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解構與機遇:基于5G的智能技術及其教育應用

日期:2019-06-12 類型:STEAM教育


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解構:5G關鍵技術及其主要應用場景

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5G關鍵技術

5G具有超高數據速率、大規模連接、低時延、高可靠性等特征,將滲透、影響到社會許多行業。其關鍵性能指標主要包括:用戶體驗數據速率、連接密度、端到端延遲、流量密度、移動性和峰值數據速率。

5G网络具有超过100 Mbps的用户体验数据速率、每平方公里100万个连接、1 毫秒端到端延迟和每秒数十千兆的峰值数据速率等关键性能指标(见表1)。

5G關鍵技術主要包括無線技術和網絡技術兩方面。在無線技術領域,大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入等技術,已成爲業界關注的焦點。在網絡技術領域,基于軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)的新型網絡架構,已取得廣泛共識。未來5G網絡將是基于SDN、NFV和雲計算技術,更加靈活、智能、高效和開放的網絡系統。

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5G主要應用場景

5G主要技術場景包括:連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠。國際電信聯盟(ITU)將5G的主要應用場景分爲:增強型移動寬帶、高可靠低時延通信和大規模機器通信三類。

增强型移动宽带,提供最高可达10Gbit/s 的高速率、高带宽业务能力,可满足如3D超高清视频、云存储、混合现实等对带宽要求较高的服务。

高可靠低時延通信提供僅1ms的超低時延,可滿足如自動駕駛汽車、汽車互聯網、工業自動化管理等對延遲敏感的服務。

大规模机器通信可提供高达1000,000/km2 的连接密度能力,可满足如智能城市、智能家居、智能农业等高连接密度要求的服务。

在增强型移动宽带服务场景中,峰值数据速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性、网络能源效率和流量密度都具有较高的重要性。在高可靠低时延通信服务场景中,低延迟和移动性是最重要的指标。在大规模机器通信服务场景中,5G 网络应可靠且无缝式地支持偶尔传输其数据包的大量设备(见表2)。因此,5G 在未来将广泛应用于居民区、办公大楼、体育场、高铁站等家庭、工作、休闲和交通等诸多场景。

在教育领域,5G 可应用于远程直播互动课堂、混合现实教学、AI 教育教学测评、智能校园管理等重要场景,并充分利用5G 相关技术特性,打造全时域、全空域、全受众的教学新体验。

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机遇:基于5G 的智能技术及其教育应用

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基于5G 的物联网技术及其教育应用

物聯網是基于現有的和不斷發展的、可互操作的信息通信技術,通過互聯(物理和虛擬)事物來實現高級服務。它具有連通性、技術性、智能性、嵌入性等特征,主要包括無線射頻識別技術、傳感器技術、智能技術和納米技術等。目前,物聯網技術在教育中的應用主要體現在課堂教學、課外學習和教育管理三方面。

现有4G网络已广泛应用于物联网,并在不断发展以适应未来物联网的应用需求。未来物联网的新应用和业务模型需要新的性能标准,如,物联网设备的大规模连接、安全性、可靠性、无线通信的覆盖范围、超低延迟、高吞吐量等。为满足这些需求,5G 技术有望为未来物联网应用提供新的接口。5G不仅将在未来十年提供1000倍的互联网流量增长,还将为各个行业提供支持物联网发展的基础技术。

基于5G 的物联网技术在教育领域具有巨大的應用潛力:

應用潛力

(1)物聯網能夠促進課堂教學,通過傳感器技術,實現學生與學生、學生與機器之間的交互,爲教學提供智能化環境,改善傳統的學習環境和學習方式,並隨時調整教學結構;

(2)物联网可用于课外学习,它支持课外研究、移动学习和泛在学习等,以丰富课外学习方式, 促进学生能力等发展;

