基于5G 的智慧教育业务架构设计与应用

周忠和，李 成

（湖南省通晓信息科技有限公司，湖南长沙410001）

2017 年十九大报告中明确提出 “办好网络教育”，2018 年《教育信息化2.0 行动计划》提出到2022年基本实现“三全两高一大”的发展目标。[1]十九大之前的教育信息化可称为“教育信息化1.0”，以“三通两平台” 为主要标志的教育信息化1.0 建设已经落地，但仍然不能满足社会的新需求，十九大以后进入“教育信息化2.0”时代，开启智能时代教育的新征程。[2]要求教育部门对人才的培养以能力为先，须要将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量，来支撑和引领教育现代化发展，推动教育理念更新、模式变革、体系重构[3]。

一方面，随着5G、大数据、云计算、人工智能（Al）、区块链等成熟新技术的应用和普及，教育正逐步从数字化教育向智慧教育转变。智慧教育在全面关注“师生、基础设施、教学能力”的基础上，利用现代新技术打造智能化、感知化、泛在化的现代教育新模式，通过个性化、精准化、虚拟化的教学模式，提高教学效果，增强全民的学习兴趣，提升工作能力和学习效率。另一方面，通过借助5G 网络超宽带、超低时延、海量连接、超高可靠性的特性，并结合4K/8K 高清、XR 虚拟与增强现实技术、人工智能、区块链等新技术提供万物互联通信，支持随时随地、安全可靠、及时准确的多种应用场景灵活性和多样化的业务需求。智慧教育将在效果、智能、创新和网络覆盖等方面得到极大的提升，以实现灵活多样的教学方法与高效的学习效率。

1 目前教育信息化面临的主要问题

我国教育信息化建设近年来取得了巨大进步，但教育资源不均衡、校园安全隐患、缺乏互动式教育等问题依然存在。

1）教育资源的不均衡。校际间、城乡间、城域间资源分配的失衡致使全民对优质教育强烈渴望，这是目前阻碍我国教育发展的重要问题。

2）教育模式单调。当前数字教育模式下，学生被动接受知识，学习效率较低，教学质量无法有效提高。需要依托虚拟仿真、人工智能（Al）等新技术，调动学员视觉、听觉、感觉等多感官参与，使抽象的理论概念更形象直观，变被动接受为主动交互。

3）校园安保单一。当前模式下校园安全保障工作仍需要依靠大量人力对校园各个角落进行巡检，校园安全问题时有发生。需借助5G、人工智能、大数据分析等技术，可通过巡检机器人、现有监控，采集校园内的人、车、设备等监控视频数据，进行大数据分析，实现对校园智慧监控的管理[4]。

因此，亟需将5G 技术应用于教育的各个方面，同时结合大数据、人工智能、4K/8K 高清、XR 虚拟与增强现实技术、区块链等新技术，支撑教育信息化向智能化、去中心化方向发展。

2 智慧教育业务架构设计与应用

2.1 架构设计

为解决智能教育设备的快速接入与应用难题，遵循开放共享的理念，依托5G 网络，解决校校连接的网络瓶颈，借助大数据、AI、VR、区块链等信息化技术手段，实现智慧教育的各类应用，全面助力教育信息化快速发展。[5]具体架构设计如图1 所示。

图1 智慧教育业务架构设计图

终端感知层：通过各类智能感知终端为师生实现校园精细化管理。此层包括教学智能终端、VR/AR/MR终端、学生听课AI 情绪识别设备等智慧教育应用设备。

网络层：依托5G 网络的高速率、低时延特性，满足校园内各类交互信息、监测信息的实时传输、智能分析，实现突发事件的快速处理。同时，利用5G 的热点高容量特性，有效解决学校这类密集用户场景下高速上网瓶颈问题。

