5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)施策略*

陳威兵 張剛林 李瑋

長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410022

0 引言

智能教育生態(tài)系統(tǒng)是教育信息化形態(tài)發(fā)展的代際躍升，而5G（第五代移動(dòng)通信）智能教育生態(tài)系統(tǒng)則是以5G 移動(dòng)通信技術(shù)為支撐與驅(qū)動(dòng)的最新教育信息化形態(tài)。它能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)教學(xué)、個(gè)性化教學(xué)、互聯(lián)協(xié)作教學(xué)以及節(jié)能綠色教學(xué)等教學(xué)場(chǎng)景與教學(xué)體驗(yàn)的創(chuàng)新[1]。它的教育形態(tài)變革更深刻，從工具與技術(shù)的改變、教學(xué)模式的改變可以直接步入學(xué)校形態(tài)的改變。目前，5G 網(wǎng)絡(luò)商用化已落地，它在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也在全面展開(kāi)，因此，系統(tǒng)地研究5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的架構(gòu)、構(gòu)建方法和實(shí)施策略非常有必要。

1 5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的架構(gòu)及構(gòu)建方法

1.1 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵要素及特征

不同學(xué)者勾勒的智能教育生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)略有不同[2]，大致可分為技術(shù)架構(gòu)、應(yīng)用形態(tài)和業(yè)態(tài)趨向三個(gè)關(guān)鍵要素，如圖1[3]所示。其中，應(yīng)用形態(tài)（高層）以技術(shù)架構(gòu)（底層，它由數(shù)據(jù)層、算法層、感知層和服務(wù)層組成）為支撐，同時(shí)又對(duì)技術(shù)架構(gòu)的構(gòu)建起決定作用；技術(shù)架構(gòu)指導(dǎo)業(yè)態(tài)趨向（和教育相關(guān)元素，如學(xué)校、企業(yè)和政府等），同時(shí)又依據(jù)業(yè)態(tài)趨向進(jìn)行自我優(yōu)化；業(yè)態(tài)趨向通過(guò)應(yīng)用形態(tài)的推進(jìn)而不斷發(fā)展，同時(shí)又為應(yīng)用形態(tài)的實(shí)施提供保障。

圖1 智能教育生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵要素及關(guān)系

智能教育生態(tài)系統(tǒng)是生態(tài)系統(tǒng)在教育領(lǐng)域的呈現(xiàn)形式，所以其系統(tǒng)內(nèi)結(jié)構(gòu)元素的關(guān)聯(lián)和互動(dòng)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與規(guī)律都符合生態(tài)系統(tǒng)特征（強(qiáng)調(diào)交互性和平衡性），再考慮加入人工智能和人本因素，就能得出智能教育生態(tài)系統(tǒng)的主要特征，陳雷等[4]將其總結(jié)為：創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、重塑結(jié)構(gòu)、開(kāi)放生態(tài)、尊重個(gè)性、服務(wù)智能與自治演變。

1.2 5G 作用于智能教育生態(tài)系統(tǒng)的本質(zhì)辨析

5G 是劃時(shí)代的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如果說(shuō)4G 改變生活，5G 則是改變社會(huì)?？傮w來(lái)說(shuō)，它具有超寬帶、海量連接、低時(shí)延等諸多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)本身具有開(kāi)放性、生態(tài)性；由于采用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、網(wǎng)絡(luò)切片等新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更適合和社會(huì)各垂直領(lǐng)域（比如教育）相結(jié)合。

5G 支撐和驅(qū)動(dòng)智能教育生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程如圖2所示。由于5G 具有先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以能形成新的原子能力、原子服務(wù)，從而在教育領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)產(chǎn)生新的教育應(yīng)用形態(tài)。它形成的原子能力、原子服務(wù)和教育應(yīng)用形態(tài)更易于VR、AR、MR、AI、云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等先進(jìn)技術(shù)的融入，這也是它作用于智能教育生態(tài)系統(tǒng)時(shí)和其他移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)區(qū)別。

