基于“5G+教育”的新型云支教平台“知教”的设计与实现*

2023-02-22黄豪博李帅张燕萍黎青青

科学与信息化 2023年3期

黄豪博李帅张燕萍黎青青

皖南医学院医学信息学院安徽芜湖 241000

1 研究背景及发展现状

1.1 本产品开发背景

在网络蓬勃发展的时代，在不断产生众多新兴互联网产业的同时，各大传统行业也紧跟时代步伐，利用互联网技术带来的益处在原有的行业基础上做出创新。其中，教育行业也不例外，近些年来，网络教育这一新型教育模式在教育市场掀起一段浪潮，网络教育市场规模持续增长。2020年至今，网络教育的发展快速。由此看来，网络教育已是一种普遍的教育模式，助推了教育的发展，转变了传统教育模式。

1.2 发展现状

1.2.1 传统支教模式现状。社会高速发展，人口向城市集中。农村以及偏远地区，空心化，人口的分散等问题越来越显著。小学的生源分散，师资不足问题也日益突显。很多农村学校及教学点只有10来位老师及30-200名的小学生，这些学校的老师一般只能完成语文数学等基础课程的教学，而对于音乐，美术，体育，科学等课程完全是空白，有些学校一天甚至有3节自习课。

农村儿童学习用书，很难像城市的儿童那样，做到每人一本书。山区儿童用书状况大多是外界捐赠，借用他人的情况。另外，对于图书馆，农村地区也几乎没有，他们很难涉猎到其他方面的知识，他们的知识面也只能局限在农村地区的知识，局限在书本的知识，这样对他们的教育和成长是十分不利的。教育事业的完善亟待解决。

1.2.2 基于“5G+教育”的支教新模式。“5G+”支教，是将互联网技术与支教事业相结合，通过相关技术打破地域、时间、资源等支教事业中存在的各种局限；将网络教育延伸到支教事业当中，为进一步做好教育精准扶贫提供新模式和更有效的基础保障，为实践教育育人提供新模式。传统支教模式是将城市学校优质教育资源输送到农村学校，为农村学校提供新的教育方法和理念，以此缩小城乡教育差距。

在校大学生通过线上支教活动达成社会实践，是高校构筑思想引领、素质提升、能力发展有机融合的实践育人平台的有效手段，完成高效“立德树人”基本任务的共同形式[1]。大学生志愿者具有较高热情参与支教事业，但是存在时间不足，空间受限等问题，最终影响实践活动效果。

为了解决以上问题，建设基于“5G+”的云支教平台，开展线上支教活动，以网络教育的形式代替传统支教形式，能够帮助拓展支教范围以及教学内容，实现“精准支教”，能有效弥补城乡教育之间的差距。随着国家不断富强，农村学校的师资力量的缺失仍然是一大痛点，因此，在农村学校便无法开展出高质量的教学。在互联网的大范围普及下，通过技术与教学的结合，能够有效解决以上问题。“互联网+”教育利用新技术提升教育水平，传递进步教育理念。

自2012年以来，国务院、教育部等相关部门已连续出台了一系列政策措施，利用校企合作、互联网+、终身教育等多理念多方式结合的方法，不断探索和推进教育体系的完备。

表1 中国网络教育发展相关政策表

2 平台开发相关技术

2.1 Bomb数据库

Bomb是一个移动后端云服务平台，它主要提供数据服务、短信服务、即时通讯、推送功能、移动支付、云端逻辑和容器服务等。

在应用key中可以获取所需要的密钥：

ApplicationID是SDK初始化需要使用的密钥。

RESTAPIKey是RESTAPI请求中HTTP头部信息必须附带密钥之一。

SecretKey是SDK安全密钥，不能外泄，在通过云函数测试云函数时使用。

把bomb的maven仓库地址添加到Project的build.gradle文件中：

图1 添加Bmob的maven仓库地址图

在AndroidManifest.xml中为bomb配置权限，如图2所示。

图2 Bomb配置权限图

将依赖文件添加到App的build.gradle文件中，如图3所示。

图3 App添加依赖文件图

2.2 App设计

Android平台基于Linux内核，有很多应用软件在该平台上运行，也有比较完备的开发过程。并且源码是开放的，可以节约开发成本。开发速度很快，可从官网上免费下载，可在短周期内完成该项目。当前大部分设备都支持Android操作系统，因其更新较快，紧跟时代发展，操作简单，越来越多的用户正在接受该操作系统。

