林家全

（貴州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州都勻 558000）

5G專網(wǎng)建設(shè)是保障學(xué)校開展教學(xué)大數(shù)據(jù)分析實(shí)時分析的基礎(chǔ)。5G專網(wǎng)具有流量低時延轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)省帶寬，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)；能夠提供高性能IT基礎(chǔ)設(shè)施，滿足媒體服務(wù)和AI智能計(jì)算需要。

一、5G專網(wǎng)建設(shè)

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，在學(xué)院內(nèi)新建5G專網(wǎng)，通過5G宏站和5G室分站實(shí)現(xiàn)校內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)信號的全覆蓋。同時，通過5G專用APN（接入點(diǎn)名稱）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供數(shù)據(jù)從校園內(nèi)到校園專屬邊緣服務(wù)平臺的傳輸途徑。

通過學(xué)院內(nèi)搭建5G專網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)以下功能：一是依據(jù)特定APN對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和減免；二是通過專用Radius機(jī)制獲取用戶的MSISDN和終端IP地址的對應(yīng)關(guān)系，從而確認(rèn)用戶身份，確保專網(wǎng)專用，提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)；三是建立終端和服務(wù)器之間的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，杜絕非APN用戶使用該通道接入網(wǎng)絡(luò)并訪問指定的業(yè)務(wù)服務(wù)器，從而提升業(yè)務(wù)的安全性。

1.5G宏站的建設(shè)

5G宏站建設(shè)可保障校園內(nèi)5G信號良好，用于教學(xué)樓內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，并確保教學(xué)視頻采集攝像頭的視頻可順暢通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.5G室分的建設(shè)

為確保教室內(nèi)的視頻圖像可通過5G網(wǎng)絡(luò)接入5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺，需要首先保障校園范圍內(nèi)良好的5G信號覆蓋，教室等室內(nèi)場景采用5G室分系統(tǒng)覆蓋。

二、構(gòu)建5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺

5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺為實(shí)現(xiàn)全面深入的課堂視頻分析提供AI驅(qū)動力。5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺的服務(wù)器部署學(xué)院附近的5G基站內(nèi)，從5G基站到核心網(wǎng)的物理傳輸距離被大大縮短，可以將傳統(tǒng)組網(wǎng)模式下幾十甚至幾百毫秒的業(yè)務(wù)時延降低到毫秒量級，在智慧教育應(yīng)用中，將大大提高視頻業(yè)務(wù)的安全性和實(shí)時性，適配更豐富的場景。

5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺包含視頻分析與視頻管理兩部分功能。視頻分析融合人工智能算法微服務(wù)架構(gòu)、GPU管理機(jī)制，利用先進(jìn)的人工智能技術(shù)進(jìn)行音視頻的分析與處理；視頻管理主要實(shí)現(xiàn)管理視頻和共享、存儲、備份數(shù)據(jù)的功能。MEC服務(wù)器能夠支持多間教室，每間教室多路視頻的高并發(fā)請求，能夠在高并發(fā)的情況下進(jìn)行快速的視頻分析與管理。

圖1 5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺架構(gòu)圖

此外，5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺通過5G DDN軟切片技術(shù)，能夠在本地分流流量，保障用戶隱私數(shù)據(jù)安全。所涉及的全部數(shù)據(jù)不上公網(wǎng)，通過5G APN切片，保證移動視頻回傳通過校園5G專網(wǎng)直連到5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺，內(nèi)網(wǎng)部署防火墻和安全策略確保本地?cái)?shù)據(jù)不會訪問公網(wǎng)。

5G DDN軟切片技術(shù)為學(xué)校網(wǎng)絡(luò)設(shè)定獨(dú)立的邏輯隔離并設(shè)定業(yè)務(wù)優(yōu)先，保障學(xué)校業(yè)務(wù)通暢的同時也保障數(shù)據(jù)的安全性。5G DDN軟切片虛擬專網(wǎng)為學(xué)校開啟專享的貴賓級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，5G頻段是運(yùn)營商專屬頻段不會被干擾，不存在wifi的不穩(wěn)定性問題。5G平均帶寬是4G的10倍以上，相比學(xué)?，F(xiàn)網(wǎng)寬帶+wifi，時延可縮短80%以上。通過5G網(wǎng)絡(luò)收發(fā)視頻網(wǎng)絡(luò)流暢，再無卡頓現(xiàn)象。

