5G+技術特征與教育應用場景分析

宋家蒂

(渤海大學 教育科學學院，遼寧 錦州121013)

0 引言

當前，以互聯網和通信技術為代表的新科學技術已成為推動人類社會和經濟發展的基礎。2019年，中國移動發表《5G智慧校園白皮書》，這標志著5G技術開始在各領域的商業應用。2020年，在推動5G和相關產業協同發展的同時也深入對5G的技術實質和發展規律進行深刻思考，逐步形成“5G+行動計劃” ,此計劃以5G+技術為核心理念。在教育領域，5G+技術能夠滿足個性化和智能化的教育需求，為未來教育發展提供了可能：一方面是新教育思想與理念的層出不窮，形成了追求平等教育、創新教育和個性化教育的共同主題；另一方面是新媒體技術不斷涌現，使現代教學活動日趨深度化和高階化。隨著5G技術與VR/AR和全息投影等技術不斷完善發展，技術對教學活動的認知支持作用將會更加突出，教學變得更精準，知識變得更易懂，學習也會更快樂，學習從被動學習轉變為主動學習，并使終身學習成為現實。通過5G+技術與教育教學的有機融合，可以更好地解決教育教學實踐中存在的問題，促進教育信息化快速發展。

1 5G+技術及其特征

5G就是5th-Generation的簡稱，是繼1G、2G、3G、4G之后的第五代移動通信技術。從1G解決了通信的移動化到2G進入數字通信時代，3G進入數據通信時代，都讓人們的通信和生活質量得到提升，而4G的出現帶來的不僅是一個移動互聯網的時代，隨之出現的還有位置導航服務、社交系統軟件以及移動支付方式等帶來便利的功能，這些都極大地提升了人們的生活質量。目前，隨著5G網絡技術建成與應用，5G+技術將賦能千行百業。

1.1 5G+技術

5G+是指將5G技術與社會各行業深度融合，以構建完善的新生態來推動經濟社會全面信息化發展，進而更好地推動5G發展。目前，社會生活中的5G+技術應用(5G+行動計劃)主要體現在4個方面：①“5G+4G”，即5G與4G的協同，在二者共同支撐下構成的基礎網絡設施和技術應用領域能為人們提供豐富的網絡服務，包括數據處理與通信保障；②“5G+AICDE”(即人工智能、物聯網、云計算、大數據和邊緣計算)，這是“5G+”行動計劃的核心，是將5G通信技術作為技術基礎，促進其與移動互聯、大數據、人工智能、云計算、物聯網、邊緣計算等新技術的有效融合，形成1+1>2的規模鏈式應用反應，推動“5G+AICDE”的實施，將會給社會帶來巨大的產業空間；③“5G+Ecology”，即充分發揮5G技術的生態輻射力與影響力，加強建設開放型的生態體系，實現資源共享、生態共生、互利共贏和融通發展；④“5G+X(X代表變量，代表其在各行各業的應用)”，即促進5G技術和各行各業的深度融合。如“5G+教育”“5G+智慧醫療”和“5G+智慧交通”等，5G技術將推動各行業的數字化與智能化轉型，并為服務創新、跨行業共建和生態系統應用提供廣闊的發展空間。

1.2 5G+技術特征

1.2.1 高速度

在移動通信技術每一次升級過程中，最直接的感受就是在速度方面，技術每升級一次，用戶的體驗速度都會有大幅度的提升，這種大幅度的網速提升保證了人們的網絡體驗品質。在理論上，5G技術能夠實現每一個基站的速度為20Gbps的目標，而每一個用戶的實際效度則可能接近1Gbps，如此高的速度會給經濟帶來很多新的機會，比如虛擬現實就可以借助5G實現新的突破。此前VR用戶體驗感差，很大一部分原因是網絡支持不達標，難以很好地實現高清同步傳輸。5G技術的到來在加強VR技術發展的同時，也能夠進一步推進在線教育、沉浸式教學和交互式教學等方式從理念轉變為實際應用。并且會用各種新興技術支持更大的寬帶和更高的速度。5G技術在此基礎上不斷進步，才能讓傳統業務和服務有更好的體驗。

