基于“5G+教育”的新型云支教平臺(tái)“知教”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黃豪博 李帥 張燕萍 黎青青

皖南醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)信息學(xué)院 安徽 蕪湖 241000

1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 本產(chǎn)品開(kāi)發(fā)背景

在網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，在不斷產(chǎn)生眾多新興互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，各大傳統(tǒng)行業(yè)也緊跟時(shí)代步伐，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)的益處在原有的行業(yè)基礎(chǔ)上做出創(chuàng)新。其中，教育行業(yè)也不例外，近些年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)教育這一新型教育模式在教育市場(chǎng)掀起一段浪潮，網(wǎng)絡(luò)教育市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。2020年至今，網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展快速。由此看來(lái)，網(wǎng)絡(luò)教育已是一種普遍的教育模式，助推了教育的發(fā)展，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教育模式。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

1.2.1 傳統(tǒng)支教模式現(xiàn)狀。社會(huì)高速發(fā)展，人口向城市集中。農(nóng)村以及偏遠(yuǎn)地區(qū)，空心化，人口的分散等問(wèn)題越來(lái)越顯著。小學(xué)的生源分散，師資不足問(wèn)題也日益突顯。很多農(nóng)村學(xué)校及教學(xué)點(diǎn)只有10來(lái)位老師及30-200名的小學(xué)生，這些學(xué)校的老師一般只能完成語(yǔ)文數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程的教學(xué)，而對(duì)于音樂(lè)，美術(shù)，體育，科學(xué)等課程完全是空白，有些學(xué)校一天甚至有3節(jié)自習(xí)課。

農(nóng)村兒童學(xué)習(xí)用書(shū)，很難像城市的兒童那樣，做到每人一本書(shū)。山區(qū)兒童用書(shū)狀況大多是外界捐贈(zèng)，借用他人的情況。另外，對(duì)于圖書(shū)館，農(nóng)村地區(qū)也幾乎沒(méi)有，他們很難涉獵到其他方面的知識(shí)，他們的知識(shí)面也只能局限在農(nóng)村地區(qū)的知識(shí)，局限在書(shū)本的知識(shí)，這樣對(duì)他們的教育和成長(zhǎng)是十分不利的。教育事業(yè)的完善亟待解決。

1.2.2 基于“5G+教育”的支教新模式。“5G+”支教，是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與支教事業(yè)相結(jié)合，通過(guò)相關(guān)技術(shù)打破地域、時(shí)間、資源等支教事業(yè)中存在的各種局限；將網(wǎng)絡(luò)教育延伸到支教事業(yè)當(dāng)中，為進(jìn)一步做好教育精準(zhǔn)扶貧提供新模式和更有效的基礎(chǔ)保障，為實(shí)踐教育育人提供新模式。傳統(tǒng)支教模式是將城市學(xué)校優(yōu)質(zhì)教育資源輸送到農(nóng)村學(xué)校，為農(nóng)村學(xué)校提供新的教育方法和理念，以此縮小城鄉(xiāng)教育差距。

在校大學(xué)生通過(guò)線上支教活動(dòng)達(dá)成社會(huì)實(shí)踐，是高校構(gòu)筑思想引領(lǐng)、素質(zhì)提升、能力發(fā)展有機(jī)融合的實(shí)踐育人平臺(tái)的有效手段，完成高效“立德樹(shù)人”基本任務(wù)的共同形式[1]。大學(xué)生志愿者具有較高熱情參與支教事業(yè)，但是存在時(shí)間不足，空間受限等問(wèn)題，最終影響實(shí)踐活動(dòng)效果。

