基於 5G技術的教育信息化應用研究

一、 前言

教育信息化是教育現代化的核心動力。發達國家率先將信息與通信技術應用於教育領域，掀起了教育信息化的潮流 [1]。美國分別於 2000 年和 2004 年發布了國家教育技術計劃，推動了教育技術的普及與應用 [2]：教師應有效運用信息技術（IT）來促進學生的學習，學生要具備運用 IT 的素養和技能；通過教師培訓來促進教學創新應用，提升 IT 的教育應用效能。我國在教育信息化方面補齊短板、迎頭趕上，2018 年 4 月教育部發布了《教育信息化 2.0 行動計劃》，2019 年 2 月中共中央、國務院印發《中國教育現代化 2035》，均強調了教育信息化在推動教育現代化過程中的地位和作用 [3,4]。面向未來，教育信息化以信息環境建設、軟硬體支持為基礎，緊密結合教育理論，探索新技術應用的潛力和層次，尋求多應用場景、多實踐領域、寬技術場域相結合的實施路徑。在此過程中，智能技術，特別是 5G、大數據、人工智慧（AI）、雲計算等，有助於創新推動教育服務的智能化、教育應用的情境化和普及化，進而為教育革命性轉型提供關鍵支撐 [5,6]。

從我國教育事業的角度、而非 IT 產業的角度來審視，以 5G 為代表的前沿技術，擁有較大的技術使能潛力，有望在未來相當長一段時期內，成為國家教育信息化建設的基石。隨著教育信息化 2.0進程的加速推進、社會各界對 5G 關注程度的持續升溫，兩者的對接和融合，將促進教育及教育信息化的重大變革，對傳統的教育、學習方式帶來顯著衝擊。在 5G 技術和網絡環境的支持下，各種教育信息、音 / 視頻等資源的共享和交互更加便捷，可以實現教育教學中諸多要素的全新組合，構建全新的教學方式與教育內容呈現形式，甚至推動形成新的教育生態系統。

目前，5G 方向的研究側重於通信領域的關鍵技術、網絡架構演進、網絡部署方案等 [7]，關於5G 技術對教育的影響研究相對較少，而 5G 與教育信息化相結合的前瞻應用研究仍有待開展。在「5G + 教育」的全新領域中，如何推動信息化技術在教學、管理中的深度融合應用，提供智慧化的教學服務和精細化的管理手段，進而滿足教育現代化建設需求、實現《中國教育現代化 2035》願景？這需要教育實踐者、管理者與決策者未雨綢繆、深度參與。以此為研究切入點，本文重點分析 5G 技術為教育信息化創造的新機遇，以及探討如何在 5G網絡環境下實現教育應用場景的創新，以期為教育與信息的融合發展研究提供基礎性參考。

二、 對我國教育信息化的基本認識

（一） 教育信息化建設的主要特徵

教育信息化重在實踐。這一過程中，IT 的進步帶來了顯著影響 [8~10]，如 3G/4G 移動通信、固定寬帶等網絡技術迅速普及，支撐了信息化應用的拓展。在各類高速通信網絡的支持下，雲計算正在重構信息產業競爭格局；大數據、AI、語義網絡等智能技術正在重構教育服務的組織方式；各類教育公共服務系統正向大眾普遍參與、形成群體智慧方向發展；雲網端一體化是大勢所趨。此外，智能服務正在加速普及，信息設備以「不可見」方式嵌入到用戶環境與日常工具中，形成了以泛在感知網絡為支撐、自然沉浸式的智能教育體驗。

基於上述背景可以預判，當前及未來一段時期，教育信息化建設的主要特徵將有 [11~13]：

（1）教育環境將更加智慧化，主動適應學習個體的需求。通過無處不在的通信網絡和傳感設備，智能感知學習個體的場景和特徵，主動為其營造學習環境、規劃學習路徑、推送適宜學習資源，將「人找信息」切換到「信息找人」。

（2）教育的各類數據和信息將實現無縫流通。數據分析是實現智能教育服務的基礎，而教育信息化建設將為各類數據的採集和分析建立規範和標準。通過對物理環境的感知，實現數據的匯聚和跨域傳輸，強化教育服務的調節功能，打破時間、空間、內容、媒介的限制。

