5G+技术特征与教育应用场景分析

宋家蒂

(渤海大学 教育科学学院，辽宁 锦州121013)

0 引言

当前，以互联网和通信技术为代表的新科学技术已成为推动人类社会和经济发展的基础。2019年，中国移动发表《5G智慧校园白皮书》，这标志着5G技术开始在各领域的商业应用。2020年，在推动5G和相关产业协同发展的同时也深入对5G的技术实质和发展规律进行深刻思考，逐步形成“5G+行动计划” ,此计划以5G+技术为核心理念。在教育领域，5G+技术能够满足个性化和智能化的教育需求，为未来教育发展提供了可能：一方面是新教育思想与理念的层出不穷，形成了追求平等教育、创新教育和个性化教育的共同主题；另一方面是新媒体技术不断涌现，使现代教学活动日趋深度化和高阶化。随着5G技术与VR/AR和全息投影等技术不断完善发展，技术对教学活动的认知支持作用将会更加突出，教学变得更精准，知识变得更易懂，学习也会更快乐，学习从被动学习转变为主动学习，并使终身学习成为现实。通过5G+技术与教育教学的有机融合，可以更好地解决教育教学实践中存在的问题，促进教育信息化快速发展。

1 5G+技术及其特征

5G就是5th-Generation的简称，是继1G、2G、3G、4G之后的第五代移动通信技术。从1G解决了通信的移动化到2G进入数字通信时代，3G进入数据通信时代，都让人们的通信和生活质量得到提升，而4G的出现带来的不仅是一个移动互联网的时代，随之出现的还有位置导航服务、社交系统软件以及移动支付方式等带来便利的功能，这些都极大地提升了人们的生活质量。目前，随着5G网络技术建成与应用，5G+技术将赋能千行百业。

1.1 5G+技术

5G+是指将5G技术与社会各行业深度融合，以构建完善的新生态来推动经济社会全面信息化发展，进而更好地推动5G发展。目前，社会生活中的5G+技术应用(5G+行动计划)主要体现在4个方面：①“5G+4G”，即5G与4G的协同，在二者共同支撑下构成的基础网络设施和技术应用领域能为人们提供丰富的网络服务，包括数据处理与通信保障；②“5G+AICDE”(即人工智能、物联网、云计算、大数据和边缘计算)，这是“5G+”行动计划的核心，是将5G通信技术作为技术基础，促进其与移动互联、大数据、人工智能、云计算、物联网、边缘计算等新技术的有效融合，形成1+1>2的规模链式应用反应，推动“5G+AICDE”的实施，将会给社会带来巨大的产业空间；③“5G+Ecology”，即充分发挥5G技术的生态辐射力与影响力，加强建设开放型的生态体系，实现资源共享、生态共生、互利共赢和融通发展；④“5G+X(X代表变量，代表其在各行各业的应用)”，即促进5G技术和各行各业的深度融合。如“5G+教育”“5G+智慧医疗”和“5G+智慧交通”等，5G技术将推动各行业的数字化与智能化转型，并为服务创新、跨行业共建和生态系统应用提供广阔的发展空间。

1.2 5G+技术特征

1.2.1 高速度

在移动通信技术每一次升级过程中，最直接的感受就是在速度方面，技术每升级一次，用户的体验速度都会有大幅度的提升，这种大幅度的网速提升保证了人们的网络体验品质。在理论上，5G技术能够实现每一个基站的速度为20Gbps的目标，而每一个用户的实际效度则可能接近1Gbps，如此高的速度会给经济带来很多新的机会，比如虚拟现实就可以借助5G实现新的突破。此前VR用户体验感差，很大一部分原因是网络支持不达标，难以很好地实现高清同步传输。5G技术的到来在加强VR技术发展的同时，也能够进一步推进在线教育、沉浸式教学和交互式教学等方式从理念转变为实际应用。并且会用各种新兴技术支持更大的宽带和更高的速度。5G技术在此基础上不断进步，才能让传统业务和服务有更好的体验。

