沈俊汝,郭紹青
(西北師范大學(xué) 教育技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
互聯(lián)網(wǎng)全覆蓋是教育信息化的基本目標?!皩崿F(xiàn)校校通寬帶,人人可接入”是國家近年來教育信息化發(fā)展的重要目標之一?!督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》明確提出要“地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有機結(jié)合,部署覆蓋城鄉(xiāng)各級各類學(xué)校的教育信息網(wǎng)絡(luò)”[1]。《教育信息化“十三五”規(guī)劃》重點提出要“加快推進‘寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通’,結(jié)合國家‘寬帶中國’建設(shè),采取多種形式,基本實現(xiàn)各級各類學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋,具備條件的教學(xué)點實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入”[2]?!稑?gòu)建利用信息化手段擴大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面有效機制的實施方案》 中突出強調(diào)“到2020 年,基本實現(xiàn)所有地區(qū)和各級各類學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋,具備條件的教學(xué)點實現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)接入”[3]。
《教育信息化2.0 行動計劃》明確提出要“推進寬帶衛(wèi)星聯(lián)校試點行動”,“試點探索利用寬帶衛(wèi)星實現(xiàn)邊遠地區(qū)學(xué)?;ヂ?lián)網(wǎng)接入、利用信息化手段擴大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面的有效途徑[4]”。這為破解教學(xué)點網(wǎng)絡(luò)接入難題、補齊“阻礙”教育公平實現(xiàn)的短板提供了契機。可以預(yù)見的是利用寬帶衛(wèi)星實現(xiàn)教學(xué)點網(wǎng)絡(luò)接入的構(gòu)想基本確定,但究竟采用何種技術(shù)路徑接入網(wǎng)絡(luò)、接入后網(wǎng)絡(luò)運行狀況如何、哪一種接入路徑最優(yōu)等等操作層面的問題還需要我們來深思。誠然,這些是大家關(guān)注的焦點問題,也是本研究想要回答的主要問題。
2012 年起,教育部通過加強與國家有關(guān)部委的溝通和協(xié)作,與三大電信運營商簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,建立“政府政策支持、企業(yè)參與建設(shè)、學(xué)校持續(xù)使用”的互聯(lián)網(wǎng)接入機制,推進“寬帶中國”戰(zhàn)略,加大對農(nóng)村、偏遠地區(qū)學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的傾斜力度,實施“教學(xué)點數(shù)字教育資源全覆蓋”項目等一系列措施,積極推進學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)接入工作,取得了顯著成效。截至2016 年6 月,全國中小學(xué)互聯(lián)網(wǎng)接入率從2011 年的25%上升到87.5%,較2014 年提高了5.3 個百分點;其中,帶寬在10M 以上的學(xué)校比例為64.3%,較2014 年提高了23.3 個百分點。[5]新近統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,全國中小學(xué)互聯(lián)網(wǎng)接入率已達93%。[6]
在取得成績的同時,也面臨了一些問題,未接入互聯(lián)網(wǎng)的學(xué)校主要集中在偏遠農(nóng)村和集中連片特困地區(qū)的教學(xué)點[7]。由于教學(xué)點地處偏遠,人口較少、經(jīng)濟落后,通過地面網(wǎng)敷設(shè)的方式接入互聯(lián)網(wǎng)難度大、成本高、收益低,甚至面臨虧損的可能,因此電信運營商和相關(guān)企業(yè)缺乏建設(shè)積極性,存在市場機制失靈的現(xiàn)象,教學(xué)點的網(wǎng)絡(luò)接入工作在進入攻堅階段的同時,也進入瓶頸期。要實現(xiàn)學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的目標,急需新的建設(shè)思路與方式。
