面向5G時(shí)代人工智能智慧課堂的應(yīng)用展望

張 釗（廣東聯(lián)通通信建設(shè)有限公司，廣東廣州 510627）

1 研究背景

5G時(shí)代人工智能技術(shù)在教學(xué)課堂的深入應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)了融合的學(xué)習(xí)空間和智慧的學(xué)習(xí)環(huán)境，推動(dòng)了場(chǎng)景化教育的優(yōu)化，促進(jìn)了環(huán)境服務(wù)化、教學(xué)智能化、學(xué)習(xí)個(gè)性化、評(píng)價(jià)科學(xué)化、資源多元化的發(fā)展。

1.1 政策驅(qū)動(dòng)

黨的十九大以來(lái)，國(guó)家在教育領(lǐng)域不斷加大投入，提出了“教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略方針。2018年4月，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》提出要構(gòu)建智慧型學(xué)習(xí)環(huán)境，到2022年，基本實(shí)現(xiàn)“三全兩高一大”的總體發(fā)展目標(biāo)，即教學(xué)應(yīng)用覆蓋全體教師、學(xué)習(xí)應(yīng)用覆蓋全體適齡學(xué)員、數(shù)字化建設(shè)覆蓋全體學(xué)校，并借助人工智能、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)賦能教育教學(xué)，以科技創(chuàng)新推動(dòng)智慧教育發(fā)展，以科技創(chuàng)新助力搭建優(yōu)質(zhì)師資梯隊(duì)，以科技創(chuàng)新豐富教學(xué)應(yīng)用，建設(shè)人工智能智慧課堂［1］。2019 年2月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》指出：要加快信息化建設(shè)進(jìn)程。2020 年10 月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)的《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》強(qiáng)調(diào)：教育發(fā)展要有科學(xué)的評(píng)價(jià)體系。因而，當(dāng)前教育的首要任務(wù)是加快提升教育治理能力，加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)、辦好人民滿意的教育。

1.2 地區(qū)、學(xué)校及學(xué)生的需求

隨著國(guó)家對(duì)教育領(lǐng)域的高度重視和大力支持，全國(guó)教育事業(yè)取得了較大的進(jìn)展，但是仍然存在一些問(wèn)題沒(méi)有得到較好的解決。第一，我國(guó)的教育資源發(fā)展不平衡，優(yōu)質(zhì)的教育資源主要集中在發(fā)達(dá)地區(qū)，西部地區(qū)的教育資源嚴(yán)重缺乏。而同一個(gè)地區(qū)，城市和農(nóng)村的教育資源差距也比較大。第二，目前城市和部分縣城已經(jīng)建設(shè)了多媒體教室，但是終端基本僅限于電腦和Pad，視頻學(xué)習(xí)資源的播放時(shí)常因網(wǎng)絡(luò)原因，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，極大影響了教學(xué)效率。第三，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程基本是提前錄制后再離線上傳到學(xué)習(xí)資源庫(kù)，然后提供給學(xué)生點(diǎn)播學(xué)習(xí)，方式單一，師生間的互動(dòng)極少，學(xué)生的體驗(yàn)極差，不利于對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。第四，雖然互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展極大豐富了教學(xué)資源，但是青少年學(xué)生并沒(méi)有很好的甄別能力，因此不能滿足自身的個(gè)性化發(fā)展。此外，既往在教育教學(xué)中對(duì)教師專業(yè)能力的評(píng)價(jià)方式單一，且主觀性比較強(qiáng)，沒(méi)有形成科學(xué)的、智能化的教師專業(yè)能力評(píng)定體系，而且教師培訓(xùn)效率低下。

基于以上背景，本文將討論如何利用5G和人工智能等信息技術(shù)建設(shè)智慧課堂，實(shí)現(xiàn)更加豐富的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，更均勻的優(yōu)質(zhì)資源分配，更能滿足學(xué)生發(fā)展需求，更加聚焦教師能力成長(zhǎng)，從而推進(jìn)教育事業(yè)向前發(fā)展。