為了解決以上問(wèn)題，建設(shè)基于“5G+”的云支教平臺(tái)，開(kāi)展線上支教活動(dòng)，以網(wǎng)絡(luò)教育的形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)支教形式，能夠幫助拓展支教范圍以及教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)支教”，能有效彌補(bǔ)城鄉(xiāng)教育之間的差距。隨著國(guó)家不斷富強(qiáng)，農(nóng)村學(xué)校的師資力量的缺失仍然是一大痛點(diǎn)，因此，在農(nóng)村學(xué)校便無(wú)法開(kāi)展出高質(zhì)量的教學(xué)。在互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及下，通過(guò)技術(shù)與教學(xué)的結(jié)合，能夠有效解決以上問(wèn)題?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”教育利用新技術(shù)提升教育水平，傳遞進(jìn)步教育理念。

自2012年以來(lái)，國(guó)務(wù)院、教育部等相關(guān)部門(mén)已連續(xù)出臺(tái)了一系列政策措施，利用校企合作、互聯(lián)網(wǎng)+、終身教育等多理念多方式結(jié)合的方法，不斷探索和推進(jìn)教育體系的完備。

表1 中國(guó)網(wǎng)絡(luò)教育發(fā)展相關(guān)政策表

2 平臺(tái)開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)

2.1 Bomb數(shù)據(jù)庫(kù)

Bomb是一個(gè)移動(dòng)后端云服務(wù)平臺(tái)，它主要提供數(shù)據(jù)服務(wù)、短信服務(wù)、即時(shí)通訊、推送功能、移動(dòng)支付、云端邏輯和容器服務(wù)等。

在應(yīng)用key中可以獲取所需要的密鑰：

ApplicationID是SDK初始化需要使用的密鑰。

RESTAPIKey是RESTAPI請(qǐng)求中HTTP頭部信息必須附帶密鑰之一。

SecretKey是SDK安全密鑰，不能外泄，在通過(guò)云函數(shù)測(cè)試云函數(shù)時(shí)使用。

把bomb的maven倉(cāng)庫(kù)地址添加到Project的build.gradle文件中：

圖1 添加Bmob的maven倉(cāng)庫(kù)地址圖

在AndroidManifest.xml中為bomb配置權(quán)限，如圖2所示。

圖2 Bomb配置權(quán)限圖

將依賴文件添加到App的build.gradle文件中，如圖3所示 。

圖3 App添加依賴文件圖

2.2 App設(shè)計(jì)

Android平臺(tái)基于Linux內(nèi)核，有很多應(yīng)用軟件在該平臺(tái)上運(yùn)行，也有比較完備的開(kāi)發(fā)過(guò)程。并且源碼是開(kāi)放的，可以節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。開(kāi)發(fā)速度很快，可從官網(wǎng)上免費(fèi)下載，可在短周期內(nèi)完成該項(xiàng)目。當(dāng)前大部分設(shè)備都支持Android操作系統(tǒng)，因其更新較快，緊跟時(shí)代發(fā)展，操作簡(jiǎn)單，越來(lái)越多的用戶正在接受該操作系統(tǒng)。

主界面擁有一個(gè)底部導(dǎo)航欄，通過(guò)在底部導(dǎo)航欄bottm Navigation View中嵌套一個(gè)菜單menu實(shí)現(xiàn)，通過(guò)更換不同的fragment來(lái)切換不同的活動(dòng)，可以在menu菜單中實(shí)現(xiàn)底部導(dǎo)航欄內(nèi)容的修改，代碼如圖4所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)bottm Navigation View代碼圖

圖5 menu菜單代碼圖

通過(guò)TabLayout+ViewPager實(shí)現(xiàn)選課界面頂部導(dǎo)航欄，并借助ImageView控件、EditText控件、ListView控件和Button按鈕控件完成相關(guān)操作。

圖6 選課界面圖

最后，Android操作系統(tǒng)需要使用簽名之后的apk格式的文件才能安裝到Android手機(jī)中?？梢詫pk文件用掃二維碼的方法提供下載安裝。

3 “知教”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 平臺(tái)簡(jiǎn)介

“知教”平臺(tái)采用Linux操作系統(tǒng)作為服務(wù)器運(yùn)行平臺(tái)，前臺(tái)使用HTML、JavaScript腳本語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Bomb作為存儲(chǔ)服務(wù)器，邏輯業(yè)務(wù)采用PHP來(lái)處理，基于SIP協(xié)議建立云教學(xué)平臺(tái)，提供開(kāi)放接口，使用中間件技術(shù)，方便平臺(tái)中不同廠商產(chǎn)品，不同硬、軟件系統(tǒng)的集成;平臺(tái)應(yīng)根據(jù)不同硬件配置進(jìn)行靈活地部署和組合；平臺(tái)容量保證滿足用戶量的考慮。