基础资源层：提供基本的计算、存储、网络等服务；提供基础资源的虚拟化服务、资源的动态分配、再分配和回收。

应用支撑层：通过对各种业务系统的数据进行比对、处理、融合和共享，为教育应用提供统一人脸识别、智能分析、语音识别、行为分析等基础功能支撑。

业务应用层：主要包括虚拟现实教育、远程互动教学、人工智能教育、校园智能管理、区块链等应用。一方面为学生提供名校、名师的优质远程互动教学课堂，为老师提供名校、名师的远程教研指导以及AR/VR 等沉浸式教学素材，促进教育均衡发展；另一方面，通过对校园人员、车辆、设备进行统一管理，解决校园安全问题；再一方面，通过区块链技术的分布式数据库、去中心化等特性，在促进教育公平方面发挥着重要的作用。

2.2 典型业务应用场景设计

2.2.1 平安校园

在各级教育教学单位内，利用5G 网络大带宽、低时延的特点，搭载AI 人工智能视频分析，实现人、车、设备的360 度全方位、全天候监控管理与智能分析，通过人脸识别技术围绕学生的活动轨迹进行无感识别，实时掌握学生在校的行动轨迹，让老师和家长能及时了解学生在校情况；为学生的校园安全提供强有力的信息化保障手段，提高学校和家长对突发事件的反应速度。

2.2.2 XR 沉浸式教学

通过5G+XR 技术，结合教学情景，用虚拟现实技术将传统教材中抽象的概念以及难以用语言讲透彻的知识点直观形象地表达出来，打造出仿真度高、可交互的虚拟互动教学场景，充分激发学生对学习的兴趣，提升学生学习的主观能动性，进行高效的学习。根据学科的不同，虚拟现实技术的作用不同。目前市场上存在的产品主要有虚拟现实、虚拟空间、虚拟演播室和仿真实验室的构建等[6]。

2.2.3 远程教研

借助5G 网络切片技术、云计算、边缘计算和大数据的应用，通过高清音视频与多媒体协作，专家可以在线观看上课的整个流程，对老师的授课表现（语言、姿态、内容等）进行打分，同时也可以通过远程示教为师生提供更好的实习环境。结合系统AI 模型生成的评估报告和改进建议，专家可以对此次教研活动进行客观公证的评价，帮助老师发现教学过程中的不足，快速改进教学方法，提高教学效果。

2.2.4 远程同步课堂

现有的双师课堂业务采用有线网络承载，不仅建设成本高、工期长，还不能进行灵活的部署。而Wi- Fi虽然能解决灵活性的问题，但是经常出现网络盲区、网络延时等问题。5G 网络的高带宽、低时延等特性，不仅可以解决灵活性的问题，还可有效进行互动式教学，实现中心学校与边远学校之间授课课堂的远程同步，缩小城市与偏远或落后地区的教学质量差异，解决教育资源不均衡问题，促进公平教育。

2.2.5 学分认证体系

基于5G 技术和区块链技术，打造“去中心化”的智慧教育平台，来实现知识的均衡化，使得每个师生随时随地都能够共建、共享到“区块链”上的信息，达到教育公平。[7]利用区块链透明、不可篡改等特性，使得教育结果与过程真实可信，构建随机的学习场景与可信的信用体系，实现知识共享、学分互认等，并且可以应用到不同阶段的教育中。比如，在开放教育中应用MOOC、身份认证可有效建立学分互认的同时，享受高质量的教育资源，也可应用到全民终身学习的可信场景等。

3 结论

基于5G 的云计算、大数据、Al、区块链技术的逐步应用，推动教育逐步从传统教育向智慧教育转型，实现教育信息化2.0 的变革。智慧教育应用通过与5G 技术的有效融合，有效推动了智慧教育的发展。后续相关部门制定“教育+5G+ 区块链”顶层设计及建设标准，将有效实现服务于智慧教育的互联互通，避免“信息孤岛”现象，解决教育资源不均衡问题，加快教育深化改革的步伐。