基于5G 技術(shù)的教育信息化應(yīng)用研究

盧向群，孫禹

（1.北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100876； 2.中國(guó)電信集團(tuán)有限公司5G 創(chuàng)新中心，北京 100033）

一、前言

教育信息化是教育現(xiàn)代化的核心動(dòng)力。發(fā)達(dá)國(guó)家率先將信息與通信技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，掀起了教育信息化的潮流 [1]。美國(guó)分別于2000年和2004年發(fā)布了國(guó)家教育技術(shù)計(jì)劃，推動(dòng)了教育技術(shù)的普及與應(yīng)用 [2]：教師應(yīng)有效運(yùn)用信息技術(shù)（IT）來(lái)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，學(xué)生要具備運(yùn)用IT 的素養(yǎng)和技能；通過(guò)教師培訓(xùn)來(lái)促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用，提升IT 的教育應(yīng)用效能。我國(guó)在教育信息化方面補(bǔ)齊短板、迎頭趕上，2018年4 月教育部發(fā)布了《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》，2019年2 月中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》，均強(qiáng)調(diào)了教育信息化在推動(dòng)教育現(xiàn)代化過(guò)程中的地位和作用 [3,4]。面向未來(lái)，教育信息化以信息環(huán)境建設(shè)、軟硬件支持為基礎(chǔ)，緊密結(jié)合教育理論，探索新技術(shù)應(yīng)用的潛力和層次，尋求多應(yīng)用場(chǎng)景、多實(shí)踐領(lǐng)域、寬技術(shù)場(chǎng)域相結(jié)合的實(shí)施路徑。在此過(guò)程中，智能技術(shù)，特別是5G、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、云計(jì)算等，有助于創(chuàng)新推動(dòng)教育服務(wù)的智能化、教育應(yīng)用的情境化和普及化，進(jìn)而為教育革命性轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵支撐 [5,6]。

從我國(guó)教育事業(yè)的角度、而非IT 產(chǎn)業(yè)的角度來(lái)審視，以5G 為代表的前沿技術(shù)，擁有較大的技術(shù)使能潛力，有望在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，成為國(guó)家教育信息化建設(shè)的基石。隨著教育信息化2.0進(jìn)程的加速推進(jìn)、社會(huì)各界對(duì)5G 關(guān)注程度的持續(xù)升溫，兩者的對(duì)接和融合，將促進(jìn)教育及教育信息化的重大變革，對(duì)傳統(tǒng)的教育、學(xué)習(xí)方式帶來(lái)顯著沖擊。在5G 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支持下，各種教育信息、音/視頻等資源的共享和交互更加便捷，可以實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)中諸多要素的全新組合，構(gòu)建全新的教學(xué)方式與教育內(nèi)容呈現(xiàn)形式，甚至推動(dòng)形成新的教育生態(tài)系統(tǒng)。

目前，5G 方向的研究側(cè)重于通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)、網(wǎng)絡(luò)部署方案等 [7]，關(guān)于5G 技術(shù)對(duì)教育的影響研究相對(duì)較少，而5G 與教育信息化相結(jié)合的前瞻應(yīng)用研究仍有待開(kāi)展。在“5G +教育”的全新領(lǐng)域中，如何推動(dòng)信息化技術(shù)在教學(xué)、管理中的深度融合應(yīng)用，提供智慧化的教學(xué)服務(wù)和精細(xì)化的管理手段，進(jìn)而滿足教育現(xiàn)代化建設(shè)需求、實(shí)現(xiàn)《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》愿景？這需要教育實(shí)踐者、管理者與決策者未雨綢繆、深度參與。以此為研究切入點(diǎn)，本文重點(diǎn)分析5G 技術(shù)為教育信息化創(chuàng)造的新機(jī)遇，以及探討如何在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)教育應(yīng)用場(chǎng)景的創(chuàng)新，以期為教育與信息的融合發(fā)展研究提供基礎(chǔ)性參考。

二、對(duì)我國(guó)教育信息化的基本認(rèn)識(shí)

