5G技術應用于教育的現(xiàn)狀分析

付思墁，張 麗，呂 婷，羅冬梅，趙 倩，朱山立

（湖南農(nóng)業(yè)大學 教育學院，湖南 長沙 410128）

0 引 言

5G技術的發(fā)展給人類帶來了新機遇和新挑戰(zhàn)。5G技術廣泛應用不僅會改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷妫步o教育創(chuàng)造了更好的環(huán)境基礎，促進VR教育、智慧教育和智能遠程教育應用，滿足教學、科研、學習和實驗等活動的高層需求。

基于文獻分析和對國內(nèi)外5G技術的進展及其教育應用的定期追蹤，發(fā)現(xiàn)5G技術教育應用的研究基本上與教育場景應用相結合，側重于對教育資源、教育環(huán)境、教育管理和教育評價的介紹。研究中定性研究多于定量研究，規(guī)范研究多于實證研究，主要有VR教育、智慧教育、信息化發(fā)展、人才培養(yǎng)模式、課程建構模式以及數(shù)字化校園等研究主題。從研究深度來看，目前集中在移動通信技術研究，教育應用處在探索的初期，研究范圍小，對典型案例關注度不夠。

1 5G技術的研究進展和教育應用內(nèi)涵

1.1 5G技術的基本概念

5G是第五代移動通信技術，也是第五代移動電話行動通信標準，其傳輸峰值速率比目前的4G增長百倍，是虛擬現(xiàn)實場景需要的網(wǎng)速要求。5G每平方公里面積上能連接的用戶點數(shù)可達100萬個，是物聯(lián)網(wǎng)需要的通信環(huán)境。5G技術構建的是新的信息高速公路，與4G相比，將信息傳播速度提升兩個數(shù)量級，將信息的運送寬度即信息容量提升了兩個數(shù)量級，將延時降到毫秒級以下（降為原來的1/50），將處理速度提升一倍，可以為速度500 km/h的終端設備提供穩(wěn)定服務。5G的特點是高速率、低延時、高容量、高接入數(shù)、低能耗和低成本。

1.2 5G技術的發(fā)展歷程

2001年提出5G概念，2009年早期研究，2013年開始政府和多家公司投入大量資金進行5G技術研究，技術研究與商業(yè)應用都很快推進，詳見表1。

《2019移動經(jīng)濟報告》預計：到2025年發(fā)布5G商用網(wǎng)絡的國家將占到全球的一半，5G eMBB連接數(shù)將達14億[21]。

1.3 5G環(huán)境的教育應用內(nèi)涵

趙志輝等[22]認為，5G為高校信息化創(chuàng)新應用開辟了新領域，借助5G網(wǎng)絡的部署進程，將核心技術植入校園骨干網(wǎng)，髙校信息化建設實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，打通了高校信息化應用從用戶移動終端到無線AP的“最后一公里”。李小平等[23]認為5G將解決受帶寬限制出現(xiàn)的問題，解決教學課件傳輸質(zhì)量、延遲、卡頓和宕機現(xiàn)象，高質(zhì)量高帶寬的虛擬現(xiàn)實實驗、3D采集、多媒體遠程教育、游戲化課程、高清、手機課程、多類型媒體網(wǎng)絡融合課程、物聯(lián)網(wǎng)課程以及移動實習實驗系統(tǒng)將成為現(xiàn)實，教學資源的形式將大大擴展，從二維到三維，向智能化、多種媒體平臺轉換，向知識傳達轉為知識體驗。趙興龍等[24]的應用發(fā)觀認為，隨著5G的普及，以往的阻礙壁壘被攻克，當師生習慣于5G時，應該優(yōu)先考慮將技術驅(qū)動的機制直接作用于課堂教學，將技術融入具體的課堂教學實踐獲得啟發(fā)并不斷反思改進，這是信息技術優(yōu)化育人生態(tài)的新思考。

