5G技术应用于教育的现状分析

付思墁，张 丽，吕 婷，罗冬梅，赵 倩，朱山立

（湖南农业大学 教育学院，湖南 长沙 410128）

0 引 言

5G技术的发展给人类带来了新机遇和新挑战。5G技术广泛应用不仅会改变人们生活的方方面面，也给教育创造了更好的环境基础，促进VR教育、智慧教育和智能远程教育应用，满足教学、科研、学习和实验等活动的高层需求。

基于文献分析和对国内外5G技术的进展及其教育应用的定期追踪，发现5G技术教育应用的研究基本上与教育场景应用相结合，侧重于对教育资源、教育环境、教育管理和教育评价的介绍。研究中定性研究多于定量研究，规范研究多于实证研究，主要有VR教育、智慧教育、信息化发展、人才培养模式、课程建构模式以及数字化校园等研究主题。从研究深度来看，目前集中在移动通信技术研究，教育应用处在探索的初期，研究范围小，对典型案例关注度不够。

1 5G技术的研究进展和教育应用内涵

1.1 5G技术的基本概念

5G是第五代移动通信技术，也是第五代移动电话行动通信标准，其传输峰值速率比目前的4G增长百倍，是虚拟现实场景需要的网速要求。5G每平方公里面积上能连接的用户点数可达100万个，是物联网需要的通信环境。5G技术构建的是新的信息高速公路，与4G相比，将信息传播速度提升两个数量级，将信息的运送宽度即信息容量提升了两个数量级，将延时降到毫秒级以下（降为原来的1/50），将处理速度提升一倍，可以为速度500 km/h的终端设备提供稳定服务。5G的特点是高速率、低延时、高容量、高接入数、低能耗和低成本。

1.2 5G技术的发展历程

2001年提出5G概念，2009年早期研究，2013年开始政府和多家公司投入大量资金进行5G技术研究，技术研究与商业应用都很快推进，详见表1。

《2019移动经济报告》预计：到2025年发布5G商用网络的国家将占到全球的一半，5G eMBB连接数将达14亿[21]。

1.3 5G环境的教育应用内涵

赵志辉等[22]认为，5G为高校信息化创新应用开辟了新领域，借助5G网络的部署进程，将核心技术植入校园骨干网，髙校信息化建设实现质的飞跃，打通了高校信息化应用从用户移动终端到无线AP的“最后一公里”。李小平等[23]认为5G将解决受带宽限制出现的问题，解决教学课件传输质量、延迟、卡顿和宕机现象，高质量高带宽的虚拟现实实验、3D采集、多媒体远程教育、游戏化课程、高清、手机课程、多类型媒体网络融合课程、物联网课程以及移动实习实验系统将成为现实，教学资源的形式将大大扩展，从二维到三维，向智能化、多种媒体平台转换，向知识传达转为知识体验。赵兴龙等[24]的应用发观认为，随着5G的普及，以往的阻碍壁垒被攻克，当师生习惯于5G时，应该优先考虑将技术驱动的机制直接作用于课堂教学，将技术融入具体的课堂教学实践获得启发并不断反思改进，这是信息技术优化育人生态的新思考。

表1 5G发展历程

5G的特点是高速率、低延时、高容量、高接入数、低能耗和低成本，有利于构建新的基础环境。随着5G技术逐渐成熟普及和其他技术的进步，5G环境下的教育教学模式发生变化。远程教育与校内教育的界线会逐渐淡化；教育教学资源形式会发生变化，为满足学习需要，虚拟与现实的混合度提高；教学方法会发生变化，向充分的个性化教育和创新能力培养转变；甚至教育制度也会产生某些变化，一些压抑人的天性的制度会有转变，这是5G环境下教育应用的内涵。