（一）教育信息化建設(shè)的主要特征

教育信息化重在實(shí)踐。這一過(guò)程中，IT 的進(jìn)步帶來(lái)了顯著影響 [8～10]，如3G/4G 移動(dòng)通信、固定寬帶等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速普及，支撐了信息化應(yīng)用的拓展。在各類(lèi)高速通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，云計(jì)算正在重構(gòu)信息產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局；大數(shù)據(jù)、AI、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)正在重構(gòu)教育服務(wù)的組織方式；各類(lèi)教育公共服務(wù)系統(tǒng)正向大眾普遍參與、形成群體智慧方向發(fā)展；云網(wǎng)端一體化是大勢(shì)所趨。此外，智能服務(wù)正在加速普及，信息設(shè)備以“不可見(jiàn)”方式嵌入到用戶環(huán)境與日常工具中，形成了以泛在感知網(wǎng)絡(luò)為支撐、自然沉浸式的智能教育體驗(yàn)。

基于上述背景可以預(yù)判，當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)期，教育信息化建設(shè)的主要特征將有 [11～13]：

（1）教育環(huán)境將更加智慧化，主動(dòng)適應(yīng)學(xué)習(xí)個(gè)體的需求。通過(guò)無(wú)處不在的通信網(wǎng)絡(luò)和傳感設(shè)備，智能感知學(xué)習(xí)個(gè)體的場(chǎng)景和特征，主動(dòng)為其營(yíng)造學(xué)習(xí)環(huán)境、規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑、推送適宜學(xué)習(xí)資源，將“人找信息”切換到“信息找人”。

（2）教育的各類(lèi)數(shù)據(jù)和信息將實(shí)現(xiàn)無(wú)縫流通。數(shù)據(jù)分析是實(shí)現(xiàn)智能教育服務(wù)的基礎(chǔ)，而教育信息化建設(shè)將為各類(lèi)數(shù)據(jù)的采集和分析建立規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)物理環(huán)境的感知，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和跨域傳輸，強(qiáng)化教育服務(wù)的調(diào)節(jié)功能，打破時(shí)間、空間、內(nèi)容、媒介的限制。

（3）教育業(yè)務(wù)將實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同?；谥悄芗夹g(shù)和泛在高速通信環(huán)境，各類(lèi)教育業(yè)務(wù)將實(shí)現(xiàn)近全時(shí)/全域、多模式的連通與協(xié)同，突出便利、快捷、高效、智能。教育領(lǐng)域的管理、教學(xué)、培訓(xùn)、服務(wù)等環(huán)節(jié)具備智能協(xié)同能力，促進(jìn)業(yè)務(wù)流程重組并創(chuàng)新服務(wù)形態(tài)。

（4）優(yōu)質(zhì)教育資源更好實(shí)現(xiàn)按需供給。傳統(tǒng)模式下的學(xué)習(xí)資源供給“千人一面”，而智能時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，促成全過(guò)程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的高效傳輸。智能學(xué)習(xí)服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)精準(zhǔn)分析學(xué)習(xí)個(gè)體，針對(duì)其特定需求提供優(yōu)質(zhì)、專(zhuān)業(yè)的教育資源和服務(wù)。

（5）學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)均等供給成為可能，促進(jìn)教育公平。教育信息化使得優(yōu)質(zhì)的教育資源和服務(wù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通，將學(xué)習(xí)嵌入到正式教育之外的日常生活中，創(chuàng)造“當(dāng)技術(shù)無(wú)處不在，學(xué)習(xí)也就無(wú)處不在”的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)人人平等的良好局面，由此可從IT 技術(shù)層面輔助化解教育公平問(wèn)題。

（二）教育網(wǎng)絡(luò)面臨挑戰(zhàn)

目前，學(xué)校同時(shí)部署了多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如有線網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)（Wi-Fi）、校園網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電視網(wǎng)等，用于承載科研信息共享、多媒體教學(xué)、電子閱覽、資料存儲(chǔ)等校園業(yè)務(wù)，以及行政管理、教師辦公、學(xué)校論壇生活及社交等其他業(yè)務(wù) [14]。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型深入，智能網(wǎng)絡(luò)終端和越來(lái)越多的創(chuàng)新應(yīng)用正在推動(dòng)教育信息化的轉(zhuǎn)型升級(jí)。學(xué)生和教師期望獲得更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、更豐富的多媒體體驗(yàn)，包括在線學(xué)習(xí)、沉浸式虛擬環(huán)境教學(xué)、線上備課、智慧化管理等；也希望在校園內(nèi)隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)高效便捷的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn) [15]。