（3）教育業務將實現智能協同。基於智能技術和泛在高速通信環境，各類教育業務將實現近全時 / 全域、多模式的連通與協同，突出便利、快捷、高效、智能。教育領域的管理、教學、培訓、服務等環節具備智能協同能力，促進業務流程重組並創新服務形態。

（4）優質教育資源更好實現按需供給。傳統模式下的學習資源供給「千人一面」，而智能時代的網絡傳輸技術，促成全過程學習數據的高效傳輸。智能學習服務系統通過精準分析學習個體，針對其特定需求提供優質、專業的教育資源和服務。

（5）學習機會均等供給成為可能，促進教育公平。教育信息化使得優質的教育資源和服務可以通過網絡進行互通，將學習嵌入到正式教育之外的日常生活中，創造「當技術無處不在，學習也就無處不在」的學習機會人人平等的良好局面，由此可從IT 技術層面輔助化解教育公平問題。

（二） 教育網絡面臨挑戰

目前，學校同時部署了多個網絡，如有線網、無線網（Wi-Fi）、校園網、物聯網、電視網等，用於承載科研信息共享、多媒體教學、電子閱覽、資料存儲等校園業務，以及行政管理、教師辦公、學校論壇生活及社交等其他業務 [14]。隨著數位化轉型深入，智能網絡終端和越來越多的創新應用正在推動教育信息化的轉型升級。學生和教師期望獲得更好的網絡服務、更豐富的多媒體體驗，包括在線學習、沉浸式虛擬環境教學、線上備課、智慧化管理等；也希望在校園內隨時隨地實現高效便捷的網絡體驗 [15]。

對比現狀供給和期望需求，教育網絡面臨著諸多方面的挑戰：①教育信息系統資源共享難，教學、科研、管理、技術服務、生活服務等信息化系統通常採用「煙囪式」建設模式，導致出現信息孤島現象，業務流程整合度低；②新型教育業務承載能力不足，超高清（4K/8K）直播課堂、虛擬 / 增強現實（VR/AR）課堂、全息教育、4K 高清監控、學校移動巡邏車等新型業務對網絡帶寬提出更高需求；③數據安全風險大，跨校區的共享資源、學生家長信息等存在洩漏風險，教育大數據的匯聚有可能進一步加劇數據安全風險；④建設與運維成本高，教育信息系統建設以及多網融合帶來的直接建設、運行維護、後續升級的費用高昂。

教育信息化的諸多新型應用，對信息通信技術的基礎設施功能提出了更高要求。現有的網絡接入手段，如固定寬帶、Wi-Fi、3G/4G 移動網，因其組網便利性、網絡時延、安全管理、終端成本等方面的性能滯後，難以滿足未來的高清直播、VR/AR教學、全息課堂、高清監控等教育教學創新應用場景。例如，現有的 4G 教育雲應用雖然可以基本滿足單路全高清（1080p）教育視頻內容採集、傳輸的需求，但是無法滿足多路全高清視頻的同時回傳，以及超高清視頻甚至 VR 全景視頻等更優質教學資源的回傳和雙向互動的應用需求。教育創新應用需求、新型 IT 能力兩方面存在著巨大的「互動」空間，精準適配、深度融合，有望破解現有教育網絡面臨的挑戰。

（三） 5G 技術「使能」教育信息化

面向未來的教育信息化，將密切關聯以 AI、VR、大數據等為代表的前沿技術的成熟化和實際應用。運用和發揮 5G 技術優勢，克服傳統網絡在教育創新過程中速度、延遲、傳輸容量等方面的掣肘，為教育領域的變革提供基礎性、關鍵性支撐，從而「使能」未來的教育信息化。5G 網絡環境的大帶寬、超高可靠、超低時延、大規模物聯等特點，結合切片技術、邊緣雲技術（MEC）、AI 等 IT 前沿技術，使得智慧校園、智慧課堂的創新應用成為可能 [16]。