3.2 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

“知教”平臺(tái)可劃分為3代，如圖7所示。

圖7 教學(xué)平臺(tái)發(fā)展方向圖

圖8 平臺(tái)主要功能圖

3.2.1 第一代：點(diǎn)播式教學(xué)平臺(tái)。在發(fā)展前期，主要發(fā)展點(diǎn)播式平臺(tái)。主要目的是將教育資源便捷完整地進(jìn)行傳遞，可以快速使用點(diǎn)播音頻課件、查閱教室、完成在線作業(yè)等功能。以課件為核心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享資源。

3.2.2 第二代：交互式教學(xué)平臺(tái)。將“5G”等即時(shí)通信技術(shù)融合在教學(xué)服務(wù)中，給用戶提供視頻會(huì)議、虛擬教室、在線討論和線上答疑解惑等服務(wù)，提高師生之間交流的及時(shí)性，增強(qiáng)課堂的互動(dòng)性。提供交互式教學(xué)模式，通過(guò)用戶的不同操作或者答案而將影響后續(xù)內(nèi)容的不同走向來(lái)提升觀看者的參與度及興趣值，主要以用戶為中心，增強(qiáng)用戶參與度和平臺(tái)的交互性。

3.2.3 第三代：創(chuàng)新式教學(xué)平臺(tái)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展、全球化趨勢(shì)的加強(qiáng)，可以購(gòu)置VR設(shè)備和資源，讓學(xué)生體驗(yàn)到一些在真實(shí)生活中是無(wú)法感受到的場(chǎng)景，例如可以帶著虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡去感受太陽(yáng)系內(nèi)8大行星的運(yùn)轉(zhuǎn)、感受海洋世界中的各種生物在海洋里遨游，看到非常微觀的場(chǎng)景等。增強(qiáng)平臺(tái)的創(chuàng)新性。

3.3 平臺(tái)功能和技術(shù)特點(diǎn)

3.3.1 平臺(tái)功能。針對(duì)教育資源較為落后的農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)，解決這些地區(qū)缺少優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源、教育水平相對(duì)落后的問(wèn)題，在一定程度內(nèi)從源頭上解決我國(guó)發(fā)展不充分、不均衡的社會(huì)問(wèn)題。它的具體功能可體現(xiàn)在以下方面：

圖9 主要功能分解圖

內(nèi)容資源管理：分離課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)輔助工具，并使課件來(lái)源多樣化，提供更多的視頻類(lèi)型。

管理學(xué)生作業(yè)，用戶之間可分享筆記，可隨時(shí)開(kāi)始學(xué)習(xí)。

線上交流功能：輔導(dǎo)、答疑、交流工具，功能包括在線聊天、白板、課程內(nèi)容展示，郵件組可根據(jù)課程分組、用戶身份，自動(dòng)生成交流組。

考核管理功能：管理考試題庫(kù)，可定制個(gè)性化試題，自動(dòng)判分，教師可以查閱評(píng)分細(xì)目，對(duì)成績(jī)進(jìn)行分類(lèi)索引。

板塊分類(lèi)功能：針對(duì)用戶選擇的不同版塊，推薦其相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于平臺(tái)獲得的資料進(jìn)行自動(dòng)鑒別，將其歸納人相對(duì)應(yīng)的板塊。

社交管理功能：用戶可以自行創(chuàng)建社交圈，便于在其中進(jìn)行討論，管理員對(duì)用戶的言論進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)于違規(guī)行為及言論及時(shí)處理；