2 教育应用相关的5G关键技术

在不同的教育场景中，各技术将发挥不同的作用，而5G关键技术对教育应用十分重要。

2.1 大规模MIMO技术

大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术是未来5G中的一项重要技术，凭借多重天线同步收发信号，有效改善了通信质量，增强了信号传输的质量与水平[22]。它在传送加密试卷和机密文件时，可保证资料的可靠性，降低误码率。有了大规模MIMO技术的赋能，5G在远程直播课堂、智慧课堂以及教育教学测评中，将释放更大的能量。

2.2 同时同频双全工技术

同时同频全双工技术是5G空中接口的关键技术之一，可在一个物理信道上传输两个方向的信号，大大提升了无线资源的使用效率。5G借助同时同频全双工技术可充分满足学习资源和学习环境交互的需求，使学习资源多元化和情景化，使学习环境优质化和个性化。

2.3 SDN/NFV关键技术

SDN分开设计网络的控制平面和转发平面，智能组织移动网络。NFV技术为了不再依赖于专用硬件，使用软硬件解耦和功能抽象，灵活共享资源。这两项技术和5G结合，提升了学校有线网、无线网以及数据中心等基础网络设施性能，降低了学校网络设备成本[25]。资源共享能够促进课堂教学，丰富远程学习、在线学习、移动学习和泛在学习内容，打造更加灵活、高效的教学场景。

2.4 MEC移动边缘计算

MEC移动边缘计算是在用户终端和无线接入网之间的边缘实现云端计算功能。借助5G超高带宽和MEC的边缘计算能力，MEC的教育应用将伸展至个性化学习、智慧教学、虚拟现实和增强现实等方面。例如：云端智能平台可计算、存储、处理各种教学数据，向不同学习者提供个性化学习资源，向不同学校提供定制化和差异化服务；观看直播学生基于多视角直播可以弥补现场角度问题而无法观看到的场景，直播外的学生基于VR超高清沉浸式直播可以获得更好的学习体验；全息立体显示与教学过程融合，实现跨时空教学资源的多屏投射，让教室中的教学场景变得真实和丰富[26]。

2.5 网络切片

网络切片是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，根据不同的服务需求如移动性、安全性、时延和可靠性等来划分，灵活应对不同的应用场景。

网络切片技术的出现可以有效解决各类教学需求，提供适配不同领域需求的网络资源。例如：将教学高清视频和立体视频、高容量场景会议VR/AR切片、游戏化教学切片、手机切片（微信）热点等切割成多个端对端的虚拟网络，享受20 Gb/s移动宽带资源；将大规模物联网切片单独分割成独立的虚拟网络，享受每平方公里200 000连接数的高密度、低功耗、低时延的海量物联网；将虚拟现实控制网中的虚拟现实控制关键单独切片形成独立的虚拟网络，享受低于1 ms的时延性能[23]。

2.6 自组织网络技术

自组织网络技术可解决网络部署阶段的自规划和自配，以及网络维护阶段的自优化和自修复问题，能够有效降低运营商的运行开销，提高网络性能。因此，智能的自组织网络将成为5G不可或缺的又一关键技术。这种网络形式能够更加快速、便捷、高效地部署，可满足一些临时、突发的教学场合的通信需要，如视频点播和科学考察等。

自组织网络技术在教学方面也有广阔的应用前景，如多传感智能感知能够对教师需求、学习过程和学习情境进行全方位感知，为教师教学和学生学习提供服务；个性化人机交互能够基于每个学生不同的学习习惯，为其量身打造最适合的学习方法；智能辅助决策能够监控教学视频对课堂行为进行动态分析，为教师和管理者提供决策支持。

2.7 密集网络覆盖技术

密集网络覆盖技术是5G潜在的关键技术之一，主要通过应用庞大数据流量调整与改进网络覆盖的形式，从而大幅度提升系统容量，对业务进行分流[27]。

密集网络覆盖技术可解决各种教学实际问题。例如，它可以灵活根据数据流量的需求在教学热点区域进行扩容，密集组网通过加密部署、数据备份可防止信息泄露、文件丢失，密集网络覆盖的干扰管理技术可解决相邻教学楼间干扰协调的问题。