傳統智慧課堂的數據網絡承載依賴於校園網內的有線網絡、Wi-Fi 覆蓋，物聯層面則通過藍牙、紫蜂協議（ZigBee）等實現。相比之下，5G 智慧課堂通過各組成硬體終端的 5G 化，充分利用 5G網絡與生俱來的技術和業務優勢，為校園用戶解決實際教育需求、帶來更好教育體驗：①網絡承載統一，學校不再需要部署多種網絡；②超高網絡帶寬，使得智慧課堂中的交互顯示終端設備、信號傳輸及處理終端設備，能夠承載 4K/8K 級別畫面效果；③速率更快、延時更低，支持智慧課堂的常態化錄播，遠程授課的遠端會場可以無延遲地感知、體驗到「名師優課」課堂畫面；④支撐教育教學新的應用場景，如遊戲化課程、VR 實驗環境、VR 控制環境、高清立體顯示、遠程考試監測、學習行為追蹤和挖掘、智能實驗系統和智能教學系統等。

三、5G 教育應用總體設計

（一） 需求場景

國際電信聯盟（ITU）明確了 5G 技術 3 類主要的應用場景 [17,18]：①增強型移動寬帶（eMBB），滿足需要高峰值速率、高速移動中接入、密集區域接入通信網絡需求的業務場景需求；②海量物聯（mMTC），滿足需要低成本、低功耗、小流量通信網絡需求的業務場景需求；③高可靠低時延連接（URLLC），滿足需要超低時延、超高可靠通信網絡業務場景需求。立足 5G 技術能力，對接教育信息化需求，經過研究梳理，明確了主要類型的教育機構對 5G 技術的應用場景需求（見表 1）。

表 1 教育機構需求場景分類

在中、小學校及校外培訓機構方面，近期需求集中在遠程互動教學、遠程聽評課、教學效果 AI評測類應用。職業院校、軍事院校方面，近期需求集中在 VR/AR 教學和智慧校園管理類應用。普通高校方面，近期需求集中在教學效果 AI 評測和智慧校園管理類應用。

（二） 總體視圖

從教育信息化的三大領域（教學、教研（含教育評價）、教育管理）出發，探索提出了 5G 教育信息化的總體視圖（見圖 1）。在教學領域，5G 技術支撐的主要場景需求包括遠程互動教學和 VR/AR教學。在教研領域，5G 優先應用的場景包括遠程聽評課和教學效果 AI 評測。在教育管理領域，5G技術主要應用在以物聯網為特徵的智慧校園管理。

圖 1 5G 教育信息化總體視圖

四、 5G 教育應用場景創新

個人計算機（PC）融入網際網路，使傳統教育形態發生了顯著變化，出現了多樣化的網絡學習資源、多類別的在線學習網校。5G 作為 IT 基礎設施，在催生教育形態進一步更新方面潛力巨大。5G 的技術使能，讓學習者不再受 PC、Wi-Fi、學習場地的約束，幾乎隨時隨地藉助物聯網和 VR 技術，獲得和真實教室相似的學習體驗：優質學習場域「無處不在」，權威教育專家「觸手可及」，精品課堂互動「活潑多樣」。為有效應對 5G 技術變革及其與教育行業的深度耦合，我們前瞻開展 5G 技術的教育信息化的應用研究，突出應用場景創新，探索 5G 可能重構的教育核心業務。

（一） 遠程互動教學

困擾中國教育改革的一大問題是教育資源分布不均、師資水平參差不齊，而教育信息化作為國家信息化建設的重要組成部分，一直被視為緩解上述問題的有效措施。通過遠程實時直播互動教學系統，讓教育資源貧乏地區也能均衡獲得線上名師課堂內容，並最大化地還原線下教學場景。遠程互動教學最典型的應用場景是雙師課堂，儘管不是新的教學模式，也不是新技術，雙師課堂普及程度較低狀況的根源在於有線網絡的性能受限。多數學校以及培訓機構為保證多地遠程教學效果，通常採用專線連接，這就導致：在網絡不發達的地區，很難將優質的教學資源共享；即便是網絡較發達地區，也面臨專線傳輸帶寬不足、傳輸延時、穩定性差、靈活性差等情況，進而影響課堂的互動效果；在實際應用中往往將雙師課堂模式「降級」成為視頻播放教學模式。

