5G+智慧校園演進的核心動力是什么?

可管、可控并能提供主動智能服務的網(wǎng)絡是未來智慧校園發(fā)展的基礎，5G的高帶寬、低時延、廣連接技術特性與網(wǎng)絡切片、邊緣計算等技術相結(jié)合，有效解決傳統(tǒng)數(shù)字校園中網(wǎng)絡重復部署、數(shù)據(jù)存儲的安全隱患、無法靈活應對業(yè)務需求、校園智慧性不足等問題?；?G構建邊-云融合的教育專網(wǎng)，將集中在遠端云中心的服務從“核心”下沉到“邊緣”，邊緣計算和云計算相互協(xié)同既保障學校網(wǎng)絡的服務質(zhì)量和數(shù)據(jù)存儲的安全，還使學校能靈活應對業(yè)務變化，高效利用學校大數(shù)據(jù)真正實現(xiàn)智慧教育。

1智慧校園專網(wǎng)建設需求

基于5G的智慧校園專網(wǎng)建設

近年來，大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、虛擬現(xiàn)實、5G等新一代信息技術的發(fā)展和應用，為我國教育信息化發(fā)展帶來全新動力，智慧校園勢必將取代數(shù)字校園成為當今教育信息化領域發(fā)展的主流。許多學校在推進數(shù)字校園建設中已取得了較好的成績，但仍存在亟待解決的問題，如煙囪式建設，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重，網(wǎng)絡靈活性差（余鵬等，2020）；校內(nèi)感知設備零散分布，相互獨立，學校難以統(tǒng)一管理（盧向群等，2019）；校園網(wǎng)絡無法承載多路并發(fā)的高清視頻、AR/VR課堂，阻礙教育業(yè)務的順利開展（盧向群等，2019）；應用服務系統(tǒng)相互獨立，系統(tǒng)數(shù)據(jù)難以支持個性化教育（趙磊磊等，2020）。由于傳統(tǒng)數(shù)字校園采用多種網(wǎng)絡混合的形式，如有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電視網(wǎng)、電話網(wǎng)等，使數(shù)字校園不僅面臨網(wǎng)絡異構互聯(lián)等問題，也無法應對諸多新型應用場景的用網(wǎng)需求，因此只有改變數(shù)字校園的網(wǎng)絡基礎設施才能破解現(xiàn)階段的難題，邁向智慧校園，而建設基于5G的教育專網(wǎng)不失為一種理想的解決方案。

基于5G的教育專網(wǎng)是融合5G切片技術和邊緣計算技術，滿足教育單位業(yè)務、連接、計算、安全等需求的、可管可控可感知的專用云網(wǎng)服務，具有高可靠、低成本、大并發(fā)、提供主動智能服務的特點，是未來學校的新型信息技術基礎設施。由于用網(wǎng)場景的特殊性，學校對網(wǎng)絡的覆蓋范圍與質(zhì)量、時延性、數(shù)據(jù)安全性等性能指標要求較高，因此需要針對教育領域搭建靈活、便捷、安全、可靠、穩(wěn)定、智慧化的教育專用網(wǎng)絡，為智慧校園建設進行深層次賦能。智慧校園專網(wǎng)應滿足以下需求：

1）網(wǎng)絡部署簡潔、經(jīng)濟、靈活：統(tǒng)一學校的網(wǎng)絡承載，使學校無需部署多種網(wǎng)絡，降低學校網(wǎng)絡異構互聯(lián)的成本與復雜性。傳統(tǒng)的數(shù)字校園中，不同業(yè)務場景需要部署多套物理設備，使網(wǎng)絡管理工作異常復雜，5G網(wǎng)絡通過軟件與硬件解耦，實現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡。應用場景發(fā)生變化時，學?？赏ㄟ^軟件設置重構網(wǎng)絡結(jié)構，而非挖溝、打洞、布線等基于實體空間改造網(wǎng)絡，利用5G的技術特性，實現(xiàn)一次性部署網(wǎng)絡多次重復使用，學?？赏ㄟ^網(wǎng)絡管理平臺界面的簡單配置，實現(xiàn)靈活應對新業(yè)務場景的網(wǎng)絡性能與功能要求，明顯降低網(wǎng)絡的運維成本與難度，提高網(wǎng)絡的靈活性。

2）安全可靠的用網(wǎng)環(huán)境：根據(jù)訪問用戶的身份、業(yè)務場景提供針對性的用網(wǎng)環(huán)境。針對學生群體，系統(tǒng)將所有數(shù)字內(nèi)容分層管理，根據(jù)學生的年級、學習需求等提供針對性網(wǎng)絡服務；針對教師群體，實現(xiàn)公私業(yè)務流動無縫切換實現(xiàn)靈活辦公，同時還需保障數(shù)據(jù)的安全性。另外，鑒于數(shù)據(jù)存儲在公有云存在較大泄漏隱患，校園網(wǎng)還需采用邊-云融合的形式實現(xiàn)學校數(shù)據(jù)的專有存儲和管理。

