摘要：为应对未来5G网络创新应用场景下对于网络服务的各种需求，移动边缘计算技术应运而生，本文围绕“服务配置、服务调度、服务质量”三个内容开展研究，对5G网络技术在建设智慧校园中的应用展开研究，并根据5G在智慧校园中的沉浸式学习空间教育应用、智慧平安校园应用、混合式实验教学应用、移动泛在学习应用、教师专业素养培养系统应用等进行系统的阐述，促进5G网络技术和智慧校园的共同发展，提升网络服务质量和校园用户体验，实现资源的高效分配、公平利用，满足新兴应用的智慧校园服务需求。
关键词：5G网络技术；智慧校园；教育信息化
一、引言
2013年欧盟开始加快发展5G网络技术，5G网络技术的各项通用标准和相关技术得到长足发展。2019年，中国工信部获准颁发国内首个5G无线电通信设备进网许可证，这一举措标志着5G技术开始正式进入公用商用网络，同时各类5G技术也得到大规模发展应用。5G作为我国“新基建”战略的重要支柱，逐渐改变着社会。5G网络技术对比4G，凭借高速性、便携性、高可靠性、时延低、超大容量连接等特点，大大提高了网络的使用感受。2019年的《5G+智慧教育白皮书》，详细解释了5G网络部署针对学校展开的一系列关于软硬件设备部署、数字教学场景设置、教育教学配套模式创新等各种对策，助力智慧校园建设。新型5G智慧校园是由5G信息技术为引领的新型智慧校园，它依托5G网络和相应的驱动智能技术应用，如物联网、云计算、人工智能、大数据等，促使内部多要素的融合与升级，实现智能化的全面覆盖，涉及基础设施、校园交通以及产业服务等多个领域，促进智慧教育技术的研发与迭代更新，并与教学过程、方法、模式深度融合，优化各种教学应用场景，促进虚拟仿真和现实应用学习场景的融合，丰富知识内容的表现方式和形式，形成一个层次分明的整体。5G智慧校园在相应的智能运营平台的统一管理下，进一步促进数据融合，发挥数据的运营价值，使得教育应用情景更好地融入到教学模式中，逐步形成智慧教育和智慧校园新格局，有利于构建“校园智能中枢”，从根本上促进校园教育与产业升级与发展[1]。
二、5G智慧校园需求分析与建设思路
（一）5G网络技术特点
2020年是5G建设爆发年，全国主要经济体也在加速推进5G商用落地[2]。5G产业成功的关键因素是5G创新应用生态的发展，同时他将互联扩展到万物互联，5G多种特色的应用场景对于网络的服务质量有极高的要求，需要网络提供确定性的服务。5G网络的整体架构形式偏向于扁平化，数据的传输速率相对于4G网络要快100倍左右，所以可以很好地满足虚拟现实场景等大数据的传输应用；同时5G网络的时延较低，使用起来用户的各种感受会更加的流畅；5G网络可以同时提供多个端口供设备的链接，满足物联网通信的需求。校园专网的用户相对于其他行业专网，具有一定的针对性，用户绝大部分都是教师、学生、行政管理人员。他们在校园内具有一定范围的移动特征[3]，具有实时大规模访问各种网络的需求。对于校园网的架构，5G网络根据校园特点采用小基站模式，叠加多个基站的方式获得大服务器集群，增强了信号强度，解决了移动用户密度大移动性强、网络负载的不均衡、短时间内负载的剧烈变化、建筑物和植被遮挡而产生的信号屏蔽等问题，客观上也降低了被干扰的风险，同时实现校园网络集中接入架构。5G网络技术小基站的各项技术特点，决定了它在校园区域范围内可以高效实现：多种视频上传下载和在线播放需求、实验教学中的VR虚拟现实场景布置、实时流畅在线教学、AR混合现实模拟综合实验教学场景、校园环境车联网管理、复杂教学和实验环境监控和及时反馈等应用，提高高校教育教学、多维度管理服务、科研教研等诸多领域的智能化和信息化水平。
