基于5G融合網(wǎng)的泛在教育研究

王理想,廖永紅

(廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州 510065)

0 引言

2017年,國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》,提出了智能教育應(yīng)利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革,構(gòu)建包含智能學(xué)習(xí)、交互式學(xué)習(xí)的新型教育體系,開發(fā)立體綜合教學(xué)場景,建立基于大數(shù)據(jù)智能的在線學(xué)習(xí)教育平臺,開發(fā)智能教育助理,建立智能、快速、全面的教育分析系統(tǒng)。2018年,教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計(jì)劃》,明確了下一階段教育信息化建設(shè)的目標(biāo)與任務(wù)。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)思維,利用大數(shù)據(jù)、人工智能(AI)等技術(shù)提升院校教學(xué)質(zhì)量、管理能力和智能化水平已成為新時代高等教育改革發(fā)展的主題。近年來,國外對教育信息化也達(dá)到前所未有的重視,如法國在《重建共和國基礎(chǔ)教育規(guī)劃法》中將教育數(shù)字化作為教育發(fā)展的關(guān)鍵方向;俄羅斯在《2024年前俄聯(lián)邦發(fā)展國家目標(biāo)和戰(zhàn)略任務(wù)》和“國家教育優(yōu)先項(xiàng)目(2019-2024年)”中明確提出在2024年創(chuàng)建安全的數(shù)字化教育環(huán)境;芬蘭在2019年政府法制規(guī)劃中提出力爭成為利用數(shù)字化與技術(shù)創(chuàng)新來發(fā)展和形成新的解決方案的前沿國家[1]。由此可見,與教育相結(jié)合、實(shí)現(xiàn)智慧教育是AI技術(shù)發(fā)展的一個重要方向,教育智能化已成為新時代教育發(fā)展的核心要務(wù)。

1 構(gòu)建智慧教育5G體系

為構(gòu)建教育信息化與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI融合的智慧教育體系架構(gòu),實(shí)現(xiàn)教育終端與5G融合的智慧教育網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),需要開發(fā)基于智能數(shù)據(jù)與5G技術(shù)的智慧教育應(yīng)用場景,引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)層次模型思想,從智慧教育5G接入和應(yīng)用方面構(gòu)建泛在智慧教育5G體系。一是要研究基于5G接入點(diǎn)(APN)和5G切片技術(shù)的“5G+智慧教育”的智慧校園網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),按需分配智慧教育平臺資源,實(shí)現(xiàn)用戶泛在接入,構(gòu)建智慧教育接入平臺。二是搭建智慧教育終端平臺,納管智慧課室、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)訓(xùn)室、智能車間等教學(xué)場地,實(shí)時獲取教育數(shù)據(jù)(視頻、音頻、成果),基于語音識別、圖像識別、深度學(xué)習(xí)、語義分析技術(shù),結(jié)合教育模型,對教學(xué)過程(學(xué)習(xí)姿態(tài)、交互次數(shù)、授課內(nèi)容等)進(jìn)行數(shù)字抽象處理,構(gòu)建教學(xué)過程數(shù)據(jù)體系,為智慧教育的業(yè)務(wù)拓展和應(yīng)用開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

1.1 智慧教育的5G接入

采用5G APN技術(shù)設(shè)計(jì)“5G+智慧教育”融合架構(gòu),對接統(tǒng)一認(rèn)證,對智慧教育平臺資源(慕課、在線課程、智慧課室課程等)進(jìn)行權(quán)限分配,既實(shí)現(xiàn)按需學(xué)習(xí)課程,又保護(hù)了相關(guān)課程的私密性。用戶通過校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)或5G網(wǎng)絡(luò)接入智慧教育平臺,實(shí)現(xiàn)用戶泛在接入校園網(wǎng)絡(luò),其中重點(diǎn)打造“5G+校園網(wǎng)+智慧課室”的智慧教育網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),采用5G APN和5G切片技術(shù),實(shí)現(xiàn)5G與教學(xué)平臺的互通,利用5G網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、高帶寬、低時延的能力實(shí)現(xiàn)常態(tài)化教室教學(xué)直播,實(shí)現(xiàn)用戶隨時隨地觀看課堂視頻直播,實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外學(xué)習(xí)者的泛在學(xué)習(xí)(見圖1)。

圖1 “5G+智慧教育”融合流量策略

1.2 智慧教育5G應(yīng)用

利用5G高帶寬、低時延、廣覆蓋、切片等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)/VR、AI智能設(shè)備、智能制造車間等打造一批智能教育場景,提升教育質(zhì)量,變革教書育人模式。如利用“5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢+AR/VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”實(shí)現(xiàn)沉浸式教學(xué)[2],構(gòu)建虛擬場景教學(xué)資源,學(xué)生可通過泛在教學(xué)平臺實(shí)現(xiàn)線上線下同步和遠(yuǎn)端本地同步,實(shí)現(xiàn)5G VR實(shí)訓(xùn)課堂、5G VR實(shí)驗(yàn)、5G VR遠(yuǎn)程互動課堂、5G泛在學(xué)習(xí)等智慧教育業(yè)務(wù)和功能;基于“AI+教育數(shù)據(jù)+阿里商業(yè)智能(BI)工具”構(gòu)建在線分析處理(OLAP)模型,開發(fā)智能應(yīng)用,基于教學(xué)過程數(shù)據(jù)可快速發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的思政問題,做到及時發(fā)現(xiàn)、快速處理;通過利用智慧課室數(shù)據(jù)進(jìn)行個人行為和交互行為的識別與分析,以及課堂活躍度和專注度分析(見圖2)。