圖2 5G 支撐和驅(qū)動(dòng)智能教育生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程

1.3 5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過(guò)以上分析，可以構(gòu)建出5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖3 所示。系統(tǒng)中技術(shù)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)、算法、感知和服務(wù)四個(gè)關(guān)鍵要素，對(duì)應(yīng)四個(gè)分層：數(shù)據(jù)層完成教育數(shù)據(jù)的采集、加工、整理、分類、存儲(chǔ)和備份等任務(wù)，是技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)部分；算法層包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析的各類人工智能算法，以及用于智能學(xué)習(xí)和智能教學(xué)的相關(guān)算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、語(yǔ)法分析算法、個(gè)性分析算法等，是技術(shù)架構(gòu)的核心部分；感知層感知學(xué)習(xí)者、教學(xué)者和管理者在系統(tǒng)中的行為、反應(yīng)，需要進(jìn)行一定的智能判別；服務(wù)層直接為教學(xué)應(yīng)用形態(tài)提供面向不同身份參與者的服務(wù)代理，有別于5G 網(wǎng)絡(luò)提供的原子服務(wù)，它是某項(xiàng)教學(xué)應(yīng)用形態(tài)中一個(gè)組成部分，也可以為不同的教學(xué)應(yīng)用形態(tài)使用。當(dāng)然，分層是從邏輯上區(qū)分的，如果從實(shí)體上區(qū)分，技術(shù)架構(gòu)由“云、管、端”組成。“云”有公有云、私有云和混合云；“管”包括若干個(gè)控制中心，如數(shù)據(jù)控制中心、智能化管理控制中心等；“端”主要是學(xué)習(xí)終端、教學(xué)終端、信息采集端等。

圖3 5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.4 5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)總體構(gòu)建方法

以“人工智能服務(wù)教育”為指導(dǎo)理念，以“5G+人工智能技術(shù)”為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，以智能校園、基于大數(shù)據(jù)智能的學(xué)習(xí)空間平臺(tái)、智能虛擬助理、立體綜合智能教學(xué)場(chǎng)地等“人工智能+教育”應(yīng)用形態(tài)為支撐，以智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)為手段，構(gòu)建以學(xué)習(xí)者為中心的智能化教育環(huán)境，推動(dòng)人才培養(yǎng)模式改革，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式、教學(xué)方法和教育模式的創(chuàng)新。

2 5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)施策略

如何利用5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮好“5G+智能教育”的效能，全面提高教育教學(xué)水平，是擺在我們面前的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2.1 打造5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)

構(gòu)筑5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)是發(fā)揮“5G+智能教育”效能的前提，需要從以下幾方面加強(qiáng)建設(shè)。

2.1.1 支撐網(wǎng)絡(luò)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋面的拓寬，其超寬帶連接、低時(shí)延和移動(dòng)邊緣計(jì)算特性，可以解決目前系統(tǒng)設(shè)備做不到無(wú)縫互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)終端無(wú)法進(jìn)行有效管控、網(wǎng)絡(luò)并發(fā)訪問(wèn)高時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)質(zhì)量控制服務(wù)與邊緣服務(wù)緩沖服務(wù)的問(wèn)題。為加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)傳輸、管理能力和安全性，還可以考慮基于5G 切片技術(shù)的全連接教育專網(wǎng)，以及基于5G 邊緣計(jì)算的智能教育邊緣云。除此以外，為加強(qiáng)智能化采集與控制能力，需要通過(guò)電腦、手機(jī)、iPad（平板電腦）、傳感器、攝像頭、可穿戴設(shè)備等進(jìn)行全體系的物聯(lián)網(wǎng)終端布局[5]，以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園“人—物—景”的全方位感知。

2.1.2 智能終端

開(kāi)發(fā)并購(gòu)置諸多為特定智能教育應(yīng)用形態(tài)服務(wù)的智能終端，比如智慧課程就需要交互智能平板、記憶黑板、一體化黑板等用于教師電子授課的交互大屏終端，教師控制臺(tái)，智慧學(xué)習(xí)筆，側(cè)重課程常態(tài)化錄制和播放、傳遞“名師優(yōu)課”的常態(tài)化錄播套裝（有錄播主機(jī)、攝像頭、麥克風(fēng)等），展現(xiàn)學(xué)校、班級(jí)文化風(fēng)采，能用于走班考勤的班牌終端，提升教師課堂教學(xué)互動(dòng)效率的授課寶終端，用于教師紙質(zhì)教材展示及學(xué)生課堂生成展示的高拍儀、移動(dòng)展臺(tái)終端等。

