面向5G時代人工智能智慧課堂的應用展望

張 釗（廣東聯通通信建設有限公司，廣東廣州 510627）

1 研究背景

5G時代人工智能技術在教學課堂的深入應用，創設了融合的學習空間和智慧的學習環境，推動了場景化教育的優化，促進了環境服務化、教學智能化、學習個性化、評價科學化、資源多元化的發展。

1.1 政策驅動

黨的十九大以來，國家在教育領域不斷加大投入，提出了“教育現代化、建設教育強國”的戰略方針。2018年4月，教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》提出要構建智慧型學習環境，到2022年，基本實現“三全兩高一大”的總體發展目標，即教學應用覆蓋全體教師、學習應用覆蓋全體適齡學員、數字化建設覆蓋全體學校，并借助人工智能、大數據、移動互聯網等信息技術賦能教育教學，以科技創新推動智慧教育發展，以科技創新助力搭建優質師資梯隊，以科技創新豐富教學應用，建設人工智能智慧課堂［1］。2019 年2月，中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》指出：要加快信息化建設進程。2020 年10 月，中共中央、國務院印發的《深化新時代教育評價改革總體方案》強調：教育發展要有科學的評價體系。因而，當前教育的首要任務是加快提升教育治理能力，加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育。

1.2 地區、學校及學生的需求

隨著國家對教育領域的高度重視和大力支持，全國教育事業取得了較大的進展，但是仍然存在一些問題沒有得到較好的解決。第一，我國的教育資源發展不平衡，優質的教育資源主要集中在發達地區，西部地區的教育資源嚴重缺乏。而同一個地區，城市和農村的教育資源差距也比較大。第二，目前城市和部分縣城已經建設了多媒體教室，但是終端基本僅限于電腦和Pad，視頻學習資源的播放時常因網絡原因，出現卡頓現象，極大影響了教學效率。第三，現有的網絡課程基本是提前錄制后再離線上傳到學習資源庫，然后提供給學生點播學習，方式單一，師生間的互動極少，學生的體驗極差，不利于對學生學習興趣的培養。第四，雖然互聯網的不斷發展極大豐富了教學資源，但是青少年學生并沒有很好的甄別能力，因此不能滿足自身的個性化發展。此外，既往在教育教學中對教師專業能力的評價方式單一，且主觀性比較強，沒有形成科學的、智能化的教師專業能力評定體系，而且教師培訓效率低下。

基于以上背景，本文將討論如何利用5G和人工智能等信息技術建設智慧課堂，實現更加豐富的課堂學習內容，更均勻的優質資源分配，更能滿足學生發展需求，更加聚焦教師能力成長，從而推進教育事業向前發展。

2 5G及人工智能技術賦能智慧課堂新發展

2020 年是5G 和Wi-Fi6 普及的元年，5G 網絡正式開始商業應用的進程。5G 作為數據傳輸中的最優路徑之一，使終端設備之間的連接變得更加緊密，5G+人工智能等信息技術的融合將為教育的未來發展帶來了新挑戰、新機遇，加速了重塑智慧教育新生態［2］。

2.1 5G賦能智慧課堂新建設

2.1.1 5G特點及應用場景

5G 憑借著高帶寬、低時延、低功耗、大規模連接等特征［3］，推動著各領域的產業升級，構建著信息生態系統［4］。2015 年，國際電信聯盟在ITU-RWP5D 第22 次會議上明確了5G 的應用場景主要有高可靠低時延連接、增強移動寬帶以及萬物互聯。這些應用與教育場景的融合，能從移動學習體驗、交互溝通方式、沉浸互動環境等方面提升智慧課堂的體驗效果。

2.1.2 5G對人工智能技術的作用

通信網絡是智能設備的基礎支撐，5G 解決了數據的全方位獲取和傳輸問題。5G 時代應用在教育領域的智能技術主要分3 個層次：基礎技術、計算分析技術、教學呈現技術。5G促進了教育智能技術的升級和應用，為相關的學習場景優化提供了條件。5G與人工智能技術相輔相成，共同助力智慧教育的發展。

2.1.3 5G對智慧教育的影響

5G 技術正在建造一條新的高速信息公路，隨著5G 技術的不斷優化，教育+5G 的深度融合為教育信息化提供了更廣泛的發展視野和全新的發展空間。面對我國教育資源分布不均勻，教育場景不夠智能化，智能測評體系未完善，5G技術的到來為這些問題的解決帶來了契機。5G賦能教育教學轉型，對教育發展有重要的歷史性意義。