1.2.2 泛在网

目前，泛在网实质包括两个层面：一个是广泛覆盖，即凡是人类足迹能够延伸到的地方，都必须要有网络的覆盖，例如高山、峡谷和戈壁等，在5G+时代都会有相应网络的覆盖；另一个则是纵深覆盖，即泛在网的发展能够有效地提供很多更好的网络服务，人们生活中已有的网络部署将会进入到更高品质的应用阶段，且网络应用体验品质能达到一个更为优质的标准。泛在网是从人与人通信为主的电信网向人与物、物与物的通信广泛延伸的“大”信息通信网络，是经济社会全面信息化的概括。网络的基本特征包括广泛存在和全面应用两方面，其目标是实现任何人、任何物都能随时随地进行便捷快速的信息传播，这些都是基于个人和社会的需求，为其提供全面的信息服务与应用。

1.2.3 低功耗

5G技术能够支持物联网应用，其最主要的就是需要考虑并解决功耗方面的问题。如果智能设备每天都需要充电好几个小时，就会导致用户的体验感较差，从而严重影响设备在普通民众日常生活中的普及应用。5G技术的低功耗主要采用2种技术手段来实现，高通等主导的eMTC和华为主导的NB-IoT。前者是运用eMTC技术在蜂窝网络支撑下进行部署，此技术手段支持上下行的最大峰值速度为1Mbps；后者运用NB-IoT技术在蜂窝网络的支持下实现构建，虽然所消耗的带宽大约为180kHz，但由于此技术可以直接部署在GSM网络、UMTS网络或LTE网络上，因此能够实现低成本和平滑升级的低功耗应用。5G独特的低功耗广域网技术能够与传输距离远、通信数据量少及电池需长时间供电的物联网应用相互适应。基于5G低功耗研发的各种低频数据采集传感器，是未来物联网构成的核心要件，实现“万物互联”到“万物智联”底层设施的升级发展。

1.2.4 低时延

时延是指数据从网络一端传输到另一端所消耗的时间。一般来说，人与人、人与机联通的时延要求并不高，因为人的反应过程需要耗费一定的时间，但是网络延时会使得一些应用场景受到极大的限制，如在无人驾驶和工业自动化控制领域等。140ms的时延在人与人进行正常信息沟通过程中是合理的，但是这个时延限定在无人驾驶或工业自动化的过程中就无法被接受。而通过5G网络技术的应用，能够将各种特殊场景中空中接口的时延标准控制在1ms左右，这也是严苛且必要的条件。在这些特殊场景中，低时延的要求极为严格，因为信息传输与延迟稍长都有可能引起灾难性事故。想要实现5G的超低时延，一个必要条件就是将各种技术结合起来，由于端到端的时延是由多段路径上各端的时延共同组合而成，所以优化也必须将所有端都结合起来。因此， 实现5G的低时延必须满足两方面的要求：一方面是在空口传输的时延标准上，采取措施将其进行大幅度地降低；另一方面在转发的节点数上，也要寻找可行路径将其减少，并且缩减源节点到目的节点之间的“距离”。此外，这个目标的实现需要在整体的支撑下进行，要将空口、网络架构和核心网等各种技术进行融合，最终满足各种垂直业务的网络要求。

1.2.5 万物万联

5G网络技术能满足这些不同设备接口共同运行的标准，万物万联已经成为社会发展的一大趋势。进入5G+应用时代，终端不再是简单地按照人数来定义，而有可能是一对多的关系，即每个个体都可以拥有多个终端，数不清的智能产品都可以在网络上相互联系，形成真正的智能物联网世界。在5G技术支撑下，以前无法联网的设备，比如下水井盖、私家车和街边的垃圾桶等设备，都会被赋予全新的功能而变得更加智能。总之，5G让万物万联成为可以实现的目标，实现了万物之间都能进行信息交换和资源共享的目标。人类社会发展到5G信息技术时代，将会呈现出一个崭新的世界，在此世界中移动互联和智能物联网都能得到整合。5G能广泛应用于各种智能管理系统或服务产业领域，基于此将可以实现智慧教育、智慧城市和智慧地球。

