“5G+智慧教育” 发展及产业图谱白皮书.pdf

0 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 2 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 目录 前言.3 一、“5G+智慧教育”发展背景及现状.4 1.1 5G 与教育融合的意义.4 1.2“5G+智慧教育”国外发展现状.5 1.3“5G+智慧教育”国内发展现状.7 1.4 小结.8 二、“5G+智慧教育”技术发展情况.9 2.1 技术架构概述.9 2.2 终端层.10 2.3 网络层.10 2.4 平台层.13 2.5 应用层.14 2.6 网络和信息安全.15 三、“5G+智慧教育”典型应用场景.17 3.1 5G+智慧教学.17 3.2 5G+智慧考试.27 3.3 5G+智慧评价.33 3.4 5G+智慧校园.36 3.5 5G+区域教育管理.40 四、“5G+智慧教育”产业图谱及产业发展情况.43 4.1 产业图谱.43 4.2 产业发展情况.45 五、“5G+智慧教育”发展面临的挑战及建议.50 5.1“5G+智慧教育”发展面临的挑战分析.50 5.2 促进“5G+智慧教育”发展的策略分析.51 3 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 前 言 当前，以 5G 为代表的新型基础设施成为经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键支撑。教育关系国计民生，是培育人才、提升国家竞争力的重要基石，智慧教育是教育在信息时代的新升华，也是 5G 赋能的重要领域。“5G+智慧教育”促进教育模式变革，推动教育体系重构，助力教育数字化战略行动开展，有力支撑教育高质量发展，受到业界普遍关注，供给侧和用户侧积极探索，技术和应用不断创新。随着“5G+智慧教育”融合持续深入，为研究最新发展情况，由 5G 应用产业方阵和中国互联网协会共同组织，中国信息通信研究院联合产学研用产业链主要单位，编制“5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书。报告分析 5G 与教育融合的意义，梳理国内外“5G+智慧教育”的发展态势，研究最新技术进展，归纳总结“5G+智慧教育”的典型应用场景，征集汇编各场景的代表性案例，绘制产业图谱，并分析产业最新发展情况。本白皮书主要参编单位：中国信息通信研究院，中国电信集团有限公司，中国移动通信集团有限公司，中国联合网络通信有限公司，北京市教育委员会，北京市教育科学研究院，深圳大学，华侨大学，江南大学，华北电力大学，北京航空航天大学，国家开放大学，清华大学，北京邮电大学，江苏金智教育信息股份有限公司，腾讯云计算（北京）有限责任公司，网易有道信息技术（北京）有限公司，北京同方艾威康科技有限公司，讯飞幻境（北京）科技有限公司，长春吉大正元信息技术股份有限公司，华为技术有限公司，中兴通讯股份有限公司，中教云智数字科技有限公司，北京微呼科技有限公司，广东智慧教育研究院，北京世纪好未来教育科技有限公司，北京猿辅导线上学科培训学校，北京爱学习博乐教育科技有限公司，上海松鼠云上人工智能技术有限公司，三盟科技股份有限公司，中关村互联网教育创新中心，天立泰科技股份有限公司，山西云时代智慧城市技术发展有限公司，深圳市洲明科技股份有限公司，二六三网络通信股份有限公司，乐跑体育互联网（武汉）有限公司，北京京东方传感技术有限公司 4 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 1.1 5G 与教育融合的意义与教育融合的意义 随着新一代信息通信技术的发展，智慧教育成为推动教育模式变革、促进教育质量提升的重要引擎，追求教育质量、公平、创新，注重个性化教育、能力全面培养已成为当今教育的共同主题。当前，在数字化转型的背景下，我国的智慧教育发展仍面临如下挑战：一是新型教学模式和管理模式的不断创新对网络性能提出更高要求，虚拟仿真实验/训、全息课堂、智慧校园的安防升级和低碳环保等应用，需要更强的网络灵活性和承载支撑能力。二是数据驱动的过程性教育评价仍待加强，目前教育评价以测试、考试成绩等结果性评价为主，缺少对学生认知、行为、能力等多方面数据的采集，难以开展立体式综合素养评价。三是随着经济发展和国力提升，我国教育事业已取得重大进步，但是依然面临着区域、城乡、校际、群体之间的教育资源分配不均、以及数字鸿沟导致的教育发展不均衡发展等问题。