2.1.3 智能軟件

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，需要在采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用各類智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和判定，形成智能軟件，具備用戶認(rèn)證和開(kāi)放接口接入能力、安全認(rèn)證能力、云計(jì)算與存儲(chǔ)的服務(wù)能力、大數(shù)據(jù)分析與決策支持能力、行為識(shí)別能力、情境感知能力。與此同時(shí)，基于5G 邊緣端可計(jì)算的特性可進(jìn)行基于安全協(xié)議和規(guī)范的信息處理，打造強(qiáng)有力的安全認(rèn)證能力，通過(guò)大數(shù)據(jù)能力對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行智能分析，提供決策支撐及預(yù)警預(yù)判。智能軟件一部分是為公共基礎(chǔ)平臺(tái)服務(wù)的，也有為一個(gè)或幾個(gè)特定智能教育應(yīng)用形態(tài)服務(wù)的。

2.1.4 切片方案

5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)是一種全新教育生態(tài)，其智能教育應(yīng)用形態(tài)將涵蓋教學(xué)、教研、教育管理、評(píng)價(jià)、區(qū)域治理、終身學(xué)習(xí)以及教育公共服務(wù)等。這些應(yīng)用形態(tài)有些是新的，有些是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行重構(gòu)的。比如5G 互動(dòng)教學(xué)就是在傳承各種類型、各種布局的智慧課堂中，將其必要組成軟硬件模塊進(jìn)行5G 化處理，從原來(lái)的有線網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)承載，轉(zhuǎn)變?yōu)橛筛咝阅艿?G 網(wǎng)絡(luò)來(lái)承載，在安全可靠、穩(wěn)定持續(xù)、響應(yīng)速度、免維護(hù)等層面，帶給師生全新的用戶體驗(yàn)。不管是新建還是重構(gòu)的智能教育應(yīng)用項(xiàng)目，都需要對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片，也就是將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)滿足不同的服務(wù)需求；同時(shí)為不同教育應(yīng)用形態(tài)之間提供相互隔離。

2.1.5 平臺(tái)連接

教育信息化要求教學(xué)應(yīng)用覆蓋全體教師，學(xué)習(xí)應(yīng)用覆蓋全體適齡學(xué)生，數(shù)字校園建設(shè)覆蓋全體學(xué)校。然而基礎(chǔ)平臺(tái)不可能一下子實(shí)現(xiàn)這種全域覆蓋，各地的教學(xué)硬件設(shè)施基礎(chǔ)也不一樣，因此，各地/各區(qū)域、各個(gè)學(xué)?？梢砸罁?jù)自己的實(shí)際情況，先行建立校園內(nèi)或區(qū)域內(nèi)的5G智能教育生態(tài)基礎(chǔ)平臺(tái)。當(dāng)然，最終這些平臺(tái)還是要互聯(lián)在一起，所以為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)有效連接，需要做好相關(guān)工作：1）平臺(tái)連接前，區(qū)域平臺(tái)的建設(shè)要有統(tǒng)一的指導(dǎo)方案；2）智能教育產(chǎn)品要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，平臺(tái)接口要有統(tǒng)一的協(xié)議；3）平臺(tái)連接后要有整合升級(jí)的處理過(guò)程，比如要匯聚各校園/區(qū)域的學(xué)習(xí)、教學(xué)、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，建立綜合的教學(xué)資源中心、調(diào)度中心，遠(yuǎn)程巡考、遠(yuǎn)程督導(dǎo)、遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)學(xué)情等區(qū)域治理措施要擴(kuò)展范圍。

2.2 搞好“?！蟆眳f(xié)同，優(yōu)化5G 智能教育生態(tài)環(huán)境

“校”“企”“政”是5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)中業(yè)態(tài)趨向的重要組成元素，只有它們努力完成各自的任務(wù)，并協(xié)同一致，才能優(yōu)化5G 智能教育生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)智能教育發(fā)展，具體說(shuō)明如下。

2.2.1 任務(wù)分工

學(xué)校主要由各類學(xué)前教育機(jī)構(gòu)、中小學(xué)、高等院校、職業(yè)院校和教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)組成，是5G 智慧教育實(shí)施的主體，需要完成所在學(xué)校、機(jī)構(gòu)智能教育的規(guī)劃、管理、建設(shè)和實(shí)施。企業(yè)包括教育信息化廠商、教育設(shè)備商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、芯片模組廠商、ICT（信息與通信技術(shù)）解決方案提供商、教育資源提供商等，負(fù)責(zé)5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)解決方案、網(wǎng)絡(luò)支撐、項(xiàng)目服務(wù)、設(shè)備提供、內(nèi)容分發(fā)等。教育行政部門(mén)出臺(tái)智能教育促進(jìn)政策和產(chǎn)業(yè)政策，工信部門(mén)出臺(tái)智能教育產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2.2.2 協(xié)同一致