2.2 人工智能助力智慧課堂新建設

隨著5G 網絡的推廣和人工智能技術與教育的深度融合，教育信息化的程度將逐漸提高，在教學中智慧課堂的功能也在不斷豐富。人工智能智慧課堂就是借助新型的互聯網及人工智能技術，使課堂變得更加智能化、數字化、結構化、精準化以及個性化。

2.2.1 計算機視覺技術

計算機器視覺是一門研究如何往機器上安裝一雙“眼睛”，使得機器像生物一樣可以用眼睛去識別事物，使機器更加智能化、工作效率更高的學科。在科技發展進程中，機器識別可以應用在許多生活和學習等場景，最常見的有人臉識別和安防。機器視覺已是促進各產業升級的關鍵技術之一。在智慧課堂中，借助計算機視覺技術對錄播設備所采集的視頻數據做教學行為大數據分析。機器視覺的主要流程如圖1所示。

圖1 機器視覺分析流程圖

2.2.2 語音識別技術

語音識別的關鍵技術是把語音數據利用智能手段轉換為相應的文本或指令。語音識別技術目前有著廣泛的應用。比如在智慧教育應用中，全部采集教學課堂的音頻數據，經過語音語義的剖析，可以輔助教學情況分析以及學員的學情分析，科學地檢驗教師的授課水準和學員的學習情況。語音識別的主要流程如圖2所示。

圖2 語音識別分析流程圖

2.2.3 自然語言處理技術

自然語言處理的研究融合了語言學、計算機、數學等科目，其主要研究內容是人機交互領域。目前，該技術在閱讀理解、機器翻譯、命名體識別等場景有較好的應用。在智慧課堂方面，自然語言處理技術不僅可以輔助教師的教學任務的執行，比如作業和試卷的批改，還可以用于分析學員對教師的評價，從而助力教師得到學員的真實反饋。自然語言處理的主要流程如圖3所示。

圖3 自然語言處理分析流程圖

3 5G時代人工智能智慧課堂的應用展望

5G+人工智能技術在智慧課堂具有廣闊的應用場景，智慧課堂的智能終端和無縫感知技術能全面識別教學情景中的信息，通過教學大數據的深度挖掘，可精準把握師生學習和成長的需求。面對國家教育信息化的轉型，5G和人工智能技術的結合在智慧課堂中已經催生了許多研究。下面將討論5G 時代人工智能智慧課堂在教學模式、學生、教師3方面的典型應用。

3.1 教學模式

5G 時代人工智能智慧課堂教學模式徹底顛覆了既往單一的授課方式，新模式的融入為教育教學產生良性效應。下面主要討論在智慧課堂新建設中的AR/VR教學和遠程互動雙師教學2種新型教學模式。

3.1.1 AR/VR教學

在虛擬/現實教育方面，將AR/VR 的教學資源上傳到邊緣平臺，利用邊緣計算等人工智能信息技術實現AR/VR 應用的運行、渲染和控制，并將AR/VR 的數據以音視頻的方式傳輸到終端。基于5G+邊緣計算助力AR/VR 的教學資源建設，通過建模技術對三維物理世界進行數字化和模擬化，虛擬生成后和真實環境中的對象進行交互，使得AR/VR 的效果與真實的環境極為相似，教學呈現技術讓教育內容的表征更加靈活、準確、形象，從視覺和聽覺上促進學生對知識和技能的學習。

3.1.2 遠程交互，實行雙師互動教學

在遠程交互、雙師教學方面，將所需的教學終端進行5G 化，發送方先把現場錄制的超高清視頻通過5G網絡推送到邊緣云服務器，然后通過邊緣計算快速的編解碼能力傳輸，經過5G 網絡下發至本地終端，接收方就可以將原視頻真實實時地復現，從而實現低時延實時遠程互動學習。基于5G+邊緣技術的遠程互動教學，可以針對當地學生的真實需求采用多種形式的互動教學，比如三維全息場景教學，強化學生的學習體驗，幫助學生理解復雜的學習模型，繼而將對教學產生積極的輔助作用。

3.2 面向學生

針對如何滿足學生成長對教育資源的不同需求和缺乏對學員學習情況的實時把握等問題，智能教學技術提供了可行的解決方案。下面主要討論智慧課堂新建設中面向學生成長的2種典型應用。

