李小平 孫清亮

[摘 ? 要] 第五代移動通信網絡（5G）技術具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性、超高用戶體驗速率、低時延高可靠等特性。文章重點關注5G對網絡教育產生的影響，從網絡教育應用的角度對5G的教育應用場景和指標設計、互聯(lián)網與數(shù)字化校園的關系、第五代移動網絡教育的核心技術進行深入分析，提出5G環(huán)境下多源異構的課程建構模式、資源銀行的維度模型以及資源產生、資源交換和資源交易的實現(xiàn)策略，并基于理論模型研發(fā)了相應的資源平臺。

[關鍵詞] 第五代移動通信網絡; 5G; 網絡教育; 資源銀行

[中圖分類號] G434 ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] A

[作者簡介] 李小平（1957—），男，廣東連縣人。教授，博士，主要從事教育技術、人工智能技術、計算機網絡研究。E-mail：lxpmx@x263.net。

一、5G在網絡教育中的應用

5G技術的實現(xiàn)與普及，能夠促進智慧教育、智慧校園、智能遠程教育的應用，還可以滿足教學、科研、學習、實驗和會議等各業(yè)務的多樣化需求。即便在師生密集的教學區(qū)、辦公大樓、實驗區(qū)、各個分校區(qū)、空曠地操場等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性特征的場景，均可為用戶提供超清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、安全檢測、在線游戲等高級業(yè)務的良好體驗[1-2]。與此同時，5G還將滲透到校園監(jiān)控的探測識別、人群行為分析當中，可以實現(xiàn)與CAD/CAM工業(yè)設施的融合，利用虛擬現(xiàn)實技術遠程操控無人實驗室，有效滿足工業(yè)教學、科學實驗、一卡通、科研圖像共享、多校園智能化管理等垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務需求。特別是遠程教學與本部教學將會進一步共享交換，從而推出游戲化教學課程和VR/AR教學課程[3]。桌面VR實驗會逐步被嵌入式虛擬實驗室所取代，3G環(huán)境中的資源也將被高清混合資源所取代，資源生成策略、資源框架也隨之改變[4]。人們的教育消費方式也會改變，將出現(xiàn)新的教育經濟格局和教育技術生態(tài)，打破現(xiàn)有的資源建構理念和平臺架構系統(tǒng)。

（一）5G的教育應用場景和指標設計

5G將解決數(shù)字化教學多樣化應用場景下差異化性能指標帶來的問題，不同場景所需要的性能指標有所不同，用戶體驗速率、流量密度、時延、能效和連接數(shù)（如圖1所示）都可能成為不同場景的挑戰(zhàn)指標[1，5-6]。其主要應用場景如下：

因其具有超高傳輸率（10Gbps），5G數(shù)字化教學環(huán)境將面向4K/8K超高清視頻、全息技術、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實等應用，其中包括：（1）連續(xù)廣域覆蓋場景，該場景主要用于隨時隨地（包括校區(qū)邊緣、高速移動等惡劣環(huán)境）為用戶提供100Mb/s以上的用戶體驗速度。（2）熱點高容量場景，主要面向局部熱點區(qū)域，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足網絡的高流量密度需求。1Gb/s用戶體驗速率、數(shù)十Gb/s峰值速率和數(shù)十Tb/s/km2的流量密度需求是該場景面臨的主要挑戰(zhàn)。例如：集中式VR學術會議、集中式虛擬實驗、大規(guī)?，F(xiàn)場在線學習、學生提交作業(yè)和試卷的并發(fā)操作、在同一個場所集中觀看高清晰視頻或游戲化課程、導播實習場所[5]。

2. 關鍵任務服務

其具有高安全性、超低時延和超高可靠性，也稱為uRLLC（ultra-Reliable & Low Latency Communication）。如要體驗VR/AR、遠程協(xié)作和游戲化教學等場景中，采集到的數(shù)據(jù)需要傳送到云端，并實時傳回經過處理的數(shù)據(jù)或指令，數(shù)據(jù)往返的時延比人類更敏感，對時間延續(xù)要求更高，尤其是5G的虛擬現(xiàn)實控制實驗、遠程機器人、手術機器人等應用[5]。

