智慧教育场景白皮书

前言目录教育发展与演进1.1全球教育市场 3.2平安校园 3.5小结 2.2VR/AR课堂 152.3全息课堂 2.4小结 4.6小结 5.1教育资源服务 41 5.6小结 智慧教育商业模式 开支已超过5万亿美元，是软件产业的8倍、媒体和娱乐产业的3倍。并预计全球教育支出将以每年8%的速度增长，到2020年激下保持稳定增长，0~14岁人口始终保持在2亿以上。国务院发布的《国家人口发展规划(2016-2030年)》显示，2020年、2030年中国人口总数将分别达到14.2亿和14.5亿，总和生育率由2015年的1.55上升到2020年的1.80,并基本维持在1.80左右。2012年以来，国家财政性教育支出占GDP比例连续五年超过4%。2016年，中国教育经费总投入为3.9万亿元，其中，国家财与典型发达国家同期教育支出占GDP的比例(美国6.0%、法国5.5%、英国5.3%)相比，中国教育经费投入仍有较大空间，预计到2020年中国教育经费支出将达5.2万亿元。育的焦点。如美国制定了基础教育阶段STEM教育目标；美国政府2015年STEM教育的财政预算为29亿美元，比2014年以“三通两平台”为主要标志的教育信息化1.0取得重大进展为推进落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》,2012年3月教育部发布《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》,开启我国“教育信息化1.0”时代。2012年9月，国务院进一步明确了“十二五”期间以92%,多媒体教室普及率达85%,网络学习空间数量增至7100万个；教师信息技术应用能力明显提升，1000多万名中小学教师、实现了16.4%的增长。教育信息化投入连年增长，预计2020年将突破3800亿元。以实现“三全两高一大”为基本目标的教育信息化2.0开启智能时代教育新征程为深入落实十九大的“教育现代化、建设教育强国”战略，注重学生的个性化培养由于每个人拥有不同的智力水平和特点，传统的统一化培养模式抹杀了人的个性，不利于发挥每个人的潜能。个性化培养可根据每个学生特点进行针对性教育培养，如学校和教师可通过大数据分析每个学生的学习倾向、进行个性化的学习资源推送，实现精准辅导，自助化完成学习目标等。教学模式从以教师为中心向以学生为中心转变传统的以教师为中心的教学模式，学生学习缺乏主动性。未来社会发展需要具备终身学习能力的人，要求培养学生的积极主动学习能力和学习愿望。这必然要求教学模式向以学生为中心转变。同时，互联网教育资源的极大丰富，人工智能将全面辅助学生课随着人类社会迈入知识社会，要求人们不断更新知识和能力，以满足职业要求和社会发展需要，这将带来终身学习的普及。而信息技术的发展也为人们终身学习提供了可能，如互联网上丰富的教育资源为人们终身学习提供了条件，人工智能将成为人们终身学习的有力助手。传统教学中，教师的主要作用是主导者和知识传授者。但随着信息技术特别是人工智能的应用，混合式学习的日渐普及，学习更加以学生为中心，教师的角色和作用正在发生重大变化。教师队伍日趋分为授课教师和辅导教师两类，讲课能力强、水平高、能契合学生需要的教师将主要担当授课教师角色，通过面授和互联网等手段传播满足广大学生的需要。而更多教师将承担辅导教师角色，对学生进行针对性辅导，满足个性化学习需求。教师将主要承担学生学习规划和引导的作用，而不是直接知识传授。■学校开始追求个性化的办学模式随着社会需要的变化和信息技术的广泛应用，学校的办学模式开始进入追求个性的时代。