1.2.2 泛在網

目前，泛在網實質包括兩個層面：一個是廣泛覆蓋，即凡是人類足跡能夠延伸到的地方，都必須要有網絡的覆蓋，例如高山、峽谷和戈壁等，在5G+時代都會有相應網絡的覆蓋；另一個則是縱深覆蓋，即泛在網的發展能夠有效地提供很多更好的網絡服務，人們生活中已有的網絡部署將會進入到更高品質的應用階段，且網絡應用體驗品質能達到一個更為優質的標準。泛在網是從人與人通信為主的電信網向人與物、物與物的通信廣泛延伸的“大”信息通信網絡，是經濟社會全面信息化的概括。網絡的基本特征包括廣泛存在和全面應用兩方面，其目標是實現任何人、任何物都能隨時隨地進行便捷快速的信息傳播，這些都是基于個人和社會的需求，為其提供全面的信息服務與應用。

1.2.3 低功耗

5G技術能夠支持物聯網應用，其最主要的就是需要考慮并解決功耗方面的問題。如果智能設備每天都需要充電好幾個小時，就會導致用戶的體驗感較差，從而嚴重影響設備在普通民眾日常生活中的普及應用。5G技術的低功耗主要采用2種技術手段來實現，高通等主導的eMTC和華為主導的NB-IoT。前者是運用eMTC技術在蜂窩網絡支撐下進行部署，此技術手段支持上下行的最大峰值速度為1Mbps；后者運用NB-IoT技術在蜂窩網絡的支持下實現構建，雖然所消耗的帶寬大約為180kHz，但由于此技術可以直接部署在GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡上，因此能夠實現低成本和平滑升級的低功耗應用。5G獨特的低功耗廣域網技術能夠與傳輸距離遠、通信數據量少及電池需長時間供電的物聯網應用相互適應。基于5G低功耗研發的各種低頻數據采集傳感器，是未來物聯網構成的核心要件，實現“萬物互聯”到“萬物智聯”底層設施的升級發展。

1.2.4 低時延

時延是指數據從網絡一端傳輸到另一端所消耗的時間。一般來說，人與人、人與機聯通的時延要求并不高，因為人的反應過程需要耗費一定的時間，但是網絡延時會使得一些應用場景受到極大的限制，如在無人駕駛和工業自動化控制領域等。140ms的時延在人與人進行正常信息溝通過程中是合理的，但是這個時延限定在無人駕駛或工業自動化的過程中就無法被接受。而通過5G網絡技術的應用，能夠將各種特殊場景中空中接口的時延標準控制在1ms左右，這也是嚴苛且必要的條件。在這些特殊場景中，低時延的要求極為嚴格，因為信息傳輸與延遲稍長都有可能引起災難性事故。想要實現5G的超低時延，一個必要條件就是將各種技術結合起來，由于端到端的時延是由多段路徑上各端的時延共同組合而成，所以優化也必須將所有端都結合起來。因此， 實現5G的低時延必須滿足兩方面的要求：一方面是在空口傳輸的時延標準上，采取措施將其進行大幅度地降低；另一方面在轉發的節點數上，也要尋找可行路徑將其減少，并且縮減源節點到目的節點之間的“距離”。此外，這個目標的實現需要在整體的支撐下進行，要將空口、網絡架構和核心網等各種技術進行融合，最終滿足各種垂直業務的網絡要求。

1.2.5 萬物萬聯

5G網絡技術能滿足這些不同設備接口共同運行的標準，萬物萬聯已經成為社會發展的一大趨勢。進入5G+應用時代，終端不再是簡單地按照人數來定義，而有可能是一對多的關系，即每個個體都可以擁有多個終端，數不清的智能產品都可以在網絡上相互聯系，形成真正的智能物聯網世界。在5G技術支撐下，以前無法聯網的設備，比如下水井蓋、私家車和街邊的垃圾桶等設備，都會被賦予全新的功能而變得更加智能。總之，5G讓萬物萬聯成為可以實現的目標，實現了萬物之間都能進行信息交換和資源共享的目標。人類社會發展到5G信息技術時代，將會呈現出一個嶄新的世界，在此世界中移動互聯和智能物聯網都能得到整合。5G能廣泛應用于各種智能管理系統或服務產業領域，基于此將可以實現智慧教育、智慧城市和智慧地球。

