基于5G融合网的泛在教育研究

王理想,廖永红

(广东轻工职业技术学院,广东广州 510065)

0 引言

2017年,国务院印发《新一代人工智能发展规划》,提出了智能教育应利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革,构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系,开发立体综合教学场景,建立基于大数据智能的在线学习教育平台,开发智能教育助理,建立智能、快速、全面的教育分析系统。2018年,教育部发布了《教育信息化2.0行动计划》,明确了下一阶段教育信息化建设的目标与任务。结合互联网思维,利用大数据、人工智能(AI)等技术提升院校教学质量、管理能力和智能化水平已成为新时代高等教育改革发展的主题。近年来,国外对教育信息化也达到前所未有的重视,如法国在《重建共和国基础教育规划法》中将教育数字化作为教育发展的关键方向;俄罗斯在《2024年前俄联邦发展国家目标和战略任务》和“国家教育优先项目(2019-2024年)”中明确提出在2024年创建安全的数字化教育环境;芬兰在2019年政府法制规划中提出力争成为利用数字化与技术创新来发展和形成新的解决方案的前沿国家[1]。由此可见,与教育相结合、实现智慧教育是AI技术发展的一个重要方向,教育智能化已成为新时代教育发展的核心要务。

1 构建智慧教育5G体系

为构建教育信息化与大数据、云计算、AI融合的智慧教育体系架构,实现教育终端与5G融合的智慧教育网络架构,需要开发基于智能数据与5G技术的智慧教育应用场景,引入工业互联网层次模型思想,从智慧教育5G接入和应用方面构建泛在智慧教育5G体系。一是要研究基于5G接入点(APN)和5G切片技术的“5G+智慧教育”的智慧校园网络架构,按需分配智慧教育平台资源,实现用户泛在接入,构建智慧教育接入平台。二是搭建智慧教育终端平台,纳管智慧课室、虚拟现实(VR)实训室、智能车间等教学场地,实时获取教育数据(视频、音频、成果),基于语音识别、图像识别、深度学习、语义分析技术,结合教育模型,对教学过程(学习姿态、交互次数、授课内容等)进行数字抽象处理,构建教学过程数据体系,为智慧教育的业务拓展和应用开发提供数据支撑。

1.1 智慧教育的5G接入

采用5G APN技术设计“5G+智慧教育”融合架构,对接统一认证,对智慧教育平台资源(慕课、在线课程、智慧课室课程等)进行权限分配,既实现按需学习课程,又保护了相关课程的私密性。用户通过校园网、互联网或5G网络接入智慧教育平台,实现用户泛在接入校园网络,其中重点打造“5G+校园网+智慧课室”的智慧教育网络架构,采用5G APN和5G切片技术,实现5G与教学平台的互通,利用5G网络广覆盖、高带宽、低时延的能力实现常态化教室教学直播,实现用户随时随地观看课堂视频直播,实现校内外学习者的泛在学习(见图1)。

图1 “5G+智慧教育”融合流量策略

1.2 智慧教育5G应用

利用5G高带宽、低时延、广覆盖、切片等技术的优点,结合增强现实(AR)/VR、AI智能设备、智能制造车间等打造一批智能教育场景,提升教育质量,变革教书育人模式。如利用“5G网络优势+AR/VR虚拟现实技术”实现沉浸式教学[2],构建虚拟场景教学资源,学生可通过泛在教学平台实现线上线下同步和远端本地同步,实现5G VR实训课堂、5G VR实验、5G VR远程互动课堂、5G泛在学习等智慧教育业务和功能;基于“AI+教育数据+阿里商业智能(BI)工具”构建在线分析处理(OLAP)模型,开发智能应用,基于教学过程数据可快速发现教学中的思政问题,做到及时发现、快速处理;通过利用智慧课室数据进行个人行为和交互行为的识别与分析,以及课堂活跃度和专注度分析(见图2)。

图2 智慧教育5G应用体系

2 智慧教育中台体系

智慧教育5G应用会产生大量教育数据,利用阿里中台技术和AI技术对教育数据进行加工分析,从智慧教育数据体系、智慧教育业务及应用两个方面构建智慧教育中台体系。一是基于阿里云中台架构打造智慧教育数据中台,建立智慧教育OneData、OneID、OneService数据体系;二是基于5G智慧教育应用,利用OLAP模型开发智能教育应用[3]。

2.1 智慧教育数据体系

一是基于阿里OneData体系,以“业务板块+分析维度”构建教育大数据平台,采集清洗智慧教育终端、业务系统、网络日志和外部网站数据,构建公共数据中心[4]。二是基于阿里OneID体系,以业务或个体为对象构建位置数据体系、学业数据体系、消费数据体系、内容安全数据体系、竞赛数据体系、学生基本信息数据体系、招生数据体系、学生就业数据体系、教师基本信息数据体系、教师教学数据体系、教师科研数据体系、课堂数据体系、图书数据体系、校医院数据体系等,形成数据萃取中心。三是通过统一数据服务中间件OneService为上层智能应用提供数据服务。智慧教育数据平台是一个开放平台,所有数据向师生开放,其中的隐私数据会进行模糊化处理,师生均可使用平台数据进行构建画像、数据分析、智能应用开发等方面的研究,充分挖掘数据潜能,发挥平台价值,极大调动全校师生参与智慧校园建设的积极性,为学校发展贡献力量,由此推动高等教育发展。

2.2 智慧教育服务及应用平台

利用教育数据平台数据,基于AI技术,结合任务姿态模型、语言类别模型和内容识别模型进行人脸识别、姿势识别(学生学习、学生睡觉、学生玩)、师生表情识别(开心、生气、惊讶等),对师生语言进行编码(提问、讲授、指示、接纳、回应、回答),识别教师板书、授课内容和敏感图文等,将课堂教学过程结构化;同时,利用大数据模型和分析技术生成课堂积极指数、课堂消极指数、目标学生注意力指数等,并实现课堂混乱预警、思政隐患预警、师生课堂画像等功能(见图3)。

图3 智慧教育中台体系

智慧教育服务及应用平台能够采集教学过程中的实时数据,快速发现教学中的思政问题;同时,可以基于所采集的数据,对课堂个人行为和交互行为等进行识别分析,综合形成学生、教师、学校三级课堂教学智能评价体系,有助于对教学、学习和课堂质量进行客观评估,更好地促进教学质量提升。同时,通过智能考勤、课堂分析、师资能力分析、就业指导、招生分配方案等各种教育智能应用开发,为学校以及各学科的规划发展提供数据分析、决策支持和事实依据。此外,通过阿里数据可视化DataV工具,可实现数据的大屏展示。

3 结语

基于5G、AI等新一代信息技术,本文设计了5G融合校园专网架构,开发基于中台技术的智慧教育5G场景应用和大数据应用,从智慧教育5G终端、5G应用、智慧教育中台数据体系、智慧教育大数据应用4个方面构建泛在智慧教育平台,建立了完整的教育教学跟踪评价体系,开发智慧教育业务和智慧教育应用,构建新时代下的教育教学方法、人才培养和院校治理模式,实现泛在教育接入,形成“时时皆可学、处处皆能学、人人皆可学”的泛在智慧教育平台。