如在教育基本普及情况下，人们更加期望选择符合学生特点的个性化学校，要求学校向更加个性化的方向发展；随着学生的培养更加个性化，学校的组织模式更加弹性灵活，学校将根据学生的个性化学习需要采用更加个性化的教学和互联网的发展，云计算、大数据、人工智能(Al)的逐步应用，教育逐步从传统教育向智慧教育变革，开启了教育信息化新时代。智泛在化的教育新模式，通过个性化、精细化、沉浸式学习教学，提高课堂教学效果，增强学生学习兴趣，提升图1-4智慧教育总体架构智慧校园人工智能等信息技术使能的智慧教育，涵盖“课堂、校园、分析、管理”多个方面。如上图所示，通过对校园智慧课堂：提供互动、沉浸式教学课堂环境■互动课堂。通过“互联网+教育”,在实体课堂、在线课堂、云课堂上提供不同层次的互动教学环境，如师生互动、分组/分层VR/AR课堂。通过虚拟现实技术，将传统课堂VR/AR化，为学生提供沉浸式教学环境，实现身临智慧校园：打造宽带校园、平安校园、智联校园环境■平安校园。通过校园360度无死角高清视频监控，全网智能识别风险行为，自动识别安全风险，保障校园师生人财物安全。11.3小结图2-1实体互动课堂录摺系统录摺系统数据平台课件管理互动教学分组管理用户认证在线互动课堂由于不断增强互动和管理能力，被越来越多的家长和学生所接受。其不仅适合一对一教学，也适合大规模教学。对于学生来说，只要网络可达，就可随时随地接入，为教育资源不足地区实现优质教育提供了保障，同时也适合于在职教育、继续教育等教云课堂通常由云课堂系统、主教室端、远程教室端、远程学生端或家长端组成。云课堂系统部署在云端，提供所有的教学服务，包括用户管理系统、互动系统、课件系统、试题系统、学生积分系统、录播系统、视频和预约调度系统、大数据平台等。云课堂可以通过专线或互联网接入，教室端为保证良好效果通常采用云专线接入，学生端考虑便捷性通常采用互联网接入；主教室端，教师在主课堂的话，采用与实体课堂相同的配置。如果教师不在主课堂，需要与在线课堂一致的单独教师端；远程教室端与主教室端的区别在于系图2-3云课堂图2-3云课堂 互动。云课堂适合大规模混合式教学，能解决教育资源不足问题，同时可以通过双师课堂等形式，对在线学生进行分组管理，能非常有效提--泛在课堂泛在课堂是广义的课堂，泛指通过网络连接实现的无处不在的课堂，学生可在任何时间和地点通过网络进入泛在课学习模型、智能陪练、学习教材、试题、课外读本、考试测评、交流互动等全方位学习服务。学生使用平入泛在课堂系统，进行系统测评和目标设定，并基于能力泛在课堂学习是智能的学习。学习任务是根据个人的学习能力评估、学习目标和投入时间综合生成的。学习过程中练会不断评估学生学习情况，调整其学习内容，如系统泛在课堂是虚拟的课堂，由网络连接完成课堂的构建，实现智能终端的灵活接入，打破时间和空间的限制，使学习灵活；与数字图书馆、电子书包和外部教学资源平台等对接，打破资源的局限，获取更丰富的资源；与交流空间对图2-4泛在课堂图2-4泛在课堂2.1.2产业现状互动教学处于起步阶段，率先在各大课外教育机构进行创新应用分组互动和双师课堂等，在各教育机构率先应用起来，如好未来、新东方、高思等。K12教育中，以学区为单位的各学校智慧课堂也开始积极采用多媒体互动教学应用，如深圳龙岗区的云课堂互动教学，实现例行教学互动、问答互动、师生互动。而个体学校发展相对缓慢，更多是采用录播系统，实现随着互联网+教育的推广，未来互动教学将迎来大发展2.1.3场景价值2.1.4承载需求时延3~4个/教室30~50个/教室1个/教室教室互动课堂接入云专线≥50Mbps,根据具体学校情况云服务接入能力每课堂≥50Mbps,并发支持100以上课堂；每人4Mbps,并发支持3万人。