基于5G 的智慧教育業務架構設計與應用

周忠和，李 成

（湖南省通曉信息科技有限公司，湖南長沙410001）

2017 年十九大報告中明確提出 “辦好網絡教育”，2018 年《教育信息化2.0 行動計劃》提出到2022年基本實現“三全兩高一大”的發展目標。[1]十九大之前的教育信息化可稱為“教育信息化1.0”，以“三通兩平臺” 為主要標志的教育信息化1.0 建設已經落地，但仍然不能滿足社會的新需求，十九大以后進入“教育信息化2.0”時代，開啟智能時代教育的新征程。[2]要求教育部門對人才的培養以能力為先，須要將教育信息化作為教育系統性變革的內生變量，來支撐和引領教育現代化發展，推動教育理念更新、模式變革、體系重構[3]。

一方面，隨著5G、大數據、云計算、人工智能（Al）、區塊鏈等成熟新技術的應用和普及，教育正逐步從數字化教育向智慧教育轉變。智慧教育在全面關注“師生、基礎設施、教學能力”的基礎上，利用現代新技術打造智能化、感知化、泛在化的現代教育新模式，通過個性化、精準化、虛擬化的教學模式，提高教學效果，增強全民的學習興趣，提升工作能力和學習效率。另一方面，通過借助5G 網絡超寬帶、超低時延、海量連接、超高可靠性的特性，并結合4K/8K 高清、XR 虛擬與增強現實技術、人工智能、區塊鏈等新技術提供萬物互聯通信，支持隨時隨地、安全可靠、及時準確的多種應用場景靈活性和多樣化的業務需求。智慧教育將在效果、智能、創新和網絡覆蓋等方面得到極大的提升，以實現靈活多樣的教學方法與高效的學習效率。

1 目前教育信息化面臨的主要問題

我國教育信息化建設近年來取得了巨大進步，但教育資源不均衡、校園安全隱患、缺乏互動式教育等問題依然存在。

1）教育資源的不均衡。校際間、城鄉間、城域間資源分配的失衡致使全民對優質教育強烈渴望，這是目前阻礙我國教育發展的重要問題。

2）教育模式單調。當前數字教育模式下，學生被動接受知識，學習效率較低，教學質量無法有效提高。需要依托虛擬仿真、人工智能（Al）等新技術，調動學員視覺、聽覺、感覺等多感官參與，使抽象的理論概念更形象直觀，變被動接受為主動交互。

3）校園安保單一。當前模式下校園安全保障工作仍需要依靠大量人力對校園各個角落進行巡檢，校園安全問題時有發生。需借助5G、人工智能、大數據分析等技術，可通過巡檢機器人、現有監控，采集校園內的人、車、設備等監控視頻數據，進行大數據分析，實現對校園智慧監控的管理[4]。

因此，亟需將5G 技術應用于教育的各個方面，同時結合大數據、人工智能、4K/8K 高清、XR 虛擬與增強現實技術、區塊鏈等新技術，支撐教育信息化向智能化、去中心化方向發展。

2 智慧教育業務架構設計與應用

2.1 架構設計

為解決智能教育設備的快速接入與應用難題，遵循開放共享的理念，依托5G 網絡，解決校校連接的網絡瓶頸，借助大數據、AI、VR、區塊鏈等信息化技術手段，實現智慧教育的各類應用，全面助力教育信息化快速發展。[5]具體架構設計如圖1 所示。

圖1 智慧教育業務架構設計圖

終端感知層：通過各類智能感知終端為師生實現校園精細化管理。此層包括教學智能終端、VR/AR/MR終端、學生聽課AI 情緒識別設備等智慧教育應用設備。

網絡層：依托5G 網絡的高速率、低時延特性，滿足校園內各類交互信息、監測信息的實時傳輸、智能分析，實現突發事件的快速處理。同時，利用5G 的熱點高容量特性，有效解決學校這類密集用戶場景下高速上網瓶頸問題。