3）靈活穩(wěn)定的網(wǎng)絡設施：針對不同業(yè)務場景提供特定的網(wǎng)絡服務，尤其需要保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。教育數(shù)據(jù)訪問較集中的地方，如平板電腦教室、智慧運動場等，具有訪問的高并發(fā)性，易造成學校網(wǎng)絡阻塞、吞吐量低、傳輸時延增大從而導致用戶體驗差，邊緣服務器的支持使網(wǎng)絡能穩(wěn)定持續(xù)地傳輸數(shù)據(jù)和保持較高的響應速度。針對有多個校區(qū)的學校，校園專網(wǎng)還應能夠支持多個校區(qū)廣域互聯(lián)、內(nèi)部專網(wǎng)統(tǒng)一的訪問控制以及不同校區(qū)專網(wǎng)與公網(wǎng)的流量分類管理與計費。

4）主動智能的網(wǎng)絡服務：5G技術可以推動傳統(tǒng)數(shù)字校園向智慧校園轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)網(wǎng)絡暨服務。5G通信技術賦能傳統(tǒng)數(shù)字校園中孤立的感知設備，實現(xiàn)智能教育裝備互通互聯(lián)，邊緣云智能分析感知終端匯聚的海量“小”數(shù)據(jù)支撐管理人員對校園裝備進行精細化管理和智能化控制。各類智能裝備與物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同工作，支持不同應用場景下的智能感知、識別和數(shù)據(jù)采集，通過大數(shù)據(jù)的分析計算實現(xiàn)按需和主動的智能服務，理解學習的場景和特征，智慧化地適應個體需求，實現(xiàn)從人找信息到信息找人的轉(zhuǎn)換（余勝泉，2016），從而構建萬物互聯(lián)、全面感知、可靠傳輸、智能處理、主動智能的智慧校園。

2應用場景

基于5G的智慧校園專網(wǎng)建設

以5G為代表的前沿技術擁有較大的技術使能潛力，有望變革傳統(tǒng)數(shù)字校園的各類應用場景。將5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計算等技術與教育深度融合，將促進智慧校園發(fā)生重大變革，對傳統(tǒng)的教與學帶來顯著沖擊（余勝泉，2016）。利用5G技術的高帶寬、低時延、大連接的技術特性和切片技術、邊緣計算技術促進智慧校園建設，使得教學環(huán)境智能化、教師服務社會化、人才培養(yǎng)個性化、教學評價多樣化、學校管理科學化（余勝泉，2018）。根據(jù)不同應用場景的網(wǎng)絡需求將5G智慧校園專網(wǎng)的應用場景分為：高帶寬場景、大連接場景、低時延場景和網(wǎng)絡分級管控場景。

1.高帶寬場景

該場景需要采集音視頻等多模態(tài)數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡帶寬要求較高，主要面對的業(yè)務包括：高清視頻遠程教學、AR/VR教學、精準教研智能分析、敏感人群檢測、校園安全行為分析、學生綜合素質(zhì)評價、學習負擔監(jiān)測、學生心理健康預警、課堂交互行為分析、教學預警分析等。

基于5G的智慧校園借助智能化的終端設備將采集到的數(shù)據(jù)安全、可靠、穩(wěn)定地傳輸?shù)皆贫?，?lián)合智能分析技術對數(shù)據(jù)進行深度分析，輔助系統(tǒng)主動、智能地服務教與學，以及支撐學校管理層科學決策。如高清視頻的穩(wěn)定傳輸保障了遠程教學的順利開展，邊緣計算支持網(wǎng)絡的低時延實現(xiàn)機器視覺功能或達到遠程即現(xiàn)場的效果，學?？梢赃M行多地教室同步授課，還能滿足“面對面”個別化教學需求（張坤穎等，2019）。而VR/AR教學也依賴于5G網(wǎng)絡高速率地傳輸數(shù)據(jù)，使教師可開展多種基于VR/AR的教學，如虛擬實驗課、虛擬創(chuàng)客、STEM教育、游戲化學習等寓教于樂的教學形式，給予學生沉浸式的學習體驗，提升學習者的知識感知和保留度。

課堂教學是學校教育的主陣地，借助教育數(shù)據(jù)提升課堂教學效能也依賴于5G網(wǎng)絡。5G網(wǎng)絡匯聚的課堂教學數(shù)據(jù)支撐課堂交互行為分析和教學預警分析，系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果及時向教師反饋課堂教學效果以及預警潛在問題，助力教師為學生提供精準的智能教學服務，真正實現(xiàn)“因材施教”。

利用智能感知技術采集并存儲教學全過程的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術深度分析數(shù)據(jù)，可有效評估學生的學業(yè)成就、學習負擔、心理健康、體質(zhì)狀態(tài)和認知水平（余勝泉，2020），幫助教師基于數(shù)據(jù)實現(xiàn)精準教學和實時獲悉學生的心理、身體健康，提升學習效果的同時促進學生健康成長。

