朱 珂 王 瑋 楊露彬

（1.河南師范大學(xué) 教育學(xué)部；2.河南師范大學(xué) 河南省教育大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河南新鄉(xiāng) 453007）

一、引言

自國務(wù)院發(fā)布《中國制造2025》以來，智能機器人、無人機等應(yīng)用技術(shù)開始受到廣泛的關(guān)注[1]。從基礎(chǔ)教育到高等教育領(lǐng)域，融合了智能機器人、無人機的教學(xué)活動廣泛開展[2]。與此同時，在2019年度英國開放大學(xué)發(fā)布的《創(chuàng)新教學(xué)報告》中指出，要用新技術(shù)賦能教學(xué)，特別強調(diào)了“機器人陪伴學(xué)習(xí)”和“基于無人機的學(xué)習(xí)”兩種教學(xué)法[3]?？梢姡瑹o人機技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用已經(jīng)引起了世界各國的高度重視。

隨著無線互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備驅(qū)動的移動數(shù)據(jù)服務(wù)迅猛增長，為教育場景的拓展和融合提供了無限可能。在移動通信技術(shù)領(lǐng)域，5G 技術(shù)帶來了一場革命性的突破，不僅推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也使教育教學(xué)進(jìn)入了跨界融合、創(chuàng)新教育的新階段[4]。

無人機技術(shù)可以為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)機會，構(gòu)建綜合技能訓(xùn)練的立體化教學(xué)場景。隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機通信鏈路呈現(xiàn)出應(yīng)用新需求，即與移動通信技術(shù)緊密結(jié)合的發(fā)展新趨勢。在即將到來的5G 時代，無人機有望成為5G 通訊技術(shù)的重要應(yīng)用場景[5]，“5G+無人機”技術(shù)使得一些難以想象的應(yīng)用成為可能。隨著5G 技術(shù)的不斷成熟與大規(guī)模應(yīng)用，“5G+無人機”在教育教學(xué)領(lǐng)域的滲透，將對教師的教育理念、教學(xué)方式以及學(xué)生的學(xué)習(xí)行為等帶來重大的影響。

基于此，本文通過剖析無人機的關(guān)鍵技術(shù)，梳理無人機技術(shù)與教育融合的典型案例，結(jié)合5G 通訊技術(shù)的特有優(yōu)勢，分析“5G+無人機”技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用場景、路徑以及未來發(fā)展遠(yuǎn)景；探討“5G+無人機”在重構(gòu)學(xué)習(xí)空間、賦能創(chuàng)新教育層面的優(yōu)勢與潛力，以期為新技術(shù)視域下的教育教學(xué)創(chuàng)新，提供借鑒和參考。

二、無人機及關(guān)鍵技術(shù)

（一）無人機概述

“無人機”具有各種不同的名稱及縮寫，例如“無人駕駛飛行器”（UAV）、“無人機系統(tǒng)”（UAS）、“遙控飛機系統(tǒng)”（RPAS）、“微型飛行器”（MAV）等[6]。無人機一詞，通常指不搭載飛行員，由地面控制系統(tǒng)操作，并能夠在某種程度上自主飛行的飛機[7]。簡單來說，無人機是指機上無人狀態(tài)下，由遠(yuǎn)程控制或嵌入式計算機程序駕駛的飛機，或者稱之為是一種無人駕駛飛機，由技術(shù)人員遙控操作或有機載電腦自動控制[8]。從狹義概念上來說，“無人機”是一種空中飛行平臺[9]。顯而易見，飛機本身可以作為一個獨立系統(tǒng)，而無人機的飛行通常還需要相關(guān)遙控以及通信鏈路的支持。我們將包含由無人機本身、地面控制站和通信數(shù)據(jù)鏈路組成的系統(tǒng)，稱之為無人機系統(tǒng)[10]。因此，無人機系統(tǒng)不僅是無人飛行器本身，還包括無人機通信、任務(wù)載荷設(shè)備和地面設(shè)備等設(shè)施[11]。

（二）無人機關(guān)鍵技術(shù)

近年來，由于無人機制造技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，無人機應(yīng)用于民用和商業(yè)領(lǐng)域的步伐顯著加快。同時，計算能力和微電子等技術(shù)的快速增長，也在推動著無人機行業(yè)的發(fā)展。智能化的無人機成為未來發(fā)展的必然趨勢。實現(xiàn)無人機的智能化需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）全面環(huán)境感知與認(rèn)知；（2）多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策；（3）自主導(dǎo)航控制；（4）人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)[12]。

