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5G+ 智慧教育白皮书中国移动政企客户分公司2019年4月29日一、序言011.1 教育信息化发展.011.2 面临的主要挑战021.3 智能时代的基础架构04二、5G 带来新动能062.1 5G 移动通信发展趋势062.2 5G 核心特点082.3 5G 关键技术.082.4 5G 给教育带来的机遇.09三、5G 时代的教育网络.113.1 教育网络的发展现状.113.2 5G 时代的教育网络解决方案.123.2.1 基于 5G 的全连接教育专网.123.2.2 基于5G边缘计算的中国移动智慧教育边缘云.14四、万物互联的智能环境.164.1 教育物联广泛全面.174.2 集中化智能化管理的物联网.18五、教育核心业务重构.205.1 教学.205.1.1 远程教学.205.1.2 互动教学.265.1.3 AR/VR 教学.305.2 教研.345.2.1 远程听评课.355.2.2 在线巡课.385.3 教管.415.3.1校园安防.415.3.2 装备管理53.5.4 评价.555.4.1 学习过程评价.565.4.2 学生健康评价.595.5 区域治理.625.5.1 远程巡考.625.5.2 远程督导.665.5.3 控辍保学.685.6 终身学习.695.6.1 移动学习.705.6.2 慕课.725.7 教育公共服务.745.7.1 5G 支持的文博.74六、未来教育的发展展望.776.1 5G 时代教育变革的趋势.776.1.1 沉浸式教育走向课堂.776.1.2 教育系统将互联互通融为一体.786.1.3 教育公平将成为现实.786.2 5G 智慧教育演进路线图.796.3 5G智慧教育产业联盟.81致谢.83目录010204060608081111121214161718202020263034350953555659626266697072747477777778787981846801414138一、序言1.1 教育信息化发展 1.2 面临的主要挑战教育是民族振兴、社会进步的基石。中国未来发展、中华民族伟大复兴，关键靠人才，基础在教育。习近平总书记在党的十九大报告中强调，必须把教育事业放在优先位置，加快教育现代化。当今教育的发展，不仅要基于过去人类知识和技能的传递，还应该面向当下经济社会的现实需求，更应该着眼于人类社会未来的发展趋势。我们认为，未来的教育，应该是更加开放的教育，突破时空界限和教育群体的限制，人人、时时、处处可学 ; 应该是更加适合的教育，更加重视学生的个性化和多样性，实现因材施教、有教无类；应该是更加人本的教育，更加关注学生的心灵和幸福 ; 应该是更加平等的教育，让所有孩子都能享受到优质教育资源；应该是更加可持续的教育，强调学习能力的养成和终身教育的需求。可以看到，教育对象和教育环境正在发生巨大的改变，伴随着互联网和智能终端的普及，未来的受教育对象在全新的社会环境中成长，人的学习正逐渐转为“网络化、数字化、个性化”的方式，智能化的学习环境及自主学习活动将成为未来学习的新形态。教育发展与变革的现实需求，对我们的教育教学的信息化和智能化提出了全新的挑战。教育信息化是教育现代化的核心动力。2018年4月教育部发布了教育信息化 2.0 行动计划、2019 年 2 月国务院印发了中国教育现代化2035，也相继强调教育信息化在推动教育现代化过程中的地位和作用。当前时代的教育信息化将不仅涵盖信息环境建设、软硬件支持，更应该结合教育理论，分析技术应用的多种潜力和层次，建设多应用场景、多实践领域、宽技术场域的实施路径，在此过程中应依赖智能技术（特别是大数据、人工智能、云计算等技术）推动教育服务的智能化、教育应用的情境化和普及化，实现教育的革命性转型。在教育信息化的实践过程中，技术的不断发展和应用给人类社会带来了显著影响：（1）4G/5G，宽带等网络技术迅速普及，提高了信息化应用的潜力；（2）在各类高速通信网络的支持下，云计算正重构信息产业竞争格局，大数据、人工智能、语义网络等智能技术，正在重构教育服务的组织方式，各类教育公共服务系统正向大众普遍参与、形成群体智慧方向发展，云、网、端一体是大势所趋；（3）智能服务正在加速普及，以人为本（User-centered），信息设备以“不可见”方式嵌入到用户环境与日常工具中，形成了以泛在感知网络为支撑的无缝的、沉浸式的智能教育体验。