由智能教育相關(guān)的學(xué)校、企事業(yè)單位、社團(tuán)組織、科研院所等成立跨行業(yè)、開(kāi)放性、非營(yíng)利性的5G 智能教育聯(lián)盟，可以促進(jìn)相關(guān)主體之間的交流和深度合作，促進(jìn)供需對(duì)接和知識(shí)共享，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效推進(jìn)智能教育產(chǎn)業(yè)發(fā)展。再就是圍繞5G 智能教育關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)，打造5G 智能教育應(yīng)用項(xiàng)目的典型范例并在聯(lián)盟內(nèi)進(jìn)行推廣。

2.3 結(jié)合平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，融入先進(jìn)理念，推動(dòng)教育深度變革

5G 支撐的智能教育具有突出的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，可以為教育教學(xué)提供無(wú)限可能，應(yīng)融入先進(jìn)教育理念，推動(dòng)教育深度改革，促進(jìn)教育水平的提高，并倒逼智能教育系統(tǒng)平臺(tái)創(chuàng)新，分析如下。

2.3.1 教育改革

5G 時(shí)代帶來(lái)的變革是4G 時(shí)代完全不能比擬的，平臺(tái)具有先天優(yōu)勢(shì)，但教育效果不能簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化提升，需要采取一系列改革措施：1）通過(guò)培訓(xùn)與實(shí)踐，提高教師的智能化教學(xué)應(yīng)用水平；2）通過(guò)沉浸式環(huán)境的營(yíng)造，使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)從被動(dòng)地接受轉(zhuǎn)向主動(dòng)地參與；3）融入以學(xué)生為中心、個(gè)性化教學(xué)、OBE（產(chǎn)出導(dǎo)向）、綠色教育等先進(jìn)教育理念；4）將認(rèn)知主義、行為主義、建構(gòu)主義等傳統(tǒng)的教育理論納入系統(tǒng)，予以重新認(rèn)識(shí)和校驗(yàn)，一方面驗(yàn)證它們的正確性、可擴(kuò)展性、技術(shù)的延展性、學(xué)習(xí)理論屬性的不變性，另一方面探明其新擴(kuò)展的內(nèi)涵，這樣可以更好地運(yùn)用這些教育理論；5）教學(xué)、教研、教管、評(píng)價(jià)、校園管理改革同步開(kāi)展，相互促進(jìn)。

在開(kāi)展教育改革時(shí)可采取先易后難、先示范后推廣的方法，逐步形成完善的生態(tài)系統(tǒng)。最后從根本上重新設(shè)計(jì)學(xué)校，使得未來(lái)的學(xué)校形態(tài)由統(tǒng)一走向個(gè)性化和自組織。

2.3.2 平臺(tái)提升

為符合先進(jìn)教育理念，達(dá)到更好的教育效果，5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)需要一些新的智能教育應(yīng)用形態(tài)。而新的高智能教育應(yīng)用形態(tài)又需要更先進(jìn)的基礎(chǔ)平臺(tái)支撐，引發(fā)平臺(tái)新的技術(shù)攻關(guān)。新技術(shù)同樣可以創(chuàng)造或重構(gòu)智能教育應(yīng)用形態(tài)，這是一個(gè)雙螺旋提升過(guò)程。

3 結(jié)束語(yǔ)

在教育信息化的實(shí)踐過(guò)程中，技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用給人類社會(huì)帶來(lái)了顯著影響。5G 的出現(xiàn)，給教育信息化提供了巨大的助力，特別是它和AI、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、寬帶物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)能實(shí)現(xiàn)有機(jī)融合，它給教育所造成的沖擊超出了人們的想象，會(huì)引發(fā)智能教育的深度變革。目前，5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)將在教育領(lǐng)域正式運(yùn)行，當(dāng)然它也面臨一些挑戰(zhàn)。本文系統(tǒng)分析了5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的由來(lái)、架構(gòu)、構(gòu)筑方法，給出了5G 智能教育生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)施策略，相信將有益于“5G+智能教育”的運(yùn)用。