5G網(wǎng)絡除了服務于教學外，也能助力精準教研。穩(wěn)定的網(wǎng)絡通信服務和全方位的物聯(lián)網(wǎng)能收集多方面的教研數(shù)據(jù)并將其可靠地傳輸?shù)皆贫?，?shù)據(jù)中心內(nèi)置的數(shù)據(jù)分析技術智能分析教研數(shù)據(jù)，幫助教師及時發(fā)現(xiàn)自身的問題，助力教師精準破解教學難題（余勝泉，2018）。

學校還可利用分布在各處的高清攝像頭、傳感器等實現(xiàn)高效精準的敏感人群檢測、校園安全行為分析，為學生提供全天候、無死角的安全保障服務，打造綠色、健康、安全的智慧學習環(huán)境。

2.大連接場景

該場景主要服務于以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的業(yè)務場景。在大連接場景下，設備終端分布廣泛、數(shù)量眾多，局部地區(qū)設備密度大。利用5G的技術特性，結(jié)合邊緣計算，為校園終端設備賦予連接性、智能性，實現(xiàn)全場景、全方位、全天候的監(jiān)控與管理，確保校園安全，構建智慧物聯(lián)校園，營造綠色、安全、可靠的教學環(huán)境。代表性的業(yè)務場景包括：電子圍欄、管網(wǎng)自動監(jiān)測、能源使用分析、火災自動預警、無接觸智能門禁等。

電子圍欄是通過物聯(lián)網(wǎng)技術構建的有監(jiān)控的特定安全區(qū)域，用于防止非法侵入或者非法逃逸。通過紅外對射傳感器、5G基站信號定位，并配合高清攝像頭構建的電子圍欄，有效防止區(qū)域非法入侵。5G基站信號定位可以收集到移動終端設備碼信息，并上傳到云平臺，智能監(jiān)控軟件進行大數(shù)據(jù)分析，如碰撞分析、伴隨分析、脫離分析等，實現(xiàn)人員實時監(jiān)控。比如，幼兒園的平安校車，當有小孩脫離安全區(qū)域或滯留車內(nèi)時，系統(tǒng)會自動預警。攝像機對固定區(qū)域進行視頻掃描偵測，如果有人異常闖入，前端會通過預警閃爍、語音提示、激光跟蹤對入侵者進行警示，可應用于校門、圍墻監(jiān)控等場景。

管網(wǎng)自動監(jiān)測借助5G智能終端對學校宿舍、辦公樓的水電、路燈等進行智能化的管控，終端設備將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，自動對各個監(jiān)測點進行實時監(jiān)控，掌握管網(wǎng)內(nèi)動態(tài)?？刂浦行膶K端數(shù)據(jù)進行實時分析掌握校園的能耗使用情況，提升能源利用率，構建綠色智能、人和物可管的智聯(lián)校園。針對各個監(jiān)測點的異常情況，系統(tǒng)自動分析預警，使安全隱患前置化、隱患排查精細化、隱患處置數(shù)據(jù)化，全方位地保障校園安全，建設一個平安和諧的校園環(huán)境。無接觸智能門禁對校園內(nèi)人員、車輛通行進行控制管理，門禁系統(tǒng)同時支持與報警、視頻監(jiān)控實現(xiàn)聯(lián)動響應。

3.低時延場景

該場景中教育裝備遠程控制及實驗儀器遠程共享，對網(wǎng)絡時延要求極高，主要針對的業(yè)務包括：實驗儀器遠程控制、教育機器人控制、智能設備遠程控制等。

實驗教學需要學生通過實際動手操作將理論與實踐相結(jié)合更好地理解教學內(nèi)容，但部分大型儀器昂貴，實驗室提供的設備數(shù)量有限，常常無法滿足學生的學習需求（呂強等，2016）。通過遠程的方式，實現(xiàn)大型儀器遠程操作與共享是一種解決方法。5G與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合給實驗教學帶來發(fā)展機遇，通過構建遠程開放的實驗平臺使學生在沒有教師的監(jiān)督下有充足的時間遠程控制實驗儀器進行遠程實驗（尹學松等，2016）。但遠程實驗的順利開展對通信網(wǎng)絡的實時性要求極高，傳統(tǒng)的校園網(wǎng)絡無法滿足。5G網(wǎng)絡可以將時延降低至1ms，真正為學生帶來“遠程即現(xiàn)場”實驗操作體驗。

除遠程實驗外，教育機器人也成為新一代教育信息化發(fā)展的重要產(chǎn)物。教育機器人分兩類：一種是為教學活動服務的，是教師良好的教學工具，可用于輔助學習者進行機器人領域相關知識的學習與實踐；另一種是教育服務類機器人，被直接用于智能輔助教學過程（盧宇等，2020）。無論哪種教育機器人，都有大量研究發(fā)現(xiàn)它們是教師教育、學生學習的得力助手，5G技術的低時延以及內(nèi)生支持的邊緣技術，可有效支持控制教育機器人所需的快速響應需求，迅速執(zhí)行命令。

