“5G+智慧校園”的創新應用*

張潔雅，毛園園

（山東管理學院 信息工程學院，山東 濟南 250300）

由于物聯網技術的興起以及人工智能的飛速發展，當下的數字校園已不能滿足新時期學校教學、科研、管理和校園生活的發展需求，數字校園的信息共享不充分、數據應用能力薄弱等問題日益凸顯，智慧校園應運而生。浙江大學在2010年首次提出智慧校園理念，該理念認為智慧校園是數字校園的升級，它以物聯網技術作為基礎，輔以大數據、云計算、新一代信息技術等來構建一個安全、穩定、環保和節能的一體化校園環境。智慧校園能夠有效滿足學校關于新時期教育發展的需求，進一步提升學校信息化服務水平，有力保障學校教學改革，是學校實現高效透明校務治理的重要途徑。

近年來，迅速發展的5G通信技術，以其高速率、低延時、泛在網等特性，不斷賦能智慧校園。基于5G網絡環境的智慧校園為廣大師生提供了教學的新方法和新模式，不斷促進著信息科技與教育的融合。隨著5G技術在智慧校園中智慧教室、校園云平臺、校園安全和校園一卡通等多個方面的創新應用，有效地解決了數字校園面臨的問題和困境，從而更好地滿足新時代教育需求，為實現教育信息化2.0行動計劃提供強大推動力。

1 5G時代的開啟

1.1 5G時代

5G又稱第五代移動通信網絡，是最新一代的蜂窩通信移動技術。它與云計算、大數據、人工智能等技術的深度融合，成為加速實體經濟數字化、網絡化、智能化升級的引擎，為我國經濟結構的轉變和經濟模式的重塑提供關鍵支撐。2013年2月，由我國工信部、國家發改委、科技部聯合推動的IMT-2020（5G）推進組正式成立[1]。2018年9月，IMT-2020（5G）推進組宣布中國已全部完成5G技術研發試驗第三階段NSA（非獨立組網）測試工作。2019年6月，工信部正式向電信、移動、聯通、廣電4大運行商頒發5G商用牌照，這也標志著我國正式開啟5G時代。

據全球移動設備供應商協會統計數據顯示，截止到2020年7月，全球38個國家和地區已有92個商用5G網絡，建成了超過70萬個5G基站，5G用戶已超過了一個億[2-3]。5G技術加速推動開放、共建、共享的新型智慧城市建設，從遠程醫療、在線教育到智能智造、智慧交通，從自動駕駛到虛擬現實、AR直播，不斷豐富著智慧城市應用場景。未來5G將會給人們的日常生活帶來翻天覆地的變化，5G時代離我們越來越近。

1.2 5G特點

5G具有高速率、低能耗、低延時、泛在網的特點。如圖1所示。

圖1 5G特點及優勢

高速率：5G網絡的峰值速率可達10Gb/s，比先前的4GLTE蜂窩網絡提高了10～100倍，用戶體驗速率0.1～1Gb/s[4]。即使是下載一個超清視頻也僅僅需要幾秒的時間。高速率的5G網絡將實現對移動寬帶速率要求較高的應用場景，如遠程醫療和遠程教育。

低能耗：隨著通信技術的飛速發展，網絡速度的提升必然導致設備功耗越來越高。5G在帶寬提升幾十倍的情況下，耗能只是原來的兩倍，說明了5G的能效率得到極大地提升。在這個萬物互聯的時代，移動通信網絡具有低能耗性能，物聯網技術產品才能得到更廣泛的應用。

低延時：4G時延是40ms左右，而5G時延低至1ms，相對于4G性能提升了40倍[5]。5G的低延時主要是引入了移動邊緣計算技術，通過將移動邊緣計算部署在網絡邊緣，在移動邊緣部署服務和應用程序，縮短了數據傳輸時間，進而有效減少了端到端的延遲[6]。低延時性能可廣泛靈活地應用于工業自動化、無人駕駛等需要精準控制和及時通信的場景。

泛在網：泛在網是指網絡的全覆蓋。5G基站采用的是小站、微站，小站、微站將從4G時代的局部區域的補盲吸容，轉變成廣域覆蓋的主要解決手段[7]。不斷發展的各種應用需要5G網絡無時不在、無處不在。只有這樣的網絡，才能保障用戶體驗的連續性，才能支撐日趨豐富的業務和復雜的場景。

