王藤藤 王运武 姜松雪 李雪婷
摘 要:直播教育作为一种在线教育新形态,具有多时空参与性、实时互动性、教育资源时效性、多视角临场感等教育特征。5G+Wi-Fi 6超高速网络运行稳健,直播教育逐渐成为主流的在线教育方式,但教育直播中仍存在网络卡顿异常等亟需解决的网络问题。5G时代的直播教育传播模式是在教育直播中利用5G+Wi-Fi 6超高速网络,由直播信息源、直播信宿、超高速信息传播通道和直播干扰等要素组成的双向互动传播模式。针对不同直播教育场景下的网络问题,文章分别给出了不同的超高速网络解决方案,以期为目前直播教育中存在的网络问题和超高速网络搭建提供一份合理的答卷。
关键词:直播教育;5G;Wi-Fi 6;应用场景;解决方案
中图分类号:G434文献标志码:A文章编号:2096-0069(2023)01-0069-08
5G时代教育信息的高效传播,将激发直播教育活力,重构直播教育体验,创造直播教育价值,从而使直播教育成为变革传统在线教育、创新教育教学形态的重要力量[1]。随着全国宽带提速和国家对于千兆光网的推行,许多区域都开始推出千兆宽带服务。释放大宽带则需要Wi-Fi 6的加入,5G+Wi-Fi 6可解决网速问题,大幅降低网络延迟,减少直播教育过程中高并发问题的发生。直播流畅度和网络稳定性也伴随着5G和Wi-Fi 6技术的不断成熟获得了新的突破。但直播教育是什么、直播教育模式如何运行、在不同的教育场景下直播教育的网络问题如何解决,都还需进一步深入探究。
一、直播教育的基本内涵
(一)直播教育定义
2016年,互联网直播技术凭借着低门槛、高流量的优势引发了全民直播的热潮,因此,该年也被称“互联网直播元年”。《互联网直播服务管理规定》中首次将互联网直播定义为:作为一种新兴的传播形式,互联网直播是指基于互联网技术,以视频、音频、图文等形式向公众持续发布实时信息的活动[2]。直播与在线教育的结合诞生了新的教育形态——直播教育,它为教育领域注入了新的血液,同时也带来了新的机遇。顾名思义,直播教育就是利用直播技术开展的教育活动,是一种以互联网为媒介,师生利用各种直播终端设备中的直播平台进行线上面对面实时教学互动的在线教育形态。其教育本质是超高清直播教育资源的传播和师生实时互动。直播教育是互联网直播与在线教育融合上形成的一种新型教育形态,是集全民式、开放式、实时交互式于一体的新型教育。
(二)直播教育特征
直播教育独特的内涵属性赋予了其自身鲜明的教育特征。与传统在线教育特征相比,直播教育具有多时空参与性、实时互动性、教育资源时效性、多视角临场感等多重特征。多时空参与性,指教育者和学习者在同一时间跨越多个时区相聚在多个直播空间进行“面对面”学习互动,不受物理空间场地的约束,自由支配时间;实时互动性,指师生之间和生生之间通过互联网直播进行实时讨论交流,实现两个以上的直播现场的远程同步多向传播;教育资源时效性,指教育资源的教育效果并非一成不变,在不同的时间会呈现不同的教育效果,教育者在进行直播前应不断优化其教育资源,确保其教育内容的与时俱进;多视角临场感,超高清视频的多视角实时直播,可延伸和扩展人眼功能,增强教学过程的空间临场感,构建“面对面”的教育情境。
二、直播教育发展现状
(一)5G+Wi-Fi 6超高速网络建设现状
随着VR、AR、全息投影等技术和智能设备的不断进步和发展,大眾对网速、网络吞吐量、低时延低功耗以及设备连接数的需求越来越大,对于超高速网络的要求也越来越迫切。从“三网融合(计算机互联网、电信网、广电网)”“四网融合(三网+智能电网)”到“多网融合(四网+物联网)”再到云网融合(云计算、通信网),超高速网络建设逐渐形成规模。近年来,国家高度重视“双千兆”网络的建设与发展,为5G时代的超高速网络建设给予了政策导向。想要真正实现用户在各类场景直播应用,实现区域网络全覆盖,如何建设5G+Wi-Fi 6超高速网络是关键一环。目前,中国已建成全球规模最大的5G网络,5G 网络建设稳步向前,Wi-Fi 6终端设备进入大众市场,我国5G+Wi-Fi 6 超高速网络建设条件已初步具备。