另外，隨著教育信息化的持續(xù)發(fā)展，學校引入大量的智能裝備，使校園內(nèi)充斥著種類繁多、數(shù)量眾多的校園智能裝備，給學校管理人員管理裝備帶來很大壓力。5G技術賦能學校高效管理教育裝備，可以對學校的所有教育裝備進行物聯(lián)化和互聯(lián)化，實時收集教學設備運維數(shù)據(jù)，智能化分析，可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)對設備的統(tǒng)一管理和監(jiān)測；可以及時發(fā)現(xiàn)裝備故障，保證教育設備可用性，有效提高區(qū)域裝備使用率；可以實時掌握裝備現(xiàn)狀，為科學采購提供有效數(shù)據(jù)支撐；可支持教學設備間的數(shù)據(jù)流互通互用，實現(xiàn)單點遠程精準控制，通過可視化運營運維界面，有效降低維護成本。

4.網(wǎng)絡分級管控場景

該場景面向綠色、安全校園的需求，主要利用5G的網(wǎng)絡切片技術以及網(wǎng)絡功能虛擬化，對不同身份的用戶進行網(wǎng)絡訪問的安全控制，利用切片技術為學校各類教育業(yè)務構建專用、虛擬、隔離、按需定制的邏輯網(wǎng)絡，滿足不同業(yè)務對網(wǎng)絡能力的差異化需求。傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡中的教師、學生以及外來訪問人員，無論其身份有多大差異，都融合在同一張校園網(wǎng)絡中，對師生的信息安全、數(shù)據(jù)隱私帶來極大隱患。另外，不同應用場景對網(wǎng)絡性能要求差異顯著，如遠程教學的高清視頻傳輸與評價場景中學生行為數(shù)據(jù)采集，若采用同一網(wǎng)絡為多種業(yè)務提供相同的網(wǎng)絡服務，必然導致網(wǎng)絡服務質(zhì)量的相互沖突，難以有效地平衡與管控，也無法達到某些極限場景中的網(wǎng)絡需求。

利用5G的切片技術針對不同業(yè)務場景的用網(wǎng)需求部署專用網(wǎng)絡，一個網(wǎng)絡只包含特定應用場景的功能，可極大提高網(wǎng)絡的服務效率，網(wǎng)絡性能也能得到保障。智慧校園建設中，針對不同業(yè)務類型劃分不同網(wǎng)絡，可以使不同速率要求的業(yè)務都得到滿足；針對學生、教師、外來訪問人員劃分不同網(wǎng)絡，有效保障各類用戶的數(shù)據(jù)安全，同時針對不同身份的用戶進行適當?shù)木W(wǎng)絡訪問控制，如針對學生而言可做到上網(wǎng)行為可溯源，過濾掉不健康的信息和網(wǎng)絡監(jiān)控功能，為學生搭建綠色、健康的校園網(wǎng)絡環(huán)境；針對教學、教研、教管、評價等應用場景，也可以部署專用網(wǎng)絡，保障應用安全、穩(wěn)定、可靠地執(zhí)行。

1邊-云融合的教育專網(wǎng)結(jié)構

基于5G的智慧校園專網(wǎng)建設

5G教育專網(wǎng)既可以服務于學校內(nèi)業(yè)務的開展，也支持校區(qū)間、教育單位之間互通互聯(lián)。它是運營商基于公網(wǎng)無線頻段為教育機構部署的網(wǎng)絡，但與5G公網(wǎng)邏輯隔離。學?；谶\營商的5G網(wǎng)絡部署滿足自身需求的校園專網(wǎng)，具體的校園專網(wǎng)有兩種實現(xiàn)方式：一種是學校內(nèi)部部署的物理隔離的專用網(wǎng)絡，另一種是所有學校共享教育專網(wǎng)的公共網(wǎng)絡資源，使用5G網(wǎng)絡切片技術構建的邏輯隔離的專用網(wǎng)絡（Harrison，2019）。采用第一種方式構建專用網(wǎng)絡，學校間仍相互獨立，每所學校都需要部署全套的5G網(wǎng)絡設備以及承擔校園網(wǎng)絡運維工作，學校之間無法實現(xiàn)集中管理的數(shù)據(jù)共享；第二種專用網(wǎng)絡構建方式依賴于運營商，網(wǎng)絡部署工作與網(wǎng)絡運維工作由專業(yè)的運營商及專業(yè)運維公司承擔。由于第二種網(wǎng)絡本質(zhì)上是所有學校共享同一個物理網(wǎng)絡，避免了第一種網(wǎng)絡構建方式可能導致學校之間不互通的問題，有效支持學校間數(shù)據(jù)共享，支撐教育管理部門依賴學?？陀^、全面的數(shù)據(jù)科學決策。