在此背景下，教育信息化建设将体现出如下特征：（1）教育环境将更加智慧化，主动适应个体的需求。既可以通过无处不在的通信网络和传感设备智能感知学习者的场景和特征，主动为其营造学习环境、规划学习路径、推送适应性的学习资源，实现从人找信息到信息找人的转换。（2）教育的各类数据和信息将实现无缝流通：数据分析是实现智能教育服务的基础，而教育信息化建设将为各类数据的采集和分析建立标准化模型，通过对物理环境的感知，实现对数据的汇聚和跨空间传输，增强教育服务的调节功能，从而打破时间、空间、内容、媒介的限制，实现教育信息的无缝流通。（3）教育业务将实现智能协同：在智能技术和泛在高速通信环境下，各类教育业务在任何地方、任何时间、任何方式下都能进行便利、快捷、高效、01 02智能的连通与协同，各类教育业务将不再以孤立的方式提供服务，教育领域的管理业务、教学业务、培训业务与服务业务将实现智能协同，进而达到业务流程的重组和创新服务形态的目的。（4）优质教育资源将实现按需供给：传统的网络环境和技术环境下，学习资源的供给千人一面，而智能时代的网络传输技术使得智能环境传输全过程的学习数据成为可能，在此背景下，智能学习服务系统将实现对个体的精准分析，进而按照个体的特定需求为其提供优质的资源和服务。（5）将实现学习机会的均等供给：教育公平问题一直以来是教育领域的难题，教育信息化的实现使得优质的教育资源和服务可以通过网络进行互通，在此条件下，即可将学习的嵌入到正式教育之外的日常生活中，实现“当技术无处不在，学习也就无处不在”的学习机会人人平等局面。上述特征的实现有赖于 5G 时代以人工智能、虚拟现实、大数据为代表的技术的成熟和应用，而 5G 网络环境为上述特征的实现带来最大的优势是可以最大程度上克服传统网络在实现上述技术创新过程中速度、延迟、传输容量等的限制，为教育领域的变革提供更强大的动力。尽管如此，在应用过程中教育领域也面临着如下挑战：（1）通过信息技术构建智能环境促进教学的转型，使得教学从知识的传递转向学习者的认知建构。（2）利用 5G 通信技术和数据分析技术打通课内外的数据壁垒，促进线上线下课程的无缝融合。（3）通过沉浸式环境的营造使学习者的学习从被动的接受转向主动参与。（4）利用 5G 的边缘计算技术实现教育管理中的特定需求和业务的智能管控。（5）促进教育的决策由经验导向转向数据驱动。（6）利用 5G 和智能技术从根本上进行重新设计的学校，使得未来的学校形态由统一走向个性化和自组织。1.3 智能时代的基础架构5G 时代要实现智慧的教育，需要整合各类智能技术建立 “ 基础设施层、数据支撑层、平台能力层、业务应用层、用户层 “ 的五位一体式基础架构。通过一套多种技术制式的泛在基础网络、基于物联网络和感知终端设备的基础设施层，汇聚校园基础数据库和校园大数据规划的数据支撑层，五大能力的平台能力层，覆盖教学、教研、教育管理、评价、家校共育、区域治理、终身学习以及教育公共服务等业务应用层，从而为学生、教师、家长、教育管理人员、技术人员提供智能化的支持服务和解决方案。用户层业务应用层平台能力层数据支撑层基础设施层教学 教研 家校共育 公共服务远程教学互动教学VR/AR远程听评课虚拟教研远程巡考学习过程 线上开放 虚拟科技馆文博体质健康 宝宝在线学生 教师 教育管理人员 技术人员统一门户与接入个体教育大数据安全认证 大数据分析与决策支持云计算与存储校园基础数据库校园安防装备管理2G/3G/4G/5G 有线网络 WIFI 光纤宽带家长远程督导控辍保学双师情境感知物联网络 感知终端设备课程教育大数据 班级教育大数据 学校教育大数据教育管理 评价 区域治理终身学习移动学习MOOC5G感知和数据采集5G边缘计算支持的数据处理和管控5G高速率、低时延的教育服务图 1-1 智能时代教育业务基础架构基础设施层：5G 网络环境因其大带宽、低延时以及边缘计算和管控的能力将成为未来智慧教育环境的基础，而传统的2G/3G/4G、宽带、WIFI 等网络仍然存在，因此以 5G 为基础，打造多网融合的泛在基础网络接入层，实现对感知数据和信息的无缝、高效、实时传输，同时通过电脑、手机、iPad、传感器、摄像头、可穿戴设备等进行全体系的物联03 04网终端布局，实现对校园“人 - 物 - 景”的全方位感知，是基础设施层的主要功能。