5G 智能教育生態系統構建與實施策略*

陳威兵 張剛林 李瑋

長沙學院電子信息與電氣工程學院 長沙 410022

0 引言

智能教育生態系統是教育信息化形態發展的代際躍升，而5G（第五代移動通信）智能教育生態系統則是以5G 移動通信技術為支撐與驅動的最新教育信息化形態。它能實現精準教學、個性化教學、互聯協作教學以及節能綠色教學等教學場景與教學體驗的創新[1]。它的教育形態變革更深刻，從工具與技術的改變、教學模式的改變可以直接步入學校形態的改變。目前，5G 網絡商用化已落地，它在教育領域的應用也在全面展開，因此，系統地研究5G 智能教育生態系統的架構、構建方法和實施策略非常有必要。

1 5G 智能教育生態系統的架構及構建方法

1.1 智能教育生態系統的關鍵要素及特征

不同學者勾勒的智能教育生態系統架構略有不同[2]，大致可分為技術架構、應用形態和業態趨向三個關鍵要素，如圖1[3]所示。其中，應用形態（高層）以技術架構（底層，它由數據層、算法層、感知層和服務層組成）為支撐，同時又對技術架構的構建起決定作用；技術架構指導業態趨向（和教育相關元素，如學校、企業和政府等），同時又依據業態趨向進行自我優化；業態趨向通過應用形態的推進而不斷發展，同時又為應用形態的實施提供保障。

圖1 智能教育生態系統關鍵要素及關系

智能教育生態系統是生態系統在教育領域的呈現形式，所以其系統內結構元素的關聯和互動、系統運行狀態與規律都符合生態系統特征（強調交互性和平衡性），再考慮加入人工智能和人本因素，就能得出智能教育生態系統的主要特征，陳雷等[4]將其總結為：創新驅動、重塑結構、開放生態、尊重個性、服務智能與自治演變。

1.2 5G 作用于智能教育生態系統的本質辨析

5G 是劃時代的移動通信網絡，如果說4G 改變生活，5G 則是改變社會。總體來說，它具有超寬帶、海量連接、低時延等諸多技術優點，系統本身具有開放性、生態性；由于采用了軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）、網絡切片等新的網絡技術，更適合和社會各垂直領域（比如教育）相結合。

5G 支撐和驅動智能教育生態系統的過程如圖2所示。由于5G 具有先進的無線技術和網絡技術，所以能形成新的原子能力、原子服務，從而在教育領域應用時產生新的教育應用形態。它形成的原子能力、原子服務和教育應用形態更易于VR、AR、MR、AI、云技術、大數據、物聯網（IoT）等先進技術的融入，這也是它作用于智能教育生態系統時和其他移動網絡的本質區別。

圖2 5G 支撐和驅動智能教育生態系統的過程

1.3 5G 智能教育生態系統總體架構

通過以上分析，可以構建出5G 智能教育生態系統的總體架構，如圖3 所示。系統中技術架構包含數據、算法、感知和服務四個關鍵要素，對應四個分層：數據層完成教育數據的采集、加工、整理、分類、存儲和備份等任務，是技術架構的基礎部分；算法層包括對數據進行挖掘和分析的各類人工智能算法，以及用于智能學習和智能教學的相關算法，如神經網絡算法、語法分析算法、個性分析算法等，是技術架構的核心部分；感知層感知學習者、教學者和管理者在系統中的行為、反應，需要進行一定的智能判別；服務層直接為教學應用形態提供面向不同身份參與者的服務代理，有別于5G 網絡提供的原子服務，它是某項教學應用形態中一個組成部分，也可以為不同的教學應用形態使用。當然，分層是從邏輯上區分的，如果從實體上區分，技術架構由“云、管、端”組成。“云”有公有云、私有云和混合云；“管”包括若干個控制中心，如數據控制中心、智能化管理控制中心等；“端”主要是學習終端、教學終端、信息采集端等。

