【转发】5G+智能技术：构筑“智能+”时代的智能教育新生态系统
摘要
移动通信技术的快速发展，加速了5G移动通信技术的发展进程，5G将全面影响人们的工作、生活和学习。因此，探讨5G赋能智能技术将给智能教育生态系统带来何种机遇和挑战，以及反思如何应对挑战创新实现智能教育的可能路径，显得尤为重要。5G赋能智能技术必将构筑以“人工智能服务教育”为指导理念，以“5G+人工智能技术”为实现基础，以智能校园、基于大数据智能的学习空间平台、智能虚拟助理、立体综合智能教学场等“人工智能+教育”应用形态为支撑，利用高速发展中的5G移动互联技术、物联网技术、云计算技术、混合现实技术、区块链技术、分析技术等智能技术，旨在打造以学习者为中心的智能化教育环境，加快推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用，以智能、快速、全面的教育分析系统为手段，进而推动人才培养模式改革，促进学习方式、教学方法和教育模式的创新变革，为学生、教师和各级教育管理者提供适合、精准、便捷、人性化的优质教育服务，形成包含交互式学习、智能学习的“网络化、融合化、数字化、智能化”的新生态系统。在此过程中，5G将助力移动学习更加“学习泛在化”、人工智能更趋“教育智能化”、混合现实更具“情景真实化”、区块链更具“学习安全化”、虚拟助理更具“服务人性化”、学习空间更具“学习交互化”、学习分析更趋“分析智能化”、混合学习更加“学习高效化”、学习者数字流畅性更具“高水平化”和测量学习更具“测评精准化”。
关键词：5G；智能技术；智能教育；智能生态；5G+AI；数字孪生；虚拟现实；区块链
一、缘起：以5G构筑“智能+”时代智能教育的数字生态
（一）研究背景
近年来，植根于2G、3G之上的4G网络，在教育、医疗、交通、军事等领域发挥着广泛而不可或缺的作用。然而，随着科技发展，对网络的需求激增，传统4G网络已越来越无法承载如此庞大的需求。伴随VR、AR、MR、AI等技术的持续涌现，4G网络已无法为这些智能技术提供良好的施展空间，以至于这些技术短期内无法有效落地。同时，随着各种新型智能手机、电子产品的快速更新，对网络也提出了更高的要求。
从2012年世界无线电会议后，全球各国和组织纷纷开始投入5G的开发建设。中国的IMT-2020（5G）推进组、欧洲的5G行业协会（5GIA）、日本的5G移动论坛（5GMF）、韩国的5G论坛、5G美国以及巴西5G都是官方的5G组织。这些组织通过每年举办两次全球性5G峰会等方式，凸显在5G领域国际合作的规模。2019年2月25日，世界移动通信大会在西班牙巴塞罗那开幕，华为、小米等多家企业推出了包括5G手机在内的一系列5G产品和技术方案。与此同时，韩国三星公司也发布了一款折叠屏5G智能手机。一时间，我们仿佛跨入了5G时代。
相较于2G萌生数据、3G催生数据、4G发展数据，5G则是融合数据。5G除了更极致的体验和更大的容量外，它还利用无线电频谱，以比以往技术更高的速度和可靠性来传输海量数据，允许更多的设备以更快的速度安全地相互连接，可见，5G将从本质上创造一个全新的立体化数字环境[1]。即5G将开启“智能+”时代，与物联网、云计算、人工智能等智能技术携手，共同影响人们的工作、生活和学习，它对教育领域的影响将更为直接。
（二）研究目的与意义
从教育视角审视，5G将是“互联网+”教育和“智能+”教育应用的关键，也是国家教育信息化建设之基石。在教育信息化2.0进程不断推进、公众对5G的关注持续升温的背景下，5G必将对教育产生影响，两者实现对接乃至融合，这将对传统教育方式和学习方式产生巨大冲击。5G将把AR、MR、AI等新兴智能技术，转变为课堂内外能够更好使用的教学和学习工具[2]。混合现实、扩展现实、4D打印、3D全息图像、数字孪生等新型智能技术手段，将被广泛运用到课堂教学与各类新型学习空间中。即5G赋能智能技术发展，将助力人工智能、混合现实、云技术、物联网等智能技术与混合学习、移动学习、项目学习、创客学习等新学习样态进行深度融合。基于5G的智能技术，也将促使传统的教学环境发生巨变，促使其向更加个性化、精准化、智能化、融合化的方向发展。
由此可见，在5G网络的支持下，各种教育信息、大型视音频资源等的共享与交互会变得更加便捷，这也为教育中诸多要素的全新组合、教育内容和教与学方式的新构建，以及形成新的教育生态系统，提供了契机。因此，探讨5G赋能智能技术给“智能+”教育带来的机遇、挑战，以及反思如何应对挑战，创新并实现智能教育的可能路径，具有重要的理论价值与实践意义。
然而，目前国内对5G的研究多注重于5G的网络架构、关键技术，有关5G与教育关系的研究尚少，探讨5G对教育带来的可能影响显得尤为重要。因此，本研究旨在探讨5G赋能智能技术，将会给智能化教育新生态系统的构建带来何种机遇与挑战？5G时代我们该如何应对这些挑战？该如何创新性地实现智能教育的路径等，以期为当下高等教育的创新与变革，提供一些前瞻性的参考与启示。
二、解构：5G关键技术及其主要应用场景
（一）5G关键技术
5G具有超高数据速率、大规模连接、低时延、高可靠性等特征，将渗透、影响到社会许多行业。其关键性能指标主要包括：用户体验数据速率、连接密度、端到端延迟、流量密度、移动性和峰值数据速率。
5G网络具有超过100Mbps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[3]（见表1）。
5G关键技术主要包括无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术，已成为业界关注的焦点。在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构，已取得广泛共识[4]。未来5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术，更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。