（二）5G智慧校园应用
国际电信联盟ITU召开的ITU-RWP5D第22次会议上确定了未来的5G创新应用场景：3D超高清晰度视频、智慧校园建设、云办公和游戏、增强现实、工业自动化、移动医疗、紧急任务应用、自动驾驶汽车等。这些应用场景对于网络的服务质量（QoS,QualityofService）提出了极高的要求。5G网络技术的不断成熟完善和运营推广，进一步推动相关智能技术、设备和先进理念与教育教学的形式、过程、方式方法互相促进紧密融合，全方位推进大学教育的数字功能化、智慧化的全方位转变和迭代升级，优化学生和教师的教学应用体验，促进线上线下的学习空间有机融合，促进教育应用情景和教学模式的多维度变革[4]。在我国，多所著名大学作为智慧校园建设的先驱者，2010年以后，越来越多高校对教学信息化和智能化提出更高的需求,纷纷参与到智慧校园的建设中去并进行各种校内综合信息平台建设。智慧校园的各种硬件基础，通信网络和相关的各种通信技术的迭代日新月异，智慧校园的建设和应用对5G技术参数、网络带宽、软件配置等多方面提出了更高的要求，通过对网络运行模型的构建，对5G网络的运行态势进行预测性的评估，例如多用户实时进程切换、大批量任务并发操作、高清晰数据在线存储播放功能情况等，都进一步促进5G网络与教育教学的多项促进融合，为学习者提供灵活有效的个性化和群体化学习方式优化。
（三）智慧校园需求分析与建设思路
5G智慧校园是以5G网络技术为基础的新型形式，涉及基础设施、教育教学活动、校园交通、校园产业服务、科研等多个领域，覆盖师生教学的全过程，包括智慧校园网络建设、智慧校园平台建设、智慧校园服务体系建设等多个方面。5G智慧校园通过现代数字信息技术和与之配套的先进的教育教学理念，打造能够全面感知和及时处理大量多维信息的校园综合管理系统，体现校园的多功能综合属性、教育教学属性、高科技属性，实现校内空间资源、物理资源、信息资源，人才资源的高效利用，带来教学方式的彻底改变。国内外高校利用MR技术进行沉浸式学习空间学习的实践研究[5]，例如AR／VR教学、远程示教等多种教学手段大规模使用，各种知识的传导将更具针对性和个性化。同时智慧校园将推动学校精细化运营管理，提升师生的办公和学习效率，改变传统“教和学”的模式，促进大数据融合，从根本上促进校园教育教学和产业升级。在5G智慧校园建设过程中，开展详细的需求分析工作是运营的必要前提。智慧校园的建设人力对象包含各类管理者、服务人员、教师和学生。管理者以校园的发展为目标进行各种决策，对学校资源进行优化整合、提供数据分析等多项服务；学生和教师作为校园的重要服务对象，在日常办公、教学升级与科研孵化等多方面提出需求；对学校整体网络流量运行的需求、态势情况进行提前预测、规划和引导，实现对网络资源的有效预留和配置，避免出现网络堵塞的情况；服务机构主要在交通、文体娱乐、教育资源、医疗服务等方面提升服务质量，提升师生的满意度和幸福感，同时还应该考虑能耗的节省。所以,在高校智慧校园中应用5G网络，实现对数字校园的赋能，发挥数据的运营价值，是学校顺应时展趋势、响应国家部署、自我发展和升华的重要举措。
（四）5G网络技术路线
网络建设采取分析建模和建设应用相结合的方式，定性假设结合定量论证，模型分析结合实验评价的闭环技术路线，分阶段、按任务层层推进，进行研究。项目的实现技术路线如图1所示。图1技术路线智慧校园建设拟利用网络虚拟化和软件定义网络等新兴技术，充分考虑新兴应用的需求特点，设计可定义、可重构的弹性边缘计算架构，从资源管理、流量控制、确定性路由计算等方面展开研究。在建模分析方面，资源联合优化涉及的多业务、多用户、多资源、多约束条件、多目标联合优化，其问题求解尤为困难。因此，采用分而治之的方法，将复杂问题分解为多个简单问题，由简单到复杂，由特殊到一般，逐步展开建设。