圖3 5G 智能教育生態系統總體架構

1.4 5G 智能教育生態系統總體構建方法

以“人工智能服務教育”為指導理念，以“5G+人工智能技術”為實現基礎，以智能校園、基于大數據智能的學習空間平臺、智能虛擬助理、立體綜合智能教學場地等“人工智能+教育”應用形態為支撐，以智能、快速、全面的教育分析系統為手段，構建以學習者為中心的智能化教育環境，推動人才培養模式改革，促進學習方式、教學方法和教育模式的創新。

2 5G 智能教育生態系統的實施策略

如何利用5G 智能教育生態系統，發揮好“5G+智能教育”的效能，全面提高教育教學水平，是擺在我們面前的一個現實問題。

2.1 打造5G 智能教育生態系統基礎平臺

構筑5G 智能教育生態系統基礎平臺是發揮“5G+智能教育”效能的前提，需要從以下幾方面加強建設。

2.1.1 支撐網絡

隨著5G 網絡覆蓋面的拓寬，其超寬帶連接、低時延和移動邊緣計算特性，可以解決目前系統設備做不到無縫互聯、網絡終端無法進行有效管控、網絡并發訪問高時需要網絡訪問質量控制服務與邊緣服務緩沖服務的問題。為加強網絡傳輸、管理能力和安全性，還可以考慮基于5G 切片技術的全連接教育專網，以及基于5G 邊緣計算的智能教育邊緣云。除此以外，為加強智能化采集與控制能力，需要通過電腦、手機、iPad（平板電腦）、傳感器、攝像頭、可穿戴設備等進行全體系的物聯網終端布局[5]，以實現對校園“人—物—景”的全方位感知。

2.1.2 智能終端

開發并購置諸多為特定智能教育應用形態服務的智能終端，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，智慧學習筆，側重課程常態化錄制和播放、傳遞“名師優課”的常態化錄播套裝（有錄播主機、攝像頭、麥克風等），展現學校、班級文化風采，能用于走班考勤的班牌終端，提升教師課堂教學互動效率的授課寶終端，用于教師紙質教材展示及學生課堂生成展示的高拍儀、移動展臺終端等。

2.1.3 智能軟件

系統運行過程中，需要在采集數據的基礎上，利用各類智能算法進行數據分析和判定，形成智能軟件，具備用戶認證和開放接口接入能力、安全認證能力、云計算與存儲的服務能力、大數據分析與決策支持能力、行為識別能力、情境感知能力。與此同時，基于5G 邊緣端可計算的特性可進行基于安全協議和規范的信息處理，打造強有力的安全認證能力，通過大數據能力對數據信息進行智能分析，提供決策支撐及預警預判。智能軟件一部分是為公共基礎平臺服務的，也有為一個或幾個特定智能教育應用形態服務的。

2.1.4 切片方案

5G 智能教育生態系統是一種全新教育生態，其智能教育應用形態將涵蓋教學、教研、教育管理、評價、區域治理、終身學習以及教育公共服務等。這些應用形態有些是新的，有些是在原有基礎上進行重構的。比如5G 互動教學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行5G 化處理，從原來的有線網絡、Wi-Fi、藍牙等網絡承載，轉變為由高性能的5G 網絡來承載，在安全可靠、穩定持續、響應速度、免維護等層面，帶給師生全新的用戶體驗。不管是新建還是重構的智能教育應用項目，都需要對5G 網絡進行切片，也就是將物理網絡劃分為多個虛擬網絡，每一個虛擬網絡滿足不同的服務需求；同時為不同教育應用形態之間提供相互隔離。

2.1.5 平臺連接

教育信息化要求教學應用覆蓋全體教師，學習應用覆蓋全體適齡學生，數字校園建設覆蓋全體學校。然而基礎平臺不可能一下子實現這種全域覆蓋，各地的教學硬件設施基礎也不一樣，因此，各地/各區域、各個學校可以依據自己的實際情況，先行建立校園內或區域內的5G智能教育生態基礎平臺。當然，最終這些平臺還是要互聯在一起，所以為了實現平臺有效連接，需要做好相關工作：1）平臺連接前，區域平臺的建設要有統一的指導方案；2）智能教育產品要有統一的標準規范，平臺接口要有統一的協議；3）平臺連接后要有整合升級的處理過程，比如要匯聚各校園/區域的學習、教學、評價數據，建立綜合的教學資源中心、調度中心，遠程巡考、遠程督導、遠程評價學情等區域治理措施要擴展范圍。