（二）5G主要应用场景
5G主要技术场景包括：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠[5]。国际电信联盟（ITU）将5G的主要应用场景分为：增强型移动宽带、高可靠低时延通信和大规模机器通信三类间。增强型移动宽带，提供最高可达10 Gbit/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。高可靠低时延通信提供仅1ms的超低时延，可满足如自动驾驶汽车、汽车互联网、工业自动化管理等对延迟敏感的服务。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[7]。
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[8](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[9]。
三、机遇：基于5G的智能技术及其教育应用
（一）基于5G的物联网技术及其教育应用
物联网（ Internet of Things，简称loT）是基于现有的和不断发展的、可互操作的信息通信技术，通过互联（物理和虚拟）事物来实现高级服务[10]。它具有连通性、技术性、智能性、嵌入性等特征[11]，主要包括无线射频识别技术、传感器技术、智能技术和纳米技术等[12]。目前，物联网技术在教育中的应用主要体现在课堂教学、课外学习和教育管理三方面[13]。
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[14]。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[15]。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应用潜力：（1）物联网能够促进课堂教学，通过传感器技术，实现学生与学生、学生与机器之间的交互，为教学提供智能化环境，改善传统的学习环境和学习方式，并随时调整教学结构；（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）物联网还可用于考勤管理、学校图书管理、教学仪器设备管理、学校教育安全管理等学校管理，以革新学校管理手段，提高管理效率和质量。
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[16]。5G+AI+loT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。
（二）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[18]。在教育领域，可利用VR模拟现实中难以达到或体验的场景、活动，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[19]。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。而5G是低时延的原生平台，其增强型移动宽带业务，能够使学习者具有与世界零距离的真实感知体验。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/ARMR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[20]。
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[22]。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Ⅴ R/ARMR服务的关键技术之一[23]。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。
（三）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[24]。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[25]。
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[26]。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）。
（四）基于5G的云计算技术及其教育应用
云计算（Cloud Computing）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资源[27]。云计算和云存储的优势在于，资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资源。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[28]。云计算将孤立的教育资源上传并存储于云端服务器，能够实现教育资源共享与统一管理。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资源，同时也可以将自己的资源与他人分享，实现教育资源的开放与共享[29]。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[30]。