1.全面環(huán)境感知與認(rèn)知

無人機飛行安全是無人機關(guān)注的首要問題[13]。能否實現(xiàn)無人機智能化自主飛行，成為無人機發(fā)展的重要問題[14]。無人機的環(huán)境感知包括對環(huán)境特征的提取、目標(biāo)的識別等，同時還應(yīng)具有自主避障功能，無人機的智能化自主飛行問題才能得到解決。無人機系統(tǒng)必須具備更加全面的環(huán)境感知能力，才能實現(xiàn)在更加復(fù)雜廣闊的自然環(huán)境中進(jìn)行感知與識別。

其中，視覺感知是無人機對環(huán)境感知最重要的技術(shù)，視覺感知技術(shù)綜合單目視覺感知技術(shù)、雙目視覺深度感知/立體視覺技術(shù)、光流感知技術(shù)等技術(shù)于一體，并且正在由簡單的視覺向更加智能化的仿生視覺方向發(fā)展。目前，單一的視覺感知已經(jīng)無法滿足無人機全自主導(dǎo)航的需求，因此，需要與衛(wèi)星導(dǎo)航、激光掃描測距、紅外測距、超聲波測距、微波與毫米波雷達(dá)測距等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)自主飛行，進(jìn)而實現(xiàn)更加精確地感知環(huán)境，有效實現(xiàn)無人機自主避障和導(dǎo)航功能。

2.多機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策

多無人機協(xié)同主要是通過傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行感知，并運用通信線路進(jìn)行無人機之間的信息交融，結(jié)合飛行管理系統(tǒng)進(jìn)行航跡規(guī)劃的過程[15]。

規(guī)劃與協(xié)同技術(shù)包括路徑規(guī)劃和協(xié)同控制[16]，兩者相輔相成，見圖1。無人機自主控制系統(tǒng)通過實時探測飛行態(tài)勢，及時的規(guī)劃、修改系統(tǒng)路線，進(jìn)而自動生成可行的飛行軌跡。無人機自主飛行能夠有效避開障礙，防止碰撞，最終實現(xiàn)飛行目標(biāo)。未來無人機需要具備較強的自主決策能力，才能實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的工作。目前，針對自主決策技術(shù)在無人機編隊中的多機協(xié)調(diào)、任務(wù)分配、機群任務(wù)規(guī)劃等方面的問題，還需要再作深入研究[17]。

圖1 無人機編隊自主協(xié)調(diào)控制

3.自主導(dǎo)航控制

目前的無人機主要依靠地面人員遙控技術(shù)實現(xiàn)無人機系統(tǒng)飛行。未來，無人機系統(tǒng)具備的自主導(dǎo)航控制能力，不僅能完成局部環(huán)境的精確導(dǎo)航，還將實現(xiàn)大范圍高精度的遠(yuǎn)程精確定位[18]?？梢钥吹剑詫崿F(xiàn)自主飛行與管理、自主決策為目標(biāo)的自主導(dǎo)航控制是無人機操控領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

無人機系統(tǒng)需要具備較高的自主性，才能滿足無人機在復(fù)雜環(huán)境下的工作需求[19]。自主化和智能化是無人機系統(tǒng)區(qū)別于有人機系統(tǒng)的最重要的技術(shù)特征[20]。未來，無人機將會朝著更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，由單機自主性趨向于多機無人自主協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而最終實現(xiàn)多機的集群自主決策和運動，見圖2。

4.人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)

未來無人機將不再通過簡單的遙控以及程序控制的方式進(jìn)行自主控制，而是向人機智能融合的交互控制，甚至朝著全自主控制的方向發(fā)展。隨著無人機系統(tǒng)智能化水平的提高，更多的有人系統(tǒng)將與具備人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力的無人機系統(tǒng)相結(jié)合，從而實現(xiàn)無人機系統(tǒng)與有人系統(tǒng)的高效協(xié)同。

隨著無人機系統(tǒng)的智能化、信息化水平的不斷提高，人機智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)水平將不斷得到提升。未來的無人機系統(tǒng)，將通過無人機平臺間的交互、無人機系統(tǒng)間的交互、人機功能的動態(tài)分配、任務(wù)協(xié)同綜合現(xiàn)實、腦機接口等技術(shù)，最終實現(xiàn)高效的人機協(xié)同。

