張 釗（廣東聯(lián)通通信建設(shè)有限公司，廣東廣州 510627）

1 研究背景

5G時代人工智能技術(shù)在教學(xué)課堂的深入應(yīng)用，創(chuàng)設(shè)了融合的學(xué)習(xí)空間和智慧的學(xué)習(xí)環(huán)境，推動了場景化教育的優(yōu)化，促進了環(huán)境服務(wù)化、教學(xué)智能化、學(xué)習(xí)個性化、評價科學(xué)化、資源多元化的發(fā)展。

1.1 政策驅(qū)動

黨的十九大以來，國家在教育領(lǐng)域不斷加大投入，提出了“教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強國”的戰(zhàn)略方針。2018年4月，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》提出要構(gòu)建智慧型學(xué)習(xí)環(huán)境，到2022年，基本實現(xiàn)“三全兩高一大”的總體發(fā)展目標，即教學(xué)應(yīng)用覆蓋全體教師、學(xué)習(xí)應(yīng)用覆蓋全體適齡學(xué)員、數(shù)字化建設(shè)覆蓋全體學(xué)校，并借助人工智能、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)賦能教育教學(xué)，以科技創(chuàng)新推動智慧教育發(fā)展，以科技創(chuàng)新助力搭建優(yōu)質(zhì)師資梯隊，以科技創(chuàng)新豐富教學(xué)應(yīng)用，建設(shè)人工智能智慧課堂［1］。2019 年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》指出：要加快信息化建設(shè)進程。2020 年10 月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《深化新時代教育評價改革總體方案》強調(diào)：教育發(fā)展要有科學(xué)的評價體系。因而，當前教育的首要任務(wù)是加快提升教育治理能力，加快推進教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強國、辦好人民滿意的教育。

1.2 地區(qū)、學(xué)校及學(xué)生的需求

隨著國家對教育領(lǐng)域的高度重視和大力支持，全國教育事業(yè)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(fā)展不平衡，優(yōu)質(zhì)的教育資源主要集中在發(fā)達地區(qū)，西部地區(qū)的教育資源嚴重缺乏。而同一個地區(qū)，城市和農(nóng)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(jīng)建設(shè)了多媒體教室，但是終端基本僅限于電腦和Pad，視頻學(xué)習(xí)資源的播放時常因網(wǎng)絡(luò)原因，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，極大影響了教學(xué)效率。第三，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)課程基本是提前錄制后再離線上傳到學(xué)習(xí)資源庫，然后提供給學(xué)生點播學(xué)習(xí)，方式單一，師生間的互動極少，學(xué)生的體驗極差，不利于對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)。第四，雖然互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展極大豐富了教學(xué)資源，但是青少年學(xué)生并沒有很好的甄別能力，因此不能滿足自身的個性化發(fā)展。此外，既往在教育教學(xué)中對教師專業(yè)能力的評價方式單一，且主觀性比較強，沒有形成科學(xué)的、智能化的教師專業(yè)能力評定體系，而且教師培訓(xùn)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(shù)建設(shè)智慧課堂，實現(xiàn)更加豐富的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，更均勻的優(yōu)質(zhì)資源分配，更能滿足學(xué)生發(fā)展需求，更加聚焦教師能力成長，從而推進教育事業(yè)向前發(fā)展。

2 5G及人工智能技術(shù)賦能智慧課堂新發(fā)展

2020 年是5G 和Wi-Fi6 普及的元年，5G 網(wǎng)絡(luò)正式開始商業(yè)應(yīng)用的進程。5G 作為數(shù)據(jù)傳輸中的最優(yōu)路徑之一，使終端設(shè)備之間的連接變得更加緊密，5G+人工智能等信息技術(shù)的融合將為教育的未來發(fā)展帶來了新挑戰(zhàn)、新機遇，加速了重塑智慧教育新生態(tài)［2］。

2.1 5G賦能智慧課堂新建設(shè)

2.1.1 5G特點及應(yīng)用場景

5G 憑借著高帶寬、低時延、低功耗、大規(guī)模連接等特征［3］，推動著各領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)升級，構(gòu)建著信息生態(tài)系統(tǒng)［4］。2015 年，國際電信聯(lián)盟在ITU-RWP5D 第22 次會議上明確了5G 的應(yīng)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(lián)。這些應(yīng)用與教育場景的融合，能從移動學(xué)習(xí)體驗、交互溝通方式、沉浸互動環(huán)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(shù)的作用

通信網(wǎng)絡(luò)是智能設(shè)備的基礎(chǔ)支撐，5G 解決了數(shù)據(jù)的全方位獲取和傳輸問題。5G 時代應(yīng)用在教育領(lǐng)域的智能技術(shù)主要分3 個層次：基礎(chǔ)技術(shù)、計算分析技術(shù)、教學(xué)呈現(xiàn)技術(shù)。5G促進了教育智能技術(shù)的升級和應(yīng)用，為相關(guān)的學(xué)習(xí)場景優(yōu)化提供了條件。5G與人工智能技術(shù)相輔相成，共同助力智慧教育的發(fā)展。