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[31]。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[32]。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，将使许多资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术场域：第一，通过打造云端一体化开发平台，搭建丰富的物联网市场，共建开放的物联网标准，从而构建起物联网生态系统；第二，使能平台和基础设施，加速物理世界和数字世界的融合，不断推动物联网向教育智联网发展，为学校的人才培养、数字治理、科研平台等，构建一个融合云技术、云存储、物联网、人工智能、大数据的数字化学习生态；第三，赋能教育创新，从而形成一个协作在线、资源共享、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。
四、挑战：5G助力智能教育新生态系统的构建
（一）5G赋能的智能教育新生态系统
1.智能教育新生态系统的内涵与特征
所谓5G赋能的智能教育新生态系统，是以“人工智能服务教育”为指导理念，以“5G+人工智能技术”为实现基础，以智能校园、基于大数据智能化学习空间平台、智能虚拟助理、立体综合智能教学场等“人工智能+教育”应用形态为支撑，利用高速发展中的5G移动互联技术、物联网技术、云计算技术、混合现实技术、区块链技术、分析技术等智能技术，旨在打造“以学习者为中心”的智能化教育环境，加快推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用，以智能、快速、全面的教育分析系统为手段，进而推动人才培养模式的改革，促进学习方式、教学方法和教育模式的创新变革，进而为学生、教师和各级教育管理者提供适切、精准、便捷、人性化的优质教育服务，形成包含交互式学习、智能学习的“网络化、融合化、数字化、智能化”的新生态系统。基于此，我们初步构建了智能教育新生态系统（如图4）。
其中，“智能+”的核心是人工智能，是智能教育新生态系统得以实现的关键技术之一。“智能+”强调教育管理的智能化，也是智能教育发展的目标之一。与传统教育生态相比，这一智能教育新生态系统，具有“融合、数字、人机、弹性、互联”五维特征，即教育供给与需求精准匹配，教育产业与产业跨界协同；教育物理产品嵌套数字功能，产品软件化、服务化；基于数据和算法的人机协同运营管理；网络化、扁平化、自适应的教育组织；基础设施共享、综合技术运用、平台开放的系统架构等。
2.智能教育新生态系统的模式
智能教育新生态系统的模式，是“互联网+”教育发展模式的递进与深化，是智能技术+教育的产物。互联网以通信和社交为核心，完成了学习者与学习者的连接，形成了学习者网络，实现了学习者和学习者之间的信息高效交互。“互联网+”教育将连接扩展到学校内外，连接学习者和学校服务，形成学习者与学校的外部连接，使得学校的服务能够高效、便捷地传递给学习者。智能技术+教育进一步将连接从广度上扩展到不同学校间，从深度上纵深到学校机构内部，打通信息流，使得可以围绕学习者需求重新组织要素和管理运营模式，实现学习者需求和管理运营高效协同，实现各学校供需的智能协同，以更有效地实现供需匹配（见图5）。
3.智能教育新生态系统的对象
智能教育新生态系统的对象，是以机构组织和学习者为主体的渐进式创新。智能教育新生态系统将互联网服务的主体，从学习者转向了机构组织，并且基于机构经验更好地服务学习者。其目的不是、也不可能替代学校，而是协同升级，给学校机构提供新动能，焕发出新生。因此，创新不应该盲求颠覆式，而更需要遵循学校与教育行业客观的规律和问题，在此基础上进行渐进式创新。
4.智能教育新生态系统的手段
智能传感器、物联网、5G、人工智能、数字孪生、云计算、边缘计算等智能技术群所带来的“核聚变”，正推动“智能+”时代和智能教育的到来。所谓智能教育，是指智能传感器全天候、全方位、全时空识别学习者的各类行为状态，让学习者多种潜在的学习习惯和逻辑内涵得以呈现；物联网设备感知学习者，源源不断地为学习决策输送实时高价值的数据，借助边缘计算的算力，提供精准的智能服务；高速、稳定、低延迟的5G移动通信网络，与Wi-Fi的深度融合，让学习者随时在线；AI认识并刻画学习者画像，获知学习者需求，并与学习者实现自然互动，实现“以学习者为中心”的教学模式；数字孪生为学习者勾画出一个虚实映射的新领域，带来学习感官的全新体验，开拓实体操控新空间；大脑与中枢、核心决策平台，强智能背后的算力、数据与连接平台，提供实时在线服务的保障；边缘计算将智能嵌入到学习者学习的各个方面，通过“大脑”高效分析+“边缘”的快速部署，实现学习者需求、服务的快速响应（见图6）。
（二）构建5G赋能智能教育的新生态系统
智能教育新生态系统不是某项单一的技术，而是以数据为基础，综合运用5G、互联网、移动互联网、物联网、区块链、大数据、云计算、人工智能、数字孪生、虚拟/增强/混合现实、机器人、3D/4D打印等智能技术，助力数字世界与现实世界的连接和互动，实现两个世界间的数据转换、存储和处理，以促进传统教育的转型升级，最终形成包含链接、交互和计算的“网络化、融合化、数字化、智能化”的新生态系统。
1.5G助力移动学习更加泛在化
移动学习的本质是移动终端的移动性，为学习者提供了最大化的学习自主性，也为教师和教育管理者提供了更灵活的教学和管理方法。它突破了传统远程学习和数字学习的瓶颈，扩大了远程教育的范围，实现了学习者即使不能使用有线网络，也可通过移动终端获得远程教育资源进行学习。移动学习的前提是开发移动学习系统，移动学习系统由表示层、业务逻辑层和数据层三个部分组成[33]。由智能手机和平板电脑所引发的移动学习已经有十多年历史，如今，学生和老师都把移动设备作为整个学习体验的重要组成部分。移动学习不再直接专注于应用程序，而是专注于连接性和便利性，内容的丰富性与实用性，所期望的学习体验将包括移动友好的内容、多设备同步以及随时随地的访问。
