“5G+智慧校园”的创新应用*

张洁雅，毛园园

（山东管理学院 信息工程学院，山东 济南 250300）

由于物联网技术的兴起以及人工智能的飞速发展，当下的数字校园已不能满足新时期学校教学、科研、管理和校园生活的发展需求，数字校园的信息共享不充分、数据应用能力薄弱等问题日益凸显，智慧校园应运而生。浙江大学在2010年首次提出智慧校园理念，该理念认为智慧校园是数字校园的升级，它以物联网技术作为基础，辅以大数据、云计算、新一代信息技术等来构建一个安全、稳定、环保和节能的一体化校园环境。智慧校园能够有效满足学校关于新时期教育发展的需求，进一步提升学校信息化服务水平，有力保障学校教学改革，是学校实现高效透明校务治理的重要途径。

近年来，迅速发展的5G通信技术，以其高速率、低延时、泛在网等特性，不断赋能智慧校园。基于5G网络环境的智慧校园为广大师生提供了教学的新方法和新模式，不断促进着信息科技与教育的融合。随着5G技术在智慧校园中智慧教室、校园云平台、校园安全和校园一卡通等多个方面的创新应用，有效地解决了数字校园面临的问题和困境，从而更好地满足新时代教育需求，为实现教育信息化2.0行动计划提供强大推动力。

1 5G时代的开启

1.1 5G时代

5G又称第五代移动通信网络，是最新一代的蜂窝通信移动技术。它与云计算、大数据、人工智能等技术的深度融合，成为加速实体经济数字化、网络化、智能化升级的引擎，为我国经济结构的转变和经济模式的重塑提供关键支撑。2013年2月，由我国工信部、国家发改委、科技部联合推动的IMT-2020（5G）推进组正式成立[1]。2018年9月，IMT-2020（5G）推进组宣布中国已全部完成5G技术研发试验第三阶段NSA（非独立组网）测试工作。2019年6月，工信部正式向电信、移动、联通、广电4大运行商颁发5G商用牌照，这也标志着我国正式开启5G时代。

据全球移动设备供应商协会统计数据显示，截止到2020年7月，全球38个国家和地区已有92个商用5G网络，建成了超过70万个5G基站，5G用户已超过了一个亿[2-3]。5G技术加速推动开放、共建、共享的新型智慧城市建设，从远程医疗、在线教育到智能智造、智慧交通，从自动驾驶到虚拟现实、AR直播，不断丰富着智慧城市应用场景。未来5G将会给人们的日常生活带来翻天覆地的变化，5G时代离我们越来越近。

1.2 5G特点

5G具有高速率、低能耗、低延时、泛在网的特点。如图1所示。

图1 5G特点及优势

高速率：5G网络的峰值速率可达10Gb/s，比先前的4GLTE蜂窝网络提高了10～100倍，用户体验速率0.1～1Gb/s[4]。即使是下载一个超清视频也仅仅需要几秒的时间。高速率的5G网络将实现对移动宽带速率要求较高的应用场景，如远程医疗和远程教育。

低能耗：随着通信技术的飞速发展，网络速度的提升必然导致设备功耗越来越高。5G在带宽提升几十倍的情况下，耗能只是原来的两倍，说明了5G的能效率得到极大地提升。在这个万物互联的时代，移动通信网络具有低能耗性能，物联网技术产品才能得到更广泛的应用。

低延时：4G时延是40ms左右，而5G时延低至1ms，相对于4G性能提升了40倍[5]。5G的低延时主要是引入了移动边缘计算技术，通过将移动边缘计算部署在网络边缘，在移动边缘部署服务和应用程序，缩短了数据传输时间，进而有效减少了端到端的延迟[6]。低延时性能可广泛灵活地应用于工业自动化、无人驾驶等需要精准控制和及时通信的场景。