圖2 無人機網(wǎng)絡(luò)化、分布式、自主協(xié)調(diào)控制的發(fā)展方向

三、無人機與教育的融合現(xiàn)狀及應(yīng)用場景

目前，無人機在航空檢測、攝影、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、交通控制、搜救、包裹投遞等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[21]。與此同時，無人機在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用也逐漸興起，如，機器人教育、多學(xué)科工程教育、無人機3D 建模和編程等方面。無人機教育不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、團隊精神以及動手能力方面，起到了重要的促進(jìn)作用。

（一）將智能設(shè)備融入教學(xué)過程，實現(xiàn)物理空間抽象內(nèi)容的具象化

隨著無人機技術(shù)的不斷成熟，教育工作者已經(jīng)開始利用無人機來吸引學(xué)生，將無人機技術(shù)融入到教學(xué)過程中[22]。無人機被認(rèn)為是在課堂上引入技術(shù)形式的重要發(fā)展。大量無人機的應(yīng)用案例顯示，無人機在課堂上不僅可以用于特定學(xué)科的技能開發(fā)，還可以促進(jìn)創(chuàng)新思維、問題解決和團隊協(xié)作能力的提升[23]。

無人機以教育工具的形式呈現(xiàn)在日常課堂教學(xué)過程中[24]，將物理、數(shù)學(xué)、信息技術(shù)以及歷史、英語、美術(shù)等學(xué)科進(jìn)行融合，見圖3。無人機教育通過融合多門學(xué)科于一體，進(jìn)而提升學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造力、好奇心、想象力、探索力等。同時，在無人機課程教授過程中，學(xué)生通過面向真實問題的實踐活動，加強對知識和技能的學(xué)習(xí)，可充分提高自身的跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力[25]。

（二）通過無人機飛行控制進(jìn)行編程學(xué)習(xí)，提升學(xué)生編程能力

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中提出要加強人工智能教育建設(shè)，逐步推廣編程教育[26]。隨后，各地相繼落實編程教育政策，并開始積極推行編程教育。編程能力已經(jīng)成為每個學(xué)生必備的基本技能，學(xué)習(xí)編程可以培養(yǎng)編程思維，進(jìn)而解決工作及生活中的實際問題。

編程是一個強調(diào)“邏輯思維”的學(xué)科，通過編寫無人機程序控制代碼，不但能培養(yǎng)學(xué)生計算機操作能力，更重要是培養(yǎng)了學(xué)生的自律性、創(chuàng)造力和自主學(xué)習(xí)能力。無人機課程因其“趣味性強”、“內(nèi)容豐富”、“軟硬結(jié)合”的優(yōu)點[27]，在越來越多的中小學(xué)課程中得到普及，逐漸成為一種新型的教育形式。例如，DJ 大疆創(chuàng)新推出Tello Edu 教育編程無人機，以趣味無人機為載體，針對STEAM 教育場景及需求進(jìn)行革新升級。同時，配套打造專屬教育版APP 及教師培訓(xùn)體系[28]。此外，眾多可視化積木編程控制飛行器也不斷涌現(xiàn)，學(xué)生可實時調(diào)整代碼，實現(xiàn)對飛行器起降、速度及翻滾多項飛行參數(shù)的設(shè)定，極大地提高了教學(xué)效率[29]。

圖3 無人機與多學(xué)科教學(xué)的融合

（三）以項目協(xié)同式學(xué)習(xí)為教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的手眼協(xié)同能力

新技術(shù)的應(yīng)用大大加快了教育革新的步伐，無人機作為典型代表，除了新技術(shù)應(yīng)用之外，在教學(xué)方法層面的創(chuàng)新和實踐也不斷涌現(xiàn)[30]。在無人機的具體教學(xué)過程中，運用項目式教學(xué)法來引導(dǎo)學(xué)生提出問題、討論問題、制定計劃、收集信息、解決問題并最終呈現(xiàn)作品。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，增長了動手能力，鍛煉了邏輯思維，掌握了實際操作的技巧，最終實現(xiàn)了自身的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