表1 5G發(fā)展歷程

5G的特點是高速率、低延時、高容量、高接入數(shù)、低能耗和低成本，有利于構建新的基礎環(huán)境。隨著5G技術逐漸成熟普及和其他技術的進步，5G環(huán)境下的教育教學模式發(fā)生變化。遠程教育與校內(nèi)教育的界線會逐漸淡化；教育教學資源形式會發(fā)生變化，為滿足學習需要，虛擬與現(xiàn)實的混合度提高；教學方法會發(fā)生變化，向充分的個性化教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)轉變；甚至教育制度也會產(chǎn)生某些變化，一些壓抑人的天性的制度會有轉變，這是5G環(huán)境下教育應用的內(nèi)涵。

2 教育應用相關的5G關鍵技術

在不同的教育場景中，各技術將發(fā)揮不同的作用，而5G關鍵技術對教育應用十分重要。

2.1 大規(guī)模MIMO技術

大規(guī)模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術是未來5G中的一項重要技術，憑借多重天線同步收發(fā)信號，有效改善了通信質(zhì)量，增強了信號傳輸?shù)馁|(zhì)量與水平[22]。它在傳送加密試卷和機密文件時，可保證資料的可靠性，降低誤碼率。有了大規(guī)模MIMO技術的賦能，5G在遠程直播課堂、智慧課堂以及教育教學測評中，將釋放更大的能量。

2.2 同時同頻雙全工技術

同時同頻全雙工技術是5G空中接口的關鍵技術之一，可在一個物理信道上傳輸兩個方向的信號，大大提升了無線資源的使用效率。5G借助同時同頻全雙工技術可充分滿足學習資源和學習環(huán)境交互的需求，使學習資源多元化和情景化，使學習環(huán)境優(yōu)質(zhì)化和個性化。

2.3 SDN/NFV關鍵技術

SDN分開設計網(wǎng)絡的控制平面和轉發(fā)平面，智能組織移動網(wǎng)絡。NFV技術為了不再依賴于專用硬件，使用軟硬件解耦和功能抽象，靈活共享資源。這兩項技術和5G結合，提升了學校有線網(wǎng)、無線網(wǎng)以及數(shù)據(jù)中心等基礎網(wǎng)絡設施性能，降低了學校網(wǎng)絡設備成本[25]。資源共享能夠促進課堂教學，豐富遠程學習、在線學習、移動學習和泛在學習內(nèi)容，打造更加靈活、高效的教學場景。

2.4 MEC移動邊緣計算

MEC移動邊緣計算是在用戶終端和無線接入網(wǎng)之間的邊緣實現(xiàn)云端計算功能。借助5G超高帶寬和MEC的邊緣計算能力，MEC的教育應用將伸展至個性化學習、智慧教學、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等方面。例如：云端智能平臺可計算、存儲、處理各種教學數(shù)據(jù)，向不同學習者提供個性化學習資源，向不同學校提供定制化和差異化服務；觀看直播學生基于多視角直播可以彌補現(xiàn)場角度問題而無法觀看到的場景，直播外的學生基于VR超高清沉浸式直播可以獲得更好的學習體驗；全息立體顯示與教學過程融合，實現(xiàn)跨時空教學資源的多屏投射，讓教室中的教學場景變得真實和豐富[26]。

2.5 網(wǎng)絡切片

網(wǎng)絡切片是將一個物理網(wǎng)絡切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡，根據(jù)不同的服務需求如移動性、安全性、時延和可靠性等來劃分，靈活應對不同的應用場景。

網(wǎng)絡切片技術的出現(xiàn)可以有效解決各類教學需求，提供適配不同領域需求的網(wǎng)絡資源。例如：將教學高清視頻和立體視頻、高容量場景會議VR/AR切片、游戲化教學切片、手機切片（微信）熱點等切割成多個端對端的虛擬網(wǎng)絡，享受20 Gb/s移動寬帶資源；將大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)切片單獨分割成獨立的虛擬網(wǎng)絡，享受每平方公里200 000連接數(shù)的高密度、低功耗、低時延的海量物聯(lián)網(wǎng)；將虛擬現(xiàn)實控制網(wǎng)中的虛擬現(xiàn)實控制關鍵單獨切片形成獨立的虛擬網(wǎng)絡，享受低于1 ms的時延性能[23]。