智慧课堂作为VR/AR教育重要应用的VR/AR智慧课堂，通过VR/AR技术构建虚拟现实课堂环境，学生、老师配备VR眼镜或AR终端等实现更为直观的教学体验，提供现实世界中难以实践、甚至不可能实现的课程和培训。通过将沉浸体验融入教育和培训，提升用户对知识感知和保留度。教育市场细分场景众多，当前VR/AR智慧课堂主要在早教、K12教育、职业培训/高校教育应用。AR早教因其生动有趣的卡通3D形象备受孩子和家长的青睐，成为VR/AR教育前期主战场。主要应用形式包括：■AR卡牌：通过AR技术让平面图片或卡牌“立体动起来”,吸引儿童注意力。■AR书籍：AR书籍可视为多张卡牌的一个集合，但其包含的内容多，相互之间关系密切，有故事有情节，犹如亲身体验一般，对孩子产生极大吸引力。■AR游戏教学：将游戏与教育结合，孩子通过玩游戏学知识，离教于乐的方式提高儿童的专注力和知识吸收效率。面向K12教育，VR/AR课堂提供的课程包括科学、历史、地理、生物、物理、化学、艺术等。通过VR/AR课件，帮助学生亲身“体验”各种知识，“身临其境”参与各类实验。如对历史古迹、地形地貌、天体运行的体验感知，对人体骨骼、关节、眼球、人体血液、心脏结构及心跳呼吸变化等的全方位感知，“实操”生物、化学实验等。面向职业培训/高校教育的VR/AR课堂2.2.2产业现状全球虚拟现实》报告显示，2018至2022年全球VR教育市场将以59.14%的复合年增长率增长，几乎一半的美国教育机构正在使2.2.3场景价值2.2.4承载需求时延30~50个/教室30~50个/教室30~50个/教室全息课堂是指将全息技术应用于教学课堂，学生、老师使用全息屏、全息眼镜、全息3D投影等产品，打造一个将3D形态与2D解析甚至抽象知识信息同步、对应和交互的教学场景，引导学生充分将右脑的3D空间和形象思维与左脑的语言、数字和逻辑理解完美图2-6全息课堂图2-6全息课堂与VR/AR课堂相比，全息课堂更直观、更生动、更便利。除了提供强大的沉浸体验外，还具备超强的■全息课堂可以不需要佩戴头显，通过肉眼就能浏览到360度全方位3D影像，可以很好地保护视力。■通过与课本同步协同，学习者在翻阅实体书时，可以联动全息影像，虚实一体，看到书本内容对应的静态或动态3D形象，更形结合深度传感器和图像分析跟踪技术，使得教学中师生能广泛地进行实时、多点虚实交互，提升教学效果。以全息成像技术实现教师亲临现场，教材教具现场呈现的现场感，提升学生参与度和体验感，让远程教育身临其境，为所有学生提供同等教育平台，实现教育公平。2.3.2产业现状2.3.3场景价值2.3.4承载需求技术特点时延交互体验融合体验光场，全息22.4小结校元应用校元应用宽带校园建设指的是校园网络基础设施的建设和改造，最终目标是实现校园宽带网络全接全联接超宽校园：满足教学和办公需要，支持高峰期的群体并发访问。图3-1宽带校园总体架构协作办公校园显区网校园显区网全场景无线覆盖校园随着校园移动终端的多样化，师生希望在校园内随时随地接入网络学习和交流，校园移动应用越来越多，全场景Wi-Fi覆盖校园已来规划、部署和维护的复杂；有线和无线两张网络可通过10GE/40GE汇聚交换机电组网和10GE全光POL(PassiveOpticalLAN统一通信融合提供即时消息、语音、多媒体会议等多种交流渠道，支持多终端随时随地接入，实现沟通无障碍。■视频会议支持桌面终端和移动终端接入高清智真会议，实现图3-2办公协作融合校园办公协作场景协作通信流媒体录制接入终端网络行为可管校园校园有线、无线网络建设一方面需要满足“公安部82号令”和“公共非经营场所无线上网安全管理条例”合规要求，对校园有线和无线用户上网行为进行安全审计，做到上网行为可溯源。