三、5G网络技术在智慧校园中的典型应用
5G时代的智慧校园，深度融合5G技术的特点(高速率增强宽带、高可靠性低延迟等)，推动智慧教育场景应用、多空间多时间的移动泛在学习、多元化的综合服务快速响应、教育教学数字化、群体学习个性化路径化的发展。多种典型的应用涵盖了从融合学习空间到智慧平安校园等典型学习和生活领域，结合智慧校园建设的总体框架和实施标准，以5G网络技术为基础赋能多要素的智慧校园典型应用，具体包括：
（一）沉浸式学习空间教育应用
高校以学生教学和教师科研为主，5G技术的充分应用，利用先进的科学信息技术手段，改革教育教学方法和理念[6]。5G网络技术为各种学习空间的融合和应用提供了强大的技术基础支撑，以智能化和互联性为理念，定义教师、学生、学习环境等多层次关系，以各种应用技术手段服务系统为载体，为教师的全方位、多角度、专业化和个性化教学、学生的多空间学习提供条件，实现沉浸式无缝感知和强交互性学习教育空间的应用。
（二）智慧平安校园应用
智慧校园利用5G网络技术提供无缝连接的网络通信保障，为全体师生提供全方位安全服务，充分监控校园的复杂物理环境，围绕师生的学习和生活轨迹，设置全天的视频监控和智能分析，提升校园的安全等级。同时高速稳定的网络确保监控画面的清晰度，提供高清视频安防及预警服务，管理人员在运行过程中进行智能化调节和调度，对死角与盲区进行定点排查，打造安全的学习工作环境。5G网络技术支持对学校师生和生活环境进行实时的健康监测工作，实施个性化服务，利用传感器等高端科技仪器对食堂、实验室、教室、图书馆等公共场所人员的进出和环境进行无死角的探测，能够在一定程度上排除安全隐患。
（三）混合式实验教学中的应用
5G网络技术的高容量、高速率、低时延、高稳定性等多个技术优势，解决了校园范围内的高速率移动传输问题，是多态学习空间形成的重要支撑，也为实验教学的内容、交互方式和实验环境等提供了多维度、多时间、多层次、多空间、多感官、多场域的技术支持。智慧校园集成了虚拟现实技术、AR沉浸式教学技术、高清显示技术和虚拟仿真技术等，融入3D数字化技术的智慧课堂能够用创新型学习取代维持型学习[7]，教师制定学习任务开展实验教学课程相关的活动，解决多内容、多场景实验教学应用问题。智慧校园为学生体验跨空间的深度融合和多模态交互，开展探究式学习、深度实验提供必要条件，形成对现有实验教学、课堂教学、混合教学模式提供综合解决方案，使得学习者在仿真的场景里交互协作学习，整个过程具有高度的实操性和一定的趣味性，激发学习者积极创新性地去完成学习任务。
（四）移动泛在学习应用
泛在学习是学习者利用各种移动终端设备在任意空间和时间，创建或获取学习内容，同时进行交流互动，获取知识的一种学习方式，例如：学生在课前学习信息传递过程中，可以通过实验室虚拟仿真软件等进行学习预习行为，还可以通过视频图像、语音资源、慕课、微课、知识图谱等多种形式完成知识收集；课中系统根据平台收集到的各种学习信息，把具有同类信息特征的学生分成一组，一起进行共性问题解答、个别问题小组讨论以及分类互助答疑；课后系统还可建立多维度评价体系，综合学生评价、教师评价等信息，及时调整课堂教学方式、教学过程和数字教学资源。学生通过泛在学习，促进整体知识的学习和能力的发展。
（五）教师专业素养培养应用