2.6 自組織網(wǎng)絡技術

自組織網(wǎng)絡技術可解決網(wǎng)絡部署階段的自規(guī)劃和自配，以及網(wǎng)絡維護階段的自優(yōu)化和自修復問題，能夠有效降低運營商的運行開銷，提高網(wǎng)絡性能。因此，智能的自組織網(wǎng)絡將成為5G不可或缺的又一關鍵技術。這種網(wǎng)絡形式能夠更加快速、便捷、高效地部署，可滿足一些臨時、突發(fā)的教學場合的通信需要，如視頻點播和科學考察等。

自組織網(wǎng)絡技術在教學方面也有廣闊的應用前景，如多傳感智能感知能夠?qū)處熜枨蟆W習過程和學習情境進行全方位感知，為教師教學和學生學習提供服務；個性化人機交互能夠基于每個學生不同的學習習慣，為其量身打造最適合的學習方法；智能輔助決策能夠監(jiān)控教學視頻對課堂行為進行動態(tài)分析，為教師和管理者提供決策支持。

2.7 密集網(wǎng)絡覆蓋技術

密集網(wǎng)絡覆蓋技術是5G潛在的關鍵技術之一，主要通過應用龐大數(shù)據(jù)流量調(diào)整與改進網(wǎng)絡覆蓋的形式，從而大幅度提升系統(tǒng)容量，對業(yè)務進行分流[27]。

密集網(wǎng)絡覆蓋技術可解決各種教學實際問題。例如，它可以靈活根據(jù)數(shù)據(jù)流量的需求在教學熱點區(qū)域進行擴容，密集組網(wǎng)通過加密部署、數(shù)據(jù)備份可防止信息泄露、文件丟失，密集網(wǎng)絡覆蓋的干擾管理技術可解決相鄰教學樓間干擾協(xié)調(diào)的問題。

2.8 高頻段傳輸

高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可以實現(xiàn)極高速短距離通信，容量大，滿足5G的容量和速率需求[28]。傳輸速率快、攜帶能量大，為智慧教育和AI教育提供了強大保障。例如，教育環(huán)境中所有要素間的快速互通，智慧課堂內(nèi)涵延伸；AI的大腦成像技術，需要更靈敏的速率來檢測大腦的情緒，追蹤學生的情感狀態(tài)。

3 5G技術的教育應用分析

5G技術構造新的通信環(huán)境，5G環(huán)境下的教育正開啟新的模式，將會引起教育領域新的變革。目前是5G商用嘗試階段，成熟的過程是循序漸進、逐漸完善的。5G環(huán)境下的教育應用會出現(xiàn)各種新局面，下面收集了5G技術教育應用的典型案例進行分析。

3.1 5G的低延遲和高速率將擴展VR/AR，推動“VR+教育”的實現(xiàn)

“VR+教育”是創(chuàng)新教育的方向，但目前VR/AR資源成本過高、硬件不成熟、很難實現(xiàn)多個應用場景的轉換，在教學中的使用率極低。4G的移動通信還不能滿足VR的高傳輸要求，而5G 10 Gb/s的傳輸速度、10 ms以下的低延遲將極大改善AR/VR的用戶體驗，擴展VR/AR應用資源。可以將VR的復雜處理設在云端，困擾VR移動端應用的問題也會迎刃而解[29]。在5G環(huán)境下，VR輔助教育提升知識理解。谷歌已推出專為教學使用構建的VR教育平臺，百度VR教室也已在安徽、浙江、上海等地相繼落地。2018年9月，Verizon和紐約媒體實驗室合作開展了利用混合現(xiàn)實和機器學習技術的5G教育解決方案的Verizon 5G EdTech挑戰(zhàn)賽。2019年威爾文教的“VR超感教室”構建VR智能教學生態(tài)系統(tǒng)[30]。華為發(fā)布了基于5G云的VR連接服務，包括智終端、寬管道和云應用的5G典型業(yè)務模式[31]。