随着移动设备变得更强大、更便宜和所有权在许多国家普及，参与学习体验的可能性正变得无限，移动学习会变得更加活跃和协同。然而，创造这种高质量的移动学习体验需要付出很多努力，因此，移动学习仍处于技术采用的早期阶段，而5G网络可为移动学习的广泛使用，提供强大的内驱力。进入5G时代，连接设备的迅速增加，大规模机器通信可提供高达1,000,000km2的连接密度能力，使得移动设备终端能够一直连接到无线网络，为移动学习提供必备甚至爽快的网络环境。在5G时代，“云上的一切”将成为学习常态，学习者凭借移动终端设备即可接触到“云上的一切”。总之，增强型移动宽带、高可靠低时延通信和大规模机器通信等5G网络应用场景，将为移动学习者带来更加真实的学习体验，使移动学习成为学习常态。
2.5G助力AI+教育更趋智能化
AⅠ具有增强在线学习和适应性学习的潜能，能够更加直观地对学生的学习进行反馈并与学生互动，同时也减少了教师的重复性工作。AI利用大数据、算法机器学习的基础做出预测，从而完成类似人类的任务和决策：首先，AI和机器学习最自然的应用是进行大数据分析，AI借助强大的预测和数据分析功能，在算法基础上做出有效预测，从而使其能与人一样完成任务、做出科学决策。其次，AI也是智能和数据驱动的无线网络优化的主要推动力。AI能够有效整合数据驱动的机器学习方法，可以使用诸如视觉、听觉和自然语言处理等不同模态的数据，实施跨媒体学习和推理，使智能机器走向混合增强智能。
随着人工智能发展、数据和网络的成熟,教育行业的应用潜力正不断增强。利用AI聊天机器人改进教师评估，使得记录、组织和提供来自于学生的详细反馈成为现实。AI也在推进学习以外的领域，包括校园安全和管理；又是实现个性化学习的有效工具，同时也包含了各种基于技术的解决方案。例如，卡内基学习中心和 OpenStax合作，利用卡内基的米卡和OpenStax的免费在线教科书，旨在通过AI个性化的家教和实时反馈来提高数学成绩。随着AI发展出更多类似人类的能力，围绕数据使用、包容性、算法偏见和监视等伦理问题，变得越来越重要。尽管存在伦理方面的担忧，但与教学相关的AI应用，在高等教育领域预计将显著增长。在AI应用于教育过程中，不仅需要将道德规范作为AI教育的组成部分，还需通过技术工具和方法将愿景付诸实践。即安全性、隐私性需要集成到教学设计中，并得到保证[34]。
5G超过100Mbps的用户体验数据速率，可大大增强AI数据分析处理能力，促使不同模态的数据实现跨媒体的学习和推理；同时，也降低了学习者在线学习体验的时延，促使AI能够深度融入学习活动。5G采用异构网络、面向软件的网络架构和绿色通信技术，有助于推动5G与AI深度融合，使其更好地融入教育生态系统。此外，在实现AI与教育的融合过程中，既要发挥AI的技术支持作用，又要兼顾教育本质，重视学生的个性化需求，重视师生间的双向互动[35]。另外，5G助力AI能使数据与算法融入教育决策，达到人机协同运作。
换言之，在数据和算法的支持下，人工和机器的分工合作，将能达到更高层面的协同水平，即人与机器工作实现无缝衔接：（1）大量的流程性工作都将由机器承担，而人将更多负责对机器的管理维护和更需创造力的决策工作；（2）基于数据理解教育组织的运营情况，进行决策设计，将决策转化为机器算法验证，根据结果调整优化；（3）基于人设计的算法和导入的数据进行学习，将最优结果导出，执行确定的决策，并根据结果进行持续调优和反馈（见图7）。
3.5G助力混合现实更具情景化
现实和虚拟世界的交叉领域是一个新兴的环境，它是指现实、增强现实、增强虚拟和虚拟现实的融合[36]，包括数字对象和物理对象共存。这个混合空间将数字技术集成到物理世界中，并创建物理空间的虚拟模拟，模糊了虚拟世界和现实世界之间的区别。VR让用户沉浸在模拟中，AR在物理空间和物体上叠加信息，MR是在VR和AR技术之后的一种新型数字全息图像技术[37]。近年来，全息设备正在被用于创建混合环境，视频显示器可将3D图像投射到物理空间中。例如，2011年去世的艾米·怀恩豪斯（Amy Winehouse）的全息图，于2019年与一个乐队可以“一起巡演”。MR的另一个关键特征是它的交互性，这为学习和评估提供了巨大潜力。学习者可以基于对虚拟对象的体验来构建新的理解，这些虚拟对象能够将底层数据带入生活。
近年来，MR在医学教育培训、医学研究、医学传播和临床治疗方面，带来了革命性的变革。诸多研究表明，在教学中使用模拟是提高学习、技能和成果的关键手段，尤其可提高实践技能。如在健康科学中，使用高保真的任务训练器，被证明是减少认知负荷和提高学习效果的理想选择[38]。有学者基于MR，提出了一个创新的智能学习环境[39]，旨在利用学习活动中真实和虚拟对象的混合，使学生合作或构建共享系统[40]。澳大利亚远程护理科学教室通过移动混合现实，将教学从二维图像、文字和视频等方式，转变为交互式模拟和沉浸式移动技能培训环境[41]。
5G的高速率、高带宽、低时延的技术特性，将助力混合现实为教育生态系统创建起“交互式虚拟”和“沉浸式移动”的智能化学习环境。智能+5G+混合现实将优化数字孪生技术，构建教育领域的“数字孪生世界”（见图8）。所谓数字孪生（Digital Twin）是指通过建立物理世界和数字世界之间精准映射、实时反馈机制，实现物理世界与数字世界互联、互通、互操作，构建起虚拟世界对物理世界描述、诊断、预测和决策新体系，并优化物理世界资源配置效率。
4.5G助力基于区块链的学习更具安全化
区块链（Blockchain）是按时间顺序排列的数据块式结构，具有分散性、可靠性、数据共享、安全性等特点。在高等教育中，区块链的潜能可能是技术所激发的，而不是区块链技术本身的广泛采用。尽管区块链在商业领域的使用研究较多[42]，但区块链颠覆和取代原有集中式系统的潜力，已引起了包括教育在内的各个领域的关注。目前，一些大学正在研究如何将区块链技术应用于成绩单、智能合同和身份管理等领域。例如，区块链技术可以形成完整的成绩单。尼科西亚大学是第一所使用区块链技术管理MOOC平台学生证书的学校[43]。索尼全球教育还利用区块链技术创建了一个全球评估平台，为存储和管理学位信息提供服务[44]。麻省理工学院设计了一个基于区块链技术的在线学习数字徽章，将参加项目并通过评估的学生证书存储在区块链网络上[45]。