3. 大規(guī)模物聯(lián)網（mMTC，massive Machine Type Communication）

具有海量連接設備（超高密度）、超低功耗、深度覆蓋、超低復雜度等特點?？湛跁r延可達到1ms，這類應用對時延和可靠性具有極高的指標要求，需要用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務可靠性。具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數(shù)量眾多，不僅要求網絡具備超千億連接支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標要求，而且還要適應終端超低功耗和超低成本[7]。如遠程抄表、碎片知識點課程構建、實驗室傳感器數(shù)據(jù)傳輸、物流專業(yè)實習、學習軌跡獲取等[5]。

隨著教育數(shù)字化環(huán)境下數(shù)據(jù)流量數(shù)十倍的增加，5G系統(tǒng)需承載10～20Gbit/s的峰值速率、100Mbit/s～1Gbit/s的用戶體驗速率、每平方公里100萬的連接數(shù)密度、1ms的空口時延、相對4G提升3到5倍的頻譜效率、百倍的能效，以及350km/h的移動性支持、每平方米10Mbit/s的流量密度等關鍵性能指標。為了支持超高清視頻和VR應用，5G應支持至少1G/s的數(shù)據(jù)速率。5G網絡潛在需求還包括增加容量近1000倍[2，8]。

（二）通信互聯(lián)網與數(shù)字化校園的關系

遠程教育發(fā)展多年，卻依舊受限于網絡帶寬，所建立的資源課程和遠程教學平臺仍有以下問題亟待解決：

（1）由于帶寬過窄，教學課件普遍存在分辨率低、色彩還原度弱、表現(xiàn)形式差的特點，在相當長的一段時期，一直僵化于三分屏的解決方案上，圖像質量剛從VCD升級為DVD。

（2）由于帶寬限制，時常會出現(xiàn)多用戶并發(fā)操作延遲、卡頓、宕機現(xiàn)象，尤其是集中繳費、集中在線提交作業(yè)、3D資源虛擬實驗多人上網等。

（3）由于分辨率兼容問題，手機和PC端若要正常顯示內容，不得不為其開發(fā)兩套客戶端版本。

（4）帶寬延遲和抖動現(xiàn)象明顯，卡頓現(xiàn)象時有發(fā)生。

（5）目前資源管理采用集中式的辦法（包括文字圖像管理、視頻管理、3D系統(tǒng)管理、動漫資源管理），多個服務器占用同一路帶寬線路，每個服務器還要承載以上資源的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。由于帶寬緊張，無法實現(xiàn)按需租賃帶寬的構想。

（6）遠程教育從業(yè)人員既要負責課程開發(fā)、資源搜索、資源分類管理、資源維護等工作[9]，還要針對多媒體課件、游戲化課程、VR課件等維護多個資源驅動平臺，如VR平臺就需要Unity3D、Unreal Engine、VR制作軟件、3D Studio Max、Photoshop、3D采集軟件等。

（7）動輒上百兆的課件資源，始終羈絆著教師在不同電腦間的保存、傳播、共享等任務。同樣是礙于帶寬的原因，許多可供創(chuàng)作課件的奇思妙想最終未能實現(xiàn)，制作出的課件改動起來還需要最初的資源開發(fā)平臺以及技術人員方可完成，教師無法從容地對資源進行后續(xù)完善工作。

（8）教學實踐和畢業(yè)答辯，無法在線監(jiān)督，不能觀看視頻成果，無法有效地遠距離印證成果。甚至程序運算結果通過超頻方式傳輸可能會造成系統(tǒng)死機。

（9）礙于帶寬所限，大規(guī)模答疑答辯系統(tǒng)的會話人數(shù)受到限制。即使微信平臺也會人數(shù)受限，分發(fā)、群發(fā)傳輸受限，資源傳輸包的大小受限。