5G 作为新一代信息通信技术的代表，已成为创新最活跃、跨界融合发展最广泛，技术体系中最具活力和增长潜力的领域，5G 与教育教学深度融合，可以丰富智慧教育教学模式、教育管理、教学评价等内涵，能够有效助力解决上述挑战，对全面推动教育数字化转型、支撑教育高质量发展具有重要意义。5G 丰富教育教学手段，提升教学效果。丰富教育教学手段，提升教学效果。5G 的大带宽、广连接、低延时特性，为增强现实（AR）和虚拟现实（VR）、4K/8K 高清直播、全息等技术手段融入教学过程提供了有力的支撑。由 5G+AR/VR 等技术打造的互动教室，可以帮助学生更加直观的观察和理解有关理论，能够在没有风险的前提下进行危险物质的虚拟实验；由 5G+4K/8K 等技术搭建的在线课堂，可以有效改善网络延时卡顿、画面不清晰等问题，为师生的在线交流和互动提供较好的体验和便捷的手段；由 5G+全息技术实现的远程教学，具有较强的临场感、真实感和即时感，可以推动课堂教学模式的创新。5G 进一步丰富了教育教学手段，为学生带来了情景化和沉浸式的学习体验，能够有效助力教学效果和教育质量的提升。5G 助力校园管理和服务，提升师生体验。助力校园管理和服务，提升师生体验。5G 可以打通校园网络传输方面的屏障，广连接特性使“万物互联”的实现成为可能。借助于 5G、物联网等技术，学校的网络、硬件等各类基础设施能够全面升级，实现智慧感知、虚实融合的智慧教室等智能学习空间和教学环境。5G 技术可在视频监控、校舍安全、校车管理、安消协同、环境监测、能耗监控、数字班牌、智能签到和场馆管理等方面发挥积极作用，打造自动、节能、绿色、安全的校园管理，师生、校内管理人员一、“一、“5G+5G+智慧教育”发展背景及现状智慧教育”发展背景及现状 5 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 可以获得更好的网络服务、计算服务、智能服务，带来更丰富便捷的体验效果。5G 促进教育评价改革，提高评价精准性。促进教育评价改革，提高评价精准性。5G 与人工智能（AI）、大数据等技术结合，通过各类数据终端采集，对整个教学过程进行观测和跟踪，能够记录课内与课外、线上与线下、现实与虚拟等诸多场景中的学生痕迹和数据，并进行传输、保存和分析，实现对学生综合素质的多维评价和全面考察。在 5G 技术加持下，基于视频直播互动的远程面试能够打破时间、空间的限制，满足疫情常态化需求，基于云计算、AI 等技术的云考场能够实现考试全程有据可查，确保考试公平。5G 技术支撑的新型评价方式，能够进一步助力教育评价方式的变革和创新，提高评价的智能化、个性化、客观性和精准性。5G 优化资源分配，促进教育公平。优化资源分配，促进教育公平。5G 在线教学、5G 双师课堂、5G 全息投影等教学模式，为教育帮扶提供了新方法。5G 网络的大带宽、低时延等特性，能为偏远地区学生提供画面清晰、无抖动的学习资源，保障了学生享受优质教育资源的权利；通过 5G 网络，可以帮助落后地区学校开齐开足国家规定课程资源，学生同步学习优质校本课程，教师也能借助 5G 网络跨区域实时参与线上教研活动，从而促进教师专业发展，缩小教学质量差距，助力教育公平。1.2“5G+智慧教育智慧教育”国外发展现状国外发展现状 当前，全球多个国家和地区持续推进智慧教育建设，随着 5G 在全球商用范围不断扩大，许多国家开始探索 5G 技术与智慧教育的结合。美国积美国积极尝试极尝试 5G 技术在智慧教育多场景中的应用。技术在智慧教育多场景中的应用。Verizon、T-Mobile、AT&T 等基础电信运营企业通过与学校合作、举办大赛、扶持初创企业、合作研发等多种方式，积极面向中小学、高校等不同学段开展多样化尝试。2019 年，Verizon 公司在俄亥俄州克利夫兰的 Breakthrough SchoolsE Prep Cliffs 校区设立了全美首个 5G Verizon 创新学习实验室，开展 AR/VR 在教育场景应用的实验，并计划在未来五年内增加 4 亿美元的新投资，将 5G 带到 100 所学校。Verizon 与纽约媒体实验室合作举办 Verizon 5G EdTech 挑战赛，旨在利用 5G 技术提升学生专注力、开展教师培训并满足特殊学生群体的学习需求。同时，Verizon 设立 5G 孵化基地，对利用 5G 技术打造教育解决方案的初创企业进行培育，例如纽约大学未来现实实验室的初创团队就在此基地研发出开源的 AR 学习工具 ChalkTalk。T-Mobile 与堪萨斯大学合作，研发综合利用 5G、AI 等技术的远程护士培训解决方案，涵盖大学、实验室、郊区诊所及大型医院不同培训场景。