(3)物聯網還可用于考勤管理、學校圖書管理、教學儀器設備管理、學校教育安全管理等學校管理,以革新學校管理手段,提高管理效率和質量。

相关研究表明,物联网与互联教室结合能提高学习和教学体验。物联网应用还可以帮助教师转变课堂角色,减轻行政负担,让他们更专注于个人专业发展。5G+AI+IoT 等技术一旦集成,将推动万物互联,使教育迈向万物智能化时代(见图1)。总之,基于5G 的物联网智能技术在教育中的应用,将使每个物件更具智能性,进而使教与学环境更具智能化,并实现智能管理。


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基于5G 的虚拟/增强/混合现实技术及其教育应用

业界通常将“虚拟现实技术”主要分为虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)三类。VR 是模拟的虚拟世界,AR 是一种“虚实结合”的技术,它在真实环境上叠加虚拟世界,MR 融合虚拟现实的沉浸感和增强现实的实用性特征, 无缝对接虚拟与真实世界。

在教育领域,可利用VR 模拟现实中难以达到或体验的场景、活動,不受时空限制,进行各类模拟实验,可进行大量尝试、反复体验或纠错。

与VR 类似,AR/MR 已在教育领域彰显出它的实用价值,不断提供必要的信息,可使情境化学习变得无处不在。AR 可通过移动云教室和虚拟现实等服务,实现新的学习方式和团队合作。增强学习体验并不是MR的唯一应用, 它还可以帮助教师获得每个学生的必要信息,了解他们的能力和特殊需求。

然而,这些服务的实现需要新一代网络的支撑,需要考虑包括优化路由、无缝广域覆盖、虚拟存在、低延迟语音和视频编码等条件要求。目前,即使是速度最快的网络,从发送数据到接收数据之间,也会有短暂的延迟。对于VR/AR/MR 应用来说,只有当网络延时远低于人类视觉感知延时,学习者才具有身临其境、与世界零距离的感知体验。

5G是低時延的原生平台,其增強型移動寬帶業務,能夠使學習者具有與世界零距離的真實感知體驗。比如,VR/AR 头盔显示器长时间使用会导致头晕,而5G 网络可消除与延迟相关的影响,为学习者提供真正无缝和沉浸式的实时学习体验(见图2)。与此同时,5G 网络将大大缩短视频下载的延迟时间,扩大教室中混合现实内容和视频的容量。

5G 的传输速度比4G 快10 倍以上,将大大改善VR/AR/MR 中的学习者体验,使虚拟现实真正成为课堂上的有效工具。“在教育领域,5G 让个性化和情境化教育有了可行性,将其与日常经验联系起来,除了可以加强学习,还能提高学生的积极性,因为它展示了其实际应用的一面。

此外,基于5G 的VR/AR/MR 技术的发展,也将为远程教育带来新的契机。它可以提供远程呈现服务,让学习者仿佛体验到他/她与远程学伴在同一个地方。远程呈现服务需要提供给学习者使用五种感官的能力,从而使学习者的感知体验更加真实。

VR和3D全息图像技术的融合使用,使学习者的感知体验成为现实。目前,限于4G 的VR 技术只提供110度的视角,需扩展到200度才能满足用户的最低满意度,这也是目前在移动环境中无法实现高清视频和3D 图形的一个主要障碍。没有极高的传输速率和更低的延迟,就无法实现实时VR/AR/MR 服务。

而5G 网络可支持高带宽和低延迟,5G网络的切片技术可以与其他无线技术相结合,成为实现低延迟、高吞吐量VR/AR/MR 服务的关键技术之一。总之,5G 的低延迟处理和超高数据速率的技术,可以有效支持实时VR/AR/MR 和远程学习呈现服务。

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基于5G 的人工智能技术及其教育应用

近年来,人工智能(AI)对社会诸多领域均产生着巨大影响。AI 与教育领域融合,能够提高教学效率,为学生更好地学习增知增智、为教师更好地教学提供服务。随着AI 在教育中的应用,AI 已渗透到教育领域的各个方面,比如,利用AI 开发虚拟助手,进行个性化学习;AI 驱动评估,可为教师、学生和家长提供有关学生如何学习、学生所需要的支持以及学生学习进展的持续反馈等。