1.2.6 安全重構

5G技術本身有著十分廣泛的應用范圍，包括金融、醫療、教育和交通等各個產業領域中的應用，其數據傳輸量很大，內容也較為復雜，這就使其系統運行的安全水平與4G技術時代相比必須有所提升。這種建立在5G基礎上的智能互聯網功能更加多元化，因為除了傳統的互聯網自由、開放和共享等基本功能以外，還要建立起一個全新的功能體系，因此安全是5G時代智能物聯網的首要要求。而5G網絡的特點之一就是內網與外網之間的分界，二者之間的界限越來越不清晰這點也是網絡泛化的一個大趨勢，由此而產生的網絡安全問題也變得越來越復雜多樣，尤其是在一些典型的應用場景中，如金融、醫療、交通和教育等，5G網絡中存在的安全隱患更加不容忽視。網絡安全問題對于人們來說都是至關重要的，因此5G想要發展必須要將信息的安全保障作為前提，進行信息安全架構的重建。在大數據分析、云計算和安全情報收集等技術的支持下，信息檢索系統對安全的分析結果越來越精確，對安全預警也越來越及時精準，防御方式逐漸由被動轉為主動。未來5G網絡能支持運營商制定安全保障，并將AI與人工智能等技術也融入到主動防御的設計理念中，可以滿足各個產業領域對網絡安全的迫切需求。

2 5G+技術影響下的教育應用場景

從5G網絡技術現有的發展情況來看，其關鍵技術優勢主要有：基于4K/8K高清視頻交互分析技術的超高速率性、基于超高速低延時的分布式存儲技術的超低時延性和基于大數據加工處理技術的超大連接性等。5G、智能互聯網與教育三者的有機融合，將會轉變傳統教學過程中存在的時空界限，并彌補時空距離，實現技術應用與教學方式的深度融合。目前，5G+新技術形態影響下的教育應用場景主要有以下幾個方面。

2.1 遠程在線教學，教育資源均衡化

作為遠程在線教學主要場景的雙師課堂，首要目的是解決鄉村教學點中存在的師資隊伍數量不足、課程開設標準不齊和優質教學資源缺乏等問題，促進城鄉教育協調發展。在5G+技術支持下，雙師課堂教學可以實現城鄉教學課堂的同步，5G網絡的高寬帶HE 低時延特性可以解決雙師課堂成本高、靈活性差以及音視頻延遲等問題，4K高清視頻傳輸功能可以為課堂提供低時延沉浸式的互動活動體驗，有效地解決了傳統雙師課堂過程中師生間交互體驗不佳的問題，形成了“5G網絡+同一課堂+兩位教師”的教學組織形式，從而為在線教學提供教育資源公平且均衡化發展的條件。此場景下的教育應用優勢，首先是具有學習的生動性，通過5G與雙師課堂的結合可以使書本上的知識有了真實的情景，進而能夠調動學生學習的主觀能動性與積極性；其次是具有良好的開放性，可以突破目前中心學校與教學點師資水平不足、教學條件不均衡及校與校連接難以全面打通的教育實踐局面，特別是通過全息教學或混合在線教學可以實現區域內優質資源的真正共享共建；最后是具有較強的適應性，能實現教學適應性和精準性更強的遠程教學。