智慧校园将5G网络、智能技术、教育教学多维度融合，作为主导者的教师在5G时代的智慧校园面临多方面的挑战。一方面教师通过5G网络支持的综合平台，通过5G的多项技术手段，以数字资源的形式传递教师教学知识点，实现教学目标和完成教学任务，进一步拓展课堂学习方法，使学科知识与虚拟仿真技术有机结合，促使学生获得积极的感官和感情体验，让数字化、智慧化的教学形式贯穿于课堂，促进多元化教学方式方法的实现；另一方面，教师对于各种数字资源和平台的运用，需要不断提高自己对于数字技术的使用能力，定期进行数字化技术、平台使用技术等的学习、教师自身的综合能力发展与智能技术时代的发展相匹配，充分融合教师教学能力、教学方法和教学理念到人工智能中去。
（六）智慧校园人员管理应用
高校作为人口高度集中的综合场所，需要利用智慧校园的技术手段高效地进行交互处理和控制各种终端设备运行服务。人员管理作为智慧校园建设的重要组成部分，需要实时反馈和及时处理各种多发问题。校园需要结合园区环境在各个校门入口和重要建筑入口，设置访客识别和管理系统加强对出入人员的管理，一般有指纹、刷卡、瞳孔等常见方式，甚至对于用途比较特殊的楼栋，要设置人脸对比和可视化对讲安全系统，以进一步保护重要部门、实验室的安全性，一旦检测出人员异常情况，系统自动连接保安室发出预警。校园内部需要对教师、学生、行政人员、维护人员等进行多种角色考勤，从方便管理和运营的立场出发，在保留传统考勤模式的基础上，增加多种远程考勤模式，多种手机应用接入5G校园网络满足对教师授课和学生上课的考勤要求，同时数据及时上报教务部门和院系，对迟到和缺勤的情况进行反馈，提高教学管理效率。车辆停泊和交通调度在智慧校园管理也非常重要，需要完成停车缴费、超速记载、出入车辆管理、违规处罚等信息实时、准确地传递给校园相关部门，以便于更好地满足各方管理需求。
（七）智慧校园网络安全防范应用
5G网络技术延伸了智慧校园的多种应用功能，为更多的教学场景和管理设备提供了关联服务，但是在及时获得便捷快速服务的同时也大大增大了校园综合智慧管理的难度。首先，校园网络受到更多传输峰值、线上存储容量、处理数据速度等方面的影响，对网络的稳定性、速度、容错能力提出了更高的要求。其次，万物互联模式的发展，校园网络链接到整个外部网络中，攻击情况不可避免，由此带来的各种软、硬件资源的破坏，以及数据资源的暴露、丢失、窃取和泄露，特别是一些重点实验室的重要数据，会对学校造成严重的危害，所以智慧校园考虑从多方面着手增加5G网络的安全等级应用，出现问题的时候能够有效地进行故障定位、问题隔离和快速维护。同时加强各种网络防御工具的应用，多角度、多方位、实时识别检测网络中多种危险病毒模式的变化并及时上报，前瞻性的对抗网络攻击，并自动检查、判断、识别并且修补网络漏洞，强化智慧校园网络的安全性。
四、结语
智慧校园是校园建设的重要方向，也是教育数字化、信息化、智能化、个性化等的具体实现方式，是智慧校园建设的目标和教育教育发展的高级形态。数字信息技术能够有效提升学生对课堂学习的深度认知，帮助学生多空间多时间协同从事创造性的学习活动，实现“教师教学多维度主导—数字信息手段多层次支持—学生主体学习功能化个性化发展—智慧系统协助管理多元化-教育教学方式创新化”的全方位智慧校园体系结构。5G网络技术不仅将改变未来教学手段、教学形式、教学管理等多方面的格局，还为我国创新创业发展提供更为强劲的推动力。所以，“智慧校园+5G网络”的充分融合和合理应用，是高校顺应数字化时代的潮流、构建教育教学新生态的重要保障，促进教育高质量发展。
作者：李春艳 戴志锋 单位：湖北经济学院