泛在网：泛在网是指网络的全覆盖。5G基站采用的是小站、微站，小站、微站将从4G时代的局部区域的补盲吸容，转变成广域覆盖的主要解决手段[7]。不断发展的各种应用需要5G网络无时不在、无处不在。只有这样的网络，才能保障用户体验的连续性，才能支撑日趋丰富的业务和复杂的场景。

2 数字校园现面临的问题

数字校园是借助信息化手段，以网络为基础，实现对教学、科研、管理的数字化[8]。它打破了传统的教学方式、管理方式，实现了教育信息化的初步阶段，在一定程度上拓展了校园的时空维度，减少了纸张的浪费。21世纪以来，数字校园得到了极大地发展，数字校园加强了校园组织管理模式，提高了教育质量和效率，丰富了校园文化。但随着物联网、大数据的发展，数字化校园已无法满足信息化发展的需求，传统数字化校园的不足也开始逐渐凸显。

（1）数字校园数据共享性差。为了适应教学改革以及科技的发展，学校逐年采用新型技术开发相应的业务平台，但从现阶段来看，各业务平台相互独立，缺乏信息共享机制，相互脱节，出现了“信息孤岛”的现象，并不能真正实现“一卡通”构想[9]。

（2）网络环境有待进一步提升。数字校园部署主要采用有线网络，无线网络一般只在图书馆等公共领域覆盖，校园其他区域信号盲区多、不稳定且速度慢。面对日益增加的庞大校园数据，校园服务器开始满足不了数据管理和数据存储上大幅度增长的需求。

（3）对智慧教学缺乏有效支撑。数字校园的建设主要是学校门户网站以及各系统业务平台的建设，功能上主要侧重学校的宣传通知以及学校日常业务管理等方面，在对现阶段远程教学、名师课堂建设、科研协同创新等智慧教学方面都没有发挥出有效的作用。

（4）用户使用体验差。数字校园的建设，顶端设计往往是服务于学校管理部门，而不是以面向广大师生的服务为中心，这样建设的后果必然导致与用户的互动性较差，且无个性化服务。广大师生只有在必须使用处理相关业务的前提下才会进行登录，缺少主动使用的欲望，粘合性低。

图2 “5G+智慧校园”的创新应用

（5）无法对校园安全提供高质量保障。现有网络带宽低，传输速度慢，无法做到高清视频快速清晰传输，使安防部门无法实时的接收到高清的画面。没有完整的出入考勤设备，无法判别是否有外校人出入，也无法实时查询学生是否已在校，存在着巨大的安全隐患。

3 “5G+智慧校园”的创新应用

智慧校园是数字校园更高层次的发展阶段，是在数字化校园的基础上结合物联网、云计算等核心技术打造的一个安全、智能、稳定的校园[9]。如果说以计算机、投影仪、互联网构成的数字校园是教育信息化1.0时代，那么教育信息化2.0时代便是人工智能+大数据+智慧校园。5G时代的到来给智慧校园建设带来巨大的机遇，促进了传统教育的改革升级。在5G网络环境下，智慧校园实现了网络传输速率快、全校网络信号覆盖等基本的网络需求。师生能随时随地进行移动化办公，碎片化学习。师生之间、同学之间可便捷高效地进行交流互动，答疑解惑。学校的各物联网设备应用能够统一高效运行，实现了校园中网络和物理空间的无缝对接[10]。下文将在5G智慧教室、5G校园云平台、5G校园安全和校园一卡通四个方面具体描述5G和智慧校园的创新应用。

3.1 5G智慧教室

信息科技融合渗透学校教育，推动学校教育改革的同时提升了教学环境的智能水平。智慧教室是智慧校园的重要组成部分，实现了教与学真正向智能化、个性化的迈进。

（1）智能感知教室

智能感知教室不再是传统的多媒体网络教室，它是基于5G无线移动网络和物联网技术所打造出的新型学习环境。在智慧校园中应用物联网能够实现校园中物理对象的互联互通，通过全面感知校园环境可以获取和汇总最新的数据信息并对其进行智能化分析，实时对物体进行控制并反馈相关的信息[11]。智能感知教室通过物联网传感器获取教室的温度、二氧化碳浓度、光照等物理环境信息，并且分析相关数据。通过5G网络对教室各方面进行智能调节，为学生创造一个更适合学习的舒适环境。