5G 網絡的高帶寬、低時延等特性，支持實現具有移動性的靈活開課，隨需隨用，有效緩解傳統雙師課堂的交互體驗問題，為雙師課堂的優化發展提供技術保障。基於 5G 網絡的遠程互動教學場景視圖如圖 2 所示：在多地遠程教學場景下的設備終端部署 5G 通信模塊，使得教師側的教學場地更加靈活，而學生側擺脫了傳統專線模式的束縛。相比於傳統有線網絡以及 Wi-Fi 環境，5G 構建的遠程互動教學解決方案具有以下優勢：① 5G + 雲端部署，滿足雙師課堂所需的低延時、大帶寬和高可靠性，具備課堂的互動實時性，根本性地解決音 / 視頻延遲、卡頓等問題，提升學生的課堂參與度和學習效果；② 5G 網絡相比有線網絡，可以適應教學場地的各種變化，靈活性、便捷性良好；③據測算，5G進入規模化部署應用後，無線代替線纜，教育信息化建設成本降低 50% 以上。

圖 2 基於 5G 網絡的遠程互動教學場景

（二） VR/AR 教學

基於 5G 的大帶寬、低時延等特性，將 VR/AR教學內容部署在雲端，利用雲端的計算能力實現AR 應用的運行、渲染、展現和控制，並將 VR/AR畫面和聲音高效地編碼成音 / 視頻流，通過 5G 網絡實時傳輸至終端 [18]。為了滿足教學的低時延需求，採用邊緣雲部署架構，將對時延要求高的渲染功能部署在靠近用戶側，有效解決傳統方案中網絡連接速率和雲服務延時的突出問題。

基於 5G 技術的 VR/AR 教學場景視圖如圖 3 所示。建設 VR/AR 雲平臺，開展 VR/AR 雲化應用，包括虛擬實驗課、虛擬科普課、虛擬創課等寓教於樂的教學體驗。將知識轉化為數位化的、可以觀察和交互的虛擬事物，讓學習者可以在現實空間中深入了解所要學習的內容，並對數位化內容進行可操作化的系統學習。

圖 3 基於 5G 網絡的 VR/AR 教學場景

相對於傳統教育，VR/AR 教學具有以下特點：①三維直觀的教學內容和教學方式，學生們的課堂體驗從二維（2D）躍升到三維（3D），將那些抽象或肉眼不可見的內容進行形象可視化的展示，有助於提升認知和理解；②互動性和參與性強，學生在VR/AR 學習實踐中直觀體驗學習內容，緊密參與教學過程，學習熱情得以充分調動；③主動的交互式學習，在學習的過程中學生可以隨時暫停，或重複其中任何一個步驟，不用過多地考慮間斷或反覆學習給施教者所帶來的幹擾；④遊戲化教學，基於VR/AR 的可視化、互動性特徵，可以設計出非常吸引人的遊戲化教學內容，從而提升學生們的學習興趣；⑤減少教學中的風險，通過 VR/AR 技術進行虛擬實驗，降低化學、物理、機電等學科動手操作和試驗的安全風險；⑥ VR/AR 可以實現不同地區的老師、學生聚集在同一個虛擬課堂中，達到體驗真實、實時互動的效果，從而促進教育資源平等化、共享化。

（三） 遠程聽評課

傳統的聽評課需要專家進入教室，可能影響到老師現場教學、學生聽課狀態，因而評價對象可能失真。遠程聽評課是近端教室進行名師授課，遠端教室進行互動、旁聽、點評的一種全新的教學模式，較好規避了傳統模式的不足。

設計的 5G 遠程聽評課的場景視圖（見圖 4），其核心是 5G 常態化錄播終端、5G 強大計算能力和AI 分析能力。將傳統錄播終端 5G 化，依託 5G 行動網路來進行遠端教室互動、旁聽和點評，打造近實時、雙向互動、智慧化的聽評課環境。相對於有線網絡、Wi-Fi 網絡環境下的遠程聽評課，5G 網絡所具備的超高帶寬、超低延時特性，可以充分保障遠端的聽課教師能夠感知流暢、高清的教學音 / 視頻，保障評價的客觀性和準確性。整合 AI 能力實現課堂實時分析和評測，可以針對教師和學生的教學行為進行智能分析，生成課堂教情大數據；綜合課堂現場數據和專家遠程評課的內容，通過 AI 算法生成聽評課反饋，直觀反映教師在教學過程中需要改進的內容。