此外，通過開展青少年的無人機教育競賽等形式，探索實施趣悅學(xué)習(xí)，不僅能充分滿足學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生善于學(xué)習(xí)、勤于動手、勇于探索的精神，還能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力和獨立思考能力。在無人機的飛行訓(xùn)練過程中，也增加了學(xué)生操作實踐的機會，訓(xùn)練了學(xué)生的手眼腦等多種感官的協(xié)同活動，更有利于激發(fā)學(xué)生對課堂教學(xué)活動的參與動機。

（四）以協(xié)作學(xué)習(xí)為教學(xué)形式，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的團隊協(xié)作創(chuàng)新精神

在教育信息化背景下，對創(chuàng)新能力、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)成為教育變革的主旋律[31]。STEM 教育理念致力于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，在無人機活動課中，運用STEM 教育理念，能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識，習(xí)得創(chuàng)新方法、擴展創(chuàng)新思維。

無人機系統(tǒng)的正常運行，主要依靠各個系統(tǒng)組成部分之間的相互協(xié)調(diào)?；跓o人機的小組協(xié)作學(xué)習(xí)，以小組同伴之間相互合作、問題解決、協(xié)同設(shè)計等各種交互模式，充分發(fā)揮學(xué)生的團隊協(xié)作。小組協(xié)作學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)生之間互相交流、彼此協(xié)同，讓每個團隊成員成為團體中間的一份子，共享實踐的愉悅。此外，在無人機競賽的過程中，要組裝一架速度和穩(wěn)定性均良好的無人機，不僅需要精確運算和了解無人機的飛行原理，更重要的是要根據(jù)團隊小組成員的不同特長分配設(shè)計、操控和后勤等工作，這些過程充分培養(yǎng)了學(xué)生團隊合作的精神。

（五）實施無人機動手操作訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的方向感、運動技能

運動技能是學(xué)生個體發(fā)展的重要組成部分，它涵蓋了平衡、協(xié)調(diào)、方向感等技能[32]。在無人機操作的過程中，能夠有效提升學(xué)習(xí)者的運動技能。

無人機技術(shù)涵蓋飛行原理、空氣動力學(xué)、機械結(jié)構(gòu)知識、人工智能知識等，其綜合性和實踐性較強，無人機的教育應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，見圖4。設(shè)置無人機綜合實踐課程，通過讓學(xué)生親手拆解、組裝機械零件、連通導(dǎo)線、安裝部件等活動，可鍛煉學(xué)生的實踐動手能力[33]。一些無人機教育平臺通過讓學(xué)生自己動手，進(jìn)行無人機構(gòu)件的數(shù)字建模、3D 打印組件，進(jìn)而組裝無人機等活動，來鍛煉學(xué)生的動手能力、激發(fā)學(xué)生探索的興趣[34]。此外，進(jìn)行無人機飛行訓(xùn)練，可以加快學(xué)生方向感的養(yǎng)成，充分訓(xùn)練學(xué)生的協(xié)調(diào)性[35]。

（六）無人機與學(xué)科教學(xué)的有效融合

1.學(xué)習(xí)障礙者的教育

圖4 無人機的教育應(yīng)用領(lǐng)域

隨著教育大眾化的不斷普及，殘障學(xué)生有越來越多的機會接受教育。殘障學(xué)習(xí)者作為弱勢群體中的一個特殊群體，對其教育支持問題應(yīng)該引起社會各界的廣泛關(guān)注?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020）》明確提出，要完善特殊教育體系，大力推進(jìn)殘疾人職業(yè)教育，重視發(fā)展殘疾人教育[36]。

這里的殘障人員主要是指肢體殘障者，包括：缺失手臂、偏癱、下體殘疾乘坐輪椅、下肢殘疾拄杖、缺手指腳趾的群體等。這些肢體殘障人群由于肢體器官的損傷而導(dǎo)致的肢體活動困難，對他們的學(xué)習(xí)生活都造成了一定的影響。無人機的出現(xiàn)及應(yīng)用，能夠滿足肢體殘障人員的需求。比如，谷歌的一項實驗測試表明，無人機的攝像頭能夠讓肢體殘障學(xué)習(xí)者“看到”一些不容易從地面發(fā)現(xiàn)的東西，使肢體殘障學(xué)習(xí)者實現(xiàn)真實場景觀摩[37]。

2.開展移動學(xué)習(xí)