2.2 搞好“校—企—政”協同，優化5G 智能教育生態環境

“校”“企”“政”是5G 智能教育生態系統中業態趨向的重要組成元素，只有它們努力完成各自的任務，并協同一致，才能優化5G 智能教育生態環境，促進智能教育發展，具體說明如下。

2.2.1 任務分工

學校主要由各類學前教育機構、中小學、高等院校、職業院校和教育培訓機構組成，是5G 智慧教育實施的主體，需要完成所在學校、機構智能教育的規劃、管理、建設和實施。企業包括教育信息化廠商、教育設備商、網絡運營商、芯片模組廠商、ICT（信息與通信技術）解決方案提供商、教育資源提供商等，負責5G 智能教育生態系統基礎平臺解決方案、網絡支撐、項目服務、設備提供、內容分發等。教育行政部門出臺智能教育促進政策和產業政策，工信部門出臺智能教育產品的標準規范。

2.2.2 協同一致

由智能教育相關的學校、企事業單位、社團組織、科研院所等成立跨行業、開放性、非營利性的5G 智能教育聯盟，可以促進相關主體之間的交流和深度合作，促進供需對接和知識共享，形成優勢互補，有效推進智能教育產業發展。再就是圍繞5G 智能教育關鍵技術開展聯合攻關，打造5G 智能教育應用項目的典型范例并在聯盟內進行推廣。

2.3 結合平臺優勢，融入先進理念，推動教育深度變革

5G 支撐的智能教育具有突出的平臺優勢，可以為教育教學提供無限可能，應融入先進教育理念，推動教育深度改革，促進教育水平的提高，并倒逼智能教育系統平臺創新，分析如下。

2.3.1 教育改革

5G 時代帶來的變革是4G 時代完全不能比擬的，平臺具有先天優勢，但教育效果不能簡單轉化提升，需要采取一系列改革措施：1）通過培訓與實踐，提高教師的智能化教學應用水平；2）通過沉浸式環境的營造，使學習者的學習從被動地接受轉向主動地參與；3）融入以學生為中心、個性化教學、OBE（產出導向）、綠色教育等先進教育理念；4）將認知主義、行為主義、建構主義等傳統的教育理論納入系統，予以重新認識和校驗，一方面驗證它們的正確性、可擴展性、技術的延展性、學習理論屬性的不變性，另一方面探明其新擴展的內涵，這樣可以更好地運用這些教育理論；5）教學、教研、教管、評價、校園管理改革同步開展，相互促進。

在開展教育改革時可采取先易后難、先示范后推廣的方法，逐步形成完善的生態系統。最后從根本上重新設計學校，使得未來的學校形態由統一走向個性化和自組織。

2.3.2 平臺提升

為符合先進教育理念，達到更好的教育效果，5G 智能教育生態系統需要一些新的智能教育應用形態。而新的高智能教育應用形態又需要更先進的基礎平臺支撐，引發平臺新的技術攻關。新技術同樣可以創造或重構智能教育應用形態，這是一個雙螺旋提升過程。

3 結束語

在教育信息化的實踐過程中，技術的不斷發展和應用給人類社會帶來了顯著影響。5G 的出現，給教育信息化提供了巨大的助力，特別是它和AI、大數據、云技術、寬帶物聯網等高新技術能實現有機融合，它給教育所造成的沖擊超出了人們的想象，會引發智能教育的深度變革。目前，5G 智能教育生態系統將在教育領域正式運行，當然它也面臨一些挑戰。本文系統分析了5G 智能教育生態系統的由來、架構、構筑方法，給出了5G 智能教育生態系統的實施策略，相信將有益于“5G+智能教育”的運用。