素养提升体系之中。 [27] STEM 教师素养除了必备的传 统 STEM 跨学 科 素 养 之 外，还将赋予新 5G 时代下的网络素养、媒介素养等，要 求教师具备更强的学习能力和适应能力，在更新知识的 同时，提升信息处理能力。因此，在推进“5G+STEM”发展 之前，要先对 STEM 教师开展 5G 技术的信息化素养以及 应用技术的培训。 3.新技术引发伦理争议 5G 对学习者的影响是多元的，例如学习场所的迁 移、学习评价方式的变化和学习趣味性的增强。 [24]5G 网 络助力 STEM 教育发展， 一定程度上完善了其评价机 制，但对于 STEM 学习者学习成效的判断不应仅仅局限 于其协作交流能力和跨学科解决问题的能力； 根据 5G 提供的大数据运算，我们除了要综合考虑学习者的社会 活动能力之外，更需要注意的是学习者的心理健康和生 理健康。 5G 带来的 VR/MR 等新媒体学习场景可能会给 学习者的视力、情绪等方面带来一些损害；另外 5G 在人 工智能方面作为完善评价 STEM 教育机制的工具，比如 人脸识别和脑波检测等在 STEM 课堂的应用，来为教师 和学生提供反馈和个性化学习策略，这种手段很难获得 准确数据， 尤其很难完成学生心理方面指标的测量，会 因此给学生带来误判，造成一些技术伦理的争议。 因此， 在面对 5G 进入 STEM 教育实践时我们要冷静思考技术 伦理问题。 五、结语 技术为教育带来的两个重要因素是学习的高效率 和悦趣化。 [24]“5G+STEM”技术的应用将大大改善 STEM 教学效果和教学效率，两者的结合可以使学生增强跨学 科学习的真实情境体验，增强学习的愉悦性，随时随地 展开沉浸式学习；教师通过多智能技术学习和 STEM 教 学交流，可以推动我国 STEM 教育发展。 “5G+STEM”教 育碰撞将有可能成为引领未来教育的一种新的形态和 模式， 推动 STEM 教育在环境构建、STEM 教师发展和 STEM 评价机制等方面不断发展。

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