与传统合同相比，智能合同大大提高了执行力和公平性。区块链在网络上运行的智能合同，本质上是模拟真实合同的计算机协议[46]。它可以促进合同谈判，简化合同条款，执行合同，验证合同履行状态。因此，如果教师和学生基于智能合同开展教学活动，一些棘手的教育问题将得到解决。例如，形成性评价长期以来一直被提倡，但由于对教学每一个细节的追踪并不容易。区块链技术可缓解协作学习过程中的“搭便车”现象，促进公平评价[47]。即每个学生可通过自己的账号向学习平台提交自己的作品，智能合同运行将审查学生的表现，结果将被记录成块。而协作过程中的所有行为，都将被保存到块中作为评估的证据。
在学校使用教育区块链系统，所有学生的教育数据将被集成到区块链分类账中。区块链账本可以将各种教育信息与用户唯一的身份ID进行匹配，包括课堂学习行为、微观学术项目经验、宏观教育背景等。区块链还可以用作“能力货币转换银行”，具体来说，学习分类账记录学生学习经验的详细信息，并跟踪其知识和技能的发展。它们都可以转换成一种数字货币，并按照一系列综合标准存储在区块链网络上。
5G将助力区块链技术与教育生态环境更好地融合，打造新兴技术赋能的智能教育（见图9）。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，将大大增强区块链评估学习活动的数据处理能力，通过海量数据的计算测量以达成智能化评估。此外，5G超大带宽和数据传输速率，也会在很大程度上提高区块链的每秒事务工作量，增强数据处理能力。5G采用面向软件的网络架构和绿色通信技术，有助于减少区块链在教育应用中的资金耗费，从而助力教育区块链的学习更具安全化。
5.5G助力虚拟助理服务更具人性化
自2014年《地平线报告》最后一次提到虚拟助理这个话题以来，人工智能增强机器学习极大地提高了自动语音识别和相关自然语言处理的准确性，构成当前Siri、Alexa、Bixby或Google Assistant等虚拟助理的基础。虚拟助理在大多数智能手机、平板电脑和电脑上都已得到应用，而一系列新的独立、被动聆听智能音箱，如，亚马逊的 Alexa和谷歌的Assistant扬声器，已经迅速成为受欢迎的家用扬声器。这些设备能够理解人的语音命令，以便在家中执行简单的任务，一旦位置服务激活并启用了附加技能，就可以超越简单的搜索工具，提供更复杂、更有效的虚拟帮助。虽然目前这些设备的便捷性具有广泛的吸引力，但在界面的持续监听方面，还存在一些隐私和安全方面的问题。
5G网络将极大地促进虚拟助理向深度发展。5G具有很强的业务支撑能力，能够综合发挥峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度特征，为虚拟助理中的深度交互带来强大的技术支撑和优化的数字环境，助力教育虚拟助理更具“服务人性化”。
6.5G助力学习空间更具交互化
近年来，高等教育中趋向主动学习教室和学习空间的转变势头强劲。在“智能+”时代，当前和未来的劳动力需要越来越复杂的思维[48]。关于学习的新理论、新概念和新知识，为思考和设计新学习环境的创新方法开启了大门[49]。迅速发展的网络技术，如网络社区、移动设备和物联网，从根本上改变了学习发生的空间[50][51]。因此，重设学习空间成为推动高等教育领域采用教育技术的重要趋势之一[52][53]。
设计和评估促进积极学习和协作的空间，需要投资和战略规划，以不断更新或建设教室、图书馆和学习场所中的公共空间。近年来，人们的努力往往集中在重新设计的学习空间元素上，比如，无线带宽、显示屏、灵活的家具、多样的书写面，以及获得利益相关者的充分支持和转变教学方法，这些都是重要的考虑因素。其中，教师、学生、教学设计人员、IT人员和设施人员，则是重新设计学习空间的主要利益相关者。物理学习空间的设计被认为是一个短期的趋势，但是，对虚拟学习空间的相应关注还会持续出现。与当前在线课程设计的发展相比，基于扩展现实（XR）编程的新兴学习空间，有潜力为学习者创造更具吸引力的个人体验。为了最大限度地提高灵活性和易用性，学习空间技术正在成为完全的无线技术，机构和供应商已在试验将XR集成到学习空间中，以充分支持个人和团队学习[54]。
5G网络的发展，无疑将极大影响学习空间的重新设计，为重设学习空间带来更强大的技术支撑。5G将助力以基础连接器、数字工具箱和生态共建网，来构建智能学习空间环境，利用信息技术与学习深度融合，助推教育升级，不断创造新方法、新策略与新模式，助力教育向“智能+”教育时代升级，实现学习空间更具交互化（见图10）。
7.5G助力学习分析更趋智能化
学习分析技术是测量、收集、分析和报告有关学生及其学习环境的数据，用以理解和优化学习及其产生的环境的技术[55]。近年来，《地平线报告》认为，该技术是影响教育发展的主要趋势之一[56]。学习分析技术除了对学生学习、成绩和行为进行静态的描述性分析之外，功能还包括动态的、连接的、预测的和个性化的系统和数据。目前，用于对学生测量和分析的指标，已经从被动的和潜在的（学期成绩、毕业率）逐渐演变为交互式和实时的，这些新的指标，能够帮助教师实时调整对策，以满足学习者需求，并为教师提供关于课程和教学法的决策信息[57]。即，探索利用数据分析的方式，使其转化为对教学和学习有益的知识和信息，已引起教育领域的关注[58]。