發(fā)達國家及經(jīng)濟快速發(fā)展的發(fā)展中國家,固定寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的普及率已達到很高的水平,大眾對于更高速寬帶連接、泛在WiFi 接入及內(nèi)容更豐富的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的期待越來越大。但是,城郊、偏遠地區(qū)與城市區(qū)域卻呈現(xiàn)出越來越大的“數(shù)字鴻溝”。這就使得雙向衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)的進一步普及具備了很大的可能性。2017 年,我國首顆高通量寬帶衛(wèi)星“中星16 號”發(fā)射升空并提供商用服務(wù),大大提升了用戶接入網(wǎng)絡(luò)的便捷性,下載速率能達到150Mbps,同時回傳速率也能達到12Mbps,媲美甚至超越我們普遍使用的光纖網(wǎng)絡(luò)。中國衛(wèi)通集團股份有限公司(以下簡稱“中國衛(wèi)通”)后續(xù)還將部署更大容量的Ka 高通量寬帶衛(wèi)星,計劃于2020 年,形成無縫覆蓋我國以及亞太地區(qū)的寬帶衛(wèi)星通信能力,進一步滿足“一帶一路”和“寬帶中國”戰(zhàn)略的網(wǎng)絡(luò)通信需求。利用寬帶衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)是對固網(wǎng)寬帶接入的有效補充,為“寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通”提供了一種切實可行的解決方案,為“到2020 年基本實現(xiàn)所有地區(qū)和各級各類學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)全覆蓋”提供了技術(shù)保障。
本研究使用的寬帶衛(wèi)星由中國航天科技集團有限公司從事衛(wèi)星運營服務(wù)業(yè)的核心專業(yè)子公司中國衛(wèi)通提供。該公司具有國家基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)經(jīng)營許可證和增值電信業(yè)務(wù)經(jīng)營許可證,是我國唯一擁有通信衛(wèi)星資源且自主可控的衛(wèi)星通信運營企業(yè),被列為國家一類應(yīng)急通信專業(yè)保障隊伍,由其提供的寬帶衛(wèi)星通信具有頻段高、抗干擾、多復(fù)用、容量大等特點。
頻段高,抗干擾能力好。一方面,寬帶衛(wèi)星所用的頻段更高,比如通常使用的Ka 頻段可用頻率為3.5GHz,遠遠高于傳統(tǒng)衛(wèi)星的C 頻段(800MHz)和Ku 頻段(500MHz),因此可用的頻率資源自然更多,與之相對應(yīng)的通信系統(tǒng)潛在容量也就更大;另一方面,寬帶衛(wèi)星的高頻段可以避開普遍使用的地面通信系統(tǒng)所用頻率,與此同時,在其他外在條件相同的情況下,寬帶衛(wèi)星相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星其頻段波束寬度更窄,具備更好的指向性,抗干擾能力也就更出色。
頻率復(fù)用高,衛(wèi)星容量大。寬帶衛(wèi)星基本都是采用點波束頻率復(fù)用的方式來擴展自身傳輸能力,頻率重用次數(shù)越多,容量也就越大,一般情況下,寬帶衛(wèi)星頻率復(fù)用次數(shù)均在20 次以上。點波束技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)生性地決定了寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星狀結(jié)構(gòu),這意味著寬帶衛(wèi)星特別適合提供B2C 型應(yīng)用。寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可承載高清視頻、IP 話音、互聯(lián)網(wǎng)接入等要求寬帶傳輸?shù)臉I(yè)務(wù),相比傳統(tǒng)衛(wèi)星通信,寬帶衛(wèi)星終端的下載和回傳能力大大提高。此外,寬帶衛(wèi)星高頻段信號內(nèi)在的高增益使得用戶終端進一步縮小,安裝對星簡單且部署起來更為便利,降低建設(shè)和使用成本,加強了實際應(yīng)用的方便性和易用性。
教學(xué)點由于地理環(huán)境的限制,加之面臨隨時撤并的可能,高投入建成的地面網(wǎng)絡(luò)由于缺乏可遷移性,自然失去了使用價值,極易造成資源的浪費。寬帶衛(wèi)星通信在解決長距離、稀路由數(shù)據(jù)傳輸方面優(yōu)勢顯著,具有組網(wǎng)快速、靈活機動、一站式傳輸?shù)募夹g(shù)特點,同時兼具較強的可移植性和再部署性,非常好地彌補了傳統(tǒng)地面網(wǎng)的不足,特別適合因人口稀少或地理條件所限導(dǎo)致的地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護成本過高的偏遠地區(qū)教學(xué)點。寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)更加全面,能夠讓教學(xué)點具備全部寬帶業(yè)務(wù)雙向傳輸能力,包括高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、多媒體廣播業(yè)務(wù)等,對于落實“三通兩平臺”目標是可行路徑。同時能夠使“一校帶多點、一校帶多?!钡慕虒W(xué)和教研組織模式在教學(xué)點教育均衡發(fā)展中發(fā)揮作用,對于開齊開好國家規(guī)定課程,破解教育不均衡發(fā)展的難題具有現(xiàn)實意義。