同时，可提供绿色上网功能，通过统一上网管理系统，提供不健康极简易运维校园可通过智能规划部署、业务和策略自动化、有线如可通过引入Wi-Fi智能网规工具，实现Wi-Fi网络的自动、高精度规划。通过网规网优工具，保障无线信号覆盖最佳。通过引入智能管控平台，支持离线网络拓扑规划2.业务随行，策略自动化校园移动化使得用户主机的IP地址经常发生变化，而传统基于IP地址来进行用户权限控制和体验保障的方法无法适应这种变化。因基于用户身份的安全组和业务策略规划无需考虑用户的接入位置和IP地址，实现业务策略与IP地址解耦，有效保和体验一致，极大简化规划和配置工作量。同时，可通过自然语言矩阵式定义策略，策略部署时自动翻译转换为网3.1.2场景价值智慧校园智慧校园图3-3平安校园总体架构校园监控中心校园监控中心校园信息发布视频前端报警前端校园园区网校园楼宇消防控制器车辆道闸校门出入口及道路校园重要区域校园周界全场景高清视频监控在校园出入口及道路、校园周界围墙、校园内教学楼、办公楼、图书馆、宿舍公离、校园室外、操场等地部署高清摄像机，实现校园无盲点监控。根据不同监控场景，选择球机、枪机、卡口专用摄像机，动静结合，实现人车综合管控。同时采用红外摄像机进一步提升夜间监控能力。视频监控存储采用全网络化、全数字化的高清系统。视频存储逐步从传统的NVR(NetworkVideoRecorder,网络硬盘录像机)或存储服务器存储向云存储演进，便于扩展及未来应用。智能视频分析智能视频分析指通过前端和平台智能分析，减少人为因素干扰，有效提高人防效率。事前与事后智能分析相结合，实现事件的智能预警与事后的快速响应。■前端智能分析：包括入侵检测、绊线检测、物体遗留检测、徘徊检测等。■平台智能分析：包括枪球联动、全景拼接、人数统计等。其中，全景拼接支持三枪全景拼接实时显示，控制上墙，单画面提供更多的信息，便于宏观把控。周界安全及入侵报警在校园周界、校园重要区域部署入侵检测系统，支持多种技防手段，支持与警号扬声器等物防手段相结合，形成对封闭区域周界的整体防护。■周界安全：在校园周界部署红外对射、电子围栏、振动光纤等检测系统。室内入侵：在校园重要区域(如行政区域、实验室等),部署红外微波入侵检测、玻璃探测等检测系统。3.2.2场景价值基于物联网、人工智能和大数据等技术，实现校园园图3-4智联校园总体架构校园应用校园应用物联终端物联终端绿色智能校园基于物联网技术构建绿色智能校园，营造舒适的教学和办公环境，降低校园能耗费用，节约能源，减少动开关照明，如办公区上班照明全开、午休期间自动关灯，学生宿舍夜间据检测的室内空气CO2、PM2.5、甲醛等参数自动开启调节空调新风系统。通过运动传感知和物体探测器，感知无人时把空和新风调至节能模式。支持基于时间段调度策略自动开关气等能耗数据，实时掌握能耗情况，提升能源利用率，有效实现下学时间。实时位置监控：支持实时查看学生在校园内的位置、分布状况，及每个在校内出现异常时，可借助历史轨迹回放功能，实现3.3.2场景价值构建智慧物联校园，营造舒适的校园教学和办公环境校园大数据增值运营通过融合物联网平台、校园一卡通管理等系统采集学生的学习和生活数据，可为后续大数据分析运营提供数据来源。3.4承载需求3.4承载需求构建高清校园Wi-Fi接入网络，起步16Mbps满足1080P高清承载，目标100Mbps提供4K超清高体验承载，未来具备支持VR/AR承载。校园宽带网络构建全联接超宽校园承载网络，实现干兆到桌面、超万兆汇聚上联，超干兆校园园区网出口。时延桌面办公基础办公≥10Mbps图片浏览/视频播放≥25Mbps1080P高清视频会议1080P高清视频监控1080P视频播放3.5小结3.5小结统计掘表分类存统计掘表分类存行为分折表情动作别人脸识别王4.1.2产业现状4.1.3场景价值智能分析学习行为分析系统构成图4-2学习行为分析作业分析教师家长学习行为分析通常由学习行为Al智能分析系统，视频、图像、文本信息采集终端和客户端应用组成，终端和平台间通过网络连接。