對(duì)比現(xiàn)狀供給和期望需求，教育網(wǎng)絡(luò)面臨著諸多方面的挑戰(zhàn)：①教育信息系統(tǒng)資源共享難，教學(xué)、科研、管理、技術(shù)服務(wù)、生活服務(wù)等信息化系統(tǒng)通常采用“煙囪式”建設(shè)模式，導(dǎo)致出現(xiàn)信息孤島現(xiàn)象，業(yè)務(wù)流程整合度低；②新型教育業(yè)務(wù)承載能力不足，超高清（4K/8K）直播課堂、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）課堂、全息教育、4K 高清監(jiān)控、學(xué)校移動(dòng)巡邏車(chē)等新型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出更高需求；③數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)大，跨校區(qū)的共享資源、學(xué)生家長(zhǎng)信息等存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，教育大數(shù)據(jù)的匯聚有可能進(jìn)一步加劇數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)；④建設(shè)與運(yùn)維成本高，教育信息系統(tǒng)建設(shè)以及多網(wǎng)融合帶來(lái)的直接建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、后續(xù)升級(jí)的費(fèi)用高昂。

教育信息化的諸多新型應(yīng)用，對(duì)信息通信技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施功能提出了更高要求?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)接入手段，如固定寬帶、Wi-Fi、3G/4G 移動(dòng)網(wǎng)，因其組網(wǎng)便利性、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、安全管理、終端成本等方面的性能滯后，難以滿足未來(lái)的高清直播、VR/AR教學(xué)、全息課堂、高清監(jiān)控等教育教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景。例如，現(xiàn)有的4G 教育云應(yīng)用雖然可以基本滿足單路全高清（1080p）教育視頻內(nèi)容采集、傳輸?shù)男枨螅菬o(wú)法滿足多路全高清視頻的同時(shí)回傳，以及超高清視頻甚至VR 全景視頻等更優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的回傳和雙向互動(dòng)的應(yīng)用需求。教育創(chuàng)新應(yīng)用需求、新型IT 能力兩方面存在著巨大的“互動(dòng)”空間，精準(zhǔn)適配、深度融合，有望破解現(xiàn)有教育網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。

（三）5G 技術(shù)“使能”教育信息化

面向未來(lái)的教育信息化，將密切關(guān)聯(lián)以AI、VR、大數(shù)據(jù)等為代表的前沿技術(shù)的成熟化和實(shí)際應(yīng)用。運(yùn)用和發(fā)揮5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，克服傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在教育創(chuàng)新過(guò)程中速度、延遲、傳輸容量等方面的掣肘，為教育領(lǐng)域的變革提供基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性支撐，從而“使能”未來(lái)的教育信息化。5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的大帶寬、超高可靠、超低時(shí)延、大規(guī)模物聯(lián)等特點(diǎn)，結(jié)合切片技術(shù)、邊緣云技術(shù)（MEC）、AI 等IT 前沿技術(shù)，使得智慧校園、智慧課堂的創(chuàng)新應(yīng)用成為可能 [16]。

傳統(tǒng)智慧課堂的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)承載依賴(lài)于校園網(wǎng)內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi 覆蓋，物聯(lián)層面則通過(guò)藍(lán)牙、紫蜂協(xié)議（ZigBee）等實(shí)現(xiàn)。相比之下，5G 智慧課堂通過(guò)各組成硬件終端的5G 化，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)與生俱來(lái)的技術(shù)和業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，為校園用戶解決實(shí)際教育需求、帶來(lái)更好教育體驗(yàn)：①網(wǎng)絡(luò)承載統(tǒng)一，學(xué)校不再需要部署多種網(wǎng)絡(luò)；②超高網(wǎng)絡(luò)帶寬，使得智慧課堂中的交互顯示終端設(shè)備、信號(hào)傳輸及處理終端設(shè)備，能夠承載4K/8K 級(jí)別畫(huà)面效果；③速率更快、延時(shí)更低，支持智慧課堂的常態(tài)化錄播，遠(yuǎn)程授課的遠(yuǎn)端會(huì)場(chǎng)可以無(wú)延遲地感知、體驗(yàn)到“名師優(yōu)課”課堂畫(huà)面；④支撐教育教學(xué)新的應(yīng)用場(chǎng)景，如游戲化課程、VR 實(shí)驗(yàn)環(huán)境、VR 控制環(huán)境、高清立體顯示、遠(yuǎn)程考試監(jiān)測(cè)、學(xué)習(xí)行為追蹤和挖掘、智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和智能教學(xué)系統(tǒng)等。

三、5G 教育應(yīng)用總體設(shè)計(jì)