数据支撑层：数据支撑层主要通过对教育教学过程中规律的分析、模式的总结建立校园基础数据库、个体教育数据库、课程教育数据库、班级教育管理数据库以及学校教育管理数据库等。以此为基础，可以为教育变革过程中缺乏路径、模式、理念等问题提供客观的支持。与传统的数据支撑不同，本层依赖 5G 网络的高速传播和边缘计算将采集的教育领域各类主体（如教师、学习者、管理决策者）进行快速的、无偏的建模，进而可以为服务层的智能服务提供精准的支持。平台能力层：平台能力层依赖 5G 融合网络和各类智能技术实现面向智慧校园物联网应用的平台能力支撑服务的构建，包括统一的用户认证和开放接口接入能力、安全认证能力、云计算与存储的服务能力、大数据分析与决策支持能力、情境感知能力。与此同时基于 5G 边缘端可计算的特性可进行基于安全协议和规范的信息处理，打造强有力的安全认证能力，通过大数据能力对数据信息进行智能分析，提供决策支撑及预警预判。业务应用层：基于 5G 网络技术，本架构可以从根本上变革传统通信网络环境下的教育业务。在高速率低时延的 5G 网络的支持下，教学、教研、教管、评价、家校共育、区域治理、终身学习、教育公共服务等各类业务可以通过实施感知采集更加全面的数据，通过 5G 建设在各个网络节点的私有基站，可以实现快速的数据处理和计算，进而提供更加优质和安全的服务。用户层：用户层涵盖了对不同情境、终端设备下不同角色的智能支持，如针对学习者的个性化学习服务、针对教师的精准教学教研服务、针对管理者的数据驱动的管理服务以及教育治理服务等。二、5G 带来新动能2.1 5G 移动通信发展趋势移动通信经过了几十年的发展以及持续不断的消费升级，通信制式从 1G 的模拟通信时代进入了当前的 5G 全数字、全连接通信时代，带动了各行各业对连接的重新定义与产业升级。从 1G 到 4G 通信时代，通信所提供的服务尽量从各个维度满足人们的数字化消费需求，而对物体的连接缺乏总体规划和思考，可穿戴设备、VR、AR 等新兴应用的广泛普及以及对封闭式场景的数字化变革需求（工业4.0，智慧校园，智慧医疗等），使得目前4G通信技术服务于多样化、差异化的业务和场景面临巨大挑战。同时我国在“互联网 +”国家战略需求中明确指出：未来电信基础设施和信息服务要在国民经济中下沉，满足农业、医疗、金融、交通、流通、制造、教育、生活服务、公共服务和能源等垂直行业的信息化需求，改变传统行业，促生跨界创新。因此，未来网络不仅需要继续面对移动互联网业务带来的挑战，例如：频谱效率和用户体验速率的提升，时延的减少，移动性的增强等，同时还需要满足物联网多样化的业务需求。因此人们对 5G 赋予前所未有的期盼，希望它能带来超越光纤的传输速度（Mobile Beyond Giga），超越工业总线的实时能力（Real-Time World）以及全空间的连接（All-Online Everywhere）。在不同场景/不同业务对5G的需求驱动下，各标准以及行业组织（IMT-2020，METIS，3GPP，ITU 等）对 5G 的场景需求按照传输速率、可靠性以及大规模连接三个方向划分成了eMBB、mMTC、URLLC三大类场景。其中 eMBB 对应 3D/ 超高清视频等大流量移动宽带业务；mMTC 对应大规模物联网业务；URLLC 对应如无人驾驶、工业自动化等05 06需要低时延、高可靠连接的业务。如下图所示。图 2-1 5G 三大应用场景由此可见，5G不仅仅是现有网络（比如2G/4G，WiFi等）的一个简单延伸，而是一个真正意义上的融合网络，通过对不同场景的赋能 5G将在自动驾驶、VR/AR 应用、工业物联网、智能制造、智慧家居、智慧校园、智慧农业、智慧城市等垂直行业实现越来越多的应用场景。同样对于医疗行业而言，未来受益于 5G Gbps 级别的速率、5ms-30ms 级别的低时延以及整合移动性与大数据分析的平台能力等，让每个人都享受及时便利的智慧医疗服务，比如远程医疗、远程急救、远程门诊、智慧手术室、智慧病房、智慧导诊。2.2 5G 核心特点2.3 5G 关键技术4G 让智能手机普及，移动互联网能够满足在线视频观看、高速下载和上传，使得各种 APP 得到广泛应用，而 5G 将实现人与人、人与物、物与物的全连接。