比較完整、通用的5G教育專網(wǎng)整體架構如圖2所示，各學校的教育專網(wǎng)均可在此通用結(jié)構的基礎上，適當剪裁得到適合本校的專網(wǎng)結(jié)構。專網(wǎng)構建了教育中心云、區(qū)域云和邊緣云的多層級教育云環(huán)境，中心云主要提供全局性的能力服務，如AI數(shù)據(jù)分析、高速互聯(lián)等；區(qū)域云主要實現(xiàn)區(qū)域教育整體管理與資源共享，如區(qū)域性智能教育管理與公服務等；邊緣云主要負責校內(nèi)特色應用以及需要實時控制的應用等，如智能教育裝備管理等。將多級教育單位融合在同一教育專網(wǎng)中，可滿足國家級、區(qū)域級、校園級的數(shù)據(jù)存儲、分析和高速網(wǎng)絡使用需求，使各層級服務能在專網(wǎng)層級融合與多級協(xié)同，實現(xiàn)網(wǎng)絡暨服務，對用戶更便捷透明，避免應用的碎片化與信息孤島現(xiàn)象。教育專網(wǎng)通過覆蓋各級教育單位和學校，匯聚各類應用中的教育基礎數(shù)據(jù)、用戶行為數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換、治理和共享，為管理和教學提供科學、可靠的數(shù)據(jù)支撐，通過教育大數(shù)據(jù)打造教育生態(tài)圈，共同推進教育信息化的發(fā)展。

專網(wǎng)以云網(wǎng)融合的移動邊緣平臺（mobile edge platform，MEP）為基礎，借助5G切片技術和邊緣計算技術將校園內(nèi)部網(wǎng)絡和校間網(wǎng)絡融合，滿足學校內(nèi)部網(wǎng)絡靈活部署、教育數(shù)據(jù)安全可控、校園網(wǎng)絡高速穩(wěn)定以及學校間互通互聯(lián)的需求。移動邊緣平臺部署在學校內(nèi)部，是一體化的5G集成平臺，學校可根據(jù)自身業(yè)務靈活分配網(wǎng)絡資源及控制學校的數(shù)據(jù)流向，既實現(xiàn)本地卸流，加快本地運算速度，又實現(xiàn)學校內(nèi)部數(shù)據(jù)不外泄，公共教育數(shù)據(jù)也可以多級教育單位共享，保證教育單位能獨立管控內(nèi)部網(wǎng)絡，也使各教育單位保持互通。移動邊緣平臺提供系統(tǒng)級的基礎數(shù)據(jù)管理與接入，可打通信息孤島，實現(xiàn)統(tǒng)一門戶，統(tǒng)一認證，統(tǒng)一服務，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理，通過標準化的軟件接口，動態(tài)接入外部應用與能力服務，構建自我優(yōu)化的教育云平臺生態(tài)體系。移動邊緣平臺還支持校園內(nèi)部多終端的數(shù)據(jù)采集和全方位多維度的數(shù)據(jù)分析，為學校師生提供個性化服務。

根據(jù)教育專網(wǎng)的整體架構可進一步設計出多校區(qū)連接的教育專網(wǎng)架構。與傳統(tǒng)數(shù)字校園利用云計算進行集中式數(shù)據(jù)處理不同，多校區(qū)的教育專網(wǎng)以邊云協(xié)同的形式服務于智慧校園，主要包括中心云、邊緣云。中心云將數(shù)據(jù)的計算和存儲功能下沉到“邊緣”后，主要負責管理多個邊緣云以及為邊緣云提供充足的虛擬化資源和各類共性能力服務，并進行網(wǎng)絡調(diào)度、算力分發(fā)使網(wǎng)絡資源利用率最優(yōu)化。由于中心云由大量的虛擬服務器組成，可提供持久化存儲以及為需要大計算量的應用提供資源，如教育數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)分析等。中心云通過教育云網(wǎng)融合管理平臺實現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同的連接和管理，利用核心網(wǎng)專網(wǎng)網(wǎng)關實現(xiàn)學校內(nèi)部網(wǎng)絡與運營商公網(wǎng)的通信，提供安全的連接，保障通信的私密性。而邊緣云承載大量的計算、數(shù)據(jù)存儲功能以及智能終端的管理任務，實現(xiàn)業(yè)務本地化、近距離部署，使網(wǎng)絡具有低時延、高帶寬的傳輸能力。由于邊緣云靠近用戶側(cè)，通過感知用戶使用網(wǎng)絡的情境信息（如網(wǎng)絡負荷、位置等），可有效提升用戶的用網(wǎng)體驗，提高服務質(zhì)量。網(wǎng)絡匯聚節(jié)點可實現(xiàn)本地化的互通互聯(lián)，可有效降低網(wǎng)絡時延、提高網(wǎng)絡帶寬，實現(xiàn)用戶隱私數(shù)據(jù)本地化傳輸與存儲，保障用戶數(shù)據(jù)的安全性。邊云融合解決了傳統(tǒng)云計算平臺負載過大網(wǎng)絡擁塞問題，實現(xiàn)“云-邊-端”一體化的應用分發(fā)，使網(wǎng)絡環(huán)境更穩(wěn)定可靠。