2.8 高频段传输

高频段（如毫米波、厘米波频段）可以实现极高速短距离通信，容量大，满足5G的容量和速率需求[28]。传输速率快、携带能量大，为智慧教育和AI教育提供了强大保障。例如，教育环境中所有要素间的快速互通，智慧课堂内涵延伸；AI的大脑成像技术，需要更灵敏的速率来检测大脑的情绪，追踪学生的情感状态。

3 5G技术的教育应用分析

5G技术构造新的通信环境，5G环境下的教育正开启新的模式，将会引起教育领域新的变革。目前是5G商用尝试阶段，成熟的过程是循序渐进、逐渐完善的。5G环境下的教育应用会出现各种新局面，下面收集了5G技术教育应用的典型案例进行分析。

3.1 5G的低延迟和高速率将扩展VR/AR，推动“VR+教育”的实现

“VR+教育”是创新教育的方向，但目前VR/AR资源成本过高、硬件不成熟、很难实现多个应用场景的转换，在教学中的使用率极低。4G的移动通信还不能满足VR的高传输要求，而5G 10 Gb/s的传输速度、10 ms以下的低延迟将极大改善AR/VR的用户体验，扩展VR/AR应用资源。可以将VR的复杂处理设在云端，困扰VR移动端应用的问题也会迎刃而解[29]。在5G环境下，VR辅助教育提升知识理解。谷歌已推出专为教学使用构建的VR教育平台，百度VR教室也已在安徽、浙江、上海等地相继落地。2018年9月，Verizon和纽约媒体实验室合作开展了利用混合现实和机器学习技术的5G教育解决方案的Verizon 5G EdTech挑战赛。2019年威尔文教的“VR超感教室”构建VR智能教学生态系统[30]。华为发布了基于5G云的VR连接服务，包括智终端、宽管道和云应用的5G典型业务模式[31]。

更多的VR教育应用场景在5G环境下将成为自然的情境：地震、消防等灾害虚实结合场景的“演习”教学；车辆拆装、飞机驾驶、手术的“虚拟训练”，感觉完全真实，成本和风险都变得很小；集中式VR学术会议、集中式虚拟实验、大规模现场在线学习；博物馆展览、史前时代、深海、太空等科普教学的三维场景；虚拟“真人”陪练等。可见，VR、AR、MR、CR等技术将会获得真正的应用。

3.2 超高清视频远程沉浸式互动教学助力教学新模式

2018年中国首个5G+8K视频技术的远程医疗模拟，5G实现超高清音视频的实时传输[30]。远程沉浸式互动教学传递到偏远地区，实现优质教育资源远程分配，助力教育均衡，有利于改变城市和农村教育差距。

5G能实时传输教学过程数据，智慧课堂将能分析学生的学习实况。哒哒英语的动态分布式流媒体系统，保证了国内学生可以和全球教师进行低延时视频交流。犀牛云提供视频直播SDK、视频推流和传输、视频分享等多个解决方案，提供即需即用、稳定快速、高质量、低时延、多协议、全终端的视频内容生产应用服务[32]。

混合现实远程教室的部署，5G的增强型移动宽带和高可靠、低时延特点能够在云端进行大量本地运算，各种教学内容、素材触手可及，学生与教师相隔万里也能够充分互动，极大地提高了教学效率和教学质量。

3.3 “5G+智慧教育”，实现个性化人才培养

2018年5月5 日，中国移动“5G+未来教育”高峰论坛打造“云+端”个性化教育业务。利用大数据、云计算、人脸识别以及人工智能技术，建立电子围栏、互动学生卡、智慧学习笔、魔镜系统和直播课堂等。