此外,AI 还可用于增强学习分析,随着学习变得更加数字化、智能化,AI 驱动的学习分析,将成为改善教育和提高机构竞争力的重要工具。

进入5G 时代,5G+AI“强强携手”,会实现互促发展。

第一,5G 网络对高数据速率、低延迟、高效使用频谱和不同网络技术共存等要求,需要结合AI 基于大量的物联网设备产生的海量数据,做出有效的决策。5G 网络为AI在云端和终端间的良好衔接、配合、互补,提供通信基础设施支撑,5G 将助力AI的教育应用更加丰富和走向普及,实现万物互联;而AI 技术应用也将实现5G 网络智能化, 在节省人工成本的同时,带给学习者更多真实的学习体验。

第二,5G 将驱动AI 更具“教育智能化”,助力教育公平化、个性化和智慧化。即5G+AI 将进一步催生智能教育,促使从“学以致用”到“用以致学”,即从传统命题性知识传授变为个性化知识传授;促进人机协同,即教师原本一人身兼组织者、评估者、教授者的多重身份将被分解,需要与智能机器协同;促使自适应学习的广泛实现,进而促进教育公平(见图3)。

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基于5G 的云计算技术及其教育应用

云计算是一种分布式计算范式,既指通过互联网以服务方式提供的应用程序,也指提供这些服务的数据中心中的硬件和系统软件。它可以访问计算机、网络、存储、开发平台或应用程序等虚拟化資源。云计算和云存储的优势在于,資源不仅由多个用户共享,还可以根据用户需求动态地重新匹配。

在教育领域,云计算可为计算机密集型(虚拟世界、模拟、视频流等)或以在线大规模方式(MOOC)进行的数字化学习提供服务。云计算可为学生和教师提供工具,根据其学习需求,按需为教学场地和实验室部署计算資源。例如,教师可使用预安装的软件按需创建虚拟计算机,以快速部署计算实验室。云计算将孤立的教育資源上传并存储于云端服务器,能够实现教育資源共享与统一管理。

学习者只需使用可以联网的终端设备,就能轻易获取所需的教育資源,同时也可以将自己的資源与他人分享,实现教育資源的开放与共享。云计算也为学习者提供了各种在线应用程序,可用于支持各种学习场景。

当前,移动计算、无线网络和云计算三种技术,正在向移动云计算(Mobile Cloud Computing,简称MCC)领域发展。MCC以其高数据速率、高移动性和集中化管理服务, 成为5G网络架构的重要参考。5G网络容量的大幅提升,促使MCC服务成为移动学习服务的新热点。5G 助力MCC技术,将使许多資源有限的各种移动终端,有望提供更加个性化和交互式的学习服务。

MCC的发展,也为移动学习提供了更多可能。目前,移动学习受到计算处理能力低、存储容量小、分辨率低等移动终端自身弱点的限制,而5G+MCC 有助于解决这些问题,为移动学习的广泛开展提供契机。

因此我们认为,基于5G 的云技术、边缘计算、泛在计算正架构一个全新的技術場域:

全新的技術場域

第一,通過打造雲端一體化開發平台,搭建豐富的物聯網市場,共建開放的物聯網標准,從而構建起物聯網生態系統;

第二,使能平台和基礎設施,加速物理世界和數字世界的融合,不斷推動物聯網向教育智聯網發展,爲學校的人才培養、數字治理、科研平台等,構建一個融合雲技術、雲存儲、物聯網、人工智能、大數據的數字化學習生態;

第三,赋能教育创新,从而形成一个协作在线、資源共享、数据智能、工具智能、决策智能等为一体的智能教育新生态系统。

(作者:蘭國帥1,2,3 ,郭倩1,魏家財1 ,楊喜玲1 ,于亞萌1  ,陳靜靜1,1.河南大學教育科學學院;2.河南省教育信息化發展研究中心;3.河南大學技術促進學習創新研究院。本文系節選,原文標題爲《5G+智能技術:構築“智能+”時代的智能教育新生態系統*》。來自《遠程教育雜志》)


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