教學(xué)點網(wǎng)絡(luò)接入是教育信息化的重點任務(wù)。根據(jù)教學(xué)點教學(xué)應(yīng)用功能需求不同進行部署,大致可分為兩種:互聯(lián)網(wǎng)接入和實時教學(xué),互聯(lián)網(wǎng)接入是基礎(chǔ),課堂實時互動遠程教學(xué)是補充。按照該思路,可以將教學(xué)點網(wǎng)絡(luò)接入的技術(shù)實現(xiàn)路徑歸結(jié)為三類,即教學(xué)點單方面寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入、教學(xué)點寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與主體學(xué)校光纖網(wǎng)絡(luò)接入、教學(xué)點與主體學(xué)校均為寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入,前一類面向教學(xué)點單一的互聯(lián)網(wǎng)接入需求,后兩類面向教學(xué)點實時遠程互動教學(xué)需求。
該方式是在教學(xué)點部署衛(wèi)星終端設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。教育資源等互聯(lián)網(wǎng)資源均可從中國衛(wèi)通的Ka 網(wǎng)絡(luò)運營中心進入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),通過關(guān)口站將內(nèi)容一站式分發(fā)至設(shè)在教學(xué)點的衛(wèi)星小站,衛(wèi)星小站提供的是遠程接入點。此外,還可增加本地服務(wù)器,教育衛(wèi)星網(wǎng)資源管理中心可以通過閑時將資料廣播下來,接收點收到后存儲在服務(wù)器中,非實時互動的資料可以在本地服務(wù)器獲得,從而高效利用衛(wèi)星帶寬。對于每個教學(xué)點,其互聯(lián)網(wǎng)接入如圖1 所示,教學(xué)點的教學(xué)終端通過WiFi(或者網(wǎng)線)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備,由寬帶衛(wèi)星終端設(shè)備直接通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面關(guān)口站連通,進而通過中國衛(wèi)通業(yè)務(wù)運營中心接入互聯(lián)網(wǎng)。
通過在教學(xué)點安裝衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備,使教學(xué)點具備互聯(lián)網(wǎng)的接入條件,師生能夠利用多媒體設(shè)備便捷地訪問互聯(lián)網(wǎng);能夠瀏覽、下載國家基礎(chǔ)教育資源公共服務(wù)平臺與互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)字教育資源,但不能實現(xiàn)同步教學(xué)等需要進行實時視頻信息交互的功能。
圖1 教學(xué)點單方面寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入示意圖
該方式是建立在兩個先決條件之上:一是主體學(xué)校要有足夠的帶寬,且在日常教學(xué)過程中,整個互聯(lián)網(wǎng)鏈路能夠進行實時視音頻的流暢傳送,延時保持在能夠不影響教學(xué)進展的程度內(nèi);二是主體學(xué)校和教學(xué)點已經(jīng)具備進行遠程互動教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)平臺與系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,在教學(xué)點部署衛(wèi)星終端設(shè)備即可實現(xiàn)教學(xué)點“互聯(lián)網(wǎng)接入+實時教學(xué)”的功能,如圖2 所示?;谥黧w學(xué)校已鋪設(shè)的地面網(wǎng)絡(luò)且具備足夠的視頻上傳能力,因此要實現(xiàn)實時教學(xué)不需要再在主體學(xué)校部署衛(wèi)星終端設(shè)備,主體學(xué)校的直播課程視頻可通過地面網(wǎng)絡(luò)上傳至電教平臺,寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)完成將直播課程廣播到遠端教學(xué)點的任務(wù)(單向模式),同時遠端教學(xué)點的實時課堂視頻也可由寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣播到主體學(xué)?;蚱渌虒W(xué)點,完成課堂實時互動教學(xué)任務(wù)(雙向互動模式)。