从 2019年开始，AT&T 陆续与普渡大学、得克萨斯农工大学合作开发 5G 测试床，并在康涅狄格大学、6 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 迈阿密大学、田纳西大学诺克斯维尔分校等开展了 5G 技术教育场景的开发应用。2021 年，AT&T与知名 3D 和 AR 阅读应用 Bookful 合作，共同推出基于 5G 网络的大量 AR 童书，提升孩子们的阅读体验。尽管美国开展了多种“5G+智慧教育”尝试，但是目前未在全美范围内进行推广和部署，还停留在介于初始规划、试验和部署之间，教育领域应用场景仍有限。韩国侧重打造韩国侧重打造 5G+AR/VR 的沉浸式和的沉浸式和 5G+AI 的交互式教育应用场景。的交互式教育应用场景。韩国在“5G+战略”中针对教育和文化领域提出了（沉浸式教育）为地方和职业学校提供基于 5G、VR 和 AR 的远程教育和培训。在“5G+智慧教育”实践方面，韩国重点围绕 5G+AR/VR 和远程教育开展。2018年 12 月，韩国首尔延世大学宣布与电信公司 KT 合作推出全球首个 5G 演进网络开放平台，通过 5G 商业网络连接延世大学首尔新村主校区和仁川松岛国际校区，支撑师生开展基于 5G+AR的牙科治疗和室内建筑设计等学科的研究和教学。2019 年，基础电信运营企业 SK Telecom 与韩国陆军学校合作，基于 5G 网络打造智慧陆军学校，将 5G+AR/VR 技术导入军事训练，提升训练沉浸感。2020 年，SK Telecom 与光州教育厅合作，将采用 5G 网络结合 AI 技术打造双向交互式远程教室，为光州 312 所学校的 20 万名学生提供 5G 交互式远程教育服务。2021 年，韩国文化体育观光部宣布将依托 5G 连接平台，在 100 多所学校设立虚拟运动室，今后将使用虚拟运动室定期举办校际比赛。英国聚焦英国聚焦 5G 测试床研究以及测试床研究以及 5G+AR/VR 在多学段学校的应用探索。在多学段学校的应用探索。英国在下一代移动技术：英国 5G 战略中，提出在教育领域重点发展 5G 支持的增强和虚拟现实应用程序，可以让学生通过更加互动的方式以全新的方式学习。2019 年，布里斯托大学基于 5G 网络，成功举办了连接伦敦音乐家和布里斯托音乐爱好者的音乐课，通过 5G 技术实现了两地音乐合奏。2020年英国考文垂大学采用沃达丰 5G 网络，开展 5G+AR/VR 沉浸式教学，让学生充分体验交互式线上学习。2021 年英国首个 5G 沉浸式教室落户苏格兰坎波诺尔德当地一所小学。其他主要国家也开始探索 5G 在校园中的应用。2018 年底，KDDI、三星和日本国际先进电信研究所合作，在东京一所小学实现了基于 5G 的超高清教学。2019 年 11 月，不列颠哥伦比亚大学联合罗杰斯通信公司，打造了加拿大首个 5G 智慧校园，校园内的 5G 基站和边缘计算数据中心支持师生进行 5G 应用测试。2020 年 9 月，加拿大滑铁卢大学也与罗杰斯通信公司合作，开始建设 5G 智慧校园。7 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 1.3“5G+智慧教育智慧教育”国内发展现状国内发展现状 政策支持引导，促进政策支持引导，促进 5G 等信息技术与智慧教育融合发展。等信息技术与智慧教育融合发展。国务院、教育部、工信部等多部门和地方政府分别从国家层面、部委层面和地方层面，持续出台相关政策，促进 5G、AI、大数据等信息技术与教育深度融合，推动教育向更加公平、更高质量的方向发展。国家层面，2022年，二十大报告提出“深入实施科教兴国战略”、“加快建设高质量教育体系”、“推进教育数字化”。部委层面，2020 年 3 月，国家发改委、工信部印发关于组织实施 2020 年新型基础设施建设工程（宽带网络和 5G 领域）的通知，将“5G+智慧教育应用示范”作为 5G 创新应用提升工程重要方向。2021 年 7 月，工信部等十部门发布的5G 应用“扬帆”行动计划（2021-2023 年）中将“5G+智慧教育”列为重点建设方向，探索典型应用场景，以提升教学、管理、科研、服务等各环节的信息化能力。同期，教育部等六部门联合印发的关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见中明确提出，深入应用 5G、AI、大数据等新一代信息技术，充分发挥数据作为新型生产要素的作用，推动教育数字转型，夯实智慧教育发展数字底座。