隨著4G/5G帶寬從100Mb/s到10Gb/s的提升，4G/5G先進技術的不斷應用，以上問題都將得到有效解決，主要反映在以下幾個方面（見表1）：

（1）通信業(yè)務。逐步從簡單的文字短信、彩信、數(shù)據(jù)，發(fā)展到融合通信（包括音頻、視頻、多人會話等），滿足人們日常的在線支付、轉賬、朋友圈、購物等功能需求。

（2）教育教學應用。從校園基礎網絡、安防監(jiān)控網絡、各業(yè)務部門子網絡發(fā)展到校園全網融合、多種業(yè)務融合、校園網一卡通的局面。特別是隨著在線教育理念的提升，5G網絡與游戲化課程、VR實驗環(huán)境、交互虛擬現(xiàn)實控制、高清立體顯示、人群行為分析、遠程考試監(jiān)測、學習行為追蹤和挖掘、智能實驗系統(tǒng)、智能教學系統(tǒng)、教學電子商務、學分銀行、CAD/CAM工業(yè)設施的融合等必將全面展開。

（3）資源形式。隨著帶寬的不斷改善，出現(xiàn)了多種網絡課程形式，即微課程、網絡課程、精品課程、高清手機課程、游戲化課程、VR體驗空間、多類型媒體網絡融合課程、物聯(lián)網課程、高品質高帶寬課程、移動實習實驗系統(tǒng)。其使用范圍將隨著5G的擴張逐步擴大，即從二維向三維轉換，非智能向智能轉換，單一媒體平臺向多種媒體平臺轉換，窄帶向寬帶轉換，現(xiàn)實向虛擬轉換，理論課程逐步向理論、實踐、討論一體化設計方面轉換，從知識傳達向知識體驗轉換[10]。

（4）平臺技術架構。技術時代的引領，系統(tǒng)平臺開發(fā)中出現(xiàn)了幾次有影響力的開發(fā)體系架構，即三層體系架構、多層體系架構、面向服務的架構、分布式體系架構等。

（5）資源管理方式。在4G環(huán)境下，資源管理方式以資源專業(yè)開發(fā)與個人開發(fā)相結合。各種資源庫分類獨立存儲。從課程為單元的資源集中式管理初步向資源交換方式轉變。5G環(huán)境下，資源更傾向于專業(yè)開發(fā)。資源交易、有償制作服務與資源共享相結合，資源從集中式管理開始向資源分布式管理方式轉變。采取架構式服務模式，不同目標、不同類型的資源和管理軟件由專業(yè)公司開發(fā)、維護和交換。還會涌現(xiàn)出啟發(fā)式的專家資源庫、資源銀行、學分銀行等虛擬資源倉庫。資源管理的粒度極小，如以最小知識點為管理單元。形成跨領域、跨學科、跨技術平臺的資源交換管理模式，以及形成多源異構的課程框架建構模式。

二、第五代移動網絡教育核心技術

第五代移動網絡教育核心技術即5G網絡切片（Network Slice）技術，是將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端的網絡。每個虛擬網絡之間，包括網絡內的設備接入、傳輸和核心網絡，都是邏輯獨立的。任何一個虛擬網絡發(fā)生故障都不會影響到其他的虛擬網絡。每個虛擬網絡具有自己的功能、特點，面向不同的需求和服務，可以靈活調整配置，甚至可由用戶自己定制網絡服務功能，實現(xiàn)網絡即服務（NaaS即Network as a Service）。

此項技術的推出將有效地解決各類教學需求，充分發(fā)揮各個軟件層級、各個系統(tǒng)功能、各個媒體特性的最大化。5G網絡切片技術是在線教育向三維、游戲化、虛擬現(xiàn)實、高清、高密度高熱點、大規(guī)模低時延、可靠物聯(lián)等過渡時重要的制程技術。例如：將通信互聯(lián)網的連續(xù)廣域覆蓋場景教學高清視頻和立體視頻、高容量場景會議VR/AR切片、游戲化教學切片、手機切片（微信）熱點等切割成多個端對端的虛擬網絡，享受20Gbps移動寬帶資源;將物聯(lián)課程資源網中的大規(guī)模物聯(lián)網切片單獨分割成獨立的虛擬網絡，享受200000連接數(shù)/km2高密度、低功耗低時延的海量物聯(lián)網;將虛擬現(xiàn)實控制網中的虛擬現(xiàn)實控制關鍵單獨切片形成獨立的虛擬網絡，享受低于1ms的時延性能（如圖2所示）。