這種邊-云融合的網(wǎng)絡服務形態(tài)，保證了學校網(wǎng)絡的相對獨立性，也為校區(qū)間、學校間、不同層級教育行政部門間的應用互聯(lián)與共享提供了可能。以中心云-邊緣云組成的核心控制系統(tǒng)和服務系統(tǒng)為學校的業(yè)務開展提供了專業(yè)可靠的服務，可以開辟以SaaS為主要形態(tài)的服務市場，將重塑教育信息化軟件市場，由資源與平臺建設轉(zhuǎn)向服務建設。

4應用架構

基于5G的智慧校園專網(wǎng)建設

基于5G教育專網(wǎng)的應用架構包括終端層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)與能力平臺層和智慧校園服務層。學校使用多種智能感知終端、個人終端、教育裝備實現(xiàn)全方位、多角度地收集數(shù)據(jù)，利用5G網(wǎng)絡安全、穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)挖掘技術和學習分析技術深入、全面地分析數(shù)據(jù)，構成八大能力平臺提供多方面的服務：學習、教學、育人、評價、教研、教師培訓、教育管理、公共服務，從而為教師、學生、管理人員提供智能化的支持服務和解決方案。

1.終端層

終端層主要借助各類智能終端全方位地感知智慧教育情境信息以及利用智能終端為學校師生提供個性化服務。智能終端借助5G通信網(wǎng)絡實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的互聯(lián)和通信，使智慧校園能達到智能感知、智慧管理、智慧服務等目的。智能終端主要分為個人終端和教育裝備。

個人終端包括智能手機、筆記本電腦、智慧筆、VR/AR裝備等。師生使用個人終端可以隨時隨地獲取學習資源，與學習同伴實時互動、共享學習資源，終端設備也能實時采集用戶的數(shù)據(jù)，如認知、行為、學習偏好、學習風格等，支撐系統(tǒng)提供個性化的學習服務。

教育裝備包括教學儀器、安防監(jiān)控、帶傳感器的實驗儀器等。常見的教學儀器包括智能麥克、智能大屏、數(shù)字視頻展示臺、音視頻采集器等，是教師面對面教學或遠程教學的基礎性工具。安防監(jiān)控采用高清視頻監(jiān)控以及拾音器等傳感設備實時采集數(shù)據(jù)，全天候地監(jiān)控與管理，確保校園安全。帶傳感器的實驗儀器指各種數(shù)字化的智能儀器，如數(shù)字探究實驗室等，可以采集、傳輸實驗數(shù)據(jù)，并進行分析和安全控制。

個人終端和教育裝備匯聚校園數(shù)據(jù)，為學校智慧管理和個性化服務提供數(shù)據(jù)支撐。海量終端設備接入校園網(wǎng)絡導致網(wǎng)絡負載急劇增加，采用邊云協(xié)同的網(wǎng)絡接入方式能有效應對海量終端接入網(wǎng)絡的需要，多級邊緣云實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流和承載海量的終端接入。智能終端將所采集的“小”數(shù)據(jù)實時傳輸給近端邊緣云，系統(tǒng)主動為用戶提供個性化、智能化服務。

2.網(wǎng)絡層

智慧校園網(wǎng)絡包括核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、無線接入網(wǎng)和邊緣節(jié)點。其中，核心網(wǎng)為信息處理中心，通過控制面和數(shù)據(jù)面分離以及控制面集中化實現(xiàn)本地分流、靈活路由等；無線接入網(wǎng)負責無線網(wǎng)絡的接入，通過控制面與數(shù)據(jù)面分離實現(xiàn)覆蓋與容量的分離，通過簇化集中控制實現(xiàn)無線資源的集中協(xié)調(diào)管理（中國移動政企公司等，2019）；承載網(wǎng)是連接無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡，5G技術的高帶寬、低時延、廣連接特性對承載網(wǎng)的帶寬、容量、時延和組網(wǎng)靈活性方面有較高的需求；邊緣節(jié)點是帶有緩存和計算處理能力的節(jié)點部署在網(wǎng)絡邊緣，與移動設備、傳感器和用戶緊密相連，減少核心網(wǎng)絡負載，降低數(shù)據(jù)傳輸時延。

由于智慧校園往往有多種應用場景，5G網(wǎng)絡切片通過網(wǎng)絡虛擬功能將原有的5G網(wǎng)絡分割為多個相互獨立的虛擬網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡切片都能適配特定的應用場景，提供合理的網(wǎng)絡控制和高效的資源利用。網(wǎng)絡切片技術是在原有的硬件基礎設施中切分出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡切片在設備、接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)方面實現(xiàn)邏輯隔離，適配不同應用場景并滿足用戶的不同需求（萬芬等，2019）。網(wǎng)絡虛擬化是基于通用硬件平臺實現(xiàn)軟件和硬件解耦，學校對網(wǎng)絡設備的維護轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖母律墝W校從重復的物理網(wǎng)絡部署中解放出來，實現(xiàn)一次部署，多次重復使用。學?？蓪Ｗ⒂跒槿熒峁┙虒W、學習、生活相關的適應性服務，既高效滿足特定場景的用網(wǎng)需求，也節(jié)省了學校的財力、物力和人力資源，提升網(wǎng)絡部署效率和資源利用率。