2 數字校園現面臨的問題

數字校園是借助信息化手段，以網絡為基礎，實現對教學、科研、管理的數字化[8]。它打破了傳統的教學方式、管理方式，實現了教育信息化的初步階段，在一定程度上拓展了校園的時空維度，減少了紙張的浪費。21世紀以來，數字校園得到了極大地發展，數字校園加強了校園組織管理模式，提高了教育質量和效率，豐富了校園文化。但隨著物聯網、大數據的發展，數字化校園已無法滿足信息化發展的需求，傳統數字化校園的不足也開始逐漸凸顯。

（1）數字校園數據共享性差。為了適應教學改革以及科技的發展，學校逐年采用新型技術開發相應的業務平臺，但從現階段來看，各業務平臺相互獨立，缺乏信息共享機制，相互脫節，出現了“信息孤島”的現象，并不能真正實現“一卡通”構想[9]。

（2）網絡環境有待進一步提升。數字校園部署主要采用有線網絡，無線網絡一般只在圖書館等公共領域覆蓋，校園其他區域信號盲區多、不穩定且速度慢。面對日益增加的龐大校園數據，校園服務器開始滿足不了數據管理和數據存儲上大幅度增長的需求。

（3）對智慧教學缺乏有效支撐。數字校園的建設主要是學校門戶網站以及各系統業務平臺的建設，功能上主要側重學校的宣傳通知以及學校日常業務管理等方面，在對現階段遠程教學、名師課堂建設、科研協同創新等智慧教學方面都沒有發揮出有效的作用。

（4）用戶使用體驗差。數字校園的建設，頂端設計往往是服務于學校管理部門，而不是以面向廣大師生的服務為中心，這樣建設的后果必然導致與用戶的互動性較差，且無個性化服務。廣大師生只有在必須使用處理相關業務的前提下才會進行登錄，缺少主動使用的欲望，粘合性低。

圖2 “5G+智慧校園”的創新應用

（5）無法對校園安全提供高質量保障。現有網絡帶寬低，傳輸速度慢，無法做到高清視頻快速清晰傳輸，使安防部門無法實時的接收到高清的畫面。沒有完整的出入考勤設備，無法判別是否有外校人出入，也無法實時查詢學生是否已在校，存在著巨大的安全隱患。

3 “5G+智慧校園”的創新應用

智慧校園是數字校園更高層次的發展階段，是在數字化校園的基礎上結合物聯網、云計算等核心技術打造的一個安全、智能、穩定的校園[9]。如果說以計算機、投影儀、互聯網構成的數字校園是教育信息化1.0時代，那么教育信息化2.0時代便是人工智能+大數據+智慧校園。5G時代的到來給智慧校園建設帶來巨大的機遇，促進了傳統教育的改革升級。在5G網絡環境下，智慧校園實現了網絡傳輸速率快、全校網絡信號覆蓋等基本的網絡需求。師生能隨時隨地進行移動化辦公，碎片化學習。師生之間、同學之間可便捷高效地進行交流互動，答疑解惑。學校的各物聯網設備應用能夠統一高效運行，實現了校園中網絡和物理空間的無縫對接[10]。下文將在5G智慧教室、5G校園云平臺、5G校園安全和校園一卡通四個方面具體描述5G和智慧校園的創新應用。

3.1 5G智慧教室

信息科技融合滲透學校教育，推動學校教育改革的同時提升了教學環境的智能水平。智慧教室是智慧校園的重要組成部分，實現了教與學真正向智能化、個性化的邁進。

（1）智能感知教室

智能感知教室不再是傳統的多媒體網絡教室，它是基于5G無線移動網絡和物聯網技術所打造出的新型學習環境。在智慧校園中應用物聯網能夠實現校園中物理對象的互聯互通，通過全面感知校園環境可以獲取和匯總最新的數據信息并對其進行智能化分析，實時對物體進行控制并反饋相關的信息[11]。智能感知教室通過物聯網傳感器獲取教室的溫度、二氧化碳濃度、光照等物理環境信息，并且分析相關數據。通過5G網絡對教室各方面進行智能調節，為學生創造一個更適合學習的舒適環境。

由于學生的數量和流動量非常龐大，老師對其課堂管理是非常困難的。物聯網技術與5G網絡相結合的智能感知教室，可對教室內師生進行感知分析，實現人臉識別簽到，簡化了繁瑣耗時的點名環節，進而提高上課效率。同時智慧感知教室還可將教室人數進行清點，實時上報教務系統，實現智慧校園平臺空閑教室以及空余座位的線上查詢。