在教育大数据的背景下，学习分析技术已在教育领域中得到一定的实际应用。教师借助分析技术，可提高其教学决策、教学实施和教学评价的智能化水平，从而使教学更加高效。学生借助分析技术，可明确学习进度，发现薄弱环节、预测学习风险、及时干预补救等[59]。例如，比尔和梅林达盖茨基金会利用分析技术，为学生创造个性化和适应性的学习体验。当自适应技术与学习者仪表板配对时，学生可以随时了解其个人进度，教师也可以对课程内容进行及时修改，以更好地满足学生的学习需求[60]。
5G网络是基于接入云、控制云和转发云等云计算技术架构的网络[61]，他们分别具有操作灵活、开放智能和高效低成本等特性[62]。基于这些特性，5G与学习分析技术融合并应用于教育领域，将有助于提高数据采集和分析的效率，提供基于算法的个性化学习模型，有助于更好地分析学习者的学习参与、表现和过程，从而提升学习评价的标准化和智能化水平。5G助力学习分析更趋“评价分析智能化”，以便进行精准化测评（见图11）。
8.5G助力混合学习更加高效化
近年来，作为一种受欢迎的课程与教学传递模式，混合学习与完全在线学习设计一起稳步增长。Orey等人从设计者和学习者的角度，认为混合学习整合面对面学习和网络学习，丰富课堂学习经历，并通过信息技术创新应用，实现对学习的拓展[63]，它将适用于实现本课程学习结果的数字解决方案集成在一起。丰富的多媒体数字学习平台、个性化或自适应课件，以及能够连接学生进行同步远程活动的网络会议工具，正在成为混合学习设计的常见解决方案。
5G的出现，将极大地提升网络速度，大大缩短下载延迟时间，扩展课堂中混合学习的内容，丰富信息传递通道。同时，5G网络使“万物互联”得以实现[64]。对于整合了面对面学习和网络学习的混合学习来说，一方面，“万物互联”可以通过连接和协调学习过程中的各种教学媒体，完善“以学生为中心”的学习设计，以提高混合学习绩效；另一方面，“万物互联”可让不同国家（地区）的学习者通过直播的方式，无差别的参与到混合学习的一节课堂中。
9.5G助力数字流畅性更具高水平化
数字流畅性（Digital Fluency）是指利用数字工具和平台，进行批判性沟通、创造性设计、做出明智决策，以及在预见新问题的同时，解决棘手问题的能力。研究表明，处于技术应用课堂环境下的学生学习成绩，要比传统课堂环境下不使用技术的学生学习成绩高出12%。毫无疑问，向学生传授“智能+”时代所需的知识、技能和素养是十分必要的[65]。仅仅维持学生和教师获取和评估信息的基本知识，已不足以支持数字社会的复杂需求。
学习解决方案的设计和部署，使用着越来越复杂的技术，这就要求学习者不断获取新的技能，以便有意义地使用这些工具。5G带来的技术变革，将对学生和教师的数字流畅性水平提出更高的要求。教师必须了解基于5G的物联网技术、虚拟/增强/混合现实技术、云计算技术和人工智能技术等智能技术特征，并将这些技术创新性地应用到教学中，来提高学习者的数字流畅性水平。数字流畅性还要求对数字环境具有丰富的理解，能够共同创建内容并适应新环境。这意味着今后各学校要积极建设基于5G网络的智能校园，构建以5G网络为基础的智能化学习环境，从而助力学习者的数字流畅性更具高水平化。
10.5G助力测量学习更具精准化
随着网络课件和平台的广泛使用，学校用来捕捉和衡量学术准备程度、学习进度和其他学生成功指标的方法和工具已然成熟，测量学习已成为教育领域的研究热点之一。日益集成的数字学习环境所产生的大量数据，以及新兴的学习数据开放标准，为机构提供了评估、度量和记录学习的新途径。学习者数据有两类来源：一类是学生数据，即学生在学习过程中由移动终端、社会性软件和学习管理系统所记录的数据；另一类是智能化数据，即可通过语义分析和连接技术来处理的，源自课程，学期考试和其他来源的数据，这类数据与学习者的学习过程紧密相关[66]。
5G技术可为高等教育机构应对这一挑战提供支持，5G赋能测量学习，能促进测量学习更加精准化。测量学习需要教育数据挖掘、传感器技术、智能评分技术和话语分析法等技术支持[67]。5G的关键技术可帮助教育者对学生数据和智能化数据等教学活动中的海量数据信息，进行实时收集、测量与分析，为学生的个性化学习提供技术支持。可以说，“5G+数据+算力+算法”，将为测量学习带来工具革命和决策革命。工具革命以自动化提高工作效率，从传统工具/能量工具转换到智能工具。决策革命以智能化提高决策科学性、精准化，从经验决策到“数据+算法”决策，从而助力测量学习更具精准化（见图12）。
五、审思：5G时代智能教育新生态系统的实现路径
（一）运用多元智能技术集，架构智能教育的新生态系统
正如前述，智能教育新生态系统不是某项单一技术，而是以数据为基础，综合运用5G、互联网、物联网、区块链、大数据、云计算、人工智能、数字孪生、混合现实、机器人等智能技术，形成包含连接、交互和计算的“网络化、融合化、数字化、智能化”的新生态系统，进而促进传统教育的转型升级。其中，5G互联网、物联网与区块链等技术融合，可促进数字世界与现实世界的连接，赋能教学环境网络化。数字孪生、虚拟现实/增强现实/混合现实、机器人与3D/4D打印等技术的融合，可实现数字世界与现实世界的多元互动，赋能教学环境智能化，让学习者能真正沉浸在虚拟学习场景中，产生真实的学习体验。可见，人工智能、大数据与云计算等技术的不断融合，可促进数字世界与现实世界的数据转换、存储和处理、赋能教学环境的数字化、智能化。
因此，架构智能教育新生态系统，应做好各类教育数据的收集、存储、挖掘和分析等工作，推动大数据和分析技术在教育中的有效应用，进而以教育数据为基础来驱动生态系统架构。5G网络、互联网和移动互联网，将有效解决系统架构中网络带宽不足问题。物联网将对教育环境和教学行为数据进行实时识别和收集，促进教学智能化。大数据与学习分析技术融合，可促进教育评价智能化。云计算成为智能教育的重要组成部分，促进学习协作和资源共享。人工智能将促使人机协同，逐步形成教育常态化应用。总之，在“智能+”时代，综合运用多元智能技术，可促进传统教育迈向智能教育。
（二）共建智能教育生态平台，助力教育向“智能+教育”时代转型升级