隨著學(xué)習(xí)實踐和技術(shù)工具的改變，移動學(xué)習(xí)打破了傳統(tǒng)教育環(huán)境的壁壘，以其豐富、多樣的學(xué)習(xí)方式，推動了教育領(lǐng)域的深刻變革[38]。然而，由于受到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)速率、終端設(shè)備性能等因素的限制，移動學(xué)習(xí)在信息獲取與呈現(xiàn)、云端支持、多模態(tài)情景融合等方面尚需強化。近年來，無人機在移動學(xué)習(xí)中的應(yīng)用逐漸增多，諸如在內(nèi)容分發(fā)、云端加持、空間規(guī)劃、環(huán)境融合等方面進(jìn)行了大量實踐。并且，無人機在信息鏈路中繼、虛實空間連接中扮演著重要角色，細(xì)化了移動學(xué)習(xí)模式中的空間分割、環(huán)境融合等方面的設(shè)計。這些均有效推動了移動學(xué)習(xí)的深入發(fā)展。

3.課堂“虛擬實地考察”

實地考察是自然社會科學(xué)課程中的一項基本技能，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實地觀測能力和綜合分析能力，但實地考察活動通常受到時間、距離、開銷、安全等因素的制約。因此，借助無人機等技術(shù)手段來實施虛擬實地考察活動，輔助或部分替代實踐活動是一種可行的辦法。虛擬實地考察融合了無人機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真技術(shù)等，可以實現(xiàn)與特定位置對象的充分交互，例如，自然景觀、博物館、動物園等。虛擬實地考察提供了以“學(xué)生為中心”的教學(xué)方法，并使基于內(nèi)容教學(xué)的教學(xué)方法實現(xiàn)了多樣化。此外，虛擬教學(xué)允許學(xué)生在視覺沉浸的環(huán)境中，查看人物和地點信息，幫助學(xué)生聯(lián)系現(xiàn)實生活場景，實現(xiàn)虛實場景的有效融合。

Bergin 等認(rèn)為，“虛擬實地考察包括以互聯(lián)網(wǎng)或定制的多媒體軟件的形式進(jìn)行計算，以支持學(xué)習(xí)和提供有關(guān)正在調(diào)查的主題信息[39]”。無人機虛擬實地考察提供了一種愉快而有趣的學(xué)習(xí)方式，相較而言，無人機的虛擬實地考察比傳統(tǒng)實地考察更具有特殊優(yōu)勢，比如，可以以俯視、環(huán)繞等特殊視角觀察對象?？傮w來說，無人機顯著提高了收集和分析地理空間和環(huán)境數(shù)據(jù)的能力。

4.實施地理教育

隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機不僅被應(yīng)用于軍事中，還被用于許多民間應(yīng)用，如，地形測繪、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測等[40]，見圖5。無人機系統(tǒng)作為一種新型測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用。盡管，無人機系統(tǒng)的研究在開發(fā)階段還存在一定的限制，但是一些研究機構(gòu)對無人機繪制地圖進(jìn)行了探索與實踐[41]。例如，密歇根理工大學(xué)的測量工程項目主要從事無人機圖像采集和攝影測量處理方面的研究[42]。另外，在地理教學(xué)過程中也可以運用無人機，進(jìn)入人類難以到達(dá)或者危險地區(qū)的通道，如，充斥有害氣體或處于不穩(wěn)定狀態(tài)的火山地區(qū)。

近年來，無人機作為成像和制圖平臺也引起了人們的極大關(guān)注。無人機在地理信息探索中，以高分辨率、低成本、便捷的部署方式，收集現(xiàn)場特定圖像。無人機圖像的地學(xué)應(yīng)用，已經(jīng)具備廣闊的應(yīng)用前景。目前，已投入使用的應(yīng)用包括：考古、建筑、文化遺產(chǎn)、大規(guī)模測繪、三維城市建模、城市狀態(tài)監(jiān)測、農(nóng)林、自然災(zāi)害等領(lǐng)域[43]。此外，相關(guān)學(xué)術(shù)組織也明確提出，基于無人機的地理空間數(shù)據(jù)收集技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用，是未來的發(fā)展趨勢[44]。