4G“修路”，5G“造城”，打造跨行业融合生态系统。5G在无线网络侧，从接入方式、帧结构、波形、编码等各个方面对 4G 进行了提升，具备更强的性能，相对 4G 而已，体验速度提高了 10100 倍，时延只有 4G 的 1/5，频谱效率提高到 35 倍，能效提高了 100 倍。eMBB- 连续广域覆盖，用户体验速率 100Mbps，移动性 500Km/h；eMBB- 热点高容量，用户体验速率 1Gbps，峰值速率 20Gbps，流量密度 10Tbps/km；mMTC- 低功耗大连接，连接数密度 106/km, 低功耗、低成本；uRLLC- 低时延高可靠，单向空口时延 1ms，可靠性 99.999%。5G 的关键技术主要在如下几点：5G LAN- 虚拟局域网：5G LAN 技术可实现终端与企业网同处于一个局域网内，支持企业用户对终端的灵活管理。通过使用通用性硬件以及虚拟化技术，取代通信网络中私有、专用和封闭的网元，实现统一通用硬件平台 + 业务逻辑软件的开放架构，加快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度。 网络切片：将物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络满足不同的服务需求；同时为不同垂直行业、不同客户、不同业务，提供相互隔离、07 08 功能可定制的网络服务：结合行业需求，规划面向场景的 5G 网络切片样板，赋能垂直行业，包括电力差动保护、VR 互动演唱会、AR 游戏、银行数据信息交互、移动车载医疗、自动驾驶。MEC边缘计算：在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等基础设施，并为边缘应用提供云服务和IT环境服务。相比于集中部署的云计算服务，边缘计算解决了时延过长、 汇聚流量过大等问题，为实时性和带宽密集型业务提供更好的支持。同时边缘计算运行于网络边缘，逻辑上并不依赖于网络的其他部分，能为敏感型业务提供通信安全保障。边缘计算可广泛应用在车联网、智慧城市、游戏直播、智能制造等领域。 灵活空口：灵活的空口能力（包括可扩展参数集、可变帧结构、自包含帧结构），满足 5G 场景下不同业务终端的差异化通信需求。 新编码：5G 编码重点在于提升编码性能的同时，降低解码的复杂度，为空口 1ms 传输提供基础；5G 系统中提供了两种编码：Polar 码（控制信道）和 LDPC 码（数据传输信道）。 大规模天线：在同等通信资源下，能数倍提高可接入用户（设备）的数量和相应的传输速率。 毫米波传输：5G 数据传输使用了 24.25GHz52.6GHz 频段，利用其大带宽特性使能数据速率高达 10Gbps 甚至更多，提供极致数据传输速度和容量。 设备无缝互联，不能智能化信息采集与控制，智慧化发展遇到障碍 网络终端无法有效管控，面对学生的风险大 学习行为比较集中，网络并发访问高，需要网络访问质量控制服务与边缘服务缓冲服务相较于传统智慧课堂，5G 智慧课堂通过各组成硬件终端的 5G 化，充分利用5G网络与生俱来的技术和业务优势，带给学校用户更快、更好、更流畅的体验。 网络承载统一，学校不再需要部署多种网络； 超高带宽，保证了智慧课堂中的交互显示终端设备，信号传输及处理终端设备，不仅能够完美的再现 4K 级别的画面效果，还能够承载即将到来的 8K 交互终端设备； 速率更快，延时更低。保证了智慧课堂中常态化录播，在远程授课时，远端会场可以毫无延迟感知地体验到“名师优课”高达 4K 甚至更清晰的课堂画面； 在教育教学上产生了新的应用场景，比如：游戏化课程、VR 实验环境、虚拟现实控制环境、高清立体显示、远程考试监测、学习行为追踪和挖掘、智能实验系统和智能教学系统等。2.4 5G 给教育带来的机遇传统智慧课堂的数据网络承载依赖于校园网内的有线网络、无线WiFi 覆盖，物联层面则通过蓝牙、Zigbee、NB-IoT 等实现。存在如下痛点：09 10三、5G 时代的教育网络3.1 教育网络的发展现状3.2 5G 时代的教育网络解决方案3.2.1 基于 5G 的全连接教育专网为满足教育信息化业务需求，目前学校部署了多张网，包括有线网、WiFi、校园网、物联网、电视网等，用来承载科研信息共享、多媒体教学、电子阅览、资料存储等相关的校园业务，以及行政管理、教师办公、学校论坛生活及社交等其他业务。