（一）需求場(chǎng)景

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）明確了5G 技術(shù)3 類(lèi)主要的應(yīng)用場(chǎng)景 [17,18]：①增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB），滿足需要高峰值速率、高速移動(dòng)中接入、密集區(qū)域接入通信網(wǎng)絡(luò)需求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求；②海量物聯(lián)（mMTC），滿足需要低成本、低功耗、小流量通信網(wǎng)絡(luò)需求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求；③高可靠低時(shí)延連接（URLLC），滿足需要超低時(shí)延、超高可靠通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。立足5G 技術(shù)能力，對(duì)接教育信息化需求，經(jīng)過(guò)研究梳理，明確了主要類(lèi)型的教育機(jī)構(gòu)對(duì)5G 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景需求（見(jiàn)表1）。

表1 教育機(jī)構(gòu)需求場(chǎng)景分類(lèi)

在中、小學(xué)校及校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)方面，近期需求集中在遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)、遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課、教學(xué)效果AI評(píng)測(cè)類(lèi)應(yīng)用。職業(yè)院校、軍事院校方面，近期需求集中在VR/AR 教學(xué)和智慧校園管理類(lèi)應(yīng)用。普通高校方面，近期需求集中在教學(xué)效果AI 評(píng)測(cè)和智慧校園管理類(lèi)應(yīng)用。

（二）總體視圖

從教育信息化的三大領(lǐng)域（教學(xué)、教研（含教育評(píng)價(jià)）、教育管理）出發(fā)，探索提出了5G 教育信息化的總體視圖（見(jiàn)圖1）。在教學(xué)領(lǐng)域，5G 技術(shù)支撐的主要場(chǎng)景需求包括遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)和VR/AR教學(xué)。在教研領(lǐng)域，5G 優(yōu)先應(yīng)用的場(chǎng)景包括遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課和教學(xué)效果AI 評(píng)測(cè)。在教育管理領(lǐng)域，5G技術(shù)主要應(yīng)用在以物聯(lián)網(wǎng)為特征的智慧校園管理。

圖1 5G 教育信息化總體視圖

四、5G 教育應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新

個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）融入互聯(lián)網(wǎng)，使傳統(tǒng)教育形態(tài)發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)了多樣化的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源、多類(lèi)別的在線學(xué)習(xí)網(wǎng)校。5G 作為IT 基礎(chǔ)設(shè)施，在催生教育形態(tài)進(jìn)一步更新方面潛力巨大。5G 的技術(shù)使能，讓學(xué)習(xí)者不再受PC、Wi-Fi、學(xué)習(xí)場(chǎng)地的約束，幾乎隨時(shí)隨地借助物聯(lián)網(wǎng)和VR 技術(shù)，獲得和真實(shí)教室相似的學(xué)習(xí)體驗(yàn)：優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)場(chǎng)域“無(wú)處不在”，權(quán)威教育專(zhuān)家“觸手可及”，精品課堂互動(dòng)“活潑多樣”。為有效應(yīng)對(duì)5G 技術(shù)變革及其與教育行業(yè)的深度耦合，我們前瞻開(kāi)展5G 技術(shù)的教育信息化的應(yīng)用研究，突出應(yīng)用場(chǎng)景創(chuàng)新，探索5G 可能重構(gòu)的教育核心業(yè)務(wù)。

（一）遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)

困擾中國(guó)教育改革的一大問(wèn)題是教育資源分布不均、師資水平參差不齊，而教育信息化作為國(guó)家信息化建設(shè)的重要組成部分，一直被視為緩解上述問(wèn)題的有效措施。通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)直播互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，讓教育資源貧乏地區(qū)也能均衡獲得線上名師課堂內(nèi)容，并最大化地還原線下教學(xué)場(chǎng)景。遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)最典型的應(yīng)用場(chǎng)景是雙師課堂，盡管不是新的教學(xué)模式，也不是新技術(shù)，雙師課堂普及程度較低狀況的根源在于有線網(wǎng)絡(luò)的性能受限。多數(shù)學(xué)校以及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)為保證多地遠(yuǎn)程教學(xué)效果，通常采用專(zhuān)線連接，這就導(dǎo)致：在網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)的地區(qū)，很難將優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源共享；即便是網(wǎng)絡(luò)較發(fā)達(dá)地區(qū)，也面臨專(zhuān)線傳輸帶寬不足、傳輸延時(shí)、穩(wěn)定性差、靈活性差等情況，進(jìn)而影響課堂的互動(dòng)效果；在實(shí)際應(yīng)用中往往將雙師課堂模式“降級(jí)”成為視頻播放教學(xué)模式。