圖5 無人機野外地理觀測系統(tǒng)示意圖

四、“5G+無人機”教與學(xué)的應(yīng)用路徑

5G 在提升傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同時，進(jìn)一步支持物聯(lián)網(wǎng)在商業(yè)、制造、醫(yī)療、交通等多個領(lǐng)域的應(yīng)用[45]。5G 通信技術(shù)以其高速度、高寬帶、低時延、快速緩存等特征，不僅解決了傳統(tǒng)教育中面臨的問題，對智慧教育、智慧校園、智能遠(yuǎn)程教育的應(yīng)用與普及，也具有重要的支撐作用。5G 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在教學(xué)、教育管理、區(qū)域治理、終身學(xué)習(xí)以及教育公共服務(wù)等方面。

目前，在民用低成本無人機領(lǐng)域，無人機控制主要以Wi-Fi 或藍(lán)牙的方式實現(xiàn)，局限于速率、障礙干擾等因素，導(dǎo)致應(yīng)用場景限制較多，這極大地制約了無人機的長遠(yuǎn)發(fā)展和價值發(fā)揮。5G 網(wǎng)絡(luò)的超寬帶、超低時延和大規(guī)模通信可以彌補無人機在操控上的短板，實現(xiàn)更多的場景應(yīng)用。

在5G、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能的支持下，未來無人機將朝著智能化的方向發(fā)展?！?G+無人機”技術(shù)的無縫融合，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一種創(chuàng)新。在基于“智能”、“共享”、“常態(tài)”的信息化策略引導(dǎo)下，將5G引入教學(xué)過程中，將全力推動教育信息化的變革[46]。譬如，通過“5G+無人機”技術(shù)構(gòu)建智能環(huán)境以促進(jìn)教學(xué)轉(zhuǎn)型，使得教學(xué)從知識的傳遞轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)者的認(rèn)知建構(gòu)；營造沉浸式教學(xué)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者帶來全新的學(xué)習(xí)體驗，使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)由被動的接受轉(zhuǎn)向主動參與；促進(jìn)教育決策由經(jīng)驗導(dǎo)向轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動，以及實現(xiàn)教育管理中的特定需求和智能化管控。未來需要持續(xù)探索5G 技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新，基于“5G+無人機”的智能教育，將在教育信息獲取、VR沉浸式教學(xué)、AI 大數(shù)據(jù)評測、校園智能化管理等應(yīng)用方面，具有較大的用武之地。

（一）路徑之一：“5G+無人機”輔助教育信息獲取

未來無人機需要處理不同類型的數(shù)據(jù)，如，語音、視頻和大數(shù)據(jù)文件，這對寬帶速率帶來了前所未有的挑戰(zhàn)[47]。5G 通信技術(shù)的到來，使5G 綜合承載無人機飛控、圖像、視頻等信息成為可能。在課堂學(xué)習(xí)中，無人機與就近連接5G 基站，將接收到的教育信息，例如，視頻、圖片等直接回傳至控制臺，實現(xiàn)超高速率與超低時延傳輸。無人機在巡檢飛行過程中，對獲取的教育信息進(jìn)行實時高清視頻回傳，并利用人工或計算機AI 進(jìn)行分析識別。由于，“5G+無人機”實現(xiàn)了動態(tài)、高緯度的超高清廣角俯視效果。在5G技術(shù)支持下，無人機可以采用吊裝360 度全景相機進(jìn)行多維度拍攝[48]。

基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)的支持，無人機實現(xiàn)了超低時延的圖像傳輸和超高清的視頻傳輸，從而擴展了無人機的應(yīng)用領(lǐng)域和視距范圍，為多維教育信息的獲取提供了可能。

（二）路徑之二：“5G+無人機”構(gòu)建VR 沉浸式教學(xué)場景

教學(xué)活動的目標(biāo)是完成對學(xué)習(xí)內(nèi)容的傳授，并基于教學(xué)過程中的信息反饋提供及時支持。在此過程中，5G 可以發(fā)揮重要作用，如，在遠(yuǎn)程教學(xué)中通過AR/VR/全息技術(shù)改善學(xué)習(xí)體驗；在互動教學(xué)中通過提供低延時、高速率的反饋促進(jìn)教學(xué)效果的提升；在實驗課堂中通過模擬實驗環(huán)境和實驗過程促進(jìn)沉浸式的體驗?；凇?G+無人機”構(gòu)建VR/AR 沉浸式互動學(xué)習(xí)模式，學(xué)生通過佩戴輕量級的AR 眼鏡終端進(jìn)行虛擬課程學(xué)習(xí)。同時，利用云計算技術(shù)開展AR應(yīng)用的運行、渲染等控制行為，通過5G 網(wǎng)絡(luò)實時將AR 影像傳送到終端，幫助學(xué)生在沉浸式的過程中完成學(xué)習(xí)，為學(xué)生帶來了全新的學(xué)習(xí)體驗[49]。