2.1.3 5G對智慧教育的影響

5G 技術(shù)正在建造一條新的高速信息公路，隨著5G 技術(shù)的不斷優(yōu)化，教育+5G 的深度融合為教育信息化提供了更廣泛的發(fā)展視野和全新的發(fā)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(shù)的到來為這些問題的解決帶來了契機。5G賦能教育教學(xué)轉(zhuǎn)型，對教育發(fā)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(shè)

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的推廣和人工智能技術(shù)與教育的深度融合，教育信息化的程度將逐漸提高，在教學(xué)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(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)，使課堂變得更加智能化、數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化、精準化以及個性化。

2.2.1 計算機視覺技術(shù)

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(xué)科。在科技發(fā)展進程中，機器識別可以應(yīng)用在許多生活和學(xué)習(xí)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(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵技術(shù)之一。在智慧課堂中，借助計算機視覺技術(shù)對錄播設(shè)備所采集的視頻數(shù)據(jù)做教學(xué)行為大數(shù)據(jù)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(shù)

語音識別的關(guān)鍵技術(shù)是把語音數(shù)據(jù)利用智能手段轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的文本或指令。語音識別技術(shù)目前有著廣泛的應(yīng)用。比如在智慧教育應(yīng)用中，全部采集教學(xué)課堂的音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過語音語義的剖析，可以輔助教學(xué)情況分析以及學(xué)員的學(xué)情分析，科學(xué)地檢驗教師的授課水準和學(xué)員的學(xué)習(xí)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(shù)

自然語言處理的研究融合了語言學(xué)、計算機、數(shù)學(xué)等科目，其主要研究內(nèi)容是人機交互領(lǐng)域。目前，該技術(shù)在閱讀理解、機器翻譯、命名體識別等場景有較好的應(yīng)用。在智慧課堂方面，自然語言處理技術(shù)不僅可以輔助教師的教學(xué)任務(wù)的執(zhí)行，比如作業(yè)和試卷的批改，還可以用于分析學(xué)員對教師的評價，從而助力教師得到學(xué)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(yīng)用展望

5G+人工智能技術(shù)在智慧課堂具有廣闊的應(yīng)用場景，智慧課堂的智能終端和無縫感知技術(shù)能全面識別教學(xué)情景中的信息，通過教學(xué)大數(shù)據(jù)的深度挖掘，可精準把握師生學(xué)習(xí)和成長的需求。面對國家教育信息化的轉(zhuǎn)型，5G和人工智能技術(shù)的結(jié)合在智慧課堂中已經(jīng)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(xué)模式、學(xué)生、教師3方面的典型應(yīng)用。

3.1 教學(xué)模式

5G 時代人工智能智慧課堂教學(xué)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(xué)產(chǎn)生良性效應(yīng)。下面主要討論在智慧課堂新建設(shè)中的AR/VR教學(xué)和遠程互動雙師教學(xué)2種新型教學(xué)模式。

3.1.1 AR/VR教學(xué)

在虛擬/現(xiàn)實教育方面，將AR/VR 的教學(xué)資源上傳到邊緣平臺，利用邊緣計算等人工智能信息技術(shù)實現(xiàn)AR/VR 應(yīng)用的運行、渲染和控制，并將AR/VR 的數(shù)據(jù)以音視頻的方式傳輸?shù)浇K端。基于5G+邊緣計算助力AR/VR 的教學(xué)資源建設(shè)，通過建模技術(shù)對三維物理世界進行數(shù)字化和模擬化，虛擬生成后和真實環(huán)境中的對象進行交互，使得AR/VR 的效果與真實的環(huán)境極為相似，教學(xué)呈現(xiàn)技術(shù)讓教育內(nèi)容的表征更加靈活、準確、形象，從視覺和聽覺上促進學(xué)生對知識和技能的學(xué)習(xí)。

3.1.2 遠程交互，實行雙師互動教學(xué)

在遠程交互、雙師教學(xué)方面，將所需的教學(xué)終端進行5G 化，發(fā)送方先把現(xiàn)場錄制的超高清視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)推送到邊緣云服務(wù)器，然后通過邊緣計算快速的編解碼能力傳輸，經(jīng)過5G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至本地終端，接收方就可以將原視頻真實實時地復(fù)現(xiàn)，從而實現(xiàn)低時延實時遠程互動學(xué)習(xí)?；?G+邊緣技術(shù)的遠程互動教學(xué)，可以針對當?shù)貙W(xué)生的真實需求采用多種形式的互動教學(xué)，比如三維全息場景教學(xué)，強化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗，幫助學(xué)生理解復(fù)雜的學(xué)習(xí)模型，繼而將對教學(xué)產(chǎn)生積極的輔助作用。

