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摘要：為應對未來5g網(wǎng)絡創(chuàng)新應用場景下對于網(wǎng)絡服務的各種需求，移動邊緣計算技術應運而生，本文圍繞“服務配置、服務調(diào)度、服務質(zhì)量”三個內(nèi)容開展研究，對5G網(wǎng)絡技術在建設智慧校園中的應用展開研究，并根據(jù)5G在智慧校園中的沉浸式學習空間教育應用、智慧平安校園應用、混合式實驗教學應用、移動泛在學習應用、教師專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)系統(tǒng)應用等進行系統(tǒng)的闡述，促進5G網(wǎng)絡技術和智慧校園的共同發(fā)展，提升網(wǎng)絡服務質(zhì)量和校園用戶體驗，實現(xiàn)資源的高效分配、公平利用，滿足新興應用的智慧校園服務需求。

關鍵詞：5G網(wǎng)絡技術；智慧校園；教育信息化

一、引言

2013年歐盟開始加快發(fā)展5G網(wǎng)絡技術，5G網(wǎng)絡技術的各項通用標準和相關技術得到長足發(fā)展。2019年，中國工信部獲準頒發(fā)國內(nèi)首個5G無線電通信設備進網(wǎng)許可證，這一舉措標志著5G技術開始正式進入公用商用網(wǎng)絡，同時各類5G技術也得到大規(guī)模發(fā)展應用。5G作為我國“新基建”戰(zhàn)略的重要支柱，逐漸改變著社會。5G網(wǎng)絡技術對比4G，憑借高速性、便攜性、高可靠性、時延低、超大容量連接等特點，大大提高了網(wǎng)絡的使用感受。2019年發(fā)布的《5G+智慧教育白皮書》，詳細解釋了5G網(wǎng)絡部署針對學校展開的一系列關于軟硬件設備部署、數(shù)字教學場景設置、教育教學配套模式創(chuàng)新等各種對策，助力智慧校園建設。新型5G智慧校園是由5G信息技術為引領的新型智慧校園，它依托5G網(wǎng)絡和相應的驅(qū)動智能技術應用，如物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等，促使內(nèi)部多要素的融合與升級，實現(xiàn)智能化的全面覆蓋，涉及基礎設施、校園交通以及產(chǎn)業(yè)服務等多個領域，促進智慧教育技術的研發(fā)與迭代更新，并與教學過程、方法、模式深度融合，優(yōu)化各種教學應用場景，促進虛擬仿真和現(xiàn)實應用學習場景的融合，豐富知識內(nèi)容的表現(xiàn)方式和形式，形成一個層次分明的整體。5G智慧校園在相應的智能運營平臺的統(tǒng)一管理下，進一步促進數(shù)據(jù)融合，發(fā)揮數(shù)據(jù)的運營價值，使得教育應用情景更好地融入到教學模式中，逐步形成智慧教育和智慧校園新格局，有利于構(gòu)建“校園智能中樞”，從根本上促進校園教育與產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展[1]。