圖 4 5G 遠程聽評課教學場景

（四） 教學過程 AI 評測

教育教學領域的 AI 應用是未來發展方向，涉及了對海量教學數據的多維度、多層面智能採集與處理分析，其趨向實用化仍存在挑戰。5G 網絡環境憑藉高帶寬、高速率、低時延、邊緣計算等特性，使得在單位時間和網絡單元中可以採集和傳輸更全面的學習過程數據，這賦予了教育 AI 的靈活運用可能性。典型的教學過程 AI 評測的應用場景如圖 5所示，在教室中布置多個 AI 攝像頭採集視頻並抓取圖像信息：進行臉部朝向檢測，判斷學生是否面向講臺正前方；分析臉部上下左右角度、正面的時間佔比：對學生五官及微表情進行檢測分析；監測學生的非學習性行為；通過專注度分析模型，自動分析學生個人和班級整體的學習專注度。據此，利用 5G 網絡高速實時地將各種行為統計結果回傳給授課老師以及學校管理系統，實現教學的實時互動以及教學管理聯動。AI 技術在教育應用過程中也應高度關注潛在的風險和威脅，如可能洩漏學生隱私、涉嫌技術使用的倫理風險等。

圖 5 教學過程 AI 評測場景

AI 技術融入教育教學過程的收益有：①將教學過程中老師和學生的上課狀態數據化，便於深度挖掘教學過程監管、個性化教學等應用價值；②自動分析學生上傳作業照片和文本，自動關聯相應的要點和難點，為自主學習提供了更多可能性；③在個人學習過程中，根據知識點的相互關聯性，製作知識圖譜，制定學習計劃；④準確判斷學生的學習水平，推送與之相匹配的學習計劃，提供個性化的指導方案。

（五） 智慧校園管理

智慧校園管理主要指校園各類設備的智能化管理。利用智能感知以及物聯網技術，通過攝像頭、傳感器等各類採集設備全面採集校園環境和人群的信息，對採集到的海量數據進行智能分析，將分析結果應用到學校的教學、科研、管理服務工作當中，實現能耗管理、狀態監測、資產管理、設備控制、環境監測、安防監控、車輛管理等功能，由此保障校園智慧化運營（見圖 6）。

圖 6 基於 5G 網絡的智慧校園管理

5G 時代的智慧校園管理的應用收益有：①實現電教設備的互通互聯，不同資源、服務、平臺之間的互通互聯，可開展本地直接管理或遠程間接管理；②實現物聯設備的智慧化管理，構建人與環境互相感知的信息化環境，全面提高學校的信息化程度並實現智慧化節能減排；③實現數據採集和管理優化，通過對所有設備使用數據的長期採集、挖掘和深入分析，優化智能監測、控制和管理水平，提高校園整體管理效率。

五、 面向 2035 年的教育信息化展望

5G 教育應用的頂層設計，在遵循教育客觀規律、融入教育行業發展的基礎上，以創新應用場景為抓手來推動落地建設、發揮預期成效。教育信息化下一階段的發展重點在於 IT 推動的教育應用創新：①當前，教育應用的範圍主要包括教育管理平臺、教學資源平臺、家校互動平臺、校園監控平臺等，IT 主要作用是改變了教育教學環境；②中期（2025 年），IT 的作用要滲透並融入到教學過程中，通過 5G、雲計算、大數據、AI 人工智慧、VR 等技術，更精細、更顯著地提升教學效果，促進教育現代化發展；③遠期（2035 年），5G 技術充分發揮本質優勢，合理融入更新一代通信技術，奠定智能校園網絡基礎，協同諸多先進 IT 技術支撐一體化智能應用系統的構建，促進更多顛覆性教育應用。

面向 2035 年，隨著 5G 的普及應用甚至升級換代，教育信息化建設將進入全新階段：①在校園環境層面，實現人文關懷與先進技術的和諧共存；②在校園治理層面，以「5G + 大數據 + AI」為依託，規範治理主體，優化治理結構，充分發揮 IT 服務教育的作用；③在具體應用模式方面，傳統的遠程廣播教學升級為遠程高清視頻互動教學甚至是全息視頻互動教學，傳統的多媒體音 / 視頻教學升級為VR/AR 虛擬實境教學，傳統的教學統計分析系統升級為基於 AI 能力的全方位的教育教學評價系統，傳統的校園內部分散的考勤 / 監控 / 安防系統升級整合為基於物聯網技術和 AI 技術的智慧校園管理系統。