基于無人機的全景虛擬現(xiàn)實VR 直播，運用無人機掛載全景鏡頭進(jìn)行視頻拍攝，并完成視頻采集、拼接處理等過程，通過連入5G 網(wǎng)絡(luò)將4K/8K 全景視頻傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，最后傳輸給多位用戶，見圖6。當(dāng)用戶戴上VR 眼鏡，就能隨時隨地?zé)o延遲的體驗現(xiàn)場，為學(xué)習(xí)者帶來身臨其境的直播感受?；凇?G+無人機”技術(shù)構(gòu)建的AR/VR 教學(xué)，實現(xiàn)了輸送優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，完成了高效智慧學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建。并且，基于5G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持還實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的快速下載和實時交互。這些均使得教學(xué)過程更加生動有趣。

（三）路徑之三：“5G+無人機”支持教育大數(shù)據(jù)評測

教學(xué)評價涵蓋整個學(xué)習(xí)過程，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的學(xué)習(xí)過程評價，由于傳輸速度和帶寬的限制，其數(shù)據(jù)采集和呈現(xiàn)形式相對單一，難以對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)全流程進(jìn)行監(jiān)測與分析，缺乏深層次的剖析和及時引導(dǎo)。

基于“5G+無人機”的教育評價，運用多元、多模態(tài)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，獲取多維的音視頻、測試、體質(zhì)健康等方面數(shù)據(jù)信息，為學(xué)習(xí)者提供立體、多元的評價。例如，杭州一所學(xué)校通過5G 網(wǎng)絡(luò)，利用無人機結(jié)合面部識別技術(shù)。監(jiān)控學(xué)生的課堂注意力?；凇?G+無人機”的教育大數(shù)據(jù)評測，以無人機為平臺，搭載攝像機和傳感器等各種設(shè)備，在教室等室內(nèi)環(huán)境多角度的收集學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)信息[50]。同時，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境憑借其高帶寬、高速率、低時延、邊緣計算等特性，使得在單位時間和網(wǎng)絡(luò)單元中采集和傳輸更全面的學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)成為可能，進(jìn)而實現(xiàn)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、自然語言處理等技術(shù)對學(xué)習(xí)者問題的實時診斷。再結(jié)合AR/VR/全息投影等技術(shù)，實現(xiàn)對學(xué)習(xí)者評價報告的多維立體展現(xiàn)和交互式干預(yù)方案的提供，見圖7。

圖6 基于5G 的無人機VR 直播

圖7 “5G+無人機”技術(shù)教與學(xué)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)評測

（四）路徑之四：“5G+無人機”強化校園智能化管理

教育管理涵蓋了多個方面的內(nèi)容，不僅包含人與資源方面的安全管理，還包含了與教學(xué)、考試安排相關(guān)的教務(wù)管理，以及關(guān)于學(xué)校設(shè)備的智能管控。在傳統(tǒng)的教育管理中，由于網(wǎng)絡(luò)處理能力的限制，只能依靠人工來完成相應(yīng)的管理工作，任務(wù)相對繁瑣。在5G 通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，教育管理將更好地運用高清視頻識別、智能感知等技術(shù)優(yōu)勢，從而變得更加高效。

圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)生活軌跡，從離/到家軌跡跟蹤、校車人臉識別、到/離校門口無感人臉考勤、校園邊界視頻監(jiān)控預(yù)/告警、學(xué)生校內(nèi)活動監(jiān)控、食堂“明廚亮灶”監(jiān)控等，對學(xué)生出行、活動、飲食安全各環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤、視頻監(jiān)控、AI 分析、預(yù)警服務(wù)，為學(xué)生提供360 度全方位、全過程、全天候的安全保障服務(wù)，讓家長及時了解孩子位置、在校表現(xiàn)情況；為學(xué)校管理提供強有力的安全管理手段，使得安全隱患前置化、隱患排查精細(xì)化、隱患處置數(shù)據(jù)化，打造了安全的學(xué)習(xí)環(huán)境；為教育主管部門日常監(jiān)管提供直觀、可視的監(jiān)督工具。通過智能學(xué)生卡，對學(xué)生進(jìn)行定位及軌跡跟蹤；運用人臉識別技術(shù)，通過校車打卡、校門攝像頭進(jìn)行無感識別考勤；在校園區(qū)域和家庭區(qū)域設(shè)置電子圍欄，進(jìn)行安全防護；運用周邊監(jiān)控，對校園周邊可疑/陌生人員進(jìn)行識別及預(yù)告警示；通過校內(nèi)監(jiān)控對食堂、樓道、辦公室視頻監(jiān)控等多地進(jìn)行智能分析，見圖8。