（2）5G智能錄播教室

在新的教學模式中，移動遠程教學占據越來越重要的地位，其實施的過程離不開錄播教室的幫助。傳統的錄播教室需要多臺攝像設備跟拍錄制，手動轉場，后期還需要人工剪輯上傳，耗費大量的人力物力。而智能錄播教室相對于傳統的錄播教室，能實現全自動化、智能化的高清錄播功能。當教師在服務器端點擊錄制按鈕時，安裝在教室的錄制設備開始進行自動跟蹤，自動轉場操作，并且能夠實現對教師、學生和白板進行特寫操作。良好的5G智能錄播教室，能讓高清、高分辨率的視頻在極短的時間內完成傳輸，在直播時給教師與聽眾帶來很好的體驗感和互動感。

教師可以通過5G智能錄播教室完成線上評課任務，以及供學生進行移動化、碎片化學習的微課視頻。同時所錄播的課程可以幫助師資缺乏、教育貧瘠地區的孩子們，讓他們通過網絡觀看名師講座，享受到高質量的教育資源，進而減小各地區教育的差距，實現教育的公平性。

（3）5G+VR情景式實驗室

VR（虛擬現實技術）是一種數據傳輸高要求的技術，得益于仿真技術、計算機圖形學、多媒體技術、傳感技術與網絡技術等多重尖端技術的綜合，VR技術具備多感知性、存在感、交互性和自主性等特征[12]。5G+VR情景式實驗室改變了傳統的教學方式，在這種真實與虛擬相融合的環境中，能夠使教學實驗變得更加安全有趣。教師通過VR技術讓學生將理論知識付諸于實踐，加深學習印象的同時，完全不必擔心由于實驗失誤給學生造成實體傷害。教師也能運用此項技術為學生創設虛擬場景，讓學習不再拘泥于空間的限制，給學生極大地創新想象空間，提高學生的思維創新能力和實踐能力。例如教師在講解生物蛋白質合成課程時，可將課本上的DNA、RNA二維分子結構示意圖和DNA的復制、轉錄、翻譯過程轉換成三維動畫，讓學生清楚的看到DNA合成蛋白質的過程。通過這種真實的感官刺激，學生能夠沉浸在學習的氛圍中，激發出探索的欲望。

3.2 5G智慧校園云平臺

5G智慧校園云平臺是基于云計算、大數據、新一代移動通信技術等最新前沿技術構建的統一平臺，能夠對數據、用戶、資源等進行統一管理，進而打破時空維度限制全方位實現校園信息化。它主要包括智慧教學系統、智慧辦公系統、智慧教務系統和移動學習系統以及家校通系統。

（1）智慧教學系統

智慧教學系統是應用云計算、5G、計算機、多媒體等前沿技術綜合構建的一種創新教學模式，是融合最新教育理念、教育資源和新一代信息技術的具有多種智能應用的師生互動系統。該系統完整支持在線備課、預習自學、直播錄播教學、課堂互動、資源共享、線上考試和電子作業等涵蓋課前、課中、課后教學活動。直播錄播教學改變了傳統的教學方式，在5G技術的支撐下，線上教學可以更加穩定流暢地進行，大容量課件、高清視頻等教學資源在幾秒之內就可以上傳成功，高清錄屏可隨時隨地幫助學生復習所學知識。線上考試，支持整卷導入導出，自動化組卷閱卷。學生答題前有AI身份核驗，答題中AI隨時拍照監考，分析學生行為是否有作弊嫌疑，還有全屏等防作弊限制，全過程實現了考試工作的網絡化、智能化。

（2）智慧辦公系統

智慧辦公系統與教學系統互聯互通，實現了教學系統中的數據可以直接被辦公系統調用。通過智慧辦公系統，教師可以利用其豐富的教學資源和辦公工具進行網上備課、網上教研、批改作業，極大提升了工作效率。其中作業批改模塊運用5G云計算技術對學生進行學習分析，即將學生在學習過程中生成的海量數據進行收集并分析，以判斷學生的學習需求、學習風格和學習進展，并將其作為備課或布置作業的重要依據。智慧辦公系統減少了教師面對冗雜數據的負擔，同時也實現了教學中所倡導的“因時制宜，因人而異”，真正成為為廣大教師提供促進專業發展的教學科研一體化平臺[9]。

（3）智慧教務系統

教務管理工作是學校教育中重要的一環，是整個院校管理的核心。傳統的教務管理系統，大量的工作由人工完成，無法把教務處老師從繁重的工作中釋放出來。智慧教務系統改變了傳統的管理模式，采用5G和互聯網等現代化技術手段進行科學管理，實現了教務信息一體化管理和業務融合，滿足了當今院校復合型、創新型、服務型、國際型的教務管理的需求。智慧教務系統可對管理員、老師、學生的日常教學中的課程、成績、教學評價、考核、實驗、實習等相關任務全面管理，實現學生從入學到畢業的全流程管理。通過基于AI技術的智能化管理和5G技術的網絡化服務，智慧教務系統可大幅度降低教務管理的時間成本和人員操作，讓管理人員能夠全身心地進行教學業務的擴展與改革。

