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摘要：為應對未來5g網絡創新應用場景下對于網絡服務的各種需求，移動邊緣計算技術應運而生，本文圍繞“服務配置、服務調度、服務質量”三個內容開展研究，對5G網絡技術在建設智慧校園中的應用展開研究，并根據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、教師專業素養培養系統應用等進行系統的闡述，促進5G網絡技術和智慧校園的共同發展，提升網絡服務質量和校園用戶體驗，實現資源的高效分配、公平利用，滿足新興應用的智慧校園服務需求。
關鍵詞：5G網絡技術；智慧校園；教育信息化
一、引言
2013年歐盟開始加快發展5G網絡技術，5G網絡技術的各項通用標準和相關技術得到長足發展。2019年，中國工信部獲準頒發國內首個5G無線電通信設備進網許可證，這一舉措標志著5G技術開始正式進入公用商用網絡，同時各類5G技術也得到大規模發展應用。5G作為我國“新基建”戰略的重要支柱，逐漸改變著社會。5G網絡技術對比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，大大提高了網絡的使用感受。2019年發布的《5G+智慧教育白皮書》，詳細解釋了5G網絡部署針對學校展開的一系列關于軟硬件設備部署、數字教學場景設置、教育教學配套模式創新等各種對策，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網絡和相應的驅動智能技術應用，如物聯網、云計算、人工智能、大數據等，促使內部多要素的融合與升級，實現智能化的全面覆蓋，涉及基礎設施、校園交通以及產業服務等多個領域，促進智慧教育技術的研發與迭代更新，并與教學過程、方法、模式深度融合，優化各種教學應用場景，促進虛擬仿真和現實應用學習場景的融合，豐富知識內容的表現方式和形式，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一管理下，進一步促進數據融合，發揮數據的運營價值，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，有利于構建“校園智能中樞”，從根本上促進校園教育與產業升級與發展[1]。
二、5G智慧校園需求分析與建設思路
（一）5G網絡技術特點
2020年是5G建設爆發年，全國主要經濟體也在加速推進5G商用落地[2]。5G產業成功的關鍵因素是5G創新應用生態的發展，同時他將互聯擴展到萬物互聯，5G多種特色的應用場景對于網絡的服務質量有極高的要求，需要網絡提供確定性的服務。5G網絡的整體架構形式偏向于扁平化，數據的傳輸速率相對于4G網絡要快100倍左右，所以可以很好地滿足虛擬現實場景等大數據的傳輸應用；同時5G網絡的時延較低，使用起來用戶的各種感受會更加的流暢；5G網絡可以同時提供多個端口供設備的鏈接，滿足物聯網通信的需求。校園專網的用戶相對于其他行業專網，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。他們在校園內具有一定范圍的移動特征[3]，具有實時大規模訪問各種網絡的需求。對于校園網的架構，5G網絡根據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、網絡負載的不均衡、短時間內負載的劇烈變化、建筑物和植被遮擋而產生的信號屏蔽等問題，客觀上也降低了被干擾的風險，同時實現校園網絡集中接入架構。5G網絡技術小基站的各項技術特點，決定了它在校園區域范圍內可以高效實現：多種視頻上傳下載和在線播放需求、實驗教學中的VR虛擬現實場景布置、實時流暢在線教學、AR混合現實模擬綜合實驗教學場景、校園環境車聯網管理、復雜教學和實驗環境監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
國際電信聯盟ITU召開的ITU-RWP5D第22次會議上確定了未來的5G創新應用場景：3D超高清晰度視頻、智慧校園建設、云辦公和游戲、增強現實、工業自動化、移動醫療、緊急任務應用、自動駕駛汽車等。這些應用場景對于網絡的服務質量（QoS,QualityofService）提出了極高的要求。5G網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字功能化、智慧化的全方位轉變和迭代升級，優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綜合信息平臺建設。智慧校園的各種硬件基礎，通信網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、網絡帶寬、軟件配置等多方面提出了更高的要求，通過對網絡運行模型的構建，對5G網絡的運行態勢進行預測性的評估，例如多用戶實時進程切換、大批量任務并發操作、高清晰數據在線存儲播放功能情況等，都進一步促進5G網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化。
（三）智慧校園需求分析與建設思路
5G智慧校園是以5G網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、校園產業服務、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智慧校園通過現代數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，體現校園的多功能綜合屬性、教育教學屬性、高科技屬性，實現校內空間資源、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“教和學”的模式，促進大數據融合，從根本上促進校園教育教學和產業升級。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。管理者以校園的發展為目標進行各種決策，對學校資源進行優化整合、提供數據分析等多項服務；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；對學校整體網絡流量運行的需求、態勢情況進行提前預測、規劃和引導，實現對網絡資源的有效預留和配置，避免出現網絡堵塞的情況；服務機構主要在交通、文體娛樂、教育資源、醫療服務等方面提升服務質量，提升師生的滿意度和幸福感，同時還應該考慮能耗的節省。所以,在高校智慧校園中應用5G網絡，實現對數字校園的賦能，發揮數據的運營價值，是學校順應時代發展趨勢、響應國家部署、自我發展和升華的重要舉措。
（四）5G網絡技術路線