主界面拥有一个底部导航栏，通过在底部导航栏bottm Navigation View中嵌套一个菜单menu实现，通过更换不同的fragment来切换不同的活动，可以在menu菜单中实现底部导航栏内容的修改，代码如图4所示。

图4 实现bottm Navigation View代码图

图5 menu菜单代码图

通过TabLayout+ViewPager实现选课界面顶部导航栏，并借助ImageView控件、EditText控件、ListView控件和Button按钮控件完成相关操作。

图6 选课界面图

最后，Android操作系统需要使用签名之后的apk格式的文件才能安装到Android手机中。可以将apk文件用扫二维码的方法提供下载安装。

3 “知教”的设计与实现

3.1 平台简介

“知教”平台采用Linux操作系统作为服务器运行平台，前台使用HTML、JavaScript脚本语言，数据库采用Bomb作为存储服务器，逻辑业务采用PHP来处理，基于SIP协议建立云教学平台，提供开放接口，使用中间件技术，方便平台中不同厂商产品，不同硬、软件系统的集成;平台应根据不同硬件配置进行灵活地部署和组合；平台容量保证满足用户量的考虑。

3.2 平台总体设计

“知教”平台可划分为3代，如图7所示。

图7 教学平台发展方向图

图8 平台主要功能图

3.2.1 第一代：点播式教学平台。在发展前期，主要发展点播式平台。主要目的是将教育资源便捷完整地进行传递，可以快速使用点播音频课件、查阅教室、完成在线作业等功能。以课件为核心，通过网络共享资源。

3.2.2 第二代：交互式教学平台。将“5G”等即时通信技术融合在教学服务中，给用户提供视频会议、虚拟教室、在线讨论和线上答疑解惑等服务，提高师生之间交流的及时性，增强课堂的互动性。提供交互式教学模式，通过用户的不同操作或者答案而将影响后续内容的不同走向来提升观看者的参与度及兴趣值，主要以用户为中心，增强用户参与度和平台的交互性。

3.2.3 第三代：创新式教学平台。互联网技术的迅速发展、全球化趋势的加强，可以购置VR设备和资源，让学生体验到一些在真实生活中是无法感受到的场景，例如可以带着虚拟现实眼镜去感受太阳系内8大行星的运转、感受海洋世界中的各种生物在海洋里遨游，看到非常微观的场景等。增强平台的创新性。

3.3 平台功能和技术特点

3.3.1 平台功能。针对教育资源较为落后的农村及偏远地区，解决这些地区缺少优质教学资源、教育水平相对落后的问题，在一定程度内从源头上解决我国发展不充分、不均衡的社会问题。它的具体功能可体现在以下方面：

图9 主要功能分解图

内容资源管理：分离课程内容和学习辅助工具，并使课件来源多样化，提供更多的视频类型。

管理学生作业，用户之间可分享笔记，可随时开始学习。

线上交流功能：辅导、答疑、交流工具，功能包括在线聊天、白板、课程内容展示，邮件组可根据课程分组、用户身份，自动生成交流组。

考核管理功能：管理考试题库，可定制个性化试题，自动判分，教师可以查阅评分细目，对成绩进行分类索引。

板块分类功能：针对用户选择的不同版块，推荐其相关内容。对于平台获得的资料进行自动鉴别，将其归纳人相对应的板块。

社交管理功能：用户可以自行创建社交圈，便于在其中进行讨论，管理员对用户的言论进行监管，对于违规行为及言论及时处理；

心理危机干预健康教育：用户可以通过心理测试和相关心理测试主题的完成，通过对数据、统计、测试等方面的分析，可以计算出结果，使用户能够了解自己心理疾病的相关信息，对其心理状态的当前阶段有一个大致的了解。

图10 “知教”平台部分界面展示图

3.3.2 技术特点。在线教育课程技术。系统从前端到服务器的关键架构采用单页应用开发框架angular.js和前端管理工具grunt.js等相关技术，构建了基于单页应用的前端工程式架构。系统服务器端采用了较为常见传统的JAVA环境开发方式，使用springMVC开源框架开发restapi服务，在代码分割和持久式层上拥有独特架构，缓存方式上采用ehcache框架与redis[2]。