《教育信息化2.0行动计划》明确提出，要优化“平台+教育”服务模式与能力，利用平台模式实现资源众筹众创，改变数字教育资源自产自销的传统模式，解决资源供需瓶颈问题[68]。进入“智能+”时代，需要我们双管齐下：
一方面，共建智能教育生态平台，携手推进数字技术与教育产业的融
合，需要创新融合教育基础设施共享+综合技术运用+平台开放，搭建适合智能教育特征的新型数字生态网络，以获得新动能、实现教育的新价值，积极推动传统教育向“智能+教育”转型升级。智能教育生态平台是以基础连接器、数字工具箱和生态共建网为基础，依托人工智能提供个性化教育服务的数字生态共同体[69]。而云化、智慧与创新是构筑智能教育数字生态共同体的关键[70]。云是构建智能教育新生态系统的基础要素。因此，要借助云实现教育普惠化，使学生都可以快速获得低成本、高质量的教育资源；实现信息互联化，各种信息可以快速在云端处理和传递；实现应用弹性化，各种应用可以根据学生需求快速部署、迁移和更新。
另一方面，构建智能教育生态平台，应综合运用各类智能技术，整合各级、各类教育资源公共服务平台和支持系统，重点依托“三通两平台”来推动教育环境的智能化升级，以及在智慧教学中的创新应用，探索基于人工智能和大数据等的优质资源和教学工具的接入，把以“三通两平台”为核心的教育信息化环境，逐步升级为面向“智能+”时代的智能化学习环境，用数据实现不同平台的联通应用与整合[71]，以助力教育向“智能+教育”时代的演进。
（三）建立智能教育新生态系统的科技伦理，引导科技向善，关注技术与人的协同共存问题
在智能教育新生态系统的构建过程中，伴随智能技术与传统教育的融合不断加深，各种新问题将不断涌现。从信息爆炸、隐私安全到算法歧视，科技如果缺乏约束，就会被滥用并对社会治理带来新的挑战。因此，建立科技伦理、引导科技向善，成为全球性普遍关注和倡导的责任。教育科技伦理的设计需重点考虑：（1）技术信任。教育技术需能让人放心使用。这既需要技术方面的支持，还需要伦理方面的合理性。如，腾讯提出可用、可靠、可知、可控的“四可原则”，以应对人工智能可能带来的科技伦理问题；（2）个人幸福。技术需帮助人而非压迫人。这要求教育技术在研发和应用时，需重点考虑技术与人的协同共存问题；（3）社会可持续。技术需支持社会可持续发展。教育技术发展需要衡量对人类社会和自然环境的影响，尽可能减少对社会和环境的破坏，并且倡导将教育技术用于支持可持续发展的研究和创新。
所谓“科技向善”是指科技发展要以人为本、造福人类，用科技解决可持续发展问题，一切以用户价值为依归。如，微软针对人工智能的应用，提出了公平、可靠、隐私与安全、包容、透明、可责的“六大原则”。技术发展的宗旨是更好地为人类服务，建立智能教育新生态系统，也要重点考虑教育技术与人的协同共存问题。进入智能化时代，随着人工智能的发展和教育应用，教育机器人可以帮助教师完成一些重复性的工作，教师的角色将会发生很大变化，但教师职业不会被取代。智能技术以人机协同的方式融合于教育，如，机器主要负责重复性、单调性、例规性工作；教师负责创造性、情感性、启发性工作[72]。
（四）加强“政府-企业-学校-学生”互联、沟通与合作，跨界共建智能教育数字生态共同体
要实现智能教育生态系统，需跨界共建智能教育数字生态共同体，形成新价值网络。跨界是互联网时代的常态，智能教育生态系统不是仅靠一两家学校就能够实现的，也不是仅靠互联网就能主导的。一方面，需要政府和企业、尤其是学校机构发挥主导作用，从自身管理和发展的角度主动融入互联网，构建适合自身特点的智能教育新型数字生态网络，从而获得新动能、实现新价值；另一方面，也需要互联网企业，从助力和服务教育产业升级的角度，作为政府、学校、学生的连接器、工具箱和生态共建者，共同完成智能教育新型数字生态建设。
因此，建立智能教育数字生态共同体，需建立以共生、共创、共赢为旨趣的“数字生态共同体”发展思维模式。其中，共生是将数字世界与物理世界协同发展，以共建数字生态为目标，积极携手推动数字技术与教育实体产业的融合。共创是打破教育产业与科技边界进行混合创新，即主动开放资源和能力，针对需求场景跨产业、跨技术进行合作创新。共贏是共同创造与分享价值成果，以包容式监管、鼓励各教育产业发挥网络效应，促进创新成果在生态中的分享。
总之，政府、企业、学校、学生四者的有效协同，将是构建智能教育数字生态共同体的关键，政府要加大教育信息化投入力度，给予政策指导，制定标准规范。而企业与学校的互补，能在算法改进、教学方法研究、教育资源汇总等方面，为智能技术融入学校的教育教学，提供强有力的支撑[73]。
Abstract:The rapid advancement of mobile communication technology has accelerated the development of 5G mobile communication technology, which will comprehensively affect people’s work, life and study. Therefore, it is especially important to explore the opportunities and challenges that 5G-empowering intelligent technology will bring to the ecosystem of intelligent education, and to explore possible ways to cope with the challenges for the innovative change of education. 