2.2 VR/AR教學，教學內容新穎化

目前，一些相關學科課程存在難為師生提供優質教學體驗的問題，這些問題都可以通過VR/AR技術的應用，在課堂中采用全息投影技術，讓遠距離網上在線聽課的學生能夠通過3D效果，與學校教師進行面對面地交流，使學生的課堂感官體驗可以更加真實，實現了交互式的遠程教學。相比5G智慧課堂等其他類型的教學來說，5G+VR/AR教學對于內容的集成和渲染有著更高的要求，5G的邊緣計算能力可以滿足用戶的要求，同時超低時延也能夠滿足VR/AR的交互需求，在終端設備只需嵌入5G通信模塊即可接入5G網絡，這個技術相對于傳統的Wi-Fi部署來說更為靈活，并且還可以解決此前VR帶來的眩暈感問題。此場景下的教育應用優勢，首先是強互動性與強參與性，將“5G+VR/AR”技術應用在課堂教學過程中，可以讓學生在現實空間中理解并學習知識，學生可以參與到教學中，從“死記硬背”變成學習是一種真實情境的體驗；其次是低風險性，如物理、化學、機電等教學過程中有一些需要親自動手操作的實驗，應用VR/AR技術后，降低了這期間的危險指數；最后是教學資源變得更加公平，采用VR/AR技術與教學結合的途徑，不同地區的教師和學生都加入同一個虛擬課堂中，實現教學與學習同時進行，將不同城市的教學資源進行共享，實現偏遠山區也可以享受優質的教學資源，縮小了城鄉教育的差距。

2.3 多終端交互教學，教學個性化和師生互動化

相較于傳統的多媒體課堂，5G多終端通過其各組硬件終端的5G化，由最初的有線網絡、Wi-Fi、藍牙、ZigBee和窄帶物聯網等網絡承載，轉變成為高寬帶、高速率、高安全和低時延的物聯網智慧課堂。5G網絡承載采用網絡數據傳輸與服務于一體，有效地利用了5G網絡獨特的技術特征和功能優勢，帶來了更優質、更便捷、更高速的教學體驗。

此場景下的教育應用優勢，首先是能夠有效地促進教學過程的信息化發展：在課前，5G移動手機端為教師提供可以移動備課的條件；在課中，運用有反饋功能的教學設備，教師可以實時地對學生的課堂測驗數據進行分析，進而能夠及時地調整更合適的教學方式；在課后，利用任何時間、任何地點都可以接入的網絡，教師能夠進行精準的個性化輔導，以保證學生更高的學習效率。其次，多終端的交互教學還可以對教學評價和信息進行全過程的即時反饋，5G網絡技術可以支持將教學過程中的整個課堂場景同步記錄，并且在將數據傳輸到5G邊緣平臺之后結合大數據進行分析，這種方式可以推動評價合理化、教學個性化、決策科學化和教育均衡化。最后，在5G+技術支撐下進行的教學過程中，每位學生在每節課的每個知識點的學習數據都可以被保存下來，這樣有助于精準地反饋教學策略，并進行實時地靈活調整，改變傳統“片段式”教學評價方式，變成“全景式”評價，滿足學生的多種個性化學習需求。

3 5G+技術在教育中的應用

3.1 5G+沉浸式深度教學

沉浸式深度教學作為5G+智慧教育的主要方式，將VR/AR技術與教育相結合，為課堂提供一種全新的教學體驗，采用沉浸式教學方式能夠有效地提升學生的主動性以及對知識的建構速度，同時還能夠使整個課堂體驗變得互動化、個性化和沉浸化。沉浸式深度教學就是教學的VR化，抽象的學習內容普遍存在于傳統課堂中，但在5G+技術支持下，傳統教材中的抽象內容可以通過交互方式變得更加可視化與生動化，使學生的學習體驗更加的沉浸化，進而提升學生構建知識的主動性，并實現更高的教學質量。在虛擬現實行業的發展中，教育是發展相對較快的領域，在大眾教育需求的推動和國家相關教育政策的鼓勵下，5G+沉浸式深度教學的教育應用場景將會持續增長，其發展潛力巨大。5G+沉浸式深度教學3個主要優勢就是真實感、交互感和愉悅感，5G網絡技術會有大幅度的提升，而5G+沉浸式教學會擁有更高的分辨率、更高的幀率以及更大的視場角，能夠更有效地促進教學活動實施的有效性與精準性。

3.2 5G+在線交互教學

在線交互是指運用高清音視頻通訊與多媒體進行協作，保證教師與學生之間能夠實時地保持交流，不僅為學習者提供任何時間、任何地點的遠程課堂服務和身臨其境的學習體驗，同時也能夠支持在各種網絡條件下實施教學、培訓、研討、考試等。5G+技術支撐下的在線交互教學過程中，教學體驗和教學效果都將產生變革。在線交互教學的發展需要5G的eMBB增強移動寬帶和uRLC超可靠低時延通訊的支撐，同時還要基于4K/8K超高清視頻才能夠達到更高水平的教學標準。