5G+MEC邊緣計(jì)算云平臺通過打造學(xué)院5G智能校園專屬邊緣服務(wù)平臺，具有以下優(yōu)勢：一是校園數(shù)據(jù)不上公網(wǎng)，多層防護(hù)保障應(yīng)用和數(shù)據(jù)安全；二是5G流量低時延轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)省帶寬，用戶體驗(yàn)佳；三是提供高性能IT基礎(chǔ)設(shè)施，滿足媒體服務(wù)和AI智能計(jì)算需要；四是不同校區(qū)基于同一平臺可共享教學(xué)資源，多應(yīng)用基于同一套平臺可快速推廣；

三、5G+大數(shù)據(jù)+AI課堂互動教學(xué)人工智能算法模型訓(xùn)練

結(jié)合5G+大數(shù)據(jù)+AI+MEC技術(shù)，為學(xué)校提供課堂教學(xué)過程數(shù)據(jù)的全量采集和分析，以課堂場景為背景，用智能、全面、客觀的教學(xué)分析數(shù)據(jù)深度輔助學(xué)校高效解決問題。為了保證人工智能算法在學(xué)院應(yīng)用時的場景匹配性和分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，需要針對學(xué)校實(shí)際的課堂教學(xué)場景進(jìn)行以下人工智能算法模型訓(xùn)練：

（1）情感計(jì)算。通過面部表情識別技術(shù)，對課堂教學(xué)視頻中檢測到的人臉圖像定位關(guān)鍵點(diǎn)，判斷面部活動單元，再基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行人臉圖像情感特征提取，得出情感特征向量。結(jié)合特定場景人物的情感狀態(tài)，合理設(shè)計(jì)情感分析的分類器，輸入情感特征向量，得出情感分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)高興、中性、驚喜、傷心、生氣、害怕6種表情識別。

（2）專注力分析。利用頭部姿態(tài)估計(jì)技術(shù)，從數(shù)字圖像或視頻序列中推斷出人的頭部在三維空間中的姿態(tài)參數(shù)，自動估計(jì)出面部朝向，通過歐拉旋轉(zhuǎn)角將頭部姿態(tài)轉(zhuǎn)換為三維歐幾里得空間中的一組角向量，由平動角（Yaw）、轉(zhuǎn)動角（Pitch）、滾動角（Roll）分別描述頭部姿態(tài)相對于三維空間坐標(biāo)系坐標(biāo)軸之間的夾角，從而建立頭部三維空間姿態(tài)模型。進(jìn)一步結(jié)合教室部署場景信息建立空間坐標(biāo)系，通過頭部姿態(tài)在不同坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換，有效判斷學(xué)生群體的頭部具體朝向。通過建立教學(xué)場景下的專注度分析模型，提供專注度分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

（3）語音分析。利用話音激活檢測技術(shù)，檢測當(dāng)前語音信號中是否包含話音信號存在，將話音信號與各種背景噪聲信號區(qū)分，進(jìn)一步提取分離各音頻信號，對語音進(jìn)行預(yù)處理，提高語音質(zhì)量。再利用說話人分類技術(shù)，通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提取語音的高維特征，從而實(shí)現(xiàn)說話人識別。應(yīng)用于教學(xué)場景下，通過課堂發(fā)言分析，可辨識出教師發(fā)言和學(xué)生發(fā)言的時間區(qū)間與頻率。

（4）熱力分析。從視頻中分離出背景圖像后，基于深度學(xué)習(xí)算法對課堂一定時間段內(nèi)前景中像素點(diǎn)的變化進(jìn)行記錄與分析，進(jìn)一步渲染生成動作熱力圖，可從側(cè)面反映出學(xué)生動作的活躍性。用熱力圖顏色的深淺代表學(xué)生動作活躍程度：顏色越深，代表單位時間內(nèi)學(xué)生動作變化越大，狀態(tài)越活躍；顏色越淺，代表單位時間內(nèi)學(xué)生動作變化越小，更趨向于靜止?fàn)顟B(tài)。