通過在教學(xué)點安裝寬帶衛(wèi)星收發(fā)設(shè)備,使教學(xué)點具備互聯(lián)網(wǎng)接入條件;主體學(xué)校通過廣播方式向多個教學(xué)點直播課堂教學(xué)實況,教學(xué)點的課堂教學(xué)同樣通過廣播方式向主體學(xué)校與其它教學(xué)點進行直播,師生能夠與主體學(xué)校教師進行多媒體交互,支持“專遞課堂”“協(xié)同教研”等信息化教學(xué)與教研應(yīng)用模式。
圖2 教學(xué)點寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與主體學(xué)校光纖網(wǎng)絡(luò)接入并聯(lián)通示意圖
該方式是建立在主體學(xué)校和教學(xué)點已經(jīng)具備進行遠程互動教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)平臺與系統(tǒng)基礎(chǔ)之上。寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入的實現(xiàn)方式是在主體學(xué)校和教學(xué)點均部署寬帶衛(wèi)星終端設(shè)備,即可實現(xiàn)教學(xué)點“互聯(lián)網(wǎng)接入+實時教學(xué)”的功能,如圖3 所示。與路徑二不同,基于主體學(xué)校未鋪設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)或者已有地面網(wǎng)絡(luò)不具備足夠的視頻上傳能力,主體學(xué)校的直播課程視頻和遠端教學(xué)點的實時課堂視頻,均通過寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣播到主體學(xué)校及其它教學(xué)點,完成課堂廣播(單向模式)及課堂實時互動(雙向互動模式)的教學(xué)任務(wù)。
通過在主體學(xué)校和教學(xué)點安裝雙向?qū)拵l(wèi)星收發(fā)設(shè)備,提供互聯(lián)網(wǎng)接入條件,主體學(xué)校與教學(xué)點之間實現(xiàn)流暢的遠程師生互動教學(xué),主講教師實時得到學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的反饋,學(xué)生的提問也能即時得到回答,真正做到兩地同步教學(xué)。
圖3 教學(xué)點與主體學(xué)校均接入寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)通示意圖
“寬帶衛(wèi)星聯(lián)校試點行動”選取了甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣、云南省昭通市彝良縣、四川涼山彝族自治州雷波縣作為試點縣,每縣選擇一所主體學(xué)校(承擔連片教學(xué)與教研任務(wù)的中心學(xué)校)和4 個未聯(lián)網(wǎng)教學(xué)點開展試點。截至2018 年1 月,中國衛(wèi)通歷時兩個多月分三個批次,分別為上述三個縣區(qū)配備、安裝、調(diào)試寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接收基站。
各地安裝調(diào)試完成后,中國衛(wèi)通為試點學(xué)校進行了寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的使用賬號分發(fā)、操作方法指導(dǎo)、日常維護培訓(xùn)等應(yīng)用指導(dǎo),并安排工程師與試點縣區(qū)確定的地方技術(shù)人員進行對接,溝通可能遇到的突發(fā)情況及解決辦法,互留聯(lián)系方式以確保在遇到突發(fā)情況時能夠第一時間響應(yīng)。
圖4 寬帶衛(wèi)星不同路徑接入一周網(wǎng)速情況記錄
安裝完成后,針對三種不同路徑,圍繞教學(xué)資源網(wǎng)站的訪問、視頻資源的觀看/下載、遠程實時視頻互動等不同應(yīng)用場景進行了網(wǎng)絡(luò)負載測試。在進行教學(xué)資源網(wǎng)站訪問以及視頻資源觀看/下載測試時,考慮到教學(xué)點教師實際教學(xué)需要,選擇了國家教育資源公共服務(wù)平臺以及教學(xué)點數(shù)字教育全覆蓋項目平臺作為測試平臺,測試模擬真實教學(xué)場景,由教師利用上述資源平臺為教學(xué)點學(xué)生上課,期間利用網(wǎng)速測試工具監(jiān)測網(wǎng)速。測試持續(xù)一個完整的教學(xué)周,具體測試安排為:周一“8:00-10:00”;周二“10:00-12:00”;周三“12:00-14:00”;周四“14:00-16:00”;周五“16:00-18:00”。采取漸進覆蓋的方式進行測試,網(wǎng)速統(tǒng)計值為測試區(qū)間段內(nèi)均值。測試結(jié)果如圖4 所示,整體來看,無論采取何種路徑接入,寬帶衛(wèi)星的網(wǎng)速均表現(xiàn)穩(wěn)定,在采樣測試周內(nèi)沒有表現(xiàn)出較大的起伏或波動;對比來看,三種接入路徑表現(xiàn)出來的網(wǎng)速差異并不明顯,路徑三稍有優(yōu)勢,原因在于當主體學(xué)校和教學(xué)點均采取寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入時,形成了小型內(nèi)部局域網(wǎng);深入來看,路徑三對比路徑二優(yōu)勢并不明顯,這也能從側(cè)面說明寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對其它網(wǎng)絡(luò)的兼容性較好。