三、異地多源異構的課程框架建構模式

（一）本地多源異構的課程框架建構模式

4G環(huán)境的課程資源建設開始在多種媒體、多種類型資源、多種技術融合上進行轉換，出現(xiàn)了以教師構建為中心、以技術為依托，為核心思想服務的課程資源，具有很強的理論與實踐相融合的內容填充模式。并在4G環(huán)境下形成了以當?shù)胤掌脚_和技術支撐為依托的、全建制服務的課程建構系統(tǒng)和維護系統(tǒng)，形成了以課程為中心的龐大教師團隊和技術團隊，投入相當大的人力資源和服務器以及高帶寬。雖然教學效果非常好，但本地資源采購、本地資源加工、本地工程技術人員技術儲備、本地高代價的硬件支撐、長年課程結構的維護等一系列弊端都進一步凸顯，其合理性仍有待于研究（如圖3所示）。

（二）異地多源異構的課程框架建構模式

針對上述本地多源異構的課程框架建構模式中存在的問題，借助5G新一代移動通信技術，提出了異地多源異構的課程框架建構模式（如圖4所示），其設計思想如下：

（1）采用分布式資源交換方式，利用5G的低時延、高帶寬、多連接特性，高速率地完成資源即用即取。低于1ms的時延大大提升了資源和資源之間在時間性能上的無縫銜接。

（2）采用框架式的課程資源架構，該架構的每一部分是由指向資源的指針構成，所指向的資源包含各種類型的媒體接口、軟件平臺的開發(fā)功能接口、最小虛擬實驗單元接口、虛擬在線控制接口等;這些接口將會被標準化，形成資源互聯(lián)標準。

（3）實現(xiàn)多個異構平臺的連接，由多個資源創(chuàng)作單位、多個資源制造商、多個學校、每個教師發(fā)布的資源等構成各種異構平臺，每個異構平臺提供自己的產品。課程的構造者和教師可以通過5G互聯(lián)網絡訪問相應的異構平臺，以在線方式在自己的課程資源空間中上傳教學所需的內容，其中視頻平臺、VR平臺、游戲平臺、PPT等均可以按照單位時間或者頁碼形式檢索并獲取資源，VR和游戲資源能夠以獨立單元的形式發(fā)布和交換，異構平臺可以包括微信等通信平臺、專業(yè)考核平臺。最終形成邏輯組合、物理分離、教學策略設計與資源維護分離的專業(yè)化異構平臺，即誰制作、誰提供，誰提供、誰維護的資源供給方式。

（4）在課程組合的各類資源屬性上，標注兩個以上的同類型資源，并且注明其被點擊的狀況，以方便用戶選擇。

（5）發(fā)布者和資源構造者的主要工作就是編輯串講，將教學與資源基礎建設工作分離。

（6）大數(shù)據(jù)負責統(tǒng)計每個知識點的點擊頻度，給出課程推薦網站，給出知識點表述的推薦。

通過以上設計，實現(xiàn)5G環(huán)境下的教學目標：

（1）提高教師的資源自主制作和選擇能力，提高教師的資源翻新、與時俱進的能力。

（2）5G大幅度提升了微信等通信平臺的空間和帶寬，多種媒體會話得以開展，大規(guī)模的微信課堂教學得以實施，答疑答辯工作將支持學生異地展示各類設計作品，包括音樂藝術專業(yè)的提升、虛擬現(xiàn)實混編教學。

（3）從資源構造上，作者可以憑借自己的藝術素養(yǎng)，構造游戲化的網絡課程、影視課程;允許學生上傳影視作品，在線演示、交流。

（4）將現(xiàn)有的教學管理平臺與手機平臺整合統(tǒng)一，實施高清手機教學，將傳統(tǒng)課堂或虛擬課堂上完成的作業(yè)提交，再進行現(xiàn)場統(tǒng)計和點評。