2 5G及人工智能技術(shù)賦能智慧課堂新發(fā)展

2020 年是5G 和Wi-Fi6 普及的元年，5G 網(wǎng)絡(luò)正式開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用的進(jìn)程。5G 作為數(shù)據(jù)傳輸中的最優(yōu)路徑之一，使終端設(shè)備之間的連接變得更加緊密，5G+人工智能等信息技術(shù)的融合將為教育的未來(lái)發(fā)展帶來(lái)了新挑戰(zhàn)、新機(jī)遇，加速了重塑智慧教育新生態(tài)［2］。

2.1 5G賦能智慧課堂新建設(shè)

2.1.1 5G特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景

5G 憑借著高帶寬、低時(shí)延、低功耗、大規(guī)模連接等特征［3］，推動(dòng)著各領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，構(gòu)建著信息生態(tài)系統(tǒng)［4］。2015 年，國(guó)際電信聯(lián)盟在ITU-RWP5D 第22 次會(huì)議上明確了5G 的應(yīng)用場(chǎng)景主要有高可靠低時(shí)延連接、增強(qiáng)移動(dòng)寬帶以及萬(wàn)物互聯(lián)。這些應(yīng)用與教育場(chǎng)景的融合，能從移動(dòng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)、交互溝通方式、沉浸互動(dòng)環(huán)境等方面提升智慧課堂的體驗(yàn)效果。

2.1.2 5G對(duì)人工智能技術(shù)的作用

通信網(wǎng)絡(luò)是智能設(shè)備的基礎(chǔ)支撐，5G 解決了數(shù)據(jù)的全方位獲取和傳輸問(wèn)題。5G 時(shí)代應(yīng)用在教育領(lǐng)域的智能技術(shù)主要分3 個(gè)層次：基礎(chǔ)技術(shù)、計(jì)算分析技術(shù)、教學(xué)呈現(xiàn)技術(shù)。5G促進(jìn)了教育智能技術(shù)的升級(jí)和應(yīng)用，為相關(guān)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景優(yōu)化提供了條件。5G與人工智能技術(shù)相輔相成，共同助力智慧教育的發(fā)展。

2.1.3 5G對(duì)智慧教育的影響

5G 技術(shù)正在建造一條新的高速信息公路，隨著5G 技術(shù)的不斷優(yōu)化，教育+5G 的深度融合為教育信息化提供了更廣泛的發(fā)展視野和全新的發(fā)展空間。面對(duì)我國(guó)教育資源分布不均勻，教育場(chǎng)景不夠智能化，智能測(cè)評(píng)體系未完善，5G技術(shù)的到來(lái)為這些問(wèn)題的解決帶來(lái)了契機(jī)。5G賦能教育教學(xué)轉(zhuǎn)型，對(duì)教育發(fā)展有重要的歷史性意義。

2.2 人工智能助力智慧課堂新建設(shè)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的推廣和人工智能技術(shù)與教育的深度融合，教育信息化的程度將逐漸提高，在教學(xué)中智慧課堂的功能也在不斷豐富。人工智能智慧課堂就是借助新型的互聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)，使課堂變得更加智能化、數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化、精準(zhǔn)化以及個(gè)性化。

2.2.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)

計(jì)算機(jī)器視覺(jué)是一門研究如何往機(jī)器上安裝一雙“眼睛”，使得機(jī)器像生物一樣可以用眼睛去識(shí)別事物，使機(jī)器更加智能化、工作效率更高的學(xué)科。在科技發(fā)展進(jìn)程中，機(jī)器識(shí)別可以應(yīng)用在許多生活和學(xué)習(xí)等場(chǎng)景，最常見(jiàn)的有人臉識(shí)別和安防。機(jī)器視覺(jué)已是促進(jìn)各產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在智慧課堂中，借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)錄播設(shè)備所采集的視頻數(shù)據(jù)做教學(xué)行為大數(shù)據(jù)分析。機(jī)器視覺(jué)的主要流程如圖1所示。

圖1 機(jī)器視覺(jué)分析流程圖

2.2.2 語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)