5G和Wi-Fi 6超高速网络建设将促进教育数字化转型,激活在线教育生态,重塑直播教育新形态,整合直播教育产业链,促使直播教育根本性变革的发生。当前典型的5G+Wi-Fi 6超高速网络融合方案有:5G+Wi-Fi 6 MIFI(Mobile Wi-Fi)、5G+Wi-Fi 6 uCPE、5G Dongle、5G+Wi-Fi 6+Multi- path多链路5G组网、Wi-Fi 6+AIoT智能天线、基于广电5G+Wi-Fi 6+LoRa融合的移动物联专网等[3]。在5G直播教育中,常用的直播终端设备的网络信号有5G、Wi-Fi 6和F5G(光纤宽带)等,其组合方案主要有以下六种:①5G/5G方案;②5G/Wi-Fi 6方案;③5G/F5G;④Wi-Fi 6/Wi-Fi; ⑤Wi-Fi 6/F5G;⑥F5G/F5G。
(二)直播教育发展现状
随着移动互联网技术的突飞猛进和硬件设备的不断升级优化,大众的生活、学习、娱乐、购物都逐渐转移到线上。据工信部统计数据,截至 2021年12月,我国互联网普及率达73.0%,网民规模达10.32亿人,其中网络直播用户规模达7.03亿户,占网民整体的68.2%。2020年疫情期间,在线教育纷纷转战直播平台,直播平台也开展各项教育计划以支撑师生正常教学活动的进行。《2021抖音泛知识内容数据报告》显示,2020年抖音泛知识内容直播超100万场,全国近92%的“双一流”高校进驻抖音,过去一年内,抖音高校直播公开课累计直播场次达12 580场,观看人数约7392万人[4]。“我在抖音上大学”也成为大众在疫情期间津津乐道的口头禅。越来越多的教授、院士、专家学者入驻短视频直播平台,通过直播分享专业知识,降低知识传播门槛,使得大众足不出户就能享受到高等学府的优质教育资源,从而缩小教育鸿沟,推动教育普惠,促进教育公平,加快建设“人人皆学”的终身学习型社会。
直播教育使学习者的学习方式和学习地点更加灵活,实时交互的直播现场,增强了师生互动的临场感,激发了学生的学习能动性。但同时,随着大众对直播教育的不断认识和应用,其自身存在的教育缺陷也逐渐凸显。“卡了,又黑屏了,同学们,能听见老师的声音吗?”[5]凡参与过直播上课的师生,吐槽的大部分问题都是围绕“直播网络卡顿”展开的,在“停课不停学”线上教学期间,网络中断成为直播教育中的最大阻碍。课堂直播对网络条件要求较高,网络故障、网络阻塞、网络异常是师生直播过程中时常面临的严峻考验[6]。直播教育教学活动顺利开展的前提是教育直播的正常进行,教育直播正常进行的硬性条件是直播过程中网络信号的持续性稳定。如果教育直播过程中时常出现网络信号卡顿、掉线等网络问题,将会大大降低师生的直播体验,扰乱正常教学进度,甚至会影响正常教育教学活动的进行。因此,营造良好的网络直播环境,保证直播过程中网络信号的稳定性是顺利开展直播教育的关键。
三、5G时代直播教育传播模式的构建
5G时代,基于5G+Wi-Fi 6的超高速网络为直播教育传播构建了良好的网络教育环境。直播教育的本质是通过直播技术实现教育内容传播。教育传播模式是描述教育传播过程中各要素的地位和作用及其相互关系的简化形式,是教育思想、教学结构、教学程序和教学方法的结合体[7]。5G时代的直播教育传播模式如图1所示。
(一)5G时代直播教育传播模式
5G时代的直播教育传播模式是一种以师生双向互动为中心的传播模式。在教育传播过程中,主直播教师与辅助直播教师作为直播信息源,利用直播软件和相关直播设备对教育内容进行采集和编码,通过5G+Wi-Fi 6超高速网络将教育编码数据推流至云端,云端直播编码数据经过直播分流传输到学生端直播终端设备,经过数据解码后,将教育内容呈现给学生。学生对接受的教育内容进行自主加工后,也可通过原来的教育内容传播路线返回到教师端与教师进行讨论交流。除此之外,直播信息源和直播信宿、主直播教师和辅助直播教师、学生和学生之间都可通过超高速信息传播通道进行直播教育实时互动。该模式聚焦于教育内容传播过程中直播信息源与直播信宿双方角色的互动变化,以及超高速网络支持下的教育内容的实时多向传播。