（5）實施課堂、現(xiàn)場插班教學。

（6）提供高清下的人臉識別、考場監(jiān)控技術。

（7）在VR實驗中建立“一人操作，多人協(xié)作”的教學系統(tǒng)。

（8）作業(yè)的提交形式多媒體化、交互化。

（9）VR和游戲化網絡課程、虛擬教室、三維實驗室、多人協(xié)作在線實驗室、多人游戲教學將融合性實現(xiàn)。

綜上所述，5G移動互聯(lián)技術的出現(xiàn)，將推動課程資源建構模式向多連接、多碎片、低時延、大組合的方向發(fā)展，為資源的構建提供了新的模式。

四、資源銀行交換設計與研究

在上述本地、異地多源異構的課程框架建構模式的基礎上，提出了在5G移動通信環(huán)境下資源銀行的概念，以及在資源銀行框架下完成資源的等價交換。

（一）資源銀行概念

資源銀行是借助銀行的商務理念，在學分銀行之后，提出的以課程、知識點、媒體設計單元、實驗設計單元、功能模塊等實體為資源交易對象，通過網絡貨幣的流通，完成資源的兌換或等價交換[11]。從市場經濟學、教育心理學的角度分析，所有的教育資源若都采用共享方式傳播和使用，必將大大損害設計者、開發(fā)者等資源生產者的利益，唯有通過交易和競爭才能激發(fā)出資源的魅力和生命力，后續(xù)才會有更多的經費涌入，用以發(fā)展網絡課程和相應知識體系。資源銀行理念的提出，或許能夠為教育生產化注入新鮮血液和源源不斷的動力，促使個人和利益集團研發(fā)出更多、更有效的網絡教學資源，同時，又給予資源生產者一定的回報，健康和充滿活力的教育生態(tài)從此誕生。

（二）資源銀行維度模型

5G移動互聯(lián)網優(yōu)異的性能，為資源銀行的交易打下了基礎，由此提出了資源銀行的設計維度模型，涉及顆粒維度、類型維度、交互維度、場景維度、技術維度、知識維度這六個方面。該模型分別從交易尺度、交易類型、交互功能、交易方式、交易技術平臺、交易價值的角度進行了設計。根據(jù)5G的技術特性，各維度中包含的內容將隨著交易量的劇增、新媒體的出現(xiàn)、資源類型的增加、交易形式智能化、其他新技術的發(fā)展而改變?？偟内厔菔菑馁Y源共享逐步發(fā)展為資源交換，不斷提升資源的利用率，減少重復開發(fā)，從課程整體交換逐步過渡到細粒度資源交換，高密度資源鏈接與本地資源獲取相結合，從實驗整體交換向微實驗單元交換過渡，形成系統(tǒng)化的資源銀行（如圖5所示）。

在5G移動互聯(lián)網性能的支持下，集中式資源銀行應該向專業(yè)分布式銀行轉換，專業(yè)銀行將以行業(yè)、領域、學科、專業(yè)進行分類，有效提升資源銀行主辦者的知名度和學科影響力（如圖6所示）。

（三）資源銀行交易方式設計

要滿足以上設計目標，資源銀行的構建應該是以公平、合理、健康、動態(tài)評價的方式完成資源交易。資源交易者可以是個人開發(fā)者、學校、公司。在公平交易理念基礎上，我們提出了資源交易的兩種形式：

1. 本地多源異構資源框架下的網上交易

獲取資源的途徑，除了目前較為普遍的借助網絡爬蟲搜索所需的在線資源外，另一種便是個人開發(fā)者或者公司（培訓機構、教育集團）與資源銀行直接交易，其目的主要是獲取其他的資源，當然除了下載后為己所用，也可以兌換成虛擬貨幣，以便將來用于資源交易，其定價方式是按照以下動態(tài)方式進行結算的（如圖7所示）。