更多的VR教育應用場景在5G環(huán)境下將成為自然的情境：地震、消防等災害虛實結合場景的“演習”教學；車輛拆裝、飛機駕駛、手術的“虛擬訓練”，感覺完全真實，成本和風險都變得很小；集中式VR學術會議、集中式虛擬實驗、大規(guī)模現(xiàn)場在線學習；博物館展覽、史前時代、深海、太空等科普教學的三維場景；虛擬“真人”陪練等。可見，VR、AR、MR、CR等技術將會獲得真正的應用。

3.2 超高清視頻遠程沉浸式互動教學助力教學新模式

2018年中國首個5G+8K視頻技術的遠程醫(yī)療模擬，5G實現(xiàn)超高清音視頻的實時傳輸[30]。遠程沉浸式互動教學傳遞到偏遠地區(qū)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教育資源遠程分配，助力教育均衡，有利于改變城市和農(nóng)村教育差距。

5G能實時傳輸教學過程數(shù)據(jù)，智慧課堂將能分析學生的學習實況。噠噠英語的動態(tài)分布式流媒體系統(tǒng)，保證了國內(nèi)學生可以和全球教師進行低延時視頻交流。犀牛云提供視頻直播SDK、視頻推流和傳輸、視頻分享等多個解決方案，提供即需即用、穩(wěn)定快速、高質(zhì)量、低時延、多協(xié)議、全終端的視頻內(nèi)容生產(chǎn)應用服務[32]。

混合現(xiàn)實遠程教室的部署，5G的增強型移動寬帶和高可靠、低時延特點能夠在云端進行大量本地運算，各種教學內(nèi)容、素材觸手可及，學生與教師相隔萬里也能夠充分互動，極大地提高了教學效率和教學質(zhì)量。

3.3 “5G+智慧教育”，實現(xiàn)個性化人才培養(yǎng)

2018年5月5 日，中國移動“5G+未來教育”高峰論壇打造“云+端”個性化教育業(yè)務。利用大數(shù)據(jù)、云計算、人臉識別以及人工智能技術，建立電子圍欄、互動學生卡、智慧學習筆、魔鏡系統(tǒng)和直播課堂等。

2019年首個5G高校建成，“5G+人工智能應用創(chuàng)新實驗室”投入使用，好未來智慧教育將各類教學資源和教學服務融合，應用大數(shù)據(jù)分析技術與智能分析系統(tǒng)，完成智能定級評測、個性分級閱讀、聽讀測三維訓練、在線作業(yè)布置檢查以及學業(yè)數(shù)據(jù)智能診斷等功能。

5G的物聯(lián)網(wǎng)應用將改變課堂。課堂中的教學資源如屏幕、網(wǎng)絡、內(nèi)容都具有智慧，無縫配合教師教學。比如，根據(jù)學生筆記分析，向教師實時反饋仍然存在的問題，實現(xiàn)全場景智慧化教學。

3.4 復雜應用創(chuàng)造復雜系統(tǒng)學習，建構實踐訓練新場景

5G通信技術助力無人機進行高清現(xiàn)場實踐教學。在上海虹口北外灘，無人機與5G網(wǎng)絡技術配合完成了直播4K高清全景視頻。東莞供電局運用無人機和5G技術完成自動化電力巡檢，直播傳回的變電站設備上的信號燈和字跡顯示清晰。杭州余杭未來研創(chuàng)園的新型物流配送，通過“無人機+5G”的實時視覺識別確定投放點完成配送。基于5G通信的無人機可以用于農(nóng)藥噴灑、森林防火和地理測繪等場合[30]。5G是車聯(lián)網(wǎng)的通信基礎，中國移動在北京房山區(qū)政府支持下建成了開放式測試道路，試驗自動駕駛。華為、羅德與施瓦茨（R&S）合作，在德國慕尼黑開展5G V2X通信，用于移動汽車現(xiàn)場測試中的協(xié)同駕駛應用[30]。廈門市交通運輸局推動廈門BRT無人駕駛。