5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時(shí)延等特性，支持實(shí)現(xiàn)具有移動(dòng)性的靈活開(kāi)課，隨需隨用，有效緩解傳統(tǒng)雙師課堂的交互體驗(yàn)問(wèn)題，為雙師課堂的優(yōu)化發(fā)展提供技術(shù)保障?；?G 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)場(chǎng)景視圖如圖2 所示：在多地遠(yuǎn)程教學(xué)場(chǎng)景下的設(shè)備終端部署5G 通信模塊，使得教師側(cè)的教學(xué)場(chǎng)地更加靈活，而學(xué)生側(cè)擺脫了傳統(tǒng)專(zhuān)線模式的束縛。相比于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)以及Wi-Fi 環(huán)境，5G 構(gòu)建的遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)解決方案具有以下優(yōu)勢(shì)：①5G +云端部署，滿足雙師課堂所需的低延時(shí)、大帶寬和高可靠性，具備課堂的互動(dòng)實(shí)時(shí)性，根本性地解決音/視頻延遲、卡頓等問(wèn)題，提升學(xué)生的課堂參與度和學(xué)習(xí)效果；②5G 網(wǎng)絡(luò)相比有線網(wǎng)絡(luò)，可以適應(yīng)教學(xué)場(chǎng)地的各種變化，靈活性、便捷性良好；③據(jù)測(cè)算，5G進(jìn)入規(guī)?；渴饝?yīng)用后，無(wú)線代替線纜，教育信息化建設(shè)成本降低50%以上。

圖2 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)場(chǎng)景

（二）VR/AR 教學(xué)

基于5G 的大帶寬、低時(shí)延等特性，將VR/AR教學(xué)內(nèi)容部署在云端，利用云端的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)AR 應(yīng)用的運(yùn)行、渲染、展現(xiàn)和控制，并將VR/AR畫(huà)面和聲音高效地編碼成音/視頻流，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至終端 [18]。為了滿足教學(xué)的低時(shí)延需求，采用邊緣云部署架構(gòu)，將對(duì)時(shí)延要求高的渲染功能部署在靠近用戶側(cè)，有效解決傳統(tǒng)方案中網(wǎng)絡(luò)連接速率和云服務(wù)延時(shí)的突出問(wèn)題。

基于5G 技術(shù)的VR/AR 教學(xué)場(chǎng)景視圖如圖3 所示。建設(shè)VR/AR 云平臺(tái)，開(kāi)展VR/AR 云化應(yīng)用，包括虛擬實(shí)驗(yàn)課、虛擬科普課、虛擬創(chuàng)課等寓教于樂(lè)的教學(xué)體驗(yàn)。將知識(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的、可以觀察和交互的虛擬事物，讓學(xué)習(xí)者可以在現(xiàn)實(shí)空間中深入了解所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，并對(duì)數(shù)字化內(nèi)容進(jìn)行可操作化的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

相對(duì)于傳統(tǒng)教育，VR/AR 教學(xué)具有以下特點(diǎn)：①三維直觀的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，學(xué)生們的課堂體驗(yàn)從二維（2D）躍升到三維（3D），將那些抽象或肉眼不可見(jiàn)的內(nèi)容進(jìn)行形象可視化的展示，有助于提升認(rèn)知和理解；②互動(dòng)性和參與性強(qiáng)，學(xué)生在VR/AR 學(xué)習(xí)實(shí)踐中直觀體驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容，緊密參與教學(xué)過(guò)程，學(xué)習(xí)熱情得以充分調(diào)動(dòng)；③主動(dòng)的交互式學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中學(xué)生可以隨時(shí)暫停，或重復(fù)其中任何一個(gè)步驟，不用過(guò)多地考慮間斷或反復(fù)學(xué)習(xí)給施教者所帶來(lái)的干擾；④游戲化教學(xué)，基于VR/AR 的可視化、互動(dòng)性特征，可以設(shè)計(jì)出非常吸引人的游戲化教學(xué)內(nèi)容，從而提升學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣；⑤減少教學(xué)中的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)VR/AR 技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，降低化學(xué)、物理、機(jī)電等學(xué)科動(dòng)手操作和試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)；⑥VR/AR 可以實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)的老師、學(xué)生聚集在同一個(gè)虛擬課堂中，達(dá)到體驗(yàn)真實(shí)、實(shí)時(shí)互動(dòng)的效果，從而促進(jìn)教育資源平等化、共享化。

