随着互联网的发展，云计算、大数据、人工智能（AI）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。5G通过提供人人通信、人机通信和机器之间通信的多种方式，支持移动因特网和物联网的多种应用场景。同时，5G网络通过提供多样化业务需求和业务特征的能力，适应不同教育应用场景的灵活性和多样化的业务需求。
北京邮电大学（以下简称“北邮”）通过校企合作，打造5G+智慧教学和科研应用示范项目。以5G新技术为抓手，通过建立数据标准体系，深化数据应用，实现统一资源、统一数据、统一流程、统一服务、统一门户“五统一”的目标，同步建成一体化运维服务保障体系，为学生、教师提供优质、高效的信息化服务平台。教育与无线通信跨界融合的趋势从教育信息化行业政策、教育信息化需求、教育终端通信能力、无线技术等方面看也初步成熟。
北邮5G专网建设情况
北邮通过部署下沉式MEC（移动边缘计算），建设完成共享、独享两套5G专网。学校打造5G切片+MEC模式，提供满足5G教学的数据传输、大带宽、低时延的网络环境。同时与云数据中心打通，结合切片能力，实现学校师生使用5G手机、5G-CPE或其他5G设备终端（无需通过VPN拨号）随时随地访问校园网内教学、科研及办公等信息化资源，并且可无感切换互联网访问，数据可靠传输、业务安全隔离、设备可管可控，实现内部应用数据高效传输、处理及高服务质量保障。图1为北邮校园5G专网结构，左边部分为人网接入模式，右边部分为物网接入模式。
图1 北邮校园5G专网结构
5G物网建设
为满足学校教学类设备（VR终端、AR终端等）和智慧校园中物联网类设备（巡检机器人、传感器、摄像头等）的接入需求，北邮面向教学设备，通过专享UPF+下沉MEC支持教育物联网设备业务，并提供端到端安全保障，确保数据不出校园内网。在校园机房建设专用的MEC（含UPF），校园物联网终端注册专用DNN，由SMF根据专用DNN为物联网终端选择校园专用UPF提供服务，实现物联网终端数据的本地分流，业务数据可直接送至MEC平台或校园内网。图2为北邮5G物网建设结构。
图2 北邮5G物网建设结构
5G人网建设
面向师生用户，依托UPF智能分流技术，实现在校师生不换卡不换号随时随地访问校园内网，提供公/专网无感切换的优质体验。北邮5G校园专网方案基于运营商人联网进行搭建，校园师生的手机卡完成专网注册认证后，可以通过运营商共享UPF为校园专网用户提供校园内网访问服务，实现基于城市范围的对校园内网的访问。共享UPF作为ULCL-UPF（兼做辅锚点）负责校园专网用户的数据分流。图3为北邮5G人网建设结构。
图3 北邮5G人网建设结构
北邮在打通校园网与运营商的“人联网”，实现认证模式的创新方面做出了探索尝试。北邮制定了统一标准接口，三家运营商按照统一标准接入校园网，实现5G用户二次鉴权实名制访问内网资源，实现基于5G用户群组访问内网的访问控制，并且实现对5G用户的审计、行为分析和管控。认证方式灵活，更加安全可控。
北邮联合教育部认证联盟和通信运营商，开发了基于学校企业微信H5访问的5G校园专网开卡、认证及学工号绑定的服务。如图4所示，校内师生可以登录学校企业微信的5G业务办理页面，选择需要办理业务的运营商链接跳转到业务办理页面，业务办理页面通过教育部认证平台对师生的身份进行认证。认证完成后，进入运营商页面进行业务办理。办理完成后，跳转回企业微信的校园网自服务页面，师生将自己开通的套餐和学工号进行绑定。5G手机号与学工号绑定的数据将会同步到校园网5G AAA网关，用于5G人网卡接入校园网时的身份认证，从而实现学校师生在校外访问校内资源。
图4 北邮5G专网用户开卡绑定流程
基于5G技术的智慧校园建设
如图5所示，北邮5G智慧教育体系架构最下面一层是终端层，校外用户通过物联网卡、人联网卡或CPE设备，接入5G校园专网。校内用户或者校外VPN用户通过WiFi或有线网接入校园网，校园网和5G校园专网是打通状态。第三层是云存储层，5G校园专网直连边缘云MEC，校园网用户可以访问教学云、科研云和管理云。第四层为校内应用系统，学校基于这些应用系统，支撑学校决策，为师生、家长和公众提供服务。在整个框架中，有智慧校园安全体系和运维体系保驾护航。
图5 北邮5G智慧教育体系架构
5G全息教室