随着数字化转型深入，智能网络终端和越来越多的创新应用正在推动教育信息化的转型升级，学生和教师的期望在不断提高，他们希望可以获得更好的网络服务、获得更丰富的多媒体体验，包括在线学习、沉浸式虚拟环境教学、线上备课、智慧化管理等等，并且希望能够在学校公共场所、教室、图书馆、礼堂、会议室、宿舍等任何地方，任何时间，实现高效便捷的网络体验。然而，目前教育网络仍然存在很多挑战，主要体现在如下几方面：教育信息系统资源共享难。教学、科研、管理、技术服务、生活服务等信息化系统采用烟囱式建设模式，导致出现信息孤岛现象，业务流程整合度低。新型教育业务承载能力不足。4K/8K 直播课堂、AR/VR 课堂、全息教育、4K 高清监控、学校移动巡逻车等新型业务对网络带宽提出更高需求。数据安全风险大。跨校区的共享资源、学生家长信息等存在泄漏风险，教育大数据的汇聚也将进一步加剧数据安全风险。建设与运维成本高。教育信息系统建设以及多网融合导致的建设、运维成本高昂。针对教育业务需求，结合 5G 特性，通过接入多种形态的智联终端和教育装备，构建全连接教育专网，部署整合计算、存储、AI、安全能力的教育边缘云，提供具备管理、安全等能力的应用使能平台，来建设智慧校园并打造多样化教育应用。相对于 4G 移动网络，5G 可以通过网络切片和边缘计算来满足行业用户的应用需求。在教育行业中，通过网络切片可以实现教育专网。具体架构如下图所示：图 3-1 5G 智慧校园整体架构11 125G 教育专网是以 5G 切片技术来实现的，切片为教育业务在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，来满足业务对网络能力的不同要求 ( 如时延，带宽，连接数等 )，通过全连接使能 5G、4G、NB-IoT、专线网络的数据共享，避免不同网络之间的数据孤岛，构建数据共享网络基础。同时，对师生、家长等隐私数据进行本地化传输与存储，保证用户数据安全。5G切片基于SA架构实现，具有以下特征：a) 基于不同的业务提供不同专网，在不同业务调度时，优先保障高优先级业务b) 提供业务安全，保障学校隐私数据安全c) 基于业务对专网带宽，时延等网络要求，做按需调整d) 学校间（附属学校，分校）通过专网共享 4K/8K,AR/VR 等业务图 3-2 5G 教育专网架构图 3-3 边缘计算网络架构3.2.2 基于 5G 边缘计算的中国移动智慧教育边缘云5G 移动边缘计算可提供海量终端管理、高可靠低时延组网、分级质量保证、数据实时计算和缓存加速、应用容器服务及网络能力开放等基础能力，并可提供多级边缘计算体系，为智慧教育提供实时、可靠、智能和泛在的端到端服务。针对高校、K12 等多种教育场景提供多级边缘计算的解决方案建议，边缘计算节点部署于基站侧、基站汇聚侧或者核心网边缘侧，为教育提供多种智能化的网络接入以及高带宽、低时延的网络承载，并依靠开放可靠的连接、计算与存储资源，支持多生态业务在接入边缘侧的灵活承载。针对云 AR/VR 教学、全息课堂、云端智能管理等新业务对网络提出的超低时延、超大带宽、实时计算等需求，现有的以云计算为核心的集中式数据处理模式，尽管可满足云端的计算和存储能力，但是在面对诸多新业务所提出的高质体验需求时则存在不足。一方面，所有的业务流均通过云计算中心进行处理，时延和拥塞将严重影响业务体验，无法满足超低时延的要求；另一方面，随着接入终端数的迅速增加，海量数据13 14回传会对运营商接入网和核心网形成巨大挑战，进而降低网络的运行效率。图 3-4 5G MEC 解决方案能力全景四、万物互联的智能环境5G 是信息高速公路，物联网是其典型方面。5G 网络性能将达到端到端之间1毫秒超低时延，10Gb/s级高吞吐量，单位平方公里内百万连接，已经在网络内的高速移动性。5G 新特性赋能物联网，实现“万物沟通”，构建具有全面感知、可靠传送、智能处理特征的连接物理世界的网络，实现了任何时间、任何地点及任何物体的连结。5G 物联网可助力实现教育用户与校园环境、设施、终端、平台的有机结合，使用户可以以更加精细和动态的方式管理生产、学习和生活，从而提高整个教学管理的信息化能力。图 4-1 万物互联示意图15 16