圖3 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的VR/AR 教學(xué)場(chǎng)景

（三）遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課

傳統(tǒng)的聽(tīng)評(píng)課需要專(zhuān)家進(jìn)入教室，可能影響到老師現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)、學(xué)生聽(tīng)課狀態(tài)，因而評(píng)價(jià)對(duì)象可能失真。遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課是近端教室進(jìn)行名師授課，遠(yuǎn)端教室進(jìn)行互動(dòng)、旁聽(tīng)、點(diǎn)評(píng)的一種全新的教學(xué)模式，較好規(guī)避了傳統(tǒng)模式的不足。

設(shè)計(jì)的5G 遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課的場(chǎng)景視圖（見(jiàn)圖4），其核心是5G 常態(tài)化錄播終端、5G 強(qiáng)大計(jì)算能力和AI 分析能力。將傳統(tǒng)錄播終端5G 化，依托5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)端教室互動(dòng)、旁聽(tīng)和點(diǎn)評(píng)，打造近實(shí)時(shí)、雙向互動(dòng)、智慧化的聽(tīng)評(píng)課環(huán)境。相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課，5G 網(wǎng)絡(luò)所具備的超高帶寬、超低延時(shí)特性，可以充分保障遠(yuǎn)端的聽(tīng)課教師能夠感知流暢、高清的教學(xué)音/視頻，保障評(píng)價(jià)的客觀性和準(zhǔn)確性。整合AI 能力實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)時(shí)分析和評(píng)測(cè)，可以針對(duì)教師和學(xué)生的教學(xué)行為進(jìn)行智能分析，生成課堂教情大數(shù)據(jù)；綜合課堂現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家遠(yuǎn)程評(píng)課的內(nèi)容，通過(guò)AI 算法生成聽(tīng)評(píng)課反饋，直觀反映教師在教學(xué)過(guò)程中需要改進(jìn)的內(nèi)容。

（四）教學(xué)過(guò)程AI 評(píng)測(cè)

教育教學(xué)領(lǐng)域的AI 應(yīng)用是未來(lái)發(fā)展方向，涉及了對(duì)海量教學(xué)數(shù)據(jù)的多維度、多層面智能采集與處理分析，其趨向?qū)嵱没源嬖谔魬?zhàn)。5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境憑借高帶寬、高速率、低時(shí)延、邊緣計(jì)算等特性，使得在單位時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)單元中可以采集和傳輸更全面的學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)，這賦予了教育AI 的靈活運(yùn)用可能性。典型的教學(xué)過(guò)程AI 評(píng)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景如圖5所示，在教室中布置多個(gè)AI 攝像頭采集視頻并抓取圖像信息：進(jìn)行臉部朝向檢測(cè)，判斷學(xué)生是否面向講臺(tái)正前方；分析臉部上下左右角度、正面的時(shí)間占比：對(duì)學(xué)生五官及微表情進(jìn)行檢測(cè)分析；監(jiān)測(cè)學(xué)生的非學(xué)習(xí)性行為；通過(guò)專(zhuān)注度分析模型，自動(dòng)分析學(xué)生個(gè)人和班級(jí)整體的學(xué)習(xí)專(zhuān)注度。據(jù)此，利用5G 網(wǎng)絡(luò)高速實(shí)時(shí)地將各種行為統(tǒng)計(jì)結(jié)果回傳給授課老師以及學(xué)校管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的實(shí)時(shí)互動(dòng)以及教學(xué)管理聯(lián)動(dòng)。AI 技術(shù)在教育應(yīng)用過(guò)程中也應(yīng)高度關(guān)注潛在的風(fēng)險(xiǎn)和威脅，如可能泄漏學(xué)生隱私、涉嫌技術(shù)使用的倫理風(fēng)險(xiǎn)等。

AI 技術(shù)融入教育教學(xué)過(guò)程的收益有：①將教學(xué)過(guò)程中老師和學(xué)生的上課狀態(tài)數(shù)據(jù)化，便于深度挖掘教學(xué)過(guò)程監(jiān)管、個(gè)性化教學(xué)等應(yīng)用價(jià)值；②自動(dòng)分析學(xué)生上傳作業(yè)照片和文本，自動(dòng)關(guān)聯(lián)相應(yīng)的要點(diǎn)和難點(diǎn)，為自主學(xué)習(xí)提供了更多可能性；③在個(gè)人學(xué)習(xí)過(guò)程中，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的相互關(guān)聯(lián)性，制作知識(shí)圖譜，制定學(xué)習(xí)計(jì)劃；④準(zhǔn)確判斷學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，推送與之相匹配的學(xué)習(xí)計(jì)劃，提供個(gè)性化的指導(dǎo)方案。