3.數(shù)據(jù)與能力平臺層

數(shù)據(jù)與能力平臺層利用邊緣計算將數(shù)據(jù)的計算和存儲從“核心”下沉到“邊緣”，減少了網(wǎng)絡時延和網(wǎng)絡負荷，使學?？勺灾鞴芸財?shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。數(shù)據(jù)與能力平臺層包括AI/大數(shù)據(jù)平臺、校園基礎數(shù)據(jù)庫、安全管理與運維平臺、個體教育大數(shù)據(jù)、教育應用集成平臺、教育活動大數(shù)據(jù)、云計算平臺、網(wǎng)絡日志數(shù)據(jù)等。

AI/大數(shù)據(jù)平臺、校園基礎數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡日志數(shù)據(jù)為學校最基礎的數(shù)據(jù)，服務于學校各項業(yè)務的開展，學?？筛鶕?jù)自身的業(yè)務需求自主使用相應的數(shù)據(jù)。

云計算平臺主要部署校園網(wǎng)的核心控制系統(tǒng)，是構建數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡基礎。相比于集中部署的云計算平臺，邊緣計算平臺部署于基站側(cè)、基站匯聚側(cè)或核心網(wǎng)邊緣側(cè)，可管理海量的終端設備，提供高可靠低時延組網(wǎng)、數(shù)據(jù)實時計算和緩存加速、網(wǎng)絡能力開放等基礎能力（中國移動政企公司等，2019）。多級邊緣計算為智慧教育提供實時、可靠、智能和泛在的端到端服務。

教育應用集成平臺主要通過標準化的接口，將外部的能力服務、第三方的應用服務按照學校業(yè)務需求，接入校園網(wǎng)絡空間，并對應用進行統(tǒng)一用戶、權限控制、數(shù)據(jù)交換及使用計費的處理。

安全管理和運維平臺涵蓋人、資產(chǎn)相關的安全管理，教學、考試相關的教務管理，裝備的智能管控，以及校園網(wǎng)絡的運維管理。安全管理和運維平臺是建設智慧校園、平安校園、智聯(lián)校園的基礎性平臺。

個體教育大數(shù)據(jù)和教育活動大數(shù)據(jù)主要用來為師生提供個性化的教育服務，其中個體教育大數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)挖掘技術和學習分析技術為個體用戶建模，全面分析和多角度地探究個體學習、生活各方面的發(fā)展狀況，以此提供精準服務。

教育活動大數(shù)據(jù)則主要聚焦于教和學。在學生層面分析認知、行為等數(shù)據(jù)以此了解學習者在教學環(huán)節(jié)或自主學習過程中學習和知識掌握情況等，通過多元、多樣的形式對其進行即時的、精準的評價和干預。在教師層面打造智能服務平臺，減少教師機械、重復的教學工作，發(fā)揮教師育人的核心價值，一方面服務于教師自身的專業(yè)成長，另一方面提升教師的教學效率。

4.智慧校園服務層

智慧校園服務層借助5G的網(wǎng)絡切片技術，針對不同業(yè)務場景的需求將網(wǎng)絡劃分成不同的“車道”，為各業(yè)務提供獨占的網(wǎng)絡環(huán)境，保障所有業(yè)務的網(wǎng)絡帶寬和服務質(zhì)量。智慧校園針對教師、學生、管理人員、家長提供了多樣化的服務，包括學習、教學、育人、評價、教研、教師培訓、教管、公共服務。

學習方面，系統(tǒng)利用多模態(tài)數(shù)據(jù)分析學生的整個學習過程，精準了解學生核心知識的學科能力水平，針對性地提供學習支架支持學生自主學習。

教學方面，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)挖掘技術實時進行學情分析，方便教師及時了解班級的整體學習情況和學生個體的學習進度，實現(xiàn)規(guī)?；蛡€性化結(jié)合的包容性教學。

育人方面，學校致力于打造開放的智慧校園環(huán)境，幫助家長實時了解孩子的學習狀態(tài)、身體狀況和心理狀況，增強家校合作共育，拉進家長與學校的距離。

評價方面，教育大數(shù)據(jù)驅(qū)動教育評價體系的重構，傳統(tǒng)評價方式以教師主觀判斷為主、評價手段和評價內(nèi)容比較單一，而數(shù)據(jù)驅(qū)動的教育評價依據(jù)教育數(shù)據(jù)為學生提供客觀、公正、多元的個性化評價和適應性學習服務，促進學生全面發(fā)展。