地方层面，截至目前，全国 6 个地区（北京、天津、浙江、山东、河南、陕西）发布的教育信息化“十四五”规划，以及北京、上海、河北、四川等 25 个省、自治区和直辖市的教育发展“十四五”规划，均明确对 5G 与教育融合进行部署，从加快 5G 等新基建建设、推进 5G 与校园网的深度融合等方面促进 5G 在教育领域的应用，其中天津、广东、海南、重庆和云南等地的规划中还明确提出了推动 5G+直播教学、5G 同步课堂、5G+虚拟实验实训等典型场景应用。我国我国 5G 发展秉持适度超前原则，网络规模全球领先。发展秉持适度超前原则，网络规模全球领先。工信部最新数据显示，截至 2022 年底，我国累计建成开通 5G 基站总数达 231.2 万个。全国所有地级市城区、县城城区和 97.7%的乡镇镇区实现 5G 网络覆盖，已建成全球规模最大的 5G 网络，成为全球首个基于独立组网模式规模建设 5G 网络的国家。我国 5G 商用三年来，中国电信、中国移动、中国联通等基础电信运营企业在 5G 上的投资分别达到 865 亿元、3171 亿元、736 亿元，三年总投资共计 4772 亿元。5G 加快与教育、工业、医疗、交通等多个行业融合赋能，5G 应用案例累计超过 2 万个。通过竞赛征集和试点培育，加快通过竞赛征集和试点培育，加快“5G+智慧教育智慧教育”应用创新和规模发展。应用创新和规模发展。2021 年开始，已连续举办两届“绽放杯”5G 应用征集大赛首次设立“智慧教育”专题赛，赛事征集到的智慧教学、智慧校园、智慧考试等 5G 相关的创新解决方案和应用实践，涵盖基础教育、高等教育、职业教育 8 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 和校外教育培训等教育类型，项目数量不断增多，属地呈现华东、中南地区引领，向西部地区扩散的态势。2021 年 9 月，工信部与教育部联合组织开展“5G+智慧教育”应用试点工作，遴选培育一批可规模复制的“5G+智慧教育”典型应用。试点充分调动了政产学研用各方力量，受到各级政府、学校和产业界高度关注和积极响应，全国共征集项目 1244 个，经过自主申报、地方推荐和专家评审等环节遴选出 109 个试点项目，涵盖 5G+互动教学、5G+智能考试、5G+综合评价等多个方向。项目参与主体覆盖学校、电教馆、科研机构、基础电信运营企业和科技企业等多种类型，呈现跨界协同创新特征。1.4 小结小结 国外国外“5G+智慧教育智慧教育”的应用场景和范围有待拓展。的应用场景和范围有待拓展。全球主要国家都重视将 5G 技术运用到教育领域，在推进基础网络建设的同时，开展了部分应用场景的科研和试用，但是目前大部分国家主要关注 5G+AR/VR、5G 远程教学等有限应用场景，5G 在教育教学其他场景的应用有待探索。同时，大部分国家“5G+智慧教育”的应用范围有限，以单校开展为主，覆盖学校数量较少。我国我国“5G+智慧教育智慧教育”应用探索步伐快于国外。应用探索步伐快于国外。目前我国 5G 网络规模全球首位，我国企业声明的 5G 标准必要专利数量蝉联全球前列，5G 与行业融合程度不断加深。我国教育规模全球领先，各地多所学校积极探索“5G+智慧教育”实践落地，涌现出 5G 与“教、考、评、校、管”等教育重点环节结合的多样化场景，5G 赋能教育的作用初显。9 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 2.1 技术架构概述技术架构概述“5G+智慧教育”技术架构如图 1 所示，分为横向的智能终端层、网络传输层、平台数据层和业务应用层，以及纵向贯通的网络和信息安全层。图图 1“5G+智慧教育智慧教育”技术架构图技术架构图 智能终端层作为与用户交互的入口，提供多方位的数据采集和多样化的功能服务。终端层包括学生平板、智能黑板、可穿戴设备等多种感知终端，既是教育数据的采集入口，也是承载各种应用的载体，实现信息的汇总和展示。网络传输层作为高速通道，架起各层之间信息实时高速传输的桥梁。5G 网络通过公共网络和校园专网的方式，支持不同性能需求的教育应用场景，为师生、教育管理者和家长等用户提供便捷、快速、安全的网络服务。平台数据层作为教育信息处理中枢，提供数据汇聚分析、智能终端管控和应用支撑等功能。基于云原生、容器、机器学习等技术，实现对教育数据的存储、处理和分析，并为 5G 应用提供AI、大数据、物联网等能力输出。业务应用层作为展示和交互环节，为学生、教师、教育管理者、家长等用户提供全方位、个性化的全流程服务。主要包括 5G+教育教学、考试、评价、校园和管理等应用场景，是 5G 与教育融合赋能的集中体现。