基礎資源層：提供基本的計算、存儲、網絡等服務；提供基礎資源的虛擬化服務、資源的動態分配、再分配和回收。

應用支撐層：通過對各種業務系統的數據進行比對、處理、融合和共享，為教育應用提供統一人臉識別、智能分析、語音識別、行為分析等基礎功能支撐。

業務應用層：主要包括虛擬現實教育、遠程互動教學、人工智能教育、校園智能管理、區塊鏈等應用。一方面為學生提供名校、名師的優質遠程互動教學課堂，為老師提供名校、名師的遠程教研指導以及AR/VR 等沉浸式教學素材，促進教育均衡發展；另一方面，通過對校園人員、車輛、設備進行統一管理，解決校園安全問題；再一方面，通過區塊鏈技術的分布式數據庫、去中心化等特性，在促進教育公平方面發揮著重要的作用。

2.2 典型業務應用場景設計

2.2.1 平安校園

在各級教育教學單位內，利用5G 網絡大帶寬、低時延的特點，搭載AI 人工智能視頻分析，實現人、車、設備的360 度全方位、全天候監控管理與智能分析，通過人臉識別技術圍繞學生的活動軌跡進行無感識別，實時掌握學生在校的行動軌跡，讓老師和家長能及時了解學生在校情況；為學生的校園安全提供強有力的信息化保障手段，提高學校和家長對突發事件的反應速度。

2.2.2 XR 沉浸式教學

通過5G+XR 技術，結合教學情景，用虛擬現實技術將傳統教材中抽象的概念以及難以用語言講透徹的知識點直觀形象地表達出來，打造出仿真度高、可交互的虛擬互動教學場景，充分激發學生對學習的興趣，提升學生學習的主觀能動性，進行高效的學習。根據學科的不同，虛擬現實技術的作用不同。目前市場上存在的產品主要有虛擬現實、虛擬空間、虛擬演播室和仿真實驗室的構建等[6]。

2.2.3 遠程教研

借助5G 網絡切片技術、云計算、邊緣計算和大數據的應用，通過高清音視頻與多媒體協作，專家可以在線觀看上課的整個流程，對老師的授課表現（語言、姿態、內容等）進行打分，同時也可以通過遠程示教為師生提供更好的實習環境。結合系統AI 模型生成的評估報告和改進建議，專家可以對此次教研活動進行客觀公證的評價，幫助老師發現教學過程中的不足，快速改進教學方法，提高教學效果。

2.2.4 遠程同步課堂

現有的雙師課堂業務采用有線網絡承載，不僅建設成本高、工期長，還不能進行靈活的部署。而Wi- Fi雖然能解決靈活性的問題，但是經常出現網絡盲區、網絡延時等問題。5G 網絡的高帶寬、低時延等特性，不僅可以解決靈活性的問題，還可有效進行互動式教學，實現中心學校與邊遠學校之間授課課堂的遠程同步，縮小城市與偏遠或落后地區的教學質量差異，解決教育資源不均衡問題，促進公平教育。

2.2.5 學分認證體系

基于5G 技術和區塊鏈技術，打造“去中心化”的智慧教育平臺，來實現知識的均衡化，使得每個師生隨時隨地都能夠共建、共享到“區塊鏈”上的信息，達到教育公平。[7]利用區塊鏈透明、不可篡改等特性，使得教育結果與過程真實可信，構建隨機的學習場景與可信的信用體系，實現知識共享、學分互認等，并且可以應用到不同階段的教育中。比如，在開放教育中應用MOOC、身份認證可有效建立學分互認的同時，享受高質量的教育資源，也可應用到全民終身學習的可信場景等。

3 結論

基于5G 的云計算、大數據、Al、區塊鏈技術的逐步應用，推動教育逐步從傳統教育向智慧教育轉型，實現教育信息化2.0 的變革。智慧教育應用通過與5G 技術的有效融合，有效推動了智慧教育的發展。后續相關部門制定“教育+5G+ 區塊鏈”頂層設計及建設標準，將有效實現服務于智慧教育的互聯互通，避免“信息孤島”現象，解決教育資源不均衡問題，加快教育深化改革的步伐。