2019年首个5G高校建成，“5G+人工智能应用创新实验室”投入使用，好未来智慧教育将各类教学资源和教学服务融合，应用大数据分析技术与智能分析系统，完成智能定级评测、个性分级阅读、听读测三维训练、在线作业布置检查以及学业数据智能诊断等功能。

5G的物联网应用将改变课堂。课堂中的教学资源如屏幕、网络、内容都具有智慧，无缝配合教师教学。比如，根据学生笔记分析，向教师实时反馈仍然存在的问题，实现全场景智慧化教学。

3.4 复杂应用创造复杂系统学习，建构实践训练新场景

5G通信技术助力无人机进行高清现场实践教学。在上海虹口北外滩，无人机与5G网络技术配合完成了直播4K高清全景视频。东莞供电局运用无人机和5G技术完成自动化电力巡检，直播传回的变电站设备上的信号灯和字迹显示清晰。杭州余杭未来研创园的新型物流配送，通过“无人机+5G”的实时视觉识别确定投放点完成配送。基于5G通信的无人机可以用于农药喷洒、森林防火和地理测绘等场合[30]。5G是车联网的通信基础，中国移动在北京房山区政府支持下建成了开放式测试道路，试验自动驾驶。华为、罗德与施瓦茨（R&S）合作，在德国慕尼黑开展5G V2X通信，用于移动汽车现场测试中的协同驾驶应用[30]。厦门市交通运输局推动厦门BRT无人驾驶。

海南总医院在5G网络环境下，远程操作机械臂给身在北京的患者完成了人体心脏手术。上海市第一医院打造5G智慧医疗联合创新中心，实现远程查房、区域医学影像中心远程会诊、远程手术教学和远程操作机械臂诊疗[33]。北京移动与华为合作完成了中日友好医院5G室内数字化系统部署。

杭汽轮集团建立了5G检测系统，以前需要3天的检测工作，现在只需要3～5 min，同时在实现产品全检测的基础上建立了质量信息数据库。贵阳市5G创新实验室通过5G网络实现了对整个生产制造过程和设备状态情况的实时监测。

各种复杂场合的实际应用都需要学习，这种现场实践学习是复杂系统的学习，而基于5G可创建实践训练新模式。

3.5 智能化教学环境实现人性化教学管理

随着5G技术的出现，5G创新中心将引领下一代教育。Verizon首席企业社会责任官Rose Kirk表示：“我们需要改变许多学生的教育机会和生活轨迹。5G技术将在课堂上开启我们甚至无法想象的大门，最终将赋予学生更大的成功、更积极参与的能力，并让他们接触高等教育和新的职业道路。”

华为META与云端智能结合制作出导盲头盔，解决视力障碍人群的视角问题。NEC公司推出的ARmKeypad基于AR技术，在眼镜上设计虚拟键盘，在智能手表中实现AR、AI监护等新型应用。

智能巡检机器人在5G环境支持下可实现校园巡检、园区巡逻等，基于5G+高清视频的人脸识别等新型功能能实现学校的人性化管理。

以5G技术为基础，将有一场“教育教学变革的风暴”。

4 结 论

根据IDC的中国智能终端市场调查，2019年20%的教育用户希望使用VR解决方案，5G的低延迟和高速率将扩展VR/AR，推动“VR+教育”的实现，5G将为VR教育应用带来爆炸式增长。5G会改变教学的组织方式、远程互动课堂、虚拟现实教学、AI智慧教育和校园智能管理，超高清视频远程沉浸式互动教学可助力教学新模式，“5G+智慧教育”可实现个性化人才培养。5G推动教育装备升级，教学不受空间限制的互动化和场景化，复杂应用催生复杂系统学习，如农作物实验、机器运行探测实验、汽车燃烧变化实验等监控传感系统直接观测实验结果。新应用创造出实践训练新场景，构造远程现实实验实训环境。同时，智能化教学环境实现人性化教学管理。当然新的环境构建可能会使网络攻击、互联网病毒、恶意代码获得机会，因此安全研究需要同步进行。