二、5G智慧校園需求分析與建設思路

（一）5G網(wǎng)絡技術特點

2020年是5G建設爆發(fā)年，全國主要經(jīng)濟體也在加速推進5G商用落地[2]。5G產(chǎn)業(yè)成功的關鍵因素是5G創(chuàng)新應用生態(tài)的發(fā)展，同時他將互聯(lián)擴展到萬物互聯(lián)，5G多種特色的應用場景對于網(wǎng)絡的服務質(zhì)量有極高的要求，需要網(wǎng)絡提供確定性的服務。5G網(wǎng)絡的整體架構(gòu)形式偏向于扁平化，數(shù)據(jù)的傳輸速率相對于4G網(wǎng)絡要快100倍左右，所以可以很好地滿足虛擬現(xiàn)實場景等大數(shù)據(jù)的傳輸應用；同時5G網(wǎng)絡的時延較低，使用起來用戶的各種感受會更加的流暢；5G網(wǎng)絡可以同時提供多個端口供設備的鏈接，滿足物聯(lián)網(wǎng)通信的需求。校園專網(wǎng)的用戶相對于其他行業(yè)專網(wǎng)，具有一定的針對性，用戶絕大部分都是教師、學生、行政管理人員。他們在校園內(nèi)具有一定范圍的移動特征[3]，具有實時大規(guī)模訪問各種網(wǎng)絡的需求。對于校園網(wǎng)的架構(gòu)，5G網(wǎng)絡根據(jù)校園特點采用小基站模式，疊加多個基站的方式獲得大服務器集群，增強了信號強度，解決了移動用戶密度大移動性強、網(wǎng)絡負載的不均衡、短時間內(nèi)負載的劇烈變化、建筑物和植被遮擋而產(chǎn)生的信號屏蔽等問題，客觀上也降低了被干擾的風險，同時實現(xiàn)校園網(wǎng)絡集中接入架構(gòu)。5G網(wǎng)絡技術小基站的各項技術特點，決定了它在校園區(qū)域范圍內(nèi)可以高效實現(xiàn)：多種視頻上傳下載和在線播放需求、實驗教學中的VR虛擬現(xiàn)實場景布置、實時流暢在線教學、AR混合現(xiàn)實模擬綜合實驗教學場景、校園環(huán)境車聯(lián)網(wǎng)管理、復雜教學和實驗環(huán)境監(jiān)控和及時反饋等應用，提高高校教育教學、多維度管理服務、科研教研等諸多領域的智能化和信息化水平。

（二）5G智慧校園應用

國際電信聯(lián)盟ITU召開的ITU-RWP5D第22次會議上確定了未來的5G創(chuàng)新應用場景：3D超高清晰度視頻、智慧校園建設、云辦公和游戲、增強現(xiàn)實、工業(yè)自動化、移動醫(yī)療、緊急任務應用、自動駕駛汽車等。這些應用場景對于網(wǎng)絡的服務質(zhì)量（QoS,QualityofService）提出了極高的要求。5G網(wǎng)絡技術的不斷成熟完善和運營推廣，進一步推動相關智能技術、設備和先進理念與教育教學的形式、過程、方式方法互相促進緊密融合，全方位推進大學教育的數(shù)字功能化、智慧化的全方位轉(zhuǎn)變和迭代升級，優(yōu)化學生和教師的教學應用體驗，促進線上線下的學習空間有機融合，促進教育應用情景和教學模式的多維度變革[4]。在我國，多所著名大學作為智慧校園建設的先驅(qū)者，2010年以后，越來越多高校對教學信息化和智能化提出更高的需求,紛紛參與到智慧校園的建設中去并進行各種校內(nèi)綜合信息平臺建設。智慧校園的各種硬件基礎，通信網(wǎng)絡和相關的各種通信技術的迭代日新月異，智慧校園的建設和應用對5G技術參數(shù)、網(wǎng)絡帶寬、軟件配置等多方面提出了更高的要求，通過對網(wǎng)絡運行模型的構(gòu)建，對5G網(wǎng)絡的運行態(tài)勢進行預測性的評估，例如多用戶實時進程切換、大批量任務并發(fā)操作、高清晰數(shù)據(jù)在線存儲播放功能情況等，都進一步促進5G網(wǎng)絡與教育教學的多項促進融合，為學習者提供靈活有效的個性化和群體化學習方式優(yōu)化。