圖4 5G 遠(yuǎn)程聽(tīng)評(píng)課教學(xué)場(chǎng)景

圖5 教學(xué)過(guò)程AI 評(píng)測(cè)場(chǎng)景

（五）智慧校園管理

智慧校園管理主要指校園各類(lèi)設(shè)備的智能化管理。利用智能感知以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)攝像頭、傳感器等各類(lèi)采集設(shè)備全面采集校園環(huán)境和人群的信息，對(duì)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，將分析結(jié)果應(yīng)用到學(xué)校的教學(xué)、科研、管理服務(wù)工作當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)能耗管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)管理、設(shè)備控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)控、車(chē)輛管理等功能，由此保障校園智慧化運(yùn)營(yíng)（見(jiàn)圖6）。

5G 時(shí)代的智慧校園管理的應(yīng)用收益有：①實(shí)現(xiàn)電教設(shè)備的互通互聯(lián)，不同資源、服務(wù)、平臺(tái)之間的互通互聯(lián)，可開(kāi)展本地直接管理或遠(yuǎn)程間接管理；②實(shí)現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備的智慧化管理，構(gòu)建人與環(huán)境互相感知的信息化環(huán)境，全面提高學(xué)校的信息化程度并實(shí)現(xiàn)智慧化節(jié)能減排；③實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和管理優(yōu)化，通過(guò)對(duì)所有設(shè)備使用數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期采集、挖掘和深入分析，優(yōu)化智能監(jiān)測(cè)、控制和管理水平，提高校園整體管理效率。

圖6 基于5G 網(wǎng)絡(luò)的智慧校園管理

五、面向2035年的教育信息化展望

5G 教育應(yīng)用的頂層設(shè)計(jì)，在遵循教育客觀規(guī)律、融入教育行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新應(yīng)用場(chǎng)景為抓手來(lái)推動(dòng)落地建設(shè)、發(fā)揮預(yù)期成效。教育信息化下一階段的發(fā)展重點(diǎn)在于IT 推動(dòng)的教育應(yīng)用創(chuàng)新：①當(dāng)前，教育應(yīng)用的范圍主要包括教育管理平臺(tái)、教學(xué)資源平臺(tái)、家?；?dòng)平臺(tái)、校園監(jiān)控平臺(tái)等，IT 主要作用是改變了教育教學(xué)環(huán)境；②中期（2025年），IT 的作用要滲透并融入到教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、AI 人工智能、VR 等技術(shù)，更精細(xì)、更顯著地提升教學(xué)效果，促進(jìn)教育現(xiàn)代化發(fā)展；③遠(yuǎn)期（2035年），5G 技術(shù)充分發(fā)揮本質(zhì)優(yōu)勢(shì)，合理融入更新一代通信技術(shù)，奠定智能校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，協(xié)同諸多先進(jìn)IT 技術(shù)支撐一體化智能應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，促進(jìn)更多顛覆性教育應(yīng)用。

面向2035年，隨著5G 的普及應(yīng)用甚至升級(jí)換代，教育信息化建設(shè)將進(jìn)入全新階段：①在校園環(huán)境層面，實(shí)現(xiàn)人文關(guān)懷與先進(jìn)技術(shù)的和諧共存；②在校園治理層面，以“5G +大數(shù)據(jù)+ AI”為依托，規(guī)范治理主體，優(yōu)化治理結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮IT 服務(wù)教育的作用；③在具體應(yīng)用模式方面，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程廣播教學(xué)升級(jí)為遠(yuǎn)程高清視頻互動(dòng)教學(xué)甚至是全息視頻互動(dòng)教學(xué)，傳統(tǒng)的多媒體音/視頻教學(xué)升級(jí)為VR/AR 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，傳統(tǒng)的教學(xué)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)升級(jí)為基于AI 能力的全方位的教育教學(xué)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的校園內(nèi)部分散的考勤/監(jiān)控/安防系統(tǒng)升級(jí)整合為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和AI 技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)。