1.2.6 安全重构

5G技术本身有着十分广泛的应用范围，包括金融、医疗、教育和交通等各个产业领域中的应用，其数据传输量很大，内容也较为复杂，这就使其系统运行的安全水平与4G技术时代相比必须有所提升。这种建立在5G基础上的智能互联网功能更加多元化，因为除了传统的互联网自由、开放和共享等基本功能以外，还要建立起一个全新的功能体系，因此安全是5G时代智能物联网的首要要求。而5G网络的特点之一就是内网与外网之间的分界，二者之间的界限越来越不清晰这点也是网络泛化的一个大趋势，由此而产生的网络安全问题也变得越来越复杂多样，尤其是在一些典型的应用场景中，如金融、医疗、交通和教育等，5G网络中存在的安全隐患更加不容忽视。网络安全问题对于人们来说都是至关重要的，因此5G想要发展必须要将信息的安全保障作为前提，进行信息安全架构的重建。在大数据分析、云计算和安全情报收集等技术的支持下，信息检索系统对安全的分析结果越来越精确，对安全预警也越来越及时精准，防御方式逐渐由被动转为主动。未来5G网络能支持运营商制定安全保障，并将AI与人工智能等技术也融入到主动防御的设计理念中，可以满足各个产业领域对网络安全的迫切需求。

2 5G+技术影响下的教育应用场景

从5G网络技术现有的发展情况来看，其关键技术优势主要有：基于4K/8K高清视频交互分析技术的超高速率性、基于超高速低延时的分布式存储技术的超低时延性和基于大数据加工处理技术的超大连接性等。5G、智能互联网与教育三者的有机融合，将会转变传统教学过程中存在的时空界限，并弥补时空距离，实现技术应用与教学方式的深度融合。目前，5G+新技术形态影响下的教育应用场景主要有以下几个方面。

2.1 远程在线教学，教育资源均衡化

作为远程在线教学主要场景的双师课堂，首要目的是解决乡村教学点中存在的师资队伍数量不足、课程开设标准不齐和优质教学资源缺乏等问题，促进城乡教育协调发展。在5G+技术支持下，双师课堂教学可以实现城乡教学课堂的同步，5G网络的高宽带HE 低时延特性可以解决双师课堂成本高、灵活性差以及音视频延迟等问题，4K高清视频传输功能可以为课堂提供低时延沉浸式的互动活动体验，有效地解决了传统双师课堂过程中师生间交互体验不佳的问题，形成了“5G网络+同一课堂+两位教师”的教学组织形式，从而为在线教学提供教育资源公平且均衡化发展的条件。此场景下的教育应用优势，首先是具有学习的生动性，通过5G与双师课堂的结合可以使书本上的知识有了真实的情景，进而能够调动学生学习的主观能动性与积极性；其次是具有良好的开放性，可以突破目前中心学校与教学点师资水平不足、教学条件不均衡及校与校连接难以全面打通的教育实践局面，特别是通过全息教学或混合在线教学可以实现区域内优质资源的真正共享共建；最后是具有较强的适应性，能实现教学适应性和精准性更强的远程教学。