心理危機(jī)干預(yù)健康教育：用戶可以通過(guò)心理測(cè)試和相關(guān)心理測(cè)試主題的完成，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)、測(cè)試等方面的分析，可以計(jì)算出結(jié)果，使用戶能夠了解自己心理疾病的相關(guān)信息，對(duì)其心理狀態(tài)的當(dāng)前階段有一個(gè)大致的了解。

圖10 “知教”平臺(tái)部分界面展示圖

3.3.2 技術(shù)特點(diǎn)。在線教育課程技術(shù)。系統(tǒng)從前端到服務(wù)器的關(guān)鍵架構(gòu)采用單頁(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架angular.js和前端管理工具grunt.js等相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建了基于單頁(yè)應(yīng)用的前端工程式架構(gòu)。系統(tǒng)服務(wù)器端采用了較為常見(jiàn)傳統(tǒng)的JAVA環(huán)境開(kāi)發(fā)方式，使用springMVC開(kāi)源框架開(kāi)發(fā)restapi服務(wù)，在代碼分割和持久式層上擁有獨(dú)特架構(gòu)，緩存方式上采用ehcache框架與redis[2]。

疫情實(shí)時(shí)更新技術(shù)。使用requests模塊獲得全球疫情實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將獲取的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL中。通過(guò)Flask搭建Web項(xiàng)目，并使用Echarts進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化展示，將項(xiàng)目文件拷貝到服務(wù)器，安裝ngnix和gunicorn，啟動(dòng)gunicorn，編輯ngnix配置文件，啟動(dòng)ngnix，訪問(wèn)ip地址進(jìn)行項(xiàng)目部署，基于crontab的定時(shí)任務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)爬取，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)更新。

4 總結(jié)與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 總結(jié)

圖11 可實(shí)現(xiàn)功能與用戶關(guān)系圖

通過(guò)構(gòu)建多功能集成教育模式，以移動(dòng)端為基礎(chǔ)，5G為通信載體，多樣化功能為創(chuàng)新點(diǎn)的移動(dòng)學(xué)習(xí)模式，打造高品質(zhì)、有針對(duì)性的智慧教育平臺(tái)。在未來(lái)的5G場(chǎng)景下，個(gè)性化“一對(duì)一、一對(duì)多”的“5G+智慧教育平臺(tái)”的教育模式將網(wǎng)絡(luò)教育發(fā)展的主流，能夠?qū)崿F(xiàn)每位用戶實(shí)時(shí)交互。實(shí)現(xiàn)以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，有效滿足用戶需求，使教育模式實(shí)現(xiàn)良好的閉環(huán)運(yùn)行。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

4.2.1 內(nèi)容多樣化。在保證基礎(chǔ)教育課程得到完善的同時(shí)，將增加一些課外興趣課程，用戶可根據(jù)自己的需求，定制自己的學(xué)習(xí)方案。并根據(jù)上班族，老人等群體的需求以及用戶學(xué)習(xí)特點(diǎn)，制定多樣化學(xué)習(xí)內(nèi)容。依照授課效果實(shí)時(shí)變通授課方式，不適合以視頻方式授課的內(nèi)容，可以使用交互式視頻會(huì)議的實(shí)時(shí)授課環(huán)節(jié)，這樣授課教師就能夠?qū)崟r(shí)地根據(jù)課程進(jìn)程對(duì)學(xué)生提出的疑問(wèn)地進(jìn)行解答，從而達(dá)到與真實(shí)課堂一樣的效果。

4.2.2 結(jié)合新興技術(shù)。嘗試將“5G+教育模式”與其他新興技術(shù)結(jié)合（比如VR、AR技術(shù)等等）從而使其起到更大的教育作用和給用戶更好的體驗(yàn)感。