视频信息采集端需在课堂部署高清摄像头，对课堂进行全方位覆盖，根据课堂大小不同，可采用双机、三机、四机或更多终端。摄像头将采集的课堂信息通过网络实时上送到Al智能分析系统。■图像、文本信息通过平板采集，单个教室涉及30~50终端接入。■Al智能分析系统实现课堂学习、作业、考试等情况，分时、分类、分人统计呈现。■运行在手机/平板/电脑的客户端应用供校长、教师和家长使用，实现对学生学习行为数据的快速检索和查看。学习行为分析应用场景通过对学生学习行为的智能分析，实现的主要关键应用包括：■对学生课堂行为分析，数据化学生课堂过程，在教师端、家长端呈现。老师和家长可根据相关信息对孩子学习进行针对性的引导和帮助。■对学生作业、习题、考试情况分析，动态评估其对知识点的掌握程度，自/智适应规划学生学习路径与内容，避免题海战术，使学习和练习更有针对性，效率更高，同时激发学习兴趣。■对全体学生的学习行为分析，指导教师不断优化教学设计，提升教学质量。■对学生整体学习行为分析，可促进线下和线上教育有机结合的混合式教育的发展。基于学习行为分析和智能规划，为学生提供学习内容的预测分析和个性化的教学辅导，提高线下教学效率、优化线上教学效果。4.2.2产业现状4.2.3场景价值相对于智能感应分析，视频分析适用范围更广，可同时识别分析多种运动类型，对这些运动项目进行自动计数，如起坐等；识别运动是否存在偷懒，如跑步中走捷径、跑道边休息；识别一些运动行为是否有危害，也可以识别一些违规但由于智能视频分析对视频和模型技术要求高，实现难度大，如需要有各种精确的视频识别模型，尤其在大量人员情况出极大挑战。当前往往会借助手环等设备辅助分析，如利用手环定位学生位置、路径轨迹、心率等数据，根据识别的运动类型、个人基本信息(年龄、体质、体重、疾病等),并结合心率数据可以帮助做精准的运动管理，识别是否存在运动风险等。两种分析方法可独立使用，也可结合使用。不管采用哪种方法，所有视频数据、感应数据和手环数据都上送到云端，基于Al进行智能分析和监控。如云端识别运动活动为跑步，会自动结合手环心率等数据，再根据个人基本信息(如个人体质和历史运动信息),判断个人运动是否过量，当接近个人风险边际时立即上报，同时在运动行为分析应用场景运动行为分析，除了可监控学生运动情况，发现运动偷懒，避免运动过量。还可用于运动考核测量。图4-3运动行为分析图4-3运动行为分析统计报卖分类存储运动继运恐测量运动人验识别运动监控场景由摄像头或感应探头/终端、手环和云端Al系统组成。操场或场馆内部署多个摄像头或感应探头/终端，实现整个区域的运动识别和监控。摄像头可自动识别运动类型，感应探头或终端可以感应运动位置变化，但运动类型需要配合其频图像、感应信息通过网络上传到云端系统分析，对体育课上的学生运动行为进行防偷懒运动监控方便教师对学生的监督管理。4.3.2产业现状4.3.3场景价值教学行为分析的理论依据是来自教学方法分析和教学效果分析。良好的教学方法不仅包括讲、练、演示、板书，也包括配比例，如能做到精讲多练；教学效果好坏也体现在学生互动反应，如是否积极思考、主动发言。良好的教学效果意力集中、课堂气氛活跃。因此，教学行为分析就是综合考学生的课堂注意力(抬头率、积极响应率等)等进行识别和分析。教学行为分析系统构成图4-4教学行为分析课堂抬头率■教室部署的视频终端和智能教学终端，实时采集课堂上教师和学生视频与教学信息，通过网络上传到云端Al智能分■Al智能分析系统进行教学分析，识别教师教学方析统计数据运行在手机/平板/电脑的客户端应用供校长、教导主任、教委领导等使用，实现对教学行为分析数据的检索和查看。