圖8 “5G+無人機”支持的全方位校園安防系統(tǒng)

在5G 網(wǎng)絡(luò)的支持下，無人機能夠?qū)崿F(xiàn)安防場景的高清視頻實時傳輸和遠(yuǎn)程控制。在5G 網(wǎng)絡(luò)的大寬帶、低時延實時視頻流回傳，融合AI 深度學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)多手段的跟蹤監(jiān)控，極大地提升了將傳統(tǒng)無人機用于安防場景的效率[51]。

無人機與AI 結(jié)合，實現(xiàn)了在人臉識別、車輛識別等物體識別能力和自然語言交互能力等方面的提升，見圖9?；?G 網(wǎng)絡(luò)將無人機與固定攝像頭有機組合，建立靈活機動的天地一體化無“死角”監(jiān)控應(yīng)急指揮系統(tǒng)。采用機器人、無人機相配合的方式，一方面彌補了固定攝像頭死角；另一方面實現(xiàn)全時域無間斷巡邏，同時借助于先進(jìn)的人工智能后臺，強化安保任務(wù)的服務(wù)能力，提高了工作效率。

圖9 “5G+無人機”線路監(jiān)控示意圖

五、展望與小結(jié)

無人機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，一直是世界科技發(fā)展的熱點領(lǐng)域。據(jù)美國《大眾科學(xué)》報道，美國國防部高級研究項目局（DARPA）正在資助科學(xué)家研發(fā)通過遺傳工程改造的人腦、納米技術(shù)和紅外線等工具，來即時接收單兵信息，最終目標(biāo)是打造可以用思想控制的武器。例如，思維控制的無人機智能化組群，直接用人腦接收無人機圖像等?？蒲袌F隊將運用“新一代非外科手術(shù)神經(jīng)技術(shù)”項目資金，研發(fā)可以無需手術(shù)就能讓人腦與機器實現(xiàn)快速無縫交流的技術(shù)。這意味著，將來人類可以用大腦直接操控?zé)o人機或者分析數(shù)據(jù)[52]。

無人機是眾多尖端技術(shù)融合的產(chǎn)物，無論是無人機本體的關(guān)鍵技術(shù)，或是與學(xué)科知識的融合拓展，無疑都蘊含了巨大的教育潛能。而以5G 為代表的新一代通訊技術(shù)，為無人機潛能的發(fā)揮提供了無限的空間。應(yīng)充分認(rèn)識到“5G+無人機”技術(shù)的教育價值，這有助于我們把握將無人機技術(shù)應(yīng)用于教育的未來發(fā)展趨勢，實現(xiàn)以無人機為代表的信息技術(shù)與教育的深度融合與創(chuàng)新應(yīng)用。

本文梳理了目前“5G+無人機”的理論研究與實踐探索的現(xiàn)狀，結(jié)合其技術(shù)特征以及與教育融合的適切角度，探討制定“5G+無人機”教與學(xué)應(yīng)用路徑，初步揭示了“5G+無人機”在賦能創(chuàng)新教育，進(jìn)而推動面向智能時代教育教學(xué)變革這一過程中的潛力。但需要指出的是，由于“5G+無人機”技術(shù)的融合與發(fā)展是一個連續(xù)且充滿不確定性的過程，實現(xiàn)從潛力到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變，充滿了各種挑戰(zhàn)。而我們在關(guān)注新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的同時，更應(yīng)深入探討新技術(shù)賦能教育創(chuàng)新的內(nèi)在機理，需要結(jié)合教育發(fā)展規(guī)律，以更好地實現(xiàn)教與學(xué)的改革與創(chuàng)新。