教研方面，5G針對傳統(tǒng)教研過程單一的問題提供多種智能協(xié)同教研工具，促進跨區(qū)域的、智能的教學改進交流，結(jié)合系統(tǒng)智能分析教研數(shù)據(jù)幫助教師及時發(fā)現(xiàn)自身的問題，為教師精準推薦優(yōu)質(zhì)的學科資源，提升教師學科能力。學校也充分考慮教師自身的專業(yè)成長，提供優(yōu)質(zhì)的教師培訓。

教管方面，教育管理涉及人和資產(chǎn)的安全管理、教學相關的教務管理以及學校設備的智能管控，5G結(jié)合網(wǎng)絡虛擬技術簡化校園網(wǎng)絡管控、統(tǒng)一智能終端管理，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法為管理人員提供高效、快捷的管理服務。

另外，學校還包含大量的公共服務，如圖書館借閱、校園網(wǎng)絡服務、網(wǎng)絡安全服務等，滿足師生學習、生活方方面面的需求。由于學校為不同用戶提供了相互隔離的網(wǎng)絡環(huán)境，既能保障用戶的數(shù)據(jù)隱私和安全，還能為用戶提供較高質(zhì)量的網(wǎng)絡服務。

5 5G+智慧校園演進的核心動力

基于5G的智慧校園專網(wǎng)建設

可管、可控并能提供主動智能服務的網(wǎng)絡是未來智慧校園發(fā)展的基礎，5G技術三大特性：高帶寬、低時延、大連接，以及邊緣計算、網(wǎng)絡切片技術可以很好地支持智慧校園建設，邊-云融合的5G教育專網(wǎng)將承載智慧校園中教師、學生、管理人員各方面需求，將推進教育信息生態(tài)發(fā)生巨大變化，這種新生態(tài)的核心進化動力體現(xiàn)在以下四個方面：

1）人機融合，主動智能：未來的智慧校園必定是人機協(xié)同的時代，主動智能的環(huán)境將大幅增強人的認知能力，教師與人工智能合作共贏，共同提高教育質(zhì)量。人工智能技術的發(fā)展擴展了人類的認知和思維能力（余勝泉，2019），人工智能技術將為教師賦能。人工智能一方面將教師從簡單、重復的勞動中解放出來，使教師有更多的時間和精力關心學生，提高教學效率；另一方面人工智能助力教師解決各類復雜問題，成為教師的有益助手，幫助教師解決憑一己之力難以解決的難題（余勝泉，2016）。

2）簡化網(wǎng)絡服務：5G教育專網(wǎng)利用切片技術搭建符合學校需求的教育專網(wǎng)，學校由原來的校園網(wǎng)絡搭建者、維護者轉(zhuǎn)變成教育網(wǎng)絡的使用者，而網(wǎng)絡的供應與服務由運營商的專業(yè)人員承擔。簡化網(wǎng)絡服務后極大地降低了學校維護網(wǎng)絡的技術與經(jīng)濟負擔，使學校有更多時間、精力專注于提高學校教育質(zhì)量，為全校師生提供更個性化服務。

3）“人-機-物”三元互聯(lián)：互聯(lián)網(wǎng)的普及以及人人擁有的移動智能終端為學習者的學習提供了極大便利，互聯(lián)網(wǎng)擴展了學習空間，不再將學習局限于實體的物理空間中?；?G技術的智慧校園使“人-機-物”三元互聯(lián)的智能學習空間成為可能。這個學習空間中包括由網(wǎng)絡將教師、學生及有著相似學習興趣的人聚集起來構成的社會學習空間，各類智能終端互通互聯(lián)構成的信息空間，包含各類智能服務的服務空間，以及促進全連接的網(wǎng)絡空間（余勝泉，2020）。智能學習空間中，不同的學習空間、學習情境無縫銜接，智能終端全連接、相互協(xié)同，實時感知教師、學生的需求，提供適應性服務。

4）安全、可控的校園網(wǎng)絡：利用5G網(wǎng)絡的切片技術滿足不同用戶、不同業(yè)務場景的用網(wǎng)需求，提供的網(wǎng)絡相互隔離保障了用戶的用網(wǎng)安全和數(shù)據(jù)隱私，構建安全、可控的校園用網(wǎng)環(huán)境。針對學生訪問的校園網(wǎng)絡，利用網(wǎng)絡進行分層控制，可及時隔離不利于學生成長的有害信息，搭建綠色、健康、安全的校園網(wǎng)絡環(huán)境。針對教師訪問的校園網(wǎng)絡，過濾廣告等無用信息，為教師營造高效、干凈的用網(wǎng)環(huán)境。5G教育專網(wǎng)為青少年提供綠色安全的網(wǎng)絡環(huán)境，整合終端、網(wǎng)絡、應用等多層次安全保障技術，為學校提供定制化的安全保障，同時5G教育專網(wǎng)基于運營商公網(wǎng)改進而來，可完全借鑒電信級大規(guī)模通信網(wǎng)絡安全運營經(jīng)驗，讓學校獲得來自運營商的電信級安全保障服務。
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