二、“二、“5G+5G+智慧教育”技术发展情智慧教育”技术发展情况况 10 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 网络和信息安全涵盖从终端到应用各层，提供全方位的安全技术和管理能力。基于加密算法、访问控制、专网二次认证等技术，防范数据窃取、身份仿冒、隐私泄露等安全风险，保障“5G+智慧教育”解决方案的网络安全、数据安全和师生隐私。2.2 终端层终端层 从使用场景和面向对象维度出发，教育智能终端主要分为学校机构级和个人消费级两大类，种类多样，功能丰富。学校机构级教育终端主要包括教学平板、智慧大屏、智能黑板、VR 一体机、AR 眼镜、高清直播设备、AI 摄像头、全息设备等，用于学校和培训机构线上线下的教、学、测、评、练等多个环节。个人消费级教育终端主要包括教育 PC、智能作业灯、词典笔、扫描笔、教育电子纸、学习机、错题打印机、手机等，提供学生日常的在线学习、查阅资料、整理错题、快速查词等多种功能。其中，扫描笔、书写笔、学习机等教育智能终端具有较强的场景适配度，既可以用于学校机构，也可用于个人家庭学习。教育智能终端基本由“硬件+软件+内容/服务”三大模块构成，部分教育终端内嵌 Windows、Linux、android、IOS 等操作系统。由于终端形态各异、支撑的功能场景众多，涉及的技术也呈现多样化，主要包括 AMOLED、OLEDoS、Micro-LED 等显示技术，语音识别、机器视觉、手势追踪、人脸识别等感知交互技术，4K/8K 等超高清编解码技术。多种技术快速发展，不断促进教育智能终端的升级迭代，用户体验增强和功能提升。教育智能终端通过 5G CPE、5G 模组、USB Dongle、MiFi 等多种方式接入 5G 网络，目前，由于 5G 芯片和模组价格较高、通用模组普适性好但功能冗余等原因，大部分教育智能终端尚未直接支持 5G，以 5G CPE 为主要接入方式，仅有平板、AR 眼镜等少量终端集成了 5G 模组。未来，随着 5G 模组价格降低、应用门槛下降和“轻量化”5G RedCap 技术发展，支持 5G 接入的教育智能终端或将逐渐增多，催生更多“5G+智慧教育”的新产品、新应用，加速泛在学习环境构建，将通过多端联动实现课内课外、校内校外场景无缝衔接，促进家校社紧密互联。2.3 网络层网络层“5G+智慧教育”三种专网架构基本形成。第一种是基于公网切片的 5G 虚拟专网，通过 QoS和切片等技术，提供一张时延和带宽等有特定 SLA 保障、与公网隔离的网络，具备广域跨省、业务加速、快速开通、业务隔离和成本低等特征，适用于小型学校。第二种是基于 UPF 下沉的5G 混合虚拟专网，通过多频协同、超级上行、QoS 增强、无线资源预留、DNN 等技术的灵活定制，提供一张带宽增强、低时延、数据本地卸载的专有网络，具备上下行带宽增强、超低时延、11 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 数据不出场、覆盖优化等特征，适用于对数据管控、时延要求高的学校。具体部署时，UPF 可部署于临近校园的基础电信运营企业机房内，根据客户需求和业务特征，选择独享或与其他学校共享 UPF；也可将 UPF 直接部署于校园机房内，达到私有化部署，满足数据不出校园的需求。第三种是端到端独立部署的 5G 独立专网，利用超级上行、干扰规避、5G 网络切片和边缘计算等技术，打造一张物理封闭、端到端高性能的专用网络，可根据场景和业务特点，提供端到端全方位精细规划、设计、建设、维护及优化服务，具备超低时延、增强带宽、数据不出场、高隔离、高安全等特征，适用于对安全、性能和自管理要求高的学校。目前，综合考虑业务需求、成本、安全和建设周期等因素，大部分学校和教育机构普遍采用前两种专网架构。基础电信运营企业推出了涵盖上述三种类型的 5G 专网架构。中国电信推出了 5G 定制网，分为“致远”、“比邻”、“如翼”三种服务模式，如图 2 所示，致远模式是面向广域优先型客户提供的定制网服务模式；比邻模式是面向时延敏感型客户提供的定制网服务模式；如翼模式是面向安全敏感型客户提供的定制网服务模式。中国移动推出了“优享”、“专享”、“尊享”三种模式，如图 3 所示，优享网络提供数据不出教育专网、业务隔离和教育业务加速的网络服务；专享网络提供数据存储不出校/区、无线网络增强覆盖的网络业务；尊享提供数据流不出校、高安全、高隔离的专用网络。