5G+Wi-Fi 6超高速网络直播教育在传播过程形成一个回旋结构,直播信息源和直播信宿能够进行多向实时互动,构成一个低延迟、多向实时交互的直播教育环境。该直播教育传播模式充分体现了教育内容在直播传播过程中的循环性、双向性和互动性特点。基于5G+Wi-Fi 6超高速网络的直播教育传播模式具有三高一低的特性,即高稳定性、高可靠性、高清晰画质和低时延。高稳定性是进行超高速网络教育直播的前提;高可靠性是进行超高速网络教育直播的保障;高清晰画质提供超清画面,可加速情景沉浸投入;低时延能够有效降低视音延迟,增强在线临场感,提高直播体验。
(二)5G时代直播教育传播模式构成要素
要构建一个科学的教育传播模式,必须明确教育传播过程中的构成要素及各要素之间的关系。5G时代的直播教育传播模式由直播信息源、直播信宿、超高速信息传播通道和直播干扰要素构成。
1.直播信息源
直播信息源部分包括主直播教师和辅助直播教师,两位直播教师都可与学生进行直播互动,直播教师之间也可通过超高速信息传播通道进行直播交流。其中主直播教师的任务是通过直播平台教授教育内容,辅助直播教师则是辅助主直播教师进行教育直播,其主要直播工作包括维护直播空间的环境和纪律,直播签到,直播中的辅助互动问答和讨论区解答及主直播教师结束后的直播互动和答疑解惑等。
2.直播信宿
直播信宿部分主要由观看直播的学生构成,在直播教育传播模式中,学生不仅可以和直播信息源部分的主辅教师进行直播互动,学生之间也可通过超高速信息传播通道进行多向直播互动。图1表明,直播教育传播模式是一个双向互动结构,具有双重信源的特点,受传者既是信息的接受者,也是信息的传播者。
3.超高速信息传播信道
超高速信息传播信道主要由直播教师端、教师端直播设备、直播教育云平台、直播学生端和学生端直播设备组成,教师端直播设备采集直播信息,经过直播教师端编码后,通过5G+Wi-Fi 6超高速网络上传到直播教育云平台,经过编码的直播信息从直播教育云平台再通过5G+Wi-Fi 6超高速网络传播到直播学生端进行解码,并通过学生端直播设备将直播信息呈现给学生。
4.直播干擾
直播干扰是指影响直播教育传播过程的直播环境和其他外部条件,体现了环境因素和外部条件的复杂性。直播教育传播和互动过程中的任何一个环节或要素都有可能会被直播干扰中的直播环境干扰,而且这种传播干扰无法完全去除,只能尽可能创建一个良好的直播环境,以减少外部因素对直播过程产生的干扰。
四、5G时代直播教育场景超高速网络解决方案
当前对于在线教育的迫切需求促使5G和Wi-Fi 6等技术加快发展,各种5G终端、Wi-Fi 6设备和支持5G和Wi-Fi 6技术的直播设备不断涌现和普及,为直播教育的快速发展提供了可靠的技术和设备支持。5G时代教育场域中,教育直播采用5G和Wi-Fi 6技术是顺应网络技术应用发展趋势的选择。5G +Wi-Fi 6超高速网络将在直播网络传输和网络无线交互方面发挥重要作用。根据应用场景的不同,直播教育可分为学校直播教育、家庭直播教育和社会直播教育。5G时代直播教育场景超高速网络解决方案如图2(见下页)所示。
(一)学校直播教育超高速网络解决方案
随着学校信息化水平的提高,同步课堂、双师课堂等学校直播教育方式受到学校的重视和欢迎。学校师生对于直播教学中视频画质的清晰度和直播网络的稳定性需求也越来越强烈,高清的直播设备和稳定的网络环境是进一步加强直播体验和互动参与的重要条件。
基于5G+Wi-Fi 6的学校直播教育超高速网络解决方案,在教师直播端,学校直播课程通过高清摄像机或VR摄像机实时采集视频数据,视频数据通过编码器进行编码后,可通过两种信息通道中的5G和Wi-Fi 6网络传输到直播教育云平台。第一种信息通道是视频数据通过5G CPE终端进行视频数据传输,第二种信息通道是视频数据通过Wi-Fi 6路由器、交换机和无线AP产生的Wi-Fi 6信号进行数据传输。直播视频数据经过云平台推流后,通过5G同步回传,被直播课程观看学校的学生端的5G CPE与Wi-Fi 6路由器、交换机和无线AP信号通道接收,直播视频数据经过解码,学生通过5G手机等其他终端设备观看画面。由于直播的互动性特点,直播视频数据传输的双向性使得学生端直播视频信号也可以通过以上信号传输通道反方向进行传输。该方案使用室外5G CPE和室內无线AP结合的方式实现学校的整体无线覆盖,具有以下特点:
1.高可用和低成本
从未来5G建设需求来看,采用“宏基站+小基站”组网覆盖模式是5G时代的主流解决方案。因此,为实现校园5G网络信号全覆盖和高带宽,学校直播教育方案采用了5G室内分布式天线系统,5G毫米波小基站是本方案5G室分系统的主要载体,又称5G小基站室分系统。5G毫米波小基站可基于之前4G基站部署铺设的网站和光纤,通过最简工程施工或者网规不变的方式实现“线不动”“点不增”地向5G演进,高效利用已部署的通信设施,增加网络传输速率,减少新增成本[8]。与传统室分系统相比,5G小基站室分系统支持网络演进,小基站支持2G/3G/4G/5G通信制式,既可以使用许可频率,又能集成Wi-Fi使用非许可频率接入技术。
2.易管理和易部署
5G CPE和无线AP设备轻巧,安装便捷,可根据不同学校网络建设和需求的不同进行灵活布局。5G CPE设备可通过集中管理软件进行统一管理,集中控制,提高大规模部署时的管理维护工作效率;无线AP则由具有无线控制器AC的Wi-Fi 6路由器设备统一管理,自动发现并统一管理AP,方便网络的管理和运维。
(二)家庭直播教育超高速网络解决方案
公共卫生事件突发,师生不得不被迫进行“居家隔离”。居家学习成为在线教育的重要学习方式,家庭也是在线直播教育的重要教育场景之一。家庭直播场景适用于师生双方不能在学校物理空间下进行直接教学的场景下,为避免突发情况(如新冠感染)对学生课程学习的影响,学校师生采用家庭直播场景方案进行线上直播交互,对学校课程进行在线学习。家庭场景中的直播教育对学生的家庭学习环境有一定要求,学生的家庭网络环境需要支持家庭教育直播过程中的大带宽传输、视频高清晰度和师生多互动等直播要求,以保证学生教育直播的顺利进行。
基于5G+Wi-Fi 6的学校直播教育超高速解决方案,在教师直播端,直播教师可在专门的教学直播间或个人家庭书房进行课程直播。直播课程通过摄像头和直播平台实时采集视频数据,经过编码器编码后,通过5G CPE或由光纤网关和Wi-Fi 6路由器组成的网络信号路线,经由5G基站和光纤宽带上传到直播教育云平台,再经过云端同步回传。直播视频编码数据通过学生端的 5G CPE和FTTR(Fiber to The Room,光纤到房间)全光组网传输,经过解码器解码后,学生通过平板电脑、5G手机、笔记本电脑等直播终端进行教学互动。因为直播的双向交互性,学生也可通过相同的直播数据路线进行反方向的直播数据传输,与直播教师进行直播交流。基于5G+Wi-Fi 6的家庭直播教育场景解决方案使用5G CPE和FTTR全光组网结合的方式实现直播教师直播间和学生家庭空间的整体无线覆盖。该方案具有以下特点:
1.三网融合和全覆盖
FTTR设计方案可使得家庭中的每个房间都可达到千兆网速,实现全屋有线和Wi-Fi双千兆全覆盖[9]。FTTR全光组网使用光纤代替传统网线,以实现全屋光纤组网,同时部署支持跨设备类型MESH功能的全光Wi-Fi 6家庭网关、Wi-Fi 6光路由器等设备,实现MESH组网,室内Wi-Fi网络之间漫游切换时间可低至百毫秒,FTTR全光组网与5G CPE实现了家庭网络有线、Wi-Fi 6、5G网络的三网融合。通过光纤网关和光路由器协同,并搭配5G CPE,5G网络和Wi-Fi 6信号可覆盖到家庭的每个房间,最大限度减少穿墙造成的Wi-Fi信号衰减。
2.使用长久和操作便捷
FTTR全光组网是当前家庭网络千兆发展的首选方案,与传统网线相比,FTTR采用全光纤模式,光纤耐腐蚀性强,使用寿命可长达20年以上,一次部署光纤便可满足当前家庭千兆宽带需求,也是匹配未来20年升速演进100G宽带的长远需求。在家庭直播教育超高速网络解决方案中,5G CPE内嵌5G通信模块,拥有强大的5G连接方式,支持SA/NSA组网,支持SIM手机卡无线上网,真正实现即插即用,一键式接入无线直播设备。家庭直播教育超高速网络解决方案也为家庭直播用户考虑了多样化的工程方案,可根据最终直播的实际情况选择最合适的线缆部署方式。