3.2.1 電子書包

電子書包是一種便攜式移動終端，可提供資源管理、教學內容呈示、教學交互、評價反饋等教學服務功能，并可與固定式教學設備結合，創造智慧學習環境。電子書包的學習資源可來自大數據分析系統的精準推送，該資源可以滿足學生的讀物需求，遵循學生閱讀規律，適合學生個性化發展。此外，智慧課堂電子書包的應用功能應當包括課前、課中、課后等3 個環節，將過程性評價貫穿于整個教學活動中，以期通過電子書包的即時反饋使教師及時了解教學情況，從而對教學進行調整。基于5G+人工智能的電子書包可以精準推送學生的學習資源，電子書包的智慧課堂教學模式更能滿足個性化發展的需求和提升學生的學習積極性。

3.2.2 學情分析

在學情分析方面，智慧課堂中運用智能化數據采集終端收集課堂中學員的行為數據，將依托AI學情分析系統，精準識別課堂過程中的表情和行為。通過無感知考勤，情緒狀態、姿態分析，視線分析，運動軌跡分析，輸出AI 學情分析報告，以此作為課堂評價的參考依據，教師可以根據學情分析報告及時地調整教學策略。智慧課堂更加關注從學生的學情特點分析入手，結合學生參與度和學習過程數據從多個維度進行教學效果的評測，學情展示更為全面、真實，為教師教學的精準決策提供了更充分的依據。

3.3 面向教師

在“5G”時代，智慧課堂的建設應當注重教師專業能力的發展，可借助人工智能等信息技術科學地檢驗教師的專業能力，為教師的職業成長賦能，并建立科學性、精準性的成長檔案。下面主要討論智慧課堂新建設中面向教師專業能力發展的2種典型應用。

3.3.1 智能測評

在AI智能分析方面，智慧教室中利用超高清攝像機等終端全面采集教學行為數據，通過5G網絡將課堂超高清視頻、圖片和聲音實時推流到邊緣云平臺，根據測評知識圖譜將采集到的數據轉變成可執行的算法，部署在邊緣分析系統中。然后由邊緣云平臺上部署的AI加速模塊進行高速并行計算，可實現教學行為大數據的綜合分析，最終可全面、科學地對教師的教學情況和教學效果進行智能分析。此外，在邊緣云平臺上嵌入5G 模組，還可將智能分析結果及時推送，便于教師在最早的時間了解自己的評估報告。基于5G的人工智能智慧測評，有助于教師了解自身的教學情況，校方全面掌握教師的整體能力，使學校對相關學科教師團隊的建設思路更清晰，對引進人才的方向更明確，對服務治理更靈活。

3.3.2 精準培訓

智能分析報告給出了科學的、詳細的改進方向，是精準培訓的重要依據。在教師專業能力培訓時，人工智能技術將精準地推送適合各個教師成長的學習資料。可以解決傳統培訓中遇到的不能精準把握教師真切的培訓需求、培訓方向和培訓效果的問題。5G作為底層的通信技術，加速了培訓方案的檢索及推廣，拉近了培訓和成長的距離。基于5G+人工智能的精準培訓方案，高效地引領了數據驅動創新變革，對教師的專業培訓和能力成長有很大的幫助。

4 結束語

5G 與人工智能技術在教育領域的融合發展，加速了教學的智能化和信息化轉型，促進了教學應用場景與教學模式的變革。本文從“面向教學模式”、“面向教師”、“面向學生”3 個方面，討論了5G 時代人工智能智慧課堂的應用，具體如下：

a）AR/VR 教學增強教學資源的渲染，加強學生對學習資源的認知和理解。遠程交互雙師教學和網絡同步課程將加大優質資源的傳播，從而促進優質資源均衡發展。

b）電子書包和學情分析利用人工智能大數據分析技術，科學地掌握即時學情和學生個性化發展的需求，然后機器智能地制定科學的成長策略，引導學生的成長。

c）智能測評和精準培訓借助5G智慧平臺和AI對教師進行教學、測評、培訓賦能，使其個人專業能力的發展與智能技術時代的發展相匹配。

未來亟需拓展5G 的教育應用場景，加快5G 教育應用場景探索，增強對新場景的辨識度和接受度，注重學生個性化發展。注重師生的自然互動，特別是在線教學中的臨場情感交互。

加速教育治理的優化，研究教育數據和人工智能如何協同推進教育事業發展。