中国联通推出了“5G 虚拟专网”、“5G 混合专网”和“5G 独立专网”三种模式，如图 4 所示，5G 虚拟专网是基于联通 5G 公网资源，提供与公网数据隔离的虚拟专有网络；5G混合专网是以 5G 数据分流技术为基础，构建的增强带宽、低时延、数据不出园的基础连接网络；5G 独立专网提供一张增强带宽、低时延、物理封闭的基础连接网络。图图 2 中国电信中国电信 5G 定制网定制网“致远致远”、“比邻比邻”、“如翼如翼”组网架构组网架构 12 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 图图 3 中国移动中国移动 5G 专网专网“优享优享”、“专享专享”、“尊享尊享”组网架构组网架构 图图 4 中国联通中国联通“5G 虚拟专网虚拟专网”、“5G 混合专网混合专网”、“5G 独立专网独立专网”组网架构组网架构 除了上述 5G 专网模式，面向师生在校内、本地和全国范围无需 VPN 拨号，通过 5G 网络访问校内资源和公共互联网的需求，基础电信运营企业推出了双域专网/融合专网，可通过基于ULCL 或 DNN 的方案实现校园内外网业务隔离和分流，为校园师生提供在校内、校外（含省内、国内漫游）“不换卡、不换号、无需设置”访问校园内网和互联网的服务。具体部署时，分为共享型 UPF 和独享型 UPF 两大类。共享 UPF 方案架构如图 5（a）所示，主要用于无特殊安全要求的校园，采用全省（地市）共享 UPF 设备进行公私网分流，大网 2C UPF 作为主锚点和互联网出口，地市建设 ULCL UPF 兼做辅锚点，通过数据专线与校园内网对接，实现校园专网用户的数据分流。独享型 UPF 方案架构如图 5（b）所示，主要用于校园信息安全要求高、隔离要求严格、校园内网数据不能出园区等需求的学校，采用独享型 UPF 入驻式部署到校园机房。13 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 图图 5（a）共享）共享 UPF 方案示意图方案示意图 （b）独享）独享 UPF 方案示意图方案示意图 目前，校园内存在光纤、专线等有线网络和 WiFi、4G 等无线网络，网络类型多样，然而这些网络技术各有优势和局限。有线网络具备大带宽、低时延、抗干扰性强等特点，存在缺乏移动性、建设周期相对较长的局限；WiFi 部署方便、成本较低，但覆盖面积小、连接数低；4G 移动性强，但带宽有限、时延较高。5G 网络具备灵活性高、移动增强、大带宽、广连接等特点，通过与现有校园内其他网络技术进行多网融合，能够优势互补，为师生提供高速、便捷、安全、无处不在、无感接入的校园网络。未来，随着 5G 网络建设的持续推进，校园 5G 网络覆盖的广度和深度将不断增强，同时随着 ULCL 分流等技术不断优化，双域专网/融合专网带来的用户体验也将持续提升。2.4 平台层平台层 随着国家“互联网+教育”战略、教育信息化 1.0 和 2.0 等政策不断推进落实，陆续建设了国家级、省市级的教育资源公共服务平台、教育管理公共服务平台和二者融合的“互联网+教育”云平台。各级学校也相继建设了面向智慧教学、教研管理、教务管理等需求的校级云平台。为深入实施国家教育数字化战略行动，基于常态化疫情防控背景下线上教学的需求，国家智慧教育平台于 2022 年 3 月正式上线并不断升级，一期包含国家中小学智慧教育平台、国家职业教育智慧教育平台、国家高等教育智慧教育平台、国家 24365 大学生就业服务平台；7 月进行了二期升级改版，新增了体育美育劳动教育、教育研修和研究生教育三大板块，增设了考试服务、学历学位和留学服务三大服务专区，并启动了试点工作，从整省试点和分项试点两个维度，将省级平台与国家平台进行对接。截至 7 月，国家智慧教育平台的总访客量达到了 4.3 亿人，汇聚了3.4 万条中小学资源、近万门职教课程、2.7 万门慕课、6.5 万条高教资源和 1124 万个就业岗位资源。上述平台的建设离不开虚拟化、容器、云原生等云计算技术，数据库、神经网络、遗传算法 14 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 等大数据技术，以及深度学习、知识计算、知识图谱等 AI 技术的支撑。从构成模块来看，“5G+智慧教育”平台层主要包括应用支撑平台、教育数字中台和数字资源平台三大类子模块，其中应用支撑平台涵盖教育 AI 能力平台、物联能力平台、教学支撑平台等，数据中台包含数据标准管理、主数据管理、数据质量管理、数据交换共享、数据挖掘分析等，数字资源平台囊括教学资源库、数字图书库、科研资源库等。平台各子模块“各司其职”、有机结合，共同支撑上层多种业务应用的开展。