網絡建設采取分析建模和建設應用相結合的方式，定性假設結合定量論證，模型分析結合實驗評價的閉環技術路線，分階段、按任務層層推進，進行研究。項目的實現技術路線如圖1所示。圖1技術路線智慧校園建設擬利用網絡虛擬化和軟件定義網絡等新興技術，充分考慮新興應用的需求特點，設計可定義、可重構的彈性邊緣計算架構，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，資源聯合優化涉及的多業務、多用戶、多資源、多約束條件、多目標聯合優化，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、教育教學數字化、群體學習個性化路徑化的發展。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，結合智慧校園建設的總體框架和實施標準，以5G網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，以智能化和互聯性為理念，定義教師、學生、學習環境等多層次關系，以各種應用技術手段服務系統為載體，為教師的全方位、多角度、專業化和個性化教學、學生的多空間學習提供條件，實現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網絡技術提供無縫連接的網絡通信保障，為全體師生提供全方位安全服務，充分監控校園的復雜物理環境，圍繞師生的學習和生活軌跡，設置全天的視頻監控和智能分析，提升校園的安全等級。同時高速穩定的網絡確保監控畫面的清晰度，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節和調度，對死角與盲區進行定點排查，打造安全的學習工作環境。5G網絡技術支持對學校師生和生活環境進行實時的健康監測工作，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網絡技術的高容量、高速率、低時延、高穩定性等多個技術優勢，解決了校園范圍內的高速率移動傳輸問題，是多態學習空間形成的重要支撐，也為實驗教學的內容、交互方式和實驗環境等提供了多維度、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數字化技術的智慧課堂能夠用創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交互，開展探究式學習、深度實驗提供必要條件，形成對現有實驗教學、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作學習，整個過程具有高度的實操性和一定的趣味性，激發學習者積極創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，創建或獲取學習內容，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；課中系統根據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，及時調整課堂教學方式、教學過程和數字教學資源。學生通過泛在學習，促進整體知識的學習和能力的發展。
（五）教師專業素養培養應用
智慧校園將5G網絡、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。一方面教師通過5G網絡支持的綜合平臺，通過5G的多項技術手段，以數字資源的形式傳遞教師教學知識點，實現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合，促使學生獲得積極的感官和感情體驗，讓數字化、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；另一方面，教師對于各種數字資源和平臺的運用，需要不斷提高自己對于數字技術的使用能力，定期進行數字化技術、平臺使用技術等的學習、教師自身的綜合能力發展與智能技術時代的發展相匹配，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問題。校園需要結合園區環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，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，系統自動連接保安室發出預警。校園內部需要對教師、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，在保留傳統考勤模式的基礎上，增加多種遠程考勤模式，多種手機應用接入5G校園網絡滿足對教師授課和學生上課的考勤要求，同時數據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）智慧校園網絡安全防范應用
5G網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，校園網絡受到更多傳輸峰值、線上存儲容量、處理數據速度等方面的影響，對網絡的穩定性、速度、容錯能力提出了更高的要求。其次，萬物互聯模式的發展，校園網絡鏈接到整個外部網絡中，攻擊情況不可避免，由此帶來的各種軟、硬件資源的破壞，以及數據資源的暴露、丟失、竊取和泄露，特別是一些重點實驗室的重要數據，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網絡的安全等級應用，出現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。同時加強各種網絡防御工具的應用，多角度、多方位、實時識別檢測網絡中多種危險病毒模式的變化并及時上報，前瞻性的對抗網絡攻擊，并自動檢查、判斷、識別并且修補網絡漏洞，強化智慧校園網絡的安全性。
四、結語
智慧校園是校園建設的重要方向，也是教育數字化、信息化、智能化、個性化等的具體實現方式，是智慧校園建設的目標和教育教育發展的高級形態。數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同從事創造性的學習活動，實現“教師教學多維度主導—數字信息手段多層次支持—學生主體學習功能化個性化發展—智慧系統協助管理多元化-教育教學方式創新化”的全方位智慧校園體系結構。5G網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，還為我國創新創業發展提供更為強勁的推動力。所以，“智慧校園+5G網絡”的充分融合和合理應用，是高校順應數字化時代的潮流、構建教育教學新生態的重要保障，促進教育高質量發展。
作者：李春艷 戴志鋒 單位：湖北經濟學院