2.2 VR/AR教学，教学内容新颖化

目前，一些相关学科课程存在难为师生提供优质教学体验的问题，这些问题都可以通过VR/AR技术的应用，在课堂中采用全息投影技术，让远距离网上在线听课的学生能够通过3D效果，与学校教师进行面对面地交流，使学生的课堂感官体验可以更加真实，实现了交互式的远程教学。相比5G智慧课堂等其他类型的教学来说，5G+VR/AR教学对于内容的集成和渲染有着更高的要求，5G的边缘计算能力可以满足用户的要求，同时超低时延也能够满足VR/AR的交互需求，在终端设备只需嵌入5G通信模块即可接入5G网络，这个技术相对于传统的Wi-Fi部署来说更为灵活，并且还可以解决此前VR带来的眩晕感问题。此场景下的教育应用优势，首先是强互动性与强参与性，将“5G+VR/AR”技术应用在课堂教学过程中，可以让学生在现实空间中理解并学习知识，学生可以参与到教学中，从“死记硬背”变成学习是一种真实情境的体验；其次是低风险性，如物理、化学、机电等教学过程中有一些需要亲自动手操作的实验，应用VR/AR技术后，降低了这期间的危险指数；最后是教学资源变得更加公平，采用VR/AR技术与教学结合的途径，不同地区的教师和学生都加入同一个虚拟课堂中，实现教学与学习同时进行，将不同城市的教学资源进行共享，实现偏远山区也可以享受优质的教学资源，缩小了城乡教育的差距。

2.3 多终端交互教学，教学个性化和师生互动化

相较于传统的多媒体课堂，5G多终端通过其各组硬件终端的5G化，由最初的有线网络、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和窄带物联网等网络承载，转变成为高宽带、高速率、高安全和低时延的物联网智慧课堂。5G网络承载采用网络数据传输与服务于一体，有效地利用了5G网络独特的技术特征和功能优势，带来了更优质、更便捷、更高速的教学体验。

此场景下的教育应用优势，首先是能够有效地促进教学过程的信息化发展：在课前，5G移动手机端为教师提供可以移动备课的条件；在课中，运用有反馈功能的教学设备，教师可以实时地对学生的课堂测验数据进行分析，进而能够及时地调整更合适的教学方式；在课后，利用任何时间、任何地点都可以接入的网络，教师能够进行精准的个性化辅导，以保证学生更高的学习效率。其次，多终端的交互教学还可以对教学评价和信息进行全过程的即时反馈，5G网络技术可以支持将教学过程中的整个课堂场景同步记录，并且在将数据传输到5G边缘平台之后结合大数据进行分析，这种方式可以推动评价合理化、教学个性化、决策科学化和教育均衡化。最后，在5G+技术支撑下进行的教学过程中，每位学生在每节课的每个知识点的学习数据都可以被保存下来，这样有助于精准地反馈教学策略，并进行实时地灵活调整，改变传统“片段式”教学评价方式，变成“全景式”评价，满足学生的多种个性化学习需求。

3 5G+技术在教育中的应用

3.1 5G+沉浸式深度教学

沉浸式深度教学作为5G+智慧教育的主要方式，将VR/AR技术与教育相结合，为课堂提供一种全新的教学体验，采用沉浸式教学方式能够有效地提升学生的主动性以及对知识的建构速度，同时还能够使整个课堂体验变得互动化、个性化和沉浸化。沉浸式深度教学就是教学的VR化，抽象的学习内容普遍存在于传统课堂中，但在5G+技术支持下，传统教材中的抽象内容可以通过交互方式变得更加可视化与生动化，使学生的学习体验更加的沉浸化，进而提升学生构建知识的主动性，并实现更高的教学质量。在虚拟现实行业的发展中，教育是发展相对较快的领域，在大众教育需求的推动和国家相关教育政策的鼓励下，5G+沉浸式深度教学的教育应用场景将会持续增长，其发展潜力巨大。5G+沉浸式深度教学3个主要优势就是真实感、交互感和愉悦感，5G网络技术会有大幅度的提升，而5G+沉浸式教学会拥有更高的分辨率、更高的帧率以及更大的视场角，能够更有效地促进教学活动实施的有效性与精准性。

3.2 5G+在线交互教学

在线交互是指运用高清音视频通讯与多媒体进行协作，保证教师与学生之间能够实时地保持交流，不仅为学习者提供任何时间、任何地点的远程课堂服务和身临其境的学习体验，同时也能够支持在各种网络条件下实施教学、培训、研讨、考试等。5G+技术支撑下的在线交互教学过程中，教学体验和教学效果都将产生变革。在线交互教学的发展需要5G的eMBB增强移动宽带和uRLC超可靠低时延通讯的支撑，同时还要基于4K/8K超高清视频才能够达到更高水平的教学标准。