3.3 5G+人工智能教育

人工智能教育是5G+智慧教育的大腦，是支撐智慧教育發展的強大中堅力量，其進步主要依靠大數據和人工智能技術，尤其是可以對課堂的學習、課外活動和教師的教學等各個方面進行智能分析和可視管理，能夠對現有的教學過程進行指導并促進智能化教育的發展。人工智能與教育的結合，主要集中體現在教育的教、學、考、評和管等諸多方面，是經過數據采集實現教學精準化和賦能化的過程。在構建智慧學習的支持環境和加強智慧學習的理論研究過程中，加速推動人才培養模式和教學方法方面的改革都需要人工智能技術支持。

3.4 5G+校園智能管理

智能管理是5G+智慧教育的服務平臺，能夠為學校、教師、學生和家長提供智能化的管理服務，并同時提供交流平臺和教學空間。智能校園管理系統是在多種技術融合的支撐下實現的，包括互聯網、物聯網、自動化、多媒體等技術，在進行大數據的收集與整理之后，自動地控制、調整、監測與分析校園內的人或物，進而實現校園的信息交互。5G網絡的可靠性、低時延、可伸縮性和安全性等特點在校園智能管理系統中得到充分利用，低成本、低功耗和廣覆蓋等校園物聯網的建設需求都得到了有效解決，進而將校園環境打造的更加節能、安全、便捷。在此基礎上推行5G+校園智能管理有很多優勢，比如設備的移動性很強，可以根據學校進行靈活的位置變換并無需重新調試、也不易受到網絡病毒干擾、數據傳輸十分高速并且各設備之間也是相對獨立的。以此為基礎可以建設更加智能的校園環境，為學生提供更加舒適的學習環境，促進教育的快速發展。

3.5 5G+場景化培訓

場景化教育主要是指搭建與真實學習場景相統一的環境，根據教學內容不同，將學習者所需要經歷的活動內容進行梳理，再根據他們的個性特征與需求提供有針對性的解決方案，在特定的場景中運用具體的探究與實踐活動進行學習。場景化培訓的關鍵在于能解決實際問題、場景必須貫穿始終以及使學習者具有較強的沉浸式體驗。在場景化教育中有2種模式，第一種是虛擬化場景主導模式，第二種是連接與互動主導模式，二者都注重線上與線下結合的互動所帶來的教育體驗。目前，現有學校的場景化培訓有著廣闊機遇的同時也面臨著挑戰，將5G+與場景化培訓融合，利用5G信息技術高速率和低時延等特點，可以為場景化提供更強的培訓平臺，只有這樣才能不斷突破與創新，實現教學與技術的深度融合。

3.6 5G+智能教研

當前，實現5G技術與教育的融合，在這種教育教學模式下，教師需要積極地改變教學方式、方法，更好地促進教學水平提升。因此，未來智能教研與5G的結合也有著十分廣闊的發展空間，在5G網絡技術的進一步發展進程中，基于數據實證的教研探索也將繼續展開，依據數據分析的教學得出的成果會更加清晰與準確。經過長期的數據采集和調查，教師依據教學經驗與數據分析，可以更加精準且有針對性地實施教學，提升教研效果，提高教育質量，進而促進教育智能化發展。

4 結語

總之，技術是影響教育生態形成與應用的關鍵因素之一。5G以技術驅動發展，由人與人的溝通聯系擴展到萬物互聯，從個人和家庭的連接擴展到社會各個行業領域中，進而為經濟社會發展帶來巨大影響。5G+技術在教育應用中對傳統教育生態形成沖擊的同時，也與教育生態中的其它要素相互作用，在促進各要素之間關系重塑的基礎上形成新的教育生態，不斷完善和創新5G與教育的深度融合，為社會培養出更多創新型人才。在教育不斷發展過程中，只有不斷調整積極應對技術的沖擊與挑戰，才能得到長遠發展。智慧教育的變革，需要在教育智能化技術改變過程中，實現各種先進教育技術有機融合，才能促進教育教學信息化發展。