語(yǔ)音識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)是把語(yǔ)音數(shù)據(jù)利用智能手段轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的文本或指令。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)目前有著廣泛的應(yīng)用。比如在智慧教育應(yīng)用中，全部采集教學(xué)課堂的音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音語(yǔ)義的剖析，可以輔助教學(xué)情況分析以及學(xué)員的學(xué)情分析，科學(xué)地檢驗(yàn)教師的授課水準(zhǔn)和學(xué)員的學(xué)習(xí)情況。語(yǔ)音識(shí)別的主要流程如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音識(shí)別分析流程圖

2.2.3 自然語(yǔ)言處理技術(shù)

自然語(yǔ)言處理的研究融合了語(yǔ)言學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等科目，其主要研究?jī)?nèi)容是人機(jī)交互領(lǐng)域。目前，該技術(shù)在閱讀理解、機(jī)器翻譯、命名體識(shí)別等場(chǎng)景有較好的應(yīng)用。在智慧課堂方面，自然語(yǔ)言處理技術(shù)不僅可以輔助教師的教學(xué)任務(wù)的執(zhí)行，比如作業(yè)和試卷的批改，還可以用于分析學(xué)員對(duì)教師的評(píng)價(jià)，從而助力教師得到學(xué)員的真實(shí)反饋。自然語(yǔ)言處理的主要流程如圖3所示。

圖3 自然語(yǔ)言處理分析流程圖

3 5G時(shí)代人工智能智慧課堂的應(yīng)用展望

5G+人工智能技術(shù)在智慧課堂具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，智慧課堂的智能終端和無(wú)縫感知技術(shù)能全面識(shí)別教學(xué)情景中的信息，通過(guò)教學(xué)大數(shù)據(jù)的深度挖掘，可精準(zhǔn)把握師生學(xué)習(xí)和成長(zhǎng)的需求。面對(duì)國(guó)家教育信息化的轉(zhuǎn)型，5G和人工智能技術(shù)的結(jié)合在智慧課堂中已經(jīng)催生了許多研究。下面將討論5G 時(shí)代人工智能智慧課堂在教學(xué)模式、學(xué)生、教師3方面的典型應(yīng)用。

3.1 教學(xué)模式

5G 時(shí)代人工智能智慧課堂教學(xué)模式徹底顛覆了既往單一的授課方式，新模式的融入為教育教學(xué)產(chǎn)生良性效應(yīng)。下面主要討論在智慧課堂新建設(shè)中的AR/VR教學(xué)和遠(yuǎn)程互動(dòng)雙師教學(xué)2種新型教學(xué)模式。

3.1.1 AR/VR教學(xué)

在虛擬/現(xiàn)實(shí)教育方面，將AR/VR 的教學(xué)資源上傳到邊緣平臺(tái)，利用邊緣計(jì)算等人工智能信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)AR/VR 應(yīng)用的運(yùn)行、渲染和控制，并將AR/VR 的數(shù)據(jù)以音視頻的方式傳輸?shù)浇K端。基于5G+邊緣計(jì)算助力AR/VR 的教學(xué)資源建設(shè)，通過(guò)建模技術(shù)對(duì)三維物理世界進(jìn)行數(shù)字化和模擬化，虛擬生成后和真實(shí)環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互，使得AR/VR 的效果與真實(shí)的環(huán)境極為相似，教學(xué)呈現(xiàn)技術(shù)讓教育內(nèi)容的表征更加靈活、準(zhǔn)確、形象，從視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)。

3.1.2 遠(yuǎn)程交互，實(shí)行雙師互動(dòng)教學(xué)

在遠(yuǎn)程交互、雙師教學(xué)方面，將所需的教學(xué)終端進(jìn)行5G 化，發(fā)送方先把現(xiàn)場(chǎng)錄制的超高清視頻通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)推送到邊緣云服務(wù)器，然后通過(guò)邊緣計(jì)算快速的編解碼能力傳輸，經(jīng)過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至本地終端，接收方就可以將原視頻真實(shí)實(shí)時(shí)地復(fù)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)低時(shí)延實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程互動(dòng)學(xué)習(xí)。基于5G+邊緣技術(shù)的遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)，可以針對(duì)當(dāng)?shù)貙W(xué)生的真實(shí)需求采用多種形式的互動(dòng)教學(xué)，比如三維全息場(chǎng)景教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的學(xué)習(xí)模型，繼而將對(duì)教學(xué)產(chǎn)生積極的輔助作用。