（5）圖像增強(qiáng)處理。采用自適應(yīng)閾值的二值化算法，實(shí)現(xiàn)板書圖片轉(zhuǎn)換為白紙黑字的效果，并完成對多余背景色彩信息干擾的有效去除；然后采用邊緣提取算法實(shí)現(xiàn)字體輪廓的精確獲取，極大地保留字體字跡等有效信息，并實(shí)現(xiàn)對未擦拭干凈黑板等情況所留下的殘留干擾信息的有效去除。鑒于部分板書圖像字跡模糊，對于辨識存在著極大的干擾，再基于上述操作，進(jìn)一步地采用形態(tài)學(xué)濾波算法，消除板書內(nèi)容噪聲干擾，并在一定程度上圓滑筆跡，實(shí)現(xiàn)對板書內(nèi)容顯示效果的增強(qiáng)。

四、基于教學(xué)數(shù)據(jù)分析促進(jìn)教育教學(xué)改革

教學(xué)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用多種適配于課堂教學(xué)場景的人工智能算法，通過對管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與教學(xué)數(shù)據(jù)可視化，課堂實(shí)況觀察與視頻回看、課堂情感分析、課堂發(fā)言分析、課堂專注度分析、課堂熱力圖、課堂教學(xué)內(nèi)容板書和課堂精彩時刻剪輯來促進(jìn)教育教學(xué)改革。

1.通過課堂實(shí)況觀察與視頻回看促進(jìn)教育教學(xué)改革

為了更好地幫助校領(lǐng)導(dǎo)了解課堂教學(xué)實(shí)際狀況，輔助教師進(jìn)行課堂教學(xué)過程回顧，提供課堂實(shí)況觀察與視頻回看功能?？蛇x擇查看任何一個班級正在進(jìn)行中的課堂實(shí)況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程巡課和聽課。此外，使用課堂視頻回看功能，可以快速地回放各班級、各學(xué)科、各教師的課程，進(jìn)行比對觀察。觀看時可任意切換學(xué)生路或老師路的視頻，分別呈現(xiàn)課堂中學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和教師的授課狀態(tài)。

2.通過課堂情感分析促進(jìn)教育教學(xué)改革

通過分析并展示整體學(xué)生在課堂教學(xué)過程中情感的分布和變化趨勢，為教師提供學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的真實(shí)情感反饋。

一是分析學(xué)生情感占比。根據(jù)課堂全部學(xué)生的情感數(shù)據(jù)計(jì)算課堂整體的不同情感占比，分為正面情緒（高興、驚喜）占比、中性情緒占比及負(fù)面情緒（傷心、生氣、害怕）占比。

二是分析情緒變化趨勢。按照時間維度分析課堂中學(xué)生正面情緒及負(fù)面情緒的變化情況，以連續(xù)曲線展示分析結(jié)果。

3.通過課堂發(fā)言分析促進(jìn)教育教學(xué)改革

通過分析并展示教師和學(xué)生在課堂教學(xué)過程中發(fā)言的時長，綜合分析得到教師的課堂授課模式分析結(jié)果。為教師提供課堂互動狀況和個人教學(xué)方式的客觀反饋。

一是課堂發(fā)言統(tǒng)計(jì)。識別教師及學(xué)生課堂語音，統(tǒng)計(jì)教師發(fā)言和學(xué)生發(fā)言總時長，展示教師發(fā)言和學(xué)生發(fā)言的占比，以環(huán)形圖和數(shù)據(jù)方式展示[1]。

二是課堂授課模式.綜合本節(jié)課中教師及學(xué)生的發(fā)言分析，可以將課堂教學(xué)過程分為教師講授、師問生答、多維互動和學(xué)生探究四種授課類型，并以圖標(biāo)展示。

4.通過課堂專注度分析促進(jìn)教育教學(xué)改革

通過分析并展示整體學(xué)生在課堂教學(xué)過程中專注度的變化趨勢、抬頭率的變化以及教師需在教室內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的學(xué)生關(guān)注度表現(xiàn)區(qū)域，為教師提供學(xué)生對課堂教學(xué)內(nèi)容集中程度的真實(shí)反饋[2]。