3.3 5G+人工智能教育

人工智能教育是5G+智慧教育的大脑，是支撑智慧教育发展的强大中坚力量，其进步主要依靠大数据和人工智能技术，尤其是可以对课堂的学习、课外活动和教师的教学等各个方面进行智能分析和可视管理，能够对现有的教学过程进行指导并促进智能化教育的发展。人工智能与教育的结合，主要集中体现在教育的教、学、考、评和管等诸多方面，是经过数据采集实现教学精准化和赋能化的过程。在构建智慧学习的支持环境和加强智慧学习的理论研究过程中，加速推动人才培养模式和教学方法方面的改革都需要人工智能技术支持。

3.4 5G+校园智能管理

智能管理是5G+智慧教育的服务平台，能够为学校、教师、学生和家长提供智能化的管理服务，并同时提供交流平台和教学空间。智能校园管理系统是在多种技术融合的支撑下实现的，包括互联网、物联网、自动化、多媒体等技术，在进行大数据的收集与整理之后，自动地控制、调整、监测与分析校园内的人或物，进而实现校园的信息交互。5G网络的可靠性、低时延、可伸缩性和安全性等特点在校园智能管理系统中得到充分利用，低成本、低功耗和广覆盖等校园物联网的建设需求都得到了有效解决，进而将校园环境打造的更加节能、安全、便捷。在此基础上推行5G+校园智能管理有很多优势，比如设备的移动性很强，可以根据学校进行灵活的位置变换并无需重新调试、也不易受到网络病毒干扰、数据传输十分高速并且各设备之间也是相对独立的。以此为基础可以建设更加智能的校园环境，为学生提供更加舒适的学习环境，促进教育的快速发展。

3.5 5G+场景化培训

场景化教育主要是指搭建与真实学习场景相统一的环境，根据教学内容不同，将学习者所需要经历的活动内容进行梳理，再根据他们的个性特征与需求提供有针对性的解决方案，在特定的场景中运用具体的探究与实践活动进行学习。场景化培训的关键在于能解决实际问题、场景必须贯穿始终以及使学习者具有较强的沉浸式体验。在场景化教育中有2种模式，第一种是虚拟化场景主导模式，第二种是连接与互动主导模式，二者都注重线上与线下结合的互动所带来的教育体验。目前，现有学校的场景化培训有着广阔机遇的同时也面临着挑战，将5G+与场景化培训融合，利用5G信息技术高速率和低时延等特点，可以为场景化提供更强的培训平台，只有这样才能不断突破与创新，实现教学与技术的深度融合。

3.6 5G+智能教研

当前，实现5G技术与教育的融合，在这种教育教学模式下，教师需要积极地改变教学方式、方法，更好地促进教学水平提升。因此，未来智能教研与5G的结合也有着十分广阔的发展空间，在5G网络技术的进一步发展进程中，基于数据实证的教研探索也将继续展开，依据数据分析的教学得出的成果会更加清晰与准确。经过长期的数据采集和调查，教师依据教学经验与数据分析，可以更加精准且有针对性地实施教学，提升教研效果，提高教育质量，进而促进教育智能化发展。

4 结语

总之，技术是影响教育生态形成与应用的关键因素之一。5G以技术驱动发展，由人与人的沟通联系扩展到万物互联，从个人和家庭的连接扩展到社会各个行业领域中，进而为经济社会发展带来巨大影响。5G+技术在教育应用中对传统教育生态形成冲击的同时，也与教育生态中的其它要素相互作用，在促进各要素之间关系重塑的基础上形成新的教育生态，不断完善和创新5G与教育的深度融合，为社会培养出更多创新型人才。在教育不断发展过程中，只有不断调整积极应对技术的冲击与挑战，才能得到长远发展。智慧教育的变革，需要在教育智能化技术改变过程中，实现各种先进教育技术有机融合，才能促进教育教学信息化发展。