例如，教育 AI 能力平台围绕 AI 模型和算法提供数据标注、模型训练、模型推理等能力。物联能力平台提供校园各种联网设备的监测、调节、调度等管控能力。随着智慧教育的快速发展，教育数据的规模激增，数据类型也更加多样化，涵盖结构化数据、半结构化数据、非结构化数据等多种类型，带来了数据管理、共享等挑战。教育数据中台解决数据难打通、数据资产难运营、数据价值难释放等问题，帮助学校及教育主管部门打造数据资产，并向应用层提供敏捷的数据开放能力。教学资源库汇聚了多学段、多学科、多学期的内容资源，包括文本、音频、动画、微课、AR/VR 资源等多种类型，为智慧教学应用的开展提供基础资源。未来，随着教育数字化转型升级的持续推进，各级各类的教育平台将加强互联互通，有力促进公共数字教育资源体系和教育治理公共服务体系建设，不断扩大优质资源共享范围，提升服务有效供给能力。2.5 应用层应用层 5G 与“教、考、评、校、管”教育重点环节融合，催生了多种新兴应用场景。教学环节，5G+高清直播互动课堂、5G+双师课堂、5G+虚拟仿真实验/训等应用为广大师生打造远程互动和沉浸式学习环境，增强课堂生动性和丰富性，扩大优质教育资源共享范围，提升学生学习主观能动性和实际动手能力，促进教学质量提高。考试环节，5G+智慧考务、5G+云考场等应用可提升考前、考中和考后各环节的智慧化和可视化程度，支撑大规模在线考试的便捷开展。评价环节，5G+学生学习情况评价、5G+体质健康评价等应用可构建全面、客观的师生综合评价体系，推动评价的过程化、立体化和精准化变革。校园环节，5G+平安校园、5G+绿色校园等应用可实现校园设备的互联互通，打造更加安全、节能、便捷的校园环境。管理环节，5G+区域教育管理基于教育大数据采集汇聚，有效提升区域教育监管、服务和评估等的成效。应用层与用户交互方式多样，多屏联动发展态势明显。目前，教育网站、教育 APP、小程序、教育智能终端等入口为用户提供云端或本地教育资源访问、教育信息分析展示、教育服务对接等多种功能。随着终端互联互通技术的发展，电脑、平板、手机、投影仪、电视等多种教育应用入口的多屏联动不断加速，实现以用户为中心的资源便捷访问。15 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 随着信息化技术不断发展，“5G+智慧教育”应用呈现智慧化、个性化、泛在化发展趋势。智慧化方面，各应用场景的智能化水平日益增强，功能丰富度和性能不断提升，校园管理将逐渐降低人工依赖，向自主运行方向发展。个性化方面，AI 智能算法、知识图谱等技术持续发展，促进学生画像、定制化资源推送、教学精准化等进一步成熟，打造千人千面的个性化应用。泛在化方面，“5G+智慧教育”的应用范围逐步扩展，应用场景持续挖掘，有力支持无边界学习环境构建，助力教育泛在化开展。2.6 网络和信息安全网络和信息安全 5G 网络为智慧教育带来了从网络接入到应用场景各层级新模式，同时也为智慧教育的网络和信息安全保护提供了新手段，带来了新需求。图 6 展示了“5G+智慧教育”各层的网络和信息安全需求，主要分为两类，一类是传统的网络信息安全需求，如应用数据安全、用户身份认证、平台接入安全、移动终端安全等，这些需求在 5G 网络环境中会有不同的条件和解决手段；另一类是应用 5G 后产生的新场景新需求，如专网二次认证、网络切片隔离等。针对上述需求，由多样化的安全技术构建立体防护体系进行保障，本文重点介绍各层具有典型性和独特性的网络信息安全技术。图图 6“5G+智慧教育智慧教育”各层存在的网络信息安全需求各层存在的网络信息安全需求 终端层的核心需求是需要终端设备具备身份认证、数据加密、完整性验证等安全能力基础支撑，即终端设备需具备密钥存管和密码运算的基础设施。对于 5G 教育终端而言，主要有 5G超级 SIM 卡、终端密码模块可以满足该需求。针对集成 5G 芯片模组的教育终端，基础电信运营企业和芯片卡厂商结合 5G 技术特性和需求，对 SIM 卡进行了升级迭代，产生了各方面能力更强的超级 SIM 卡。通过在硬件层增加 SWP 接口、在 COS 层提供 SUCI 和 GBA 支持、在应用基础能力层提供统一 API 等，5G 超级 SIM 卡能够加密传输用户永久标识 SUPI，并使 5G 终端设备具备加解密、签名验签、电子印章等密码安全能力。终端密码模块主要针对未内置硬件安 16 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 全芯片、通过 CPE 等方式接入的教育终端，基于软件算法实现，可满足终端设备在“5G+智慧教育”各场景中证书、密钥使用安全需求。