在進行遠程實時視頻互動教學(xué)時,選擇一所主體學(xué)校同時和3-5 個教學(xué)點以專遞授課的方式進行互動教學(xué),測試內(nèi)容主要包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下(路徑二)教學(xué)點與主體學(xué)校之間進行課件直播教學(xué)、視頻互動直播教學(xué)測試;跨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下(路徑三)教學(xué)點與主體學(xué)校進行課件直播教學(xué)、視頻互動直播教學(xué)測試;路徑一不支持實時視頻互動教學(xué),未進行該項測試。測試結(jié)果如表1 所示,在進行課件直播教學(xué)時,無論是在單一衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下還是在跨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,都能實現(xiàn)聲畫清晰流暢傳輸;在進行多路視頻互動直播教學(xué)且畫質(zhì)保持在480P分辨率時,當互動視頻達到四路時,路徑二出現(xiàn)高延遲,而路徑三在同時進行五路視頻互動時才表現(xiàn)出高延遲,出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要在于跨不同網(wǎng)絡(luò)要比在單一網(wǎng)路下受到的干擾因素多。
通過對寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)聯(lián)校試點測試,寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)讓試點學(xué)校具備全部寬帶業(yè)務(wù)雙向傳輸能力。實驗證明,在衛(wèi)星通訊帶寬極其寶貴的條件下,按每個教學(xué)點12Mbps 下載及2Mbps 上傳帶寬配置時,寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)對于流暢訪問國家基礎(chǔ)教育資源公共服務(wù)體系中的教學(xué)點數(shù)字教育資源不存在壓力,且能夠支持多路視頻(至少三路)同時互動直播,可以開展“一校帶多點、一校帶多?!本W(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式的應(yīng)用。需要說明的是,僅從測試結(jié)果來看,路徑三相較路徑二有一定的優(yōu)勢,但由于寬帶衛(wèi)星具有對不同網(wǎng)絡(luò)的良好兼容性,這種優(yōu)勢并不明顯,如果將寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的使用成本考慮進來,這種優(yōu)勢更是可以忽略不計。因此,在實際應(yīng)用過程中,綜合考慮性能與成本,建議優(yōu)先采取路徑二為教學(xué)點實施互聯(lián)網(wǎng)接入。
表1 寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同接入路徑的測試結(jié)果對比
《教育信息化2.0 行動計劃》提出了“三全兩高一大”的發(fā)展目標,互聯(lián)網(wǎng)通達是完成目標的基本保障條件,“寬帶衛(wèi)星聯(lián)校試點行動”旨在為邊遠地區(qū)未聯(lián)網(wǎng)的學(xué)校創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)接入條件。利用寬帶衛(wèi)星為教學(xué)點接入互聯(lián)網(wǎng),從技術(shù)上打通了“寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通”的最后一公里,使教學(xué)點的資源供給方式多元化,智力資源、數(shù)字教育資源等多樣化資源通過國家教育資源公共服務(wù)平臺等在教學(xué)點得以共享,破解了教學(xué)點師資不足以及國家規(guī)定課程開不齊、開不好等問題,拓寬了教學(xué)點接受優(yōu)質(zhì)教育的渠道,奠定了教學(xué)點開展信息化教學(xué)的基礎(chǔ)。為教學(xué)點教師的教學(xué)、教研、培訓(xùn)以及學(xué)生的學(xué)習(xí)成長、學(xué)業(yè)發(fā)展等提供新的契機,對解決教育不均衡發(fā)展難題,促進教育公平具有重要意義。