3.2 面向?qū)W生

針對如何滿足學(xué)生成長對教育資源的不同需求和缺乏對學(xué)員學(xué)習(xí)情況的實時把握等問題，智能教學(xué)技術(shù)提供了可行的解決方案。下面主要討論智慧課堂新建設(shè)中面向?qū)W生成長的2種典型應(yīng)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(xué)內(nèi)容呈示、教學(xué)交互、評價反饋等教學(xué)服務(wù)功能，并可與固定式教學(xué)設(shè)備結(jié)合，創(chuàng)造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境。電子書包的學(xué)習(xí)資源可來自大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的精準推送，該資源可以滿足學(xué)生的讀物需求，遵循學(xué)生閱讀規(guī)律，適合學(xué)生個性化發(fā)展。此外，智慧課堂電子書包的應(yīng)用功能應(yīng)當包括課前、課中、課后等3 個環(huán)節(jié)，將過程性評價貫穿于整個教學(xué)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(xué)情況，從而對教學(xué)進行調(diào)整?；?G+人工智能的電子書包可以精準推送學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，電子書包的智慧課堂教學(xué)模式更能滿足個性化發(fā)展的需求和提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.2.2 學(xué)情分析

在學(xué)情分析方面，智慧課堂中運用智能化數(shù)據(jù)采集終端收集課堂中學(xué)員的行為數(shù)據(jù)，將依托AI學(xué)情分析系統(tǒng)，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(tài)、姿態(tài)分析，視線分析，運動軌跡分析，輸出AI 學(xué)情分析報告，以此作為課堂評價的參考依據(jù)，教師可以根據(jù)學(xué)情分析報告及時地調(diào)整教學(xué)策略。智慧課堂更加關(guān)注從學(xué)生的學(xué)情特點分析入手，結(jié)合學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)過程數(shù)據(jù)從多個維度進行教學(xué)效果的評測，學(xué)情展示更為全面、真實，為教師教學(xué)的精準決策提供了更充分的依據(jù)。

3.3 面向教師

在“5G”時代，智慧課堂的建設(shè)應(yīng)當注重教師專業(yè)能力的發(fā)展，可借助人工智能等信息技術(shù)科學(xué)地檢驗教師的專業(yè)能力，為教師的職業(yè)成長賦能，并建立科學(xué)性、精準性的成長檔案。下面主要討論智慧課堂新建設(shè)中面向教師專業(yè)能力發(fā)展的2種典型應(yīng)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(xué)行為數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)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(jù)測評知識圖譜將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成可執(zhí)行的算法，部署在邊緣分析系統(tǒng)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(xiàn)教學(xué)行為大數(shù)據(jù)的綜合分析，最終可全面、科學(xué)地對教師的教學(xué)情況和教學(xué)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(jié)果及時推送，便于教師在最早的時間了解自己的評估報告?；?G的人工智能智慧測評，有助于教師了解自身的教學(xué)情況，校方全面掌握教師的整體能力，使學(xué)校對相關(guān)學(xué)科教師團隊的建設(shè)思路更清晰，對引進人才的方向更明確，對服務(wù)治理更靈活。

3.3.2 精準培訓(xùn)

智能分析報告給出了科學(xué)的、詳細的改進方向，是精準培訓(xùn)的重要依據(jù)。在教師專業(yè)能力培訓(xùn)時，人工智能技術(shù)將精準地推送適合各個教師成長的學(xué)習(xí)資料?？梢越鉀Q傳統(tǒng)培訓(xùn)中遇到的不能精準把握教師真切的培訓(xùn)需求、培訓(xùn)方向和培訓(xùn)效果的問題。5G作為底層的通信技術(shù)，加速了培訓(xùn)方案的檢索及推廣，拉近了培訓(xùn)和成長的距離。基于5G+人工智能的精準培訓(xùn)方案，高效地引領(lǐng)了數(shù)據(jù)驅(qū)動創(chuàng)新變革，對教師的專業(yè)培訓(xùn)和能力成長有很大的幫助。

4 結(jié)束語

5G 與人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的融合發(fā)展，加速了教學(xué)的智能化和信息化轉(zhuǎn)型，促進了教學(xué)應(yīng)用場景與教學(xué)模式的變革。本文從“面向教學(xué)模式”、“面向教師”、“面向?qū)W生”3 個方面，討論了5G 時代人工智能智慧課堂的應(yīng)用，具體如下：

a）AR/VR 教學(xué)增強教學(xué)資源的渲染，加強學(xué)生對學(xué)習(xí)資源的認知和理解。遠程交互雙師教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)同步課程將加大優(yōu)質(zhì)資源的傳播，從而促進優(yōu)質(zhì)資源均衡發(fā)展。

b）電子書包和學(xué)情分析利用人工智能大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，科學(xué)地掌握即時學(xué)情和學(xué)生個性化發(fā)展的需求，然后機器智能地制定科學(xué)的成長策略，引導(dǎo)學(xué)生的成長。

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

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

加速教育治理的優(yōu)化，研究教育數(shù)據(jù)和人工智能如何協(xié)同推進教育事業(yè)發(fā)展。