（三）智慧校園需求分析與建設思路

5G智慧校園是以5G網(wǎng)絡技術為基礎的新型形式，涉及基礎設施、教育教學活動、校園交通、校園產(chǎn)業(yè)服務、科研等多個領域，覆蓋師生教學的全過程，包括智慧校園網(wǎng)絡建設、智慧校園平臺建設、智慧校園服務體系建設等多個方面。5G智慧校園通過現(xiàn)代數(shù)字信息技術和與之配套的先進的教育教學理念，打造能夠全面感知和及時處理大量多維信息的校園綜合管理系統(tǒng)，體現(xiàn)校園的多功能綜合屬性、教育教學屬性、高科技屬性，實現(xiàn)校內(nèi)空間資源、物理資源、信息資源，人才資源的高效利用，帶來教學方式的徹底改變。國內(nèi)外高校利用MR技術進行沉浸式學習空間學習的實踐研究[5]，例如AR／VR教學、遠程示教等多種教學手段大規(guī)模使用，各種知識的傳導將更具針對性和個性化。同時智慧校園將推動學校精細化運營管理，提升師生的辦公和學習效率，改變傳統(tǒng)“教和學”的模式，促進大數(shù)據(jù)融合，從根本上促進校園教育教學和產(chǎn)業(yè)升級。在5G智慧校園建設過程中，開展詳細的需求分析工作是運營的必要前提。智慧校園的建設人力對象包含各類管理者、服務人員、教師和學生。管理者以校園的發(fā)展為目標進行各種決策，對學校資源進行優(yōu)化整合、提供數(shù)據(jù)分析等多項服務；學生和教師作為校園的重要服務對象，在日常辦公、教學升級與科研孵化等多方面提出需求；對學校整體網(wǎng)絡流量運行的需求、態(tài)勢情況進行提前預測、規(guī)劃和引導，實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的有效預留和配置，避免出現(xiàn)網(wǎng)絡堵塞的情況；服務機構(gòu)主要在交通、文體娛樂、教育資源、醫(yī)療服務等方面提升服務質(zhì)量，提升師生的滿意度和幸福感，同時還應該考慮能耗的節(jié)省。所以,在高校智慧校園中應用5G網(wǎng)絡，實現(xiàn)對數(shù)字校園的賦能，發(fā)揮數(shù)據(jù)的運營價值，是學校順應時代發(fā)展趨勢、響應國家部署、自我發(fā)展和升華的重要舉措。

（四）5G網(wǎng)絡技術路線

網(wǎng)絡建設采取分析建模和建設應用相結(jié)合的方式，定性假設結(jié)合定量論證，模型分析結(jié)合實驗評價的閉環(huán)技術路線，分階段、按任務層層推進，進行研究。項目的實現(xiàn)技術路線如圖1所示。圖1技術路線智慧校園建設擬利用網(wǎng)絡虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡等新興技術，充分考慮新興應用的需求特點，設計可定義、可重構(gòu)的彈性邊緣計算架構(gòu)，從資源管理、流量控制、確定性路由計算等方面展開研究。在建模分析方面，資源聯(lián)合優(yōu)化涉及的多業(yè)務、多用戶、多資源、多約束條件、多目標聯(lián)合優(yōu)化，其問題求解尤為困難。因此，采用分而治之的方法，將復雜問題分解為多個簡單問題，由簡單到復雜，由特殊到一般，逐步展開建設。

三、5G網(wǎng)絡技術在智慧校園中的典型應用

5G時代的智慧校園，深度融合5G技術的特點(高速率增強寬帶、高可靠性低延遲等)，推動智慧教育場景應用、多空間多時間的移動泛在學習、多元化的綜合服務快速響應、教育教學數(shù)字化、群體學習個性化路徑化的發(fā)展。多種典型的應用涵蓋了從融合學習空間到智慧平安校園等典型學習和生活領域，結(jié)合智慧校園建設的總體框架和實施標準，以5G網(wǎng)絡技術為基礎賦能多要素的智慧校園典型應用，具體包括：

（一）沉浸式學習空間教育應用

高校以學生教學和教師科研為主，5G技術的充分應用，利用先進的科學信息技術手段，改革教育教學方法和理念[6]。5G網(wǎng)絡技術為各種學習空間的融合和應用提供了強大的技術基礎支撐，以智能化和互聯(lián)性為理念，定義教師、學生、學習環(huán)境等多層次關系，以各種應用技術手段服務系統(tǒng)為載體，為教師的全方位、多角度、專業(yè)化和個性化教學、學生的多空間學習提供條件，實現(xiàn)沉浸式無縫感知和強交互性學習教育空間的應用。