网络层的核心需求主要是网络接入安全和网络访问安全。应用 5G 后，除了传统的 VPN、安全网关、防火墙等技术外，网络层还可针对 5G 网络特点采用 5G 二次认证、零信任等安全技术。面向高安全保密需求的教育场景，除了通过移动网络的主认证鉴权，通常还需通过数据网络二次认证，包括安全网关、VPDN、5G SA 二次身份认证等方式，其中 5G SA 二次认证是国际标准协议里规定在 SA 组网模式下使用的认证方法，认证过程以基础电信运营企业负责为主、用户参与为辅。原有教育网络与 5G 网络融合后，网络结构复杂度上升，原有边界防护遇到挑战，如“5G+智慧教育”多个场景中存在终端通过 CPE 接入 5G 网络，导致难以通过 SIM 卡验证终端标识身份合法性，“永不做预设信任”的软件定义边界 SDP 零信任组网技术可有效应对上述挑战。平台层和应用层承载海量数据和众多业务，涉及多种安全技术，此处重点介绍作为安全能力基石的密码应用支撑体系，以及对于智慧教育中数据保护具有重要意义的隐私计算技术。作为保护网络与信息安全的重要手段，密码在智慧教育系统的身份识别、安全隔离、信息加密、完整性保护和抗抵赖等方面发挥着不可替代的重要作用。引入 5G 网络后，“5G+智慧教育”密码应用支撑体系应从密码资源、密码支撑、密码服务等方面进行统一规划设计，增加移动 CA、RA系统以及移动终端管理系统。海量教育数据有力支撑多种教育应用开展，随之带来的问题是如何在数据采集、传输、计算、存储中保障师生的数据和隐私安全。隐私计算可在保证数据不泄露的前提下开展隐私集合求交（PSI）、隐私信息检索（PIR）、联合建模、联合预测等数据运算，最终达成在保护参与者隐私前提下，利用数据开展如学生综合评价、个性化教学、AI 监考等智慧教育应用。随着“5G+智慧教育”的不断发展，所需的网络和信息安全技术将有以下发展趋势：一是轻量化，5G 教育终端的形式将更加丰富，大量终端小型化，需要轻量化的安全技术确保终端得到有效防护。二是异构化，“5G+智慧教育”中无论硬件、软件、网络均广泛存在异构情况，相应的安全技术也需随之具备异构化的适应能力。三是全程化，5G 网络让教育连接随处可及，安全技术应伴随用户行为和数据流动全流程，更加强调全程、持续、动态。四是智能化，随着安全大脑等技术发展，安全技术的智能化水平不断提升。17 “5G+智慧教育”发展及产业图谱白皮书 3.1 5G+智慧教学智慧教学 3.1.1 5G+超高清直播互动课堂超高清直播互动课堂 当前我国不同地区、城乡之间的教育水平存在差异，教育资源分布仍不均衡，借助信息化手段的在线互动教学能够助力扩大优质资源共享范围，同时持续的新冠疫情加剧了线上教学的需求。5G+超高清直播互动课堂充分利用 5G 网络的超高速、高可靠、低时延的特性，结合 H.265等超高清视频编解码技术，可以实现 4K 及以上画质、100ms 以内延时、音视频完全同步的在线互动。通过部署融合常态化直播/录播互动教学、视频会议等诸多功能的全互动终端、集成跟踪功能的 4K 云镜摄像机、无线拾音设备和音响等核心设备，综合利用 5G MEC、4K/8K 超高清视频编解码、云计算等技术，5G+超高清直播互动课堂可以有效解决超高清视频传输过程中的卡顿、丢帧和音视频异步等现象，支持师生间、生生间的实时交互反馈，大幅提升师生在线教学的临场感和课堂体验。超高清直播互动课堂对超高清直播互动课堂对 5G 网络通信需求网络通信需求 应用场景应用场景 上行速率上行速率 下行速率下行速率 传输时延传输时延 5G+超高清直播互动课堂（按 35 人/班计算，4K 高清）100Mbps 100Mbps 100ms 代表性案例：代表性案例：5G+超高清直播互动课堂超高清直播互动课堂-腾讯会议在北邮、吉大的落地实践腾讯会议在北邮、吉大的落地实践 腾讯为多所高校提供了以腾讯会议教育版为基础，结合 5G 技术，连通教务教学的 5G+超高清直播互动课堂，满足后疫情时代线上线下混合式教学、毕业答辩、学术交流等需求，有效支撑北京邮电大学、吉林大学等高校规模化开展 5G+超高清线上及混合式教学。技术方面，项目利用北邮和吉大的 5G、F5G 校园网络和腾讯会议教育版搭建超高清课堂，腾讯会议教育版采用基于 Opus 编解码器的 RTP 流媒体传输、带内 FEC+PLC 等核心技术，有效降低超高清教学音视频端到端延时，优化大并发情况下的上下行带宽，确保视频流丢包 70%情况下教学 PPT 画面不花屏不卡顿、音频流丢包 80%情况下师生语音互动仍然流畅。应用成效方面，有效解决了高校大规模线上教学、跨校区远程教学、实时互动等难题，20