一是課堂專注度變化。課堂專注度是抬頭專注度與低頭專注度的綜合分析結(jié)果。課堂專注度變化曲線反映學(xué)生注意力的整體變化趨勢。在回看課堂教學(xué)視頻時，課堂專注度變化曲線會融合到視頻回看進(jìn)度條中，可將專注度的數(shù)值與視頻形成關(guān)聯(lián)性對應(yīng)。

二是生抬頭人數(shù)變化。以5分鐘為基本統(tǒng)計(jì)單位，使用圖表方式展示課堂教學(xué)過程中學(xué)生抬頭人數(shù)的變化[3]。

三是學(xué)生專注度展示。在回看課堂教學(xué)視頻時，在學(xué)生路的視頻畫面上用藍(lán)色標(biāo)記出整堂課中學(xué)生整體專注力較高的教室區(qū)域，用橙色標(biāo)記出整堂課中學(xué)生整體專注力較低的教室區(qū)域。

四是課堂熱力圖。為了更好地輔助教師回顧課堂教學(xué)過程中班級課堂表現(xiàn)比較活躍的學(xué)生區(qū)域，通過課堂熱力圖為教師提供不同時間段內(nèi)的學(xué)生活躍程度變化。以5分鐘為基本統(tǒng)計(jì)單位，以動圖形式展示課堂進(jìn)行過程中學(xué)生動作活躍程度的變化。

5.通過課堂教學(xué)內(nèi)容板書分析促進(jìn)教育教學(xué)改革

教師在課堂教學(xué)過程中書寫的板書或使用的多媒體內(nèi)容，可以完整的反映教學(xué)思路，對板書和多媒體結(jié)構(gòu)、內(nèi)容等進(jìn)行記錄，可協(xié)助教師在課后反思教學(xué)方法和手段的改進(jìn)方式。課程結(jié)束后，系統(tǒng)會自動提取板書，智能生成電子課堂筆記，將板書以圖片的形式展示。圖片可保存至手機(jī)或電腦?；乜凑n堂教學(xué)視頻時，可從板書圖片直接跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的課程時間節(jié)點(diǎn)，回顧該板書所對應(yīng)的課程內(nèi)容。

6.通過課堂精彩時刻剪輯促進(jìn)教育教學(xué)改革

新教師在教學(xué)過程中，面對某些教學(xué)內(nèi)容可能在短時間內(nèi)自行找到合適的教學(xué)方法。此時可將校內(nèi)富有教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀教師的授課視頻分享至新教師，協(xié)助新教師啟發(fā)教學(xué)思路。

五、5G+VR/AR沉浸式教育教學(xué)改革

充分利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等智能信息技術(shù)打造智能、高效、沉浸的一體化課堂。建構(gòu)以學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展為宗旨，通過構(gòu)建“云—臺—端”整體架構(gòu)，創(chuàng)設(shè)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化、交互化、智能化、場景化的學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)線上線下一體化、課內(nèi)課外一體化、虛擬現(xiàn)實(shí)一體化的全場景教學(xué)應(yīng)用。

創(chuàng)設(shè)融合備課教研、數(shù)據(jù)采集分析、設(shè)施設(shè)備和管理機(jī)制為一體的教學(xué)環(huán)境，結(jié)合大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)教學(xué)系統(tǒng)，通過多維度的、全面的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)備、教、改、輔、研一體化管理。結(jié)合教研數(shù)據(jù)進(jìn)行教學(xué)優(yōu)劣勢分析，實(shí)現(xiàn)由經(jīng)驗(yàn)重復(fù)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)實(shí)證的常態(tài)方法轉(zhuǎn)型，打通校本教研的創(chuàng)新路徑，逐步開展校本教研、校際教研活動。

教育教學(xué)改革是時代的要求，是學(xué)校內(nèi)涵式高質(zhì)量發(fā)展的的需要，我們只有充分應(yīng)用好了大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等前沿技術(shù)，有效的、全面的掌握教師上課的情況，學(xué)生的學(xué)習(xí)專注情況，不斷反思，及時調(diào)整教學(xué)策略，才能不斷進(jìn)步，學(xué)校的教育教學(xué)改革才能邁上新臺階。