疫情实时更新技术。使用requests模块获得全球疫情实时数据并将获取的结构化数据存储到MySQL中。通过Flask搭建Web项目，并使用Echarts进行数据的可视化展示，将项目文件拷贝到服务器，安装ngnix和gunicorn，启动gunicorn，编辑ngnix配置文件，启动ngnix，访问ip地址进行项目部署，基于crontab的定时任务实现数据的定时爬取，确保数据的实时自动更新。

4 总结与发展趋势

4.1 总结

图11 可实现功能与用户关系图

通过构建多功能集成教育模式，以移动端为基础，5G为通信载体，多样化功能为创新点的移动学习模式，打造高品质、有针对性的智慧教育平台。在未来的5G场景下，个性化“一对一、一对多”的“5G+智慧教育平台”的教育模式将网络教育发展的主流，能够实现每位用户实时交互。实现以往无法实现的功能，有效满足用户需求，使教育模式实现良好的闭环运行。

4.2 发展趋势

4.2.1 内容多样化。在保证基础教育课程得到完善的同时，将增加一些课外兴趣课程，用户可根据自己的需求，定制自己的学习方案。并根据上班族，老人等群体的需求以及用户学习特点，制定多样化学习内容。依照授课效果实时变通授课方式，不适合以视频方式授课的内容，可以使用交互式视频会议的实时授课环节，这样授课教师就能够实时地根据课程进程对学生提出的疑问地进行解答，从而达到与真实课堂一样的效果。

4.2.2 结合新兴技术。尝试将“5G+教育模式”与其他新兴技术结合（比如VR、AR技术等等）从而使其起到更大的教育作用和给用户更好的体验感。

5G+AI（ArtificialIntelligence），将5G技术与人工智能结合起来可以积极推动教育教学方式的改革。AI技术支持下，教学效率明显提升，学生学习范围不断扩大，知识储备大大增加，教师教学方向、教学途径也更加多元化，在AI和大数据技术的支持下，教师可以通过课堂数据与信息的提取、分析，全面了解学生学习情况，教学更加智能化、科学化[3]。教育环境将由传统的教室转向智能时代的学习空间（Learning Space）和学习俱乐部（Learning Club）等新型学习场所[4]。智能时代的学习空间将由现实空间（Realistic Space，RS）、网络空间（Cyber Space，CS）组成，RS是指由老师、学生、家长、教室等组成的现实空间，CS是由网络平台、网络资源、硬件设备等组成的网络空间，最终实现以学生为中心的连接教育，构建出崭新的教育生态模式。

5G+XR（AR、VR），在实际教学过程中，可以通过5G+XR技术构建虚拟教室、实验室来模拟特定的教学环境，利用XR技术的沉浸感，在虚拟场景下为学生提供实际操作机会，让学生更为直观地融入教学环境当中，更能使学习兴趣高涨，对知识点的记忆更加牢固。既然要虚拟出更加真实的场景，就要利用好5G高速率、低时延、大连接的特点，这样才能更好地实现。传统教育方法知识传递通常停留在表面现象，利用XR技术制定的教学方案能够实现知识具体化和形象化，使教学环节更加生动饱满，具有很强的情景模拟性[5]。另外XR技术还可以推动教育公平和降低教育成本，通过一套VR设备就能很好地消除由于地域差异、贫富差异、时间差异等原因而造成的教育鸿沟，促进教育公平。可以把花费较大的实验用VR教学的方式代替，可以降低实验的成本。

5G+MEC（Multi-accessEdgeComputing），MEC全称为边缘计算技术（MobileEdgeComputing）是ICT融合的产物，同时成为支撑运营商进行5G网络转型的关键技术，为满足高清视频、VR/AR、工业互联网、车联网等业务发展需求，MEC提供了一种全新的网络架构和开放平台，该平台在网络边缘整合了网络、计算、存储和应用的核心能通过在网络边缘部署各种服务和缓存内容，可以缓解移动核心网络进一步的拥塞[6]。5G+MEC可以有效解决VR技术难以实现的问题。平常使用的计算机CPU运行缓慢，连接的带宽网速不能满足要求，无法实现VR，而通过5G+MEC就可以轻易解决这样的问题，利用MEC技术可以使终端方面成本大大降低，普通电脑配置即可满足要求。