（二）智慧平安校園應用

智慧校園利用5G網(wǎng)絡技術提供無縫連接的網(wǎng)絡通信保障，為全體師生提供全方位安全服務，充分監(jiān)控校園的復雜物理環(huán)境，圍繞師生的學習和生活軌跡，設置全天的視頻監(jiān)控和智能分析，提升校園的安全等級。同時高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡確保監(jiān)控畫面的清晰度，提供高清視頻安防及預警服務，管理人員在運行過程中進行智能化調(diào)節(jié)和調(diào)度，對死角與盲區(qū)進行定點排查，打造安全的學習工作環(huán)境。5G網(wǎng)絡技術支持對學校師生和生活環(huán)境進行實時的健康監(jiān)測工作，實施個性化服務，利用傳感器等高端科技儀器對食堂、實驗室、教室、圖書館等公共場所人員的進出和環(huán)境進行無死角的探測，能夠在一定程度上排除安全隱患。

（三）混合式實驗教學中的應用

5G網(wǎng)絡技術的高容量、高速率、低時延、高穩(wěn)定性等多個技術優(yōu)勢，解決了校園范圍內(nèi)的高速率移動傳輸問題，是多態(tài)學習空間形成的重要支撐，也為實驗教學的內(nèi)容、交互方式和實驗環(huán)境等提供了多維度、多時間、多層次、多空間、多感官、多場域的技術支持。智慧校園集成了虛擬現(xiàn)實技術、AR沉浸式教學技術、高清顯示技術和虛擬仿真技術等，融入3D數(shù)字化技術的智慧課堂能夠用創(chuàng)新型學習取代維持型學習[7]，教師制定學習任務開展實驗教學課程相關的活動，解決多內(nèi)容、多場景實驗教學應用問題。智慧校園為學生體驗跨空間的深度融合和多模態(tài)交互，開展探究式學習、深度實驗提供必要條件，形成對現(xiàn)有實驗教學、課堂教學、混合教學模式提供綜合解決方案，使得學習者在仿真的場景里交互協(xié)作學習，整個過程具有高度的實操性和一定的趣味性，激發(fā)學習者積極創(chuàng)新性地去完成學習任務。

（四）移動泛在學習應用

泛在學習是學習者利用各種移動終端設備在任意空間和時間，創(chuàng)建或獲取學習內(nèi)容，同時進行交流互動，獲取知識的一種學習方式，例如：學生在課前學習信息傳遞過程中，可以通過實驗室虛擬仿真軟件等進行學習預習行為，還可以通過視頻圖像、語音資源、慕課、微課、知識圖譜等多種形式完成知識收集；課中系統(tǒng)根據(jù)平臺收集到的各種學習信息，把具有同類信息特征的學生分成一組，一起進行共性問題解答、個別問題小組討論以及分類互助答疑；課后系統(tǒng)還可建立多維度評價體系，綜合學生評價、教師評價等信息，及時調(diào)整課堂教學方式、教學過程和數(shù)字教學資源。學生通過泛在學習，促進整體知識的學習和能力的發(fā)展。

（五）教師專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)應用

智慧校園將5G網(wǎng)絡、智能技術、教育教學多維度融合，作為主導者的教師在5G時代的智慧校園面臨多方面的挑戰(zhàn)。一方面教師通過5G網(wǎng)絡支持的綜合平臺，通過5G的多項技術手段，以數(shù)字資源的形式傳遞教師教學知識點，實現(xiàn)教學目標和完成教學任務，進一步拓展課堂學習方法，使學科知識與虛擬仿真技術有機結(jié)合，促使學生獲得積極的感官和感情體驗，讓數(shù)字化、智慧化的教學形式貫穿于課堂，促進多元化教學方式方法的實現(xiàn)；另一方面，教師對于各種數(shù)字資源和平臺的運用，需要不斷提高自己對于數(shù)字技術的使用能力，定期進行數(shù)字化技術、平臺使用技術等的學習、教師自身的綜合能力發(fā)展與智能技術時代的發(fā)展相匹配，充分融合教師教學能力、教學方法和教學理念到人工智能中去。