海南總醫(yī)院在5G網(wǎng)絡環(huán)境下，遠程操作機械臂給身在北京的患者完成了人體心臟手術。上海市第一醫(yī)院打造5G智慧醫(yī)療聯(lián)合創(chuàng)新中心，實現(xiàn)遠程查房、區(qū)域醫(yī)學影像中心遠程會診、遠程手術教學和遠程操作機械臂診療[33]。北京移動與華為合作完成了中日友好醫(yī)院5G室內(nèi)數(shù)字化系統(tǒng)部署。

杭汽輪集團建立了5G檢測系統(tǒng)，以前需要3天的檢測工作，現(xiàn)在只需要3～5 min，同時在實現(xiàn)產(chǎn)品全檢測的基礎上建立了質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫。貴陽市5G創(chuàng)新實驗室通過5G網(wǎng)絡實現(xiàn)了對整個生產(chǎn)制造過程和設備狀態(tài)情況的實時監(jiān)測。

各種復雜場合的實際應用都需要學習，這種現(xiàn)場實踐學習是復雜系統(tǒng)的學習，而基于5G可創(chuàng)建實踐訓練新模式。

3.5 智能化教學環(huán)境實現(xiàn)人性化教學管理

隨著5G技術的出現(xiàn)，5G創(chuàng)新中心將引領下一代教育。Verizon首席企業(yè)社會責任官Rose Kirk表示：“我們需要改變許多學生的教育機會和生活軌跡。5G技術將在課堂上開啟我們甚至無法想象的大門，最終將賦予學生更大的成功、更積極參與的能力，并讓他們接觸高等教育和新的職業(yè)道路。”

華為META與云端智能結合制作出導盲頭盔，解決視力障礙人群的視角問題。NEC公司推出的ARmKeypad基于AR技術，在眼鏡上設計虛擬鍵盤，在智能手表中實現(xiàn)AR、AI監(jiān)護等新型應用。

智能巡檢機器人在5G環(huán)境支持下可實現(xiàn)校園巡檢、園區(qū)巡邏等，基于5G+高清視頻的人臉識別等新型功能能實現(xiàn)學校的人性化管理。

以5G技術為基礎，將有一場“教育教學變革的風暴”。

4 結 論

根據(jù)IDC的中國智能終端市場調(diào)查，2019年20%的教育用戶希望使用VR解決方案，5G的低延遲和高速率將擴展VR/AR，推動“VR+教育”的實現(xiàn)，5G將為VR教育應用帶來爆炸式增長。5G會改變教學的組織方式、遠程互動課堂、虛擬現(xiàn)實教學、AI智慧教育和校園智能管理，超高清視頻遠程沉浸式互動教學可助力教學新模式，“5G+智慧教育”可實現(xiàn)個性化人才培養(yǎng)。5G推動教育裝備升級，教學不受空間限制的互動化和場景化，復雜應用催生復雜系統(tǒng)學習，如農(nóng)作物實驗、機器運行探測實驗、汽車燃燒變化實驗等監(jiān)控傳感系統(tǒng)直接觀測實驗結果。新應用創(chuàng)造出實踐訓練新場景，構造遠程現(xiàn)實實驗實訓環(huán)境。同時，智能化教學環(huán)境實現(xiàn)人性化教學管理。當然新的環(huán)境構建可能會使網(wǎng)絡攻擊、互聯(lián)網(wǎng)病毒、惡意代碼獲得機會，因此安全研究需要同步進行。