3.2 面向?qū)W生

針對(duì)如何滿足學(xué)生成長(zhǎng)對(duì)教育資源的不同需求和缺乏對(duì)學(xué)員學(xué)習(xí)情況的實(shí)時(shí)把握等問(wèn)題，智能教學(xué)技術(shù)提供了可行的解決方案。下面主要討論智慧課堂新建設(shè)中面向?qū)W生成長(zhǎng)的2種典型應(yīng)用。

3.2.1 電子書(shū)包

電子書(shū)包是一種便攜式移動(dòng)終端，可提供資源管理、教學(xué)內(nèi)容呈示、教學(xué)交互、評(píng)價(jià)反饋等教學(xué)服務(wù)功能，并可與固定式教學(xué)設(shè)備結(jié)合，創(chuàng)造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境。電子書(shū)包的學(xué)習(xí)資源可來(lái)自大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的精準(zhǔn)推送，該資源可以滿足學(xué)生的讀物需求，遵循學(xué)生閱讀規(guī)律，適合學(xué)生個(gè)性化發(fā)展。此外，智慧課堂電子書(shū)包的應(yīng)用功能應(yīng)當(dāng)包括課前、課中、課后等3 個(gè)環(huán)節(jié)，將過(guò)程性評(píng)價(jià)貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中，以期通過(guò)電子書(shū)包的即時(shí)反饋使教師及時(shí)了解教學(xué)情況，從而對(duì)教學(xué)進(jìn)行調(diào)整?；?G+人工智能的電子書(shū)包可以精準(zhǔn)推送學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，電子書(shū)包的智慧課堂教學(xué)模式更能滿足個(gè)性化發(fā)展的需求和提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.2.2 學(xué)情分析

在學(xué)情分析方面，智慧課堂中運(yùn)用智能化數(shù)據(jù)采集終端收集課堂中學(xué)員的行為數(shù)據(jù)，將依托AI學(xué)情分析系統(tǒng)，精準(zhǔn)識(shí)別課堂過(guò)程中的表情和行為。通過(guò)無(wú)感知考勤，情緒狀態(tài)、姿態(tài)分析，視線分析，運(yùn)動(dòng)軌跡分析，輸出AI 學(xué)情分析報(bào)告，以此作為課堂評(píng)價(jià)的參考依據(jù)，教師可以根據(jù)學(xué)情分析報(bào)告及時(shí)地調(diào)整教學(xué)策略。智慧課堂更加關(guān)注從學(xué)生的學(xué)情特點(diǎn)分析入手，結(jié)合學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)過(guò)程數(shù)據(jù)從多個(gè)維度進(jìn)行教學(xué)效果的評(píng)測(cè)，學(xué)情展示更為全面、真實(shí)，為教師教學(xué)的精準(zhǔn)決策提供了更充分的依據(jù)。

3.3 面向教師

在“5G”時(shí)代，智慧課堂的建設(shè)應(yīng)當(dāng)注重教師專業(yè)能力的發(fā)展，可借助人工智能等信息技術(shù)科學(xué)地檢驗(yàn)教師的專業(yè)能力，為教師的職業(yè)成長(zhǎng)賦能，并建立科學(xué)性、精準(zhǔn)性的成長(zhǎng)檔案。下面主要討論智慧課堂新建設(shè)中面向教師專業(yè)能力發(fā)展的2種典型應(yīng)用。

3.3.1 智能測(cè)評(píng)