其動態(tài)資源定價過程是根據(jù)用戶評定、系統(tǒng)核算和專家評定來完成初始資源當量和初始資源價值標定工作，并按其價值展示在資源交易平臺上;之后將根據(jù)點擊的頻度、預估值、標定人身份進行資源權重值運算，再根據(jù)資源權重值、資源類型動態(tài)計算出資源價值。

2. 異地多源異構資源框架下的協(xié)議結算

系統(tǒng)通過異地多源異構資源框架下相互協(xié)議結算，以訪問量或資源級別進行定價，可以是誰用誰繳費，用哪部分就結算哪部分，而不是按照整個課程進行結算。用戶可以有選擇性地挑選感興趣的資源進行學習或者體驗。

（四）資源銀行的內部運行

通過網上交易所獲得的資源，將存儲至資源平臺中。資源平臺根據(jù)資源最初的屬性，先進行智能分類，為其標識類別、關鍵字、發(fā)布者、發(fā)布時間、文件類型、主題風格等信息，再進行結構化存儲。管理平臺可以實現(xiàn)對資源平臺的常規(guī)管理，包括添加、刪除、修改和查詢等操作。除此之外，管理平臺也可以根據(jù)資源的類別對其進行組合，形成不同的新資源或課程，再導入至在線教學平臺上以供用戶使用。用戶可以根據(jù)需求在資源平臺上進行資源的收購、選購以及其他交易活動，系統(tǒng)為資源的使用過程提供了一種方便快捷的方式（如圖8所示）。

（五）資源的加工、重組及復用

資源銀行對交易過的資源進行加工，比如對課程進行碎片知識加工，利用經過處理的碎片知識點組合成新的課件，依靠復用、引用及再造機制實現(xiàn)新資源的自由重組，達到資源的二次升華利用（如圖9所示）。按照應用系統(tǒng)對資源的需求，借助對影視資源的分類、碎片化、重組等技術，完成資源的重組及再生，實現(xiàn)對資源的有效復用，進行新課件資源的邏輯構造和知識單元的采編。采用語義化組織方式，使用課程語義描述語義基因的技術，清晰地表述課程的特征以及課程之間的語義關系，形成一個資源關聯(lián)的語義網絡，將各種資源和知識點用傳統(tǒng)的樹狀結構組織起來，實現(xiàn)共享、交換與復用。

綜合本研究中的理論與實踐經驗，開發(fā)了多媒體資源智能拆裝平臺。該系統(tǒng)以用戶至上為初衷，從教師和學生視角設計功能模塊，采用資源銀行的初步設想，實現(xiàn)了資源的上傳、分類、拆分、標記、積分交易等功能。學生可以瀏覽多種資源，包括視頻、音頻、Word、PPT、Flash、PDF、三分屏以及Rar、Zip壓縮包等。并實現(xiàn)了兌換積分、購買積分，以完成對付費資源的交易。借用成熟的技術、完善的服務、精致的資源、用戶的虛擬資源購買習慣等，本研究中涉及的理論與實踐將進一步得以驗證。

（六）資源篩選策略模型

在資源銀行的交易平臺上，將按照學科分類，鼓勵優(yōu)質資源進行交易。為此提出了資源篩選算法，對資源進行資源等級鑒別，其因素包括資源的搜索熱度、交易頻率、交易熱度、新鮮度等，并對其進行綜合評判，然后給出在交易平臺上的展示順序、呈現(xiàn)時間（如圖10所示）。結合系統(tǒng)構造的用戶數(shù)字畫像，不同用戶看到的界面會有所不同。

隨著云端投射技術的發(fā)展，手機與電腦之間的界限會越來越模糊，而5G技術的應用與普及將會大大加快這一進程。隨著越來越多的科技公司、學校、教師的參與，將會為我們的工作、生活、教育帶來巨大的變革。而隨著5G網絡的建成并商用，上網速度更快，網絡資費更低，各種先進的教育技術手段融入課堂教學與在線教育，教育從業(yè)人員應用教育技術的經驗也會更加豐富，學生、教師、管理人員都將會從中受益。

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