圖2 智慧教育5G應(yīng)用體系

2 智慧教育中臺體系

智慧教育5G應(yīng)用會產(chǎn)生大量教育數(shù)據(jù),利用阿里中臺技術(shù)和AI技術(shù)對教育數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析,從智慧教育數(shù)據(jù)體系、智慧教育業(yè)務(wù)及應(yīng)用兩個方面構(gòu)建智慧教育中臺體系。一是基于阿里云中臺架構(gòu)打造智慧教育數(shù)據(jù)中臺,建立智慧教育OneData、OneID、OneService數(shù)據(jù)體系;二是基于5G智慧教育應(yīng)用,利用OLAP模型開發(fā)智能教育應(yīng)用[3]。

2.1 智慧教育數(shù)據(jù)體系

一是基于阿里OneData體系,以“業(yè)務(wù)板塊+分析維度”構(gòu)建教育大數(shù)據(jù)平臺,采集清洗智慧教育終端、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)日志和外部網(wǎng)站數(shù)據(jù),構(gòu)建公共數(shù)據(jù)中心[4]。二是基于阿里OneID體系,以業(yè)務(wù)或個體為對象構(gòu)建位置數(shù)據(jù)體系、學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)體系、消費(fèi)數(shù)據(jù)體系、內(nèi)容安全數(shù)據(jù)體系、競賽數(shù)據(jù)體系、學(xué)生基本信息數(shù)據(jù)體系、招生數(shù)據(jù)體系、學(xué)生就業(yè)數(shù)據(jù)體系、教師基本信息數(shù)據(jù)體系、教師教學(xué)數(shù)據(jù)體系、教師科研數(shù)據(jù)體系、課堂數(shù)據(jù)體系、圖書數(shù)據(jù)體系、校醫(yī)院數(shù)據(jù)體系等,形成數(shù)據(jù)萃取中心。三是通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)中間件OneService為上層智能應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。智慧教育數(shù)據(jù)平臺是一個開放平臺,所有數(shù)據(jù)向師生開放,其中的隱私數(shù)據(jù)會進(jìn)行模糊化處理,師生均可使用平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建畫像、數(shù)據(jù)分析、智能應(yīng)用開發(fā)等方面的研究,充分挖掘數(shù)據(jù)潛能,發(fā)揮平臺價(jià)值,極大調(diào)動全校師生參與智慧校園建設(shè)的積極性,為學(xué)校發(fā)展貢獻(xiàn)力量,由此推動高等教育發(fā)展。

2.2 智慧教育服務(wù)及應(yīng)用平臺

利用教育數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù),基于AI技術(shù),結(jié)合任務(wù)姿態(tài)模型、語言類別模型和內(nèi)容識別模型進(jìn)行人臉識別、姿勢識別(學(xué)生學(xué)習(xí)、學(xué)生睡覺、學(xué)生玩)、師生表情識別(開心、生氣、驚訝等),對師生語言進(jìn)行編碼(提問、講授、指示、接納、回應(yīng)、回答),識別教師板書、授課內(nèi)容和敏感圖文等,將課堂教學(xué)過程結(jié)構(gòu)化;同時,利用大數(shù)據(jù)模型和分析技術(shù)生成課堂積極指數(shù)、課堂消極指數(shù)、目標(biāo)學(xué)生注意力指數(shù)等,并實(shí)現(xiàn)課堂混亂預(yù)警、思政隱患預(yù)警、師生課堂畫像等功能(見圖3)。

圖3 智慧教育中臺體系

智慧教育服務(wù)及應(yīng)用平臺能夠采集教學(xué)過程中的實(shí)時數(shù)據(jù),快速發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的思政問題;同時,可以基于所采集的數(shù)據(jù),對課堂個人行為和交互行為等進(jìn)行識別分析,綜合形成學(xué)生、教師、學(xué)校三級課堂教學(xué)智能評價(jià)體系,有助于對教學(xué)、學(xué)習(xí)和課堂質(zhì)量進(jìn)行客觀評估,更好地促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升。同時,通過智能考勤、課堂分析、師資能力分析、就業(yè)指導(dǎo)、招生分配方案等各種教育智能應(yīng)用開發(fā),為學(xué)校以及各學(xué)科的規(guī)劃發(fā)展提供數(shù)據(jù)分析、決策支持和事實(shí)依據(jù)。此外,通過阿里數(shù)據(jù)可視化DataV工具,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大屏展示。

3 結(jié)語

基于5G、AI等新一代信息技術(shù),本文設(shè)計(jì)了5G融合校園專網(wǎng)架構(gòu),開發(fā)基于中臺技術(shù)的智慧教育5G場景應(yīng)用和大數(shù)據(jù)應(yīng)用,從智慧教育5G終端、5G應(yīng)用、智慧教育中臺數(shù)據(jù)體系、智慧教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用4個方面構(gòu)建泛在智慧教育平臺,建立了完整的教育教學(xué)跟蹤評價(jià)體系,開發(fā)智慧教育業(yè)務(wù)和智慧教育應(yīng)用,構(gòu)建新時代下的教育教學(xué)方法、人才培養(yǎng)和院校治理模式,實(shí)現(xiàn)泛在教育接入,形成“時時皆可學(xué)、處處皆能學(xué)、人人皆可學(xué)”的泛在智慧教育平臺。