(三)社会直播教育场景超高速网络解决方案
社会直播教育往往以宣传和科普的形式进入大众视线。社会直播教育扩大了大众获取教育的范围和方式,大众对于社会直播教育的内容接受度更加包容。依据社会直播教育直播场景的直播范围和直播环境的不同,本文中的社会直播教育场景解决方案适用于户外超高清直播教育场景、小型展馆直播教育场景、农村直播教育场景和大型多场地直播教育场景等。
基于5G+Wi-Fi 6的社会直播教育超高速网络解决方案,在教师直播端,直播教育现场画面通过超高清摄像机或者无人机进行拍摄并输出给5G直播背包,5G直播背包完成编转码后,有两种不同的直播教育场景进行直播信号传输:一种是户外超高清直播教育场景、小型展馆直播场景和农村直播教育场景,编码后的直播视频数据可直接通过与之连接的5G CPE的5G链路和Wi-Fi 6路由器、交换机和无线AP使用的千兆光纤链路传输到直播教育云平台。另一种是大型多视角直播教育活动直播场景,多个5G直播背包编码后的直播视频数据汇聚到5G直播车进行实时数据处理、编辑和制作,并将制作好的直播视频数据以多链路并行传输方式,通过捆绑5G CPE的通信5G链路和Wi-Fi 6路由器、交换机和无线AP使用的千兆光纤链路组成的多链路通道传输到直播教育云平台。直播视频数据经过同步回传后,在学生端,通过5G网络或由光纤网关和支持Wi-Fi 6信号的光路由器组成的家庭全屋光纤组网进行网络传输,直播数据经过解码器解码后,在平板电脑、手机、电脑、VR头显进行直播实时显示。学生也可在学生端通过直播设备,通过反方向的直播数据传输与直播现场的直播教师或者其他的学生端同学进行直播交互。基于5G+Wi-Fi 6的社会直播教育超高速网络解决方案,以5G直播背包和5G直播车为载体,采用多链路并行传输技术,实现社会直播教育场地的网络全方位覆盖和直播信号高速无延迟。该方案具有以下特点:
1.直播便捷、高效
5G直播背包具备信号采集、编码、互动等功能,集成最新的音/视频处理和编/解码技术,能快速搭建轻直播环境,实时、流畅、高清地对现场的直播视频进行移动采集、稳定传输和双向回传。5G背包支持多链路捆绑,能将5G、Wi-Fi 6、千兆光纤等网络进行带宽聚合,实现在基站切换和网络不好时的信号切换和直播数据的快速传输[10]。5G直播背包搭配5G直播车,能够完成多场地的大型室内外互动直播,支持实时直播双向互动,5G直播车可同时连线多个5G直播背包,并将某一直播视频指定给若干背包或将多路背包的直播视频综合编排制作,实现社会直播教育中直播教师与学生的实时远程视频互动。
2.高速率与低延时
超高清视频直播产生的巨大数据量需要搭建低延时的超高速网络进行上行传输。但目前单个5G CPE上行实际使用未能支撑数据传输,一般单个主流5G CPE上行宽带在80~100 Mbps左右。为实现更高传输速率的超高清视频,社会直播场景解决方案采用多链路并行传输技术[11],直播现场使用多个5G CPE进行同时传输,上行宽带可实现100M/个*N个高码流宽带传输,延时低至毫秒级,以实现画面的实时超高清直播。
五、未来展望
5G时代,教育的发展要紧跟技术的发展,5G、Wi-Fi 6、千兆光网等通信技术都为直播教育发展带来了新的机遇。当前5G时代直播教育的发展前景光明,但仍存在政策支持不明朗、制度规范不严谨、直播教育产业未形成和直播隐私不安全等问题。为更好地促进未来直播教育的发展与进步,提出以下建议:第一,直播教育应多与其他新兴技术(人工智能、大数据、云计算、虚拟现实等)相融合,使直播教育一直保持新兴技术活力。例如,辅助直播教师可以使用人工智能教师,减轻教师负担,提高教师教研效率。第二,国家应尽快出台相关直播教育政策文件与直播教育国家产业标准和行业规范,加强对直播教育的政策支持和引导。第三,加快推进5G时代直播教育课程资源、产品研发和知识产权保护,构建直播教育产业链和生态圈,保护直播教育隐私安全,形成新时代的直播教育文化。5G时代,直播教育的发展前景不可限量,未来应尽快推进直播教育课程和产品研发,开拓优质直播教育资源,积极探索直播教育新模式,促进直播教育的可持续、强生命力发展。