5G-empowering intelligent technology will construct an intelligent education ecosystem. Under the guidance of the idea of “Artificial Intelligence serving education”, this ecosystem is realized on the basis of “5G+Artificial Intelligence technology”, and it is supported by many “Artificial Intelligence+ education” application forms such as intelligent campus, big data intelligence-based learning space platform, intelligent virtual assistant, stereo integrated intelligent teaching fields and so on. And this ecosystem will make the best use of the intelligent technology including the emerging 5G Mobile Internet, Internet of Things, Cloud Computing, Mixed Reality, Blockchain, Analytical Technology for the purpose of creating a learner-centered intelligent educational environment and accelerating the application of Artificial Intelligence in the whole process of learning, management, resource construction. And it is expected to establish an intelligent, rapid and comprehensive education analysis system in order to promote the reform of the personnel-training mode and promote innovative changes of learning methods, teaching methods and the educational mode. Such an intelligent education ecosystem with the support of 5G-empowering intelligent technology will provide students, teachers and educational administrators with high-qualified educational services that are suitable, accurate, convenient and humanized, and form a new ecosystem which incorporates interactive learning and “networked, integrated, digitalized and intelligentized” intelligent learning. In this process, 5G will facilitate Mobile Learning more ubiquitous, Artificial Intelligence more educationally intelligent, Mixed Reality more realistic of scene, Blockchain more safe in learning, Virtual Assistants more humanized in serving, Learning Space more interactive in learning, Learning Analysis more intelligent for assessment, Blended Learning more efficient for learners, Digital Fluency of learners more developed, and Measuring Learning more accurate for assessment.
Key words：5G；Intelligent Technology；Intelligent Education；Intelligent Ecosystem；5G+AI；Digital Twins；Mixed Reality；Blockchain
基金项目：本文受2017年教育部人文社会科学研究青年基金项目“网络学习空间中教育探究社区理论的模型建构及其应用研究”（17YJC880046）和河南大学哲学社会科学创新团队培育计划（编号：2019CXTD012）的资助。
作者简介：兰国帅，博士后，河南大学教育科学学院副教授，硕士生导师，研究方向为信息技术教育应用、教育技术基本理论、网络教育与远程教育、技术促进学习、信息化教育与教师专业发展等；郭倩，河南大学教育科学学院在读硕士生，研究方向为信息技术教育应用；魏家财，河南大学教育科学学院本科生，研究方向为信息技术教育应用；杨喜玲，河南大学教育科学学院在读硕士生，研究方向为信息技术教育应用；于亚萌，河南大学教育科学学院在读本科生，研究方向为信息技术教育应用；陈静静，河南大学教育科学学院在读本科生，研究方向为信息技术教育应用。
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