（4）移動學習系統

在智慧教育的背景下，教學改革更注重學生的獨立性和自主性學習，培養學生勤于觀察、善于思考、勇于探索的創新精神。自主學習以學生為主體，強調將自主權交給學生，逐步成為除課堂學習以外重要的學習方式。移動學習系統為學生自主學習提供了有效支持，它通過云存儲把海量的教學資源集中管理起來，同時結合5G高速率的特性，學生可在各種移動終端實時快捷地獲取數據。學生可以充分把握學習的自主權，可以根據自身的學習需求隨時隨地利用學習資源和教學課程，按照自身情況制定適合自己的學習方案，真正實現了“人人皆學，時時可學”的教育環境和學習氛圍。

（5）家校通系統

家校通系統是利用物聯網、5G通信技術和考勤信息化技術，為學校、教師、家長和學生之間提供在線交流和溝通的途徑[13]。學校可在此通知校園活動，考試時間，特色招生等信息，彌補了數字校園管理的不足，縮短了學校和學生、家長的距離。老師可在此對家長進行留言并與家長進行溝通，通報學生的考勤情況和每日作業等，提高了與家長溝通的效率。家長是家校通系統最主要的服務對象，通過該系統家長可以隨時了解學生學習情況，查詢成績信息和成績趨勢，也可在論壇中與其他家長進行教育交流，學習正確的教育方式。總的來說，家校通系統實現了學校家庭共同配合教育、共同關注學生成長的愿景，為學校、家庭及社會架起了一種有效、便捷、及時的溝通輔助橋梁。

3.3 5G校園安全

智慧校園安全系統提供面向學校、教師、學生和家長的智慧管理服務，主要由入侵報警系統、出入口控制系統、消防系統、停車場系統、門禁系統、巡更系統、視頻監控系統等組成。融合人工智能視頻分析技術，智慧校園安全系統在智能安防、視頻監控、人臉識別、行為分析等具體業務場景，利用5G網絡低時延，可有效提升應急事件反應速度。疫情期間，采用基于AI紅外熱傳感測溫技術的AI智能人臉識別測溫一體機，將學校人員溫度數據及數據分析傳給管理人員，實現了日常的校園考勤和溫度測量，大大減輕了勞動量。智慧校園安全系統還可以和校園門禁系統進行對接，通過系統平臺實現對門禁統一、遠程、精準管理。在校園中“5G+4K”安防監控系統能提高畫面清晰度和攝像機的探測能力，提供便捷、快速的智能統計、分析，滿足人像識別、行為識別、安全隱患識別等需求。基于5G網絡將無人機與安防監控系統有機組合，彌補傳統人力巡航和視頻監控的不足，在較小的開銷下有效提升校園安全管理水平。

3.4 校園一卡通

從20世紀80年代開始，我國就已經開始在各大中小學和高校推行餐卡制，傳統的校園卡有飯卡、水卡、澡卡和門禁卡等等，攜帶起來非常不方便，容易丟失。而智慧校園背景下的校園一卡通則打破了原有校園“信息孤島”的局面，將所有教務信息結合在一起，最后形成一個將金融服務、身份認證、信息服務等功能融合在一起的“一卡通”系統。除此之外，此校園一卡通最具有創新的是將一卡通系統與上述的智能教室和教務管理相結合，融合于智慧校園管理系統，實現互聯互通，數據共享。師生在教室門口的智能面版（智能面版與教務管理系統數據庫連接）刷卡時，智能面版會顯示出此間教室人數、教室內一天的課程信息和被預約的時間。按照師生刷卡的數量，智能門禁系統和智慧教室的智能感知系統一起將人數通過5G網絡高效快速上報教務管理系統，確保信息無誤，同時實現考勤簽到應用。

4 結束語

智慧校園與5G的結合，可塑造網絡化、個性化的智慧教學環境，匯聚海量優質的智慧教學資源，實現高效協同地智慧校園管理，提供方便快捷地智慧校園服務，保障穩定有序的智慧校園安全。5G技術深度融合和創新應用，進一步豐富了教學途徑，提高了院校的教學質量和科研服務能力，全方位提升校務管理的水平。當前，國內高校對5G對智慧校園的發展促進作用已形成共識，都在企盼5G的融入和新的賦能。但目前5G的建設、應用、創新等與高校的愿景、與智慧校園建設的實際需求，還有一定的差距，還需在平臺頂層設計、自身業務定位等方面加強投入，在遵循教育客觀規律的前提下，將創新應用場景作為切入點加強落地建設，以期達到最佳效果。