北邮作为北京地区首个实现5G信号全覆盖的学校，5G全息远程互动智慧教室在两校区均已完成常态化部署。北邮西土城校区、沙河校区相距近30公里，优质课程资源无法共享。全息教学进行虚拟场景与真实场景的叠加，可以实现远程讲师和全息现场的实时互动，开启两校区学生同上一门课的全新授课模式。5G全息远程直播互动为跨校区授课、讲座、会议等提供了无限可能。全息直播套件是全息互动的核心软件平台，里面包括导播、主备流切换、画面叠加等功能，能够满足远程教师与现场学生互动教学展示的需求。
“5G+全息远程互动”智慧教室将教师的全息影像和声音以低时延、高清晰度实时传送到远端课堂，实现了优质课堂资源的远程共享。全息影像的视觉呈现彰显了技术与教学的深度融合，颠覆性地改变了传统的课堂体验，将小教室变身为跨越时空的“全息智慧大课堂”。
北邮借助5G网络的大带宽、广连接等特点，搭载蓝箱虚拟演播技术，打造了“5G虚拟直播课堂”。将传统的课堂教学采用虚拟三维场景和教师影像进行合成，以信息化、智能化模式进行立体展示，学生可以多终端观看，实现了泛在化学习，强化了教育教学主客体之间的良性互动。
5G智慧体育测评
北邮通过5G+AI赋能体育锻炼和体育考试，建设包括为学生日常体质测试提供基础服务的“体测设备硬件”、为体质测试提供AI人工智能应用支撑的“AI算法”，实现了从入场时的身份核验、开始运动前后的引导、运动时的动作规范性提示全链路的AI分析和交互。通过分析运动场景下的复杂人体动作形态和幅度，对日常锻炼进行校正，对考试成绩进行合规计算，输出测试成绩，降低人工干预。体测设备通过CPE接入5G专网，然后通过校园网连接到北邮校园网内的人脸识别服务器，实现人脸识别，得到学生的基本信息。体测设备采集的学生仰卧起坐视频，通过本地图像识别机器计算仰卧起坐的次数，以及预警错误动作。
5G虚拟实验平台
为支持教学改革，实现跨越虚实空间的学习效果，北邮积极探索以“基于虚拟现实技术的集成电路设计、制造和测试”为一体的虚拟仿真实验教学平台建设。以“反相器集成电路设计、制作及测试实验”为例，实验实施过程如下。在学生端，首先登录虚拟实验平台，选取“反相器集成电路设计、制造及测试实验”；接着设计反相器和加工工艺流程与工艺条件，按照流程进行实验操作，并调整设计和工艺条件，优化实验结果；最后观察实验现象，分析实验数据，完成实验报告。
在教师端，登录虚拟实验平台，选取“反相器集成电路设计、制造及测试实验”，根据教学内容，调整具体实验要求。组织讨论确定实验方案，然后分布指导实验，并检查实验结果批改报告，最后结束实验并退出。
虚拟交互实验不仅节约了高昂的集成电路元器件成本，而且使学生可以在任何时候、任何地点完成实验课程任务，并且可以反复实验，提高个人动手能力。
校内学生可以使用VR眼镜通过CPE接入5G专网完成虚拟交互实验。校外学生则可以将手机插入5G卡，可直接接入5G专网，通过校园网接入虚拟交互实验实训平台，完成远程实验。
5G智慧安防
当前在校大学生心理健康、行为异常、学业荒废等事件频发，为提前预防并有效解决这类问题，北邮基于5G专网开展学生行为数据抓取，通过数据抽取、数据统计、数据分析和数据挖掘等技术，实时、动态掌握学生的在校轨迹和异常行为。对于状态和行为异常的学生，学校进行分级预警和提前干预，实现育人工作的超前化、主动化、精准化，有效防止各类突发事件，提升育人工作的力度和温度。
北邮人工智能学院科研团队联合业务部门一起，通过5G摄像头采集的校园视频，及时发现校园危险行为和异常事件，为校园安全的应急、保障、管理和科学决策提供依据和支撑。智能分析功能包括学生徘徊检测，实现监控场景行人检测、跟踪及行为分析，通过检测徘徊事件和天台危险事件进行预警。根据监控场景中的人数统计，对人群密度进行估计，检测非法聚集事件，实现预警。
在WiFi没有覆盖或者信号弱的地方，高清摄像头通过5G物联网卡，接入5G专网，采集的视频数据通过5G专网传输到校园网，再经过视频网关传输到安防专网，最终汇集到安防平台。安防平台收集到的视频人脸数据，通过安防专网提交到人脸识别服务器，经过比对后，将人员信息通过安防专网返回给安防平台。
目前，我们已经迈入“十四五”建设的关键时期，数字技术正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、政治、文化等各领域和全过程，给人类生产生活带来广泛而深刻的影响。未来，北邮将通过5G+智慧教育的持续创新，促进教育信息化建设，最终辅助智慧教育走向智能化、感知化、泛在化的教育新模式。
来源：《中国教育网络》2024年4月刊
作者：朱晓瑛、乔秀全、胡燕、李永杰（北京邮电大学信息化技术中心）
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