5G+AI（ArtificialIntelligence），將5G技術(shù)與人工智能結(jié)合起來(lái)可以積極推動(dòng)教育教學(xué)方式的改革。AI技術(shù)支持下，教學(xué)效率明顯提升，學(xué)生學(xué)習(xí)范圍不斷擴(kuò)大，知識(shí)儲(chǔ)備大大增加，教師教學(xué)方向、教學(xué)途徑也更加多元化，在AI和大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下，教師可以通過(guò)課堂數(shù)據(jù)與信息的提取、分析，全面了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，教學(xué)更加智能化、科學(xué)化[3]。教育環(huán)境將由傳統(tǒng)的教室轉(zhuǎn)向智能時(shí)代的學(xué)習(xí)空間（Learning Space）和學(xué)習(xí)俱樂(lè)部（Learning Club）等新型學(xué)習(xí)場(chǎng)所[4]。智能時(shí)代的學(xué)習(xí)空間將由現(xiàn)實(shí)空間（Realistic Space，RS）、網(wǎng)絡(luò)空間（Cyber Space，CS）組成，RS是指由老師、學(xué)生、家長(zhǎng)、教室等組成的現(xiàn)實(shí)空間，CS是由網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)資源、硬件設(shè)備等組成的網(wǎng)絡(luò)空間，最終實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的連接教育，構(gòu)建出嶄新的教育生態(tài)模式。

5G+XR（AR、VR），在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，可以通過(guò)5G+XR技術(shù)構(gòu)建虛擬教室、實(shí)驗(yàn)室來(lái)模擬特定的教學(xué)環(huán)境，利用XR技術(shù)的沉浸感，在虛擬場(chǎng)景下為學(xué)生提供實(shí)際操作機(jī)會(huì)，讓學(xué)生更為直觀地融入教學(xué)環(huán)境當(dāng)中，更能使學(xué)習(xí)興趣高漲，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶更加牢固。既然要虛擬出更加真實(shí)的場(chǎng)景，就要利用好5G高速率、低時(shí)延、大連接的特點(diǎn)，這樣才能更好地實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)教育方法知識(shí)傳遞通常停留在表面現(xiàn)象，利用XR技術(shù)制定的教學(xué)方案能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)具體化和形象化，使教學(xué)環(huán)節(jié)更加生動(dòng)飽滿，具有很強(qiáng)的情景模擬性[5]。另外XR技術(shù)還可以推動(dòng)教育公平和降低教育成本，通過(guò)一套VR設(shè)備就能很好地消除由于地域差異、貧富差異、時(shí)間差異等原因而造成的教育鴻溝，促進(jìn)教育公平?？梢园鸦ㄙM(fèi)較大的實(shí)驗(yàn)用VR教學(xué)的方式代替，可以降低實(shí)驗(yàn)的成本。

5G+MEC（Multi-accessEdgeComputing），MEC全稱(chēng)為邊緣計(jì)算技術(shù)（MobileEdgeComputing）是ICT融合的產(chǎn)物，同時(shí)成為支撐運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，為滿足高清視頻、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)發(fā)展需求，MEC提供了一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和開(kāi)放平臺(tái)，該平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)邊緣整合了網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)和應(yīng)用的核心能通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署各種服務(wù)和緩存內(nèi)容，可以緩解移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步的擁塞[6]。5G+MEC可以有效解決VR技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。平常使用的計(jì)算機(jī)CPU運(yùn)行緩慢，連接的帶寬網(wǎng)速不能滿足要求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)VR，而通過(guò)5G+MEC就可以輕易解決這樣的問(wèn)題，利用MEC技術(shù)可以使終端方面成本大大降低，普通電腦配置即可滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有支教模式進(jìn)行分析，針對(duì)其痛點(diǎn)，融合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了一種基于“5G+教育”的新型云支教平臺(tái)“知教”，目的在于降低偏遠(yuǎn)地區(qū)支教難度、縮小城鄉(xiāng)教育差距以及提高教育資源共享能力。未來(lái)可通過(guò)將內(nèi)容多樣化、結(jié)合更多新興技術(shù)進(jìn)一步提高該平臺(tái)的豐富性、兼容性及先性。