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(责任编辑 李强 王策)
Live-streaming Education Dissemination Model and Its Solutions in the 5G Era
Wang Tengteng,Wang Yunwu,Jiang Songxue,Li Xueting
(1.School of Smart Education,Jiangsu Normal University,Xuzhou,Jiangsu,China 221116)
Abstract: As a new form of online education,live-streaming education has the educational characteristics of multi-temporal participation,real-time interaction, timeliness of educational resources,and multi-perspective proximity.5G + Wi-Fi 6 ultra-high-speed network construction is robust,and live-streaming education is gradually becoming the mainstream education method for online education,but there are still network problems that need to be solved,such as network lag and abnormalities.The 5G era live-streaming education communication mode is a two-way interactive communication mode in live-streaming education using 5G+Wi-Fi 6 ultra-high-speed network, consisting of elements, such as live information source,live SINK,ultra-high-speed information dissemination channel and live interference.In order to solve the network problems in different live-streaming education scenarios, the article proposes different ultra-high-speed network solutions,in order to provide a reasonable answer for the current network problems and ultra-high-speed network construction in live-streaming education.
Key words: Live-streaming education;5G;Wi-Fi 6;Application scenarios;Solutions
收稿日期:2022-08-02
基金项目:2021年度江苏师范大学研究生科研与实践创新计划项目“基于5G +Wi-Fi 6的直播教育模式及其解决方案”(2021XKT1369)
作者简介:王藤藤(1998— ),女,山東菏泽人,硕士研究生,研究方向为“短视频+直播”教育;王运武(1980— ),男,山东聊城人,博士,教授、硕士生导师,研究方向为教育信息化、智慧教育、智慧校园研究;姜松雪(1995— ),女,内蒙古赤峰人,硕士研究生,研究方向为智慧校园;李雪婷(1999— ),女,山东菏泽人,硕士研究生,研究方向为人工智能教育。