在AI智能分析方面，智慧教室中利用超高清攝像機(jī)等終端全面采集教學(xué)行為數(shù)據(jù)，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將課堂超高清視頻、圖片和聲音實(shí)時(shí)推流到邊緣云平臺(tái)，根據(jù)測(cè)評(píng)知識(shí)圖譜將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可執(zhí)行的算法，部署在邊緣分析系統(tǒng)中。然后由邊緣云平臺(tái)上部署的AI加速模塊進(jìn)行高速并行計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)行為大數(shù)據(jù)的綜合分析，最終可全面、科學(xué)地對(duì)教師的教學(xué)情況和教學(xué)效果進(jìn)行智能分析。此外，在邊緣云平臺(tái)上嵌入5G 模組，還可將智能分析結(jié)果及時(shí)推送，便于教師在最早的時(shí)間了解自己的評(píng)估報(bào)告?；?G的人工智能智慧測(cè)評(píng)，有助于教師了解自身的教學(xué)情況，校方全面掌握教師的整體能力，使學(xué)校對(duì)相關(guān)學(xué)科教師團(tuán)隊(duì)的建設(shè)思路更清晰，對(duì)引進(jìn)人才的方向更明確，對(duì)服務(wù)治理更靈活。

3.3.2 精準(zhǔn)培訓(xùn)

智能分析報(bào)告給出了科學(xué)的、詳細(xì)的改進(jìn)方向，是精準(zhǔn)培訓(xùn)的重要依據(jù)。在教師專業(yè)能力培訓(xùn)時(shí)，人工智能技術(shù)將精準(zhǔn)地推送適合各個(gè)教師成長(zhǎng)的學(xué)習(xí)資料?？梢越鉀Q傳統(tǒng)培訓(xùn)中遇到的不能精準(zhǔn)把握教師真切的培訓(xùn)需求、培訓(xùn)方向和培訓(xùn)效果的問(wèn)題。5G作為底層的通信技術(shù)，加速了培訓(xùn)方案的檢索及推廣，拉近了培訓(xùn)和成長(zhǎng)的距離。基于5G+人工智能的精準(zhǔn)培訓(xùn)方案，高效地引領(lǐng)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新變革，對(duì)教師的專業(yè)培訓(xùn)和能力成長(zhǎng)有很大的幫助。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G 與人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的融合發(fā)展，加速了教學(xué)的智能化和信息化轉(zhuǎn)型，促進(jìn)了教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景與教學(xué)模式的變革。本文從“面向教學(xué)模式”、“面向教師”、“面向?qū)W生”3 個(gè)方面，討論了5G 時(shí)代人工智能智慧課堂的應(yīng)用，具體如下：

a）AR/VR 教學(xué)增強(qiáng)教學(xué)資源的渲染，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)資源的認(rèn)知和理解。遠(yuǎn)程交互雙師教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)同步課程將加大優(yōu)質(zhì)資源的傳播，從而促進(jìn)優(yōu)質(zhì)資源均衡發(fā)展。

b）電子書(shū)包和學(xué)情分析利用人工智能大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，科學(xué)地掌握即時(shí)學(xué)情和學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需求，然后機(jī)器智能地制定科學(xué)的成長(zhǎng)策略，引導(dǎo)學(xué)生的成長(zhǎng)。

c）智能測(cè)評(píng)和精準(zhǔn)培訓(xùn)借助5G智慧平臺(tái)和AI對(duì)教師進(jìn)行教學(xué)、測(cè)評(píng)、培訓(xùn)賦能，使其個(gè)人專業(yè)能力的發(fā)展與智能技術(shù)時(shí)代的發(fā)展相匹配。

未來(lái)亟需拓展5G 的教育應(yīng)用場(chǎng)景，加快5G 教育應(yīng)用場(chǎng)景探索，增強(qiáng)對(duì)新場(chǎng)景的辨識(shí)度和接受度，注重學(xué)生個(gè)性化發(fā)展。注重師生的自然互動(dòng)，特別是在線教學(xué)中的臨場(chǎng)情感交互。

加速教育治理的優(yōu)化，研究教育數(shù)據(jù)和人工智能如何協(xié)同推進(jìn)教育事業(yè)發(fā)展。