（六）智慧校園人員管理應用

高校作為人口高度集中的綜合場所，需要利用智慧校園的技術手段高效地進行交互處理和控制各種終端設備運行服務。人員管理作為智慧校園建設的重要組成部分，需要實時反饋和及時處理各種多發(fā)問題。校園需要結(jié)合園區(qū)環(huán)境在各個校門入口和重要建筑入口，設置訪客識別和管理系統(tǒng)加強對出入人員的管理，一般有指紋、刷卡、瞳孔等常見方式，甚至對于用途比較特殊的樓棟，要設置人臉對比和可視化對講安全系統(tǒng)，以進一步保護重要部門、實驗室的安全性，一旦檢測出人員異常情況，系統(tǒng)自動連接保安室發(fā)出預警。校園內(nèi)部需要對教師、學生、行政人員、維護人員等進行多種角色考勤，從方便管理和運營的立場出發(fā)，在保留傳統(tǒng)考勤模式的基礎上，增加多種遠程考勤模式，多種手機應用接入5G校園網(wǎng)絡滿足對教師授課和學生上課的考勤要求，同時數(shù)據(jù)及時上報教務部門和院系，對遲到和缺勤的情況進行反饋，提高教學管理效率。車輛停泊和交通調(diào)度在智慧校園管理也非常重要，需要完成停車繳費、超速記載、出入車輛管理、違規(guī)處罰等信息實時、準確地傳遞給校園相關部門，以便于更好地滿足各方管理需求。

（七）智慧校園網(wǎng)絡安全防范應用

5G網(wǎng)絡技術延伸了智慧校園的多種應用功能，為更多的教學場景和管理設備提供了關聯(lián)服務，但是在及時獲得便捷快速服務的同時也大大增大了校園綜合智慧管理的難度。首先，校園網(wǎng)絡受到更多傳輸峰值、線上存儲容量、處理數(shù)據(jù)速度等方面的影響，對網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、速度、容錯能力提出了更高的要求。其次，萬物互聯(lián)模式的發(fā)展，校園網(wǎng)絡鏈接到整個外部網(wǎng)絡中，攻擊情況不可避免，由此帶來的各種軟、硬件資源的破壞，以及數(shù)據(jù)資源的暴露、丟失、竊取和泄露，特別是一些重點實驗室的重要數(shù)據(jù)，會對學校造成嚴重的危害，所以智慧校園考慮從多方面著手增加5G網(wǎng)絡的安全等級應用，出現(xiàn)問題的時候能夠有效地進行故障定位、問題隔離和快速維護。同時加強各種網(wǎng)絡防御工具的應用，多角度、多方位、實時識別檢測網(wǎng)絡中多種危險病毒模式的變化并及時上報，前瞻性的對抗網(wǎng)絡攻擊，并自動檢查、判斷、識別并且修補網(wǎng)絡漏洞，強化智慧校園網(wǎng)絡的安全性。

四、結(jié)語

智慧校園是校園建設的重要方向，也是教育數(shù)字化、信息化、智能化、個性化等的具體實現(xiàn)方式，是智慧校園建設的目標和教育教育發(fā)展的高級形態(tài)。數(shù)字信息技術能夠有效提升學生對課堂學習的深度認知，幫助學生多空間多時間協(xié)同從事創(chuàng)造性的學習活動，實現(xiàn)“教師教學多維度主導—數(shù)字信息手段多層次支持—學生主體學習功能化個性化發(fā)展—智慧系統(tǒng)協(xié)助管理多元化-教育教學方式創(chuàng)新化”的全方位智慧校園體系結(jié)構(gòu)。5G網(wǎng)絡技術不僅將改變未來教學手段、教學形式、教學管理等多方面的格局，還為我國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)發(fā)展提供更為強勁的推動力。所以，“智慧校園+5G網(wǎng)絡”的充分融合和合理應用，是高校順應數(shù)字化時代的潮流、構(gòu)建教育教學新生態(tài)的重要保障，促進教育高質(zhì)量發(fā)展。

作者：李春艷 戴志鋒 單位：湖北經(jīng)濟學院