教学行为分析应用场景通过对课堂教学行为的智能分析，实现的主要关键智能分析系统识别并统计课堂教学中的讲、练、演示、板书等行为，计算分配比例，实现对教学程不同阶段采用的教学方法都会有差异，教学方法评价需要结合具体课程设计进行。课堂效果评价智能分析系统通过重点分析课堂教学中学生的抬头率和举手率，完成对教师课堂教学效果的评价。其中，抬头率可体现教师讲课的吸引力和关注度，举手率可体现学生课堂互动情况。4.4.2产业现状4.4.3场景价值4.5承载需求4.5承载需求单教室30~50个PAD接入。时延3~4个/教室30~50个/教室1个/教室6个/操场30~50个/班云专线接入≥50Mbps,根据具体云服务接入能力1000摄像头并发接入44.6小结■智能分析是学生智慧教育的大脑，通过大数据和人工智能技术，进行课堂行为析，给教学指明了改进方向。■智能管理中的行为分析属于新兴的内容，也越来越受教育行业的认可，在未来的发展中，必然质量提升和学生体质改进上发挥着重要作用。智慧教育特征是开放、共享、交互、协作。教育资源服务通过对教育资源的开放，让更多的教育资源自助学习资源教育资源服务，通过构建智慧化教育资源服务平台，提供资源中心、教育资讯、教育网盘等服务。面向教师提供备课授管理、智能题库等服务；面向学生提供自助学习资源、在线作业、答疑中资源中心汇聚校内外各种优质教学资源，包括教案、学案、课件、试卷、作业等，可服务于课前、课中、课后各线授课使用。智能题库5.1.2产业现状还很少有平台部署在公有云上。随着教育信息化2.0的“互联网+教育”大平台战路的推进，未来必然是走向云化、智能化，更好5.1.3场景价值教务管理服务面向教职工、学生和家长提供全方位的教学管理服务，方便教职工办公，学生走班选课，家长对学校教务绩信息的获取。教育管理服务，通过构建智慧化教育管理服务平台，提供行政办公、教务考务、后勤管理等服务。面向教师提供办公/排课、档案管理、教学质量评价等服务；面向学生提供选课、档案/成绩管理、综合评价等服务。图5-2教务管理服务成绩、档案管理综合评价教师5.2.2产业现状5.2.3场景价值智慧管理智慧管理图5-3教育空间图5-3教育空间学生空间教师空间教师空间包括教学管理、师生互动、个人空间等服务。教学管理涵盖教师任教课程情况、任教课程资源、学生作品展区、成绩册等管理；师生互动面向师生提供互动讨论社区；个人空间包括教师信息，个人日志、微博、相册等。学生空间学生空间包括学生个人信息、学习管理和个人空间等服务。学习管理涵盖作业、学习过程记录、课程信息、实践信息和成长记录等；个人空间包括分享个人心得和感悟的日志、微博、相册等。家长空间家长空间构建了家长与学校的互动交流平台。通过家校互动，家长可及时了解孩子在学校的出勤、学习、生活、运动等情况，如孩子进出校门、校内表现、考试测评、身体健康等，以及学校的各种教学信息、计划安排和动态新闻，并能通过平台与学校互动交流。5.3.2产业现状随着三通两平台建设的推进，作为三通之一的教育空间平台已在各地区得以建设，但目前大都部署在私有云或在内部网络建设，还很少有平台部署在公有云上。随着教育信息化2.0的“互联网+教育”大平台战略的推进，未来必然是走向云化、智能化，更好地提供教育服务。5.3.3场景价值教务空间方便师生互动、家校互动，使教师、家长、学生都参与到学生的学习管理中，有利于基于学生个体进行精准规划和指导，提升教育质量和服务水平。5.4成长档案5.4成长档案图5-4成长档案综合价学习档案运动档案形成动态成长档案。包括以记录学习成绩、成长过程为主的学习档案，以记录体验成绩、课外运动为主的运动档