由于学生的数量和流动量非常庞大，老师对其课堂管理是非常困难的。物联网技术与5G网络相结合的智能感知教室，可对教室内师生进行感知分析，实现人脸识别签到，简化了繁琐耗时的点名环节，进而提高上课效率。同时智慧感知教室还可将教室人数进行清点，实时上报教务系统，实现智慧校园平台空闲教室以及空余座位的线上查询。

（2）5G智能录播教室

在新的教学模式中，移动远程教学占据越来越重要的地位，其实施的过程离不开录播教室的帮助。传统的录播教室需要多台摄像设备跟拍录制，手动转场，后期还需要人工剪辑上传，耗费大量的人力物力。而智能录播教室相对于传统的录播教室，能实现全自动化、智能化的高清录播功能。当教师在服务器端点击录制按钮时，安装在教室的录制设备开始进行自动跟踪，自动转场操作，并且能够实现对教师、学生和白板进行特写操作。良好的5G智能录播教室，能让高清、高分辨率的视频在极短的时间内完成传输，在直播时给教师与听众带来很好的体验感和互动感。

教师可以通过5G智能录播教室完成线上评课任务，以及供学生进行移动化、碎片化学习的微课视频。同时所录播的课程可以帮助师资缺乏、教育贫瘠地区的孩子们，让他们通过网络观看名师讲座，享受到高质量的教育资源，进而减小各地区教育的差距，实现教育的公平性。

（3）5G+VR情景式实验室

VR（虚拟现实技术）是一种数据传输高要求的技术，得益于仿真技术、计算机图形学、多媒体技术、传感技术与网络技术等多重尖端技术的综合，VR技术具备多感知性、存在感、交互性和自主性等特征[12]。5G+VR情景式实验室改变了传统的教学方式，在这种真实与虚拟相融合的环境中，能够使教学实验变得更加安全有趣。教师通过VR技术让学生将理论知识付诸于实践，加深学习印象的同时，完全不必担心由于实验失误给学生造成实体伤害。教师也能运用此项技术为学生创设虚拟场景，让学习不再拘泥于空间的限制，给学生极大地创新想象空间，提高学生的思维创新能力和实践能力。例如教师在讲解生物蛋白质合成课程时，可将课本上的DNA、RNA二维分子结构示意图和DNA的复制、转录、翻译过程转换成三维动画，让学生清楚的看到DNA合成蛋白质的过程。通过这种真实的感官刺激，学生能够沉浸在学习的氛围中，激发出探索的欲望。

3.2 5G智慧校园云平台

5G智慧校园云平台是基于云计算、大数据、新一代移动通信技术等最新前沿技术构建的统一平台，能够对数据、用户、资源等进行统一管理，进而打破时空维度限制全方位实现校园信息化。它主要包括智慧教学系统、智慧办公系统、智慧教务系统和移动学习系统以及家校通系统。

（1）智慧教学系统

智慧教学系统是应用云计算、5G、计算机、多媒体等前沿技术综合构建的一种创新教学模式，是融合最新教育理念、教育资源和新一代信息技术的具有多种智能应用的师生互动系统。该系统完整支持在线备课、预习自学、直播录播教学、课堂互动、资源共享、线上考试和电子作业等涵盖课前、课中、课后教学活动。直播录播教学改变了传统的教学方式，在5G技术的支撑下，线上教学可以更加稳定流畅地进行，大容量课件、高清视频等教学资源在几秒之内就可以上传成功，高清录屏可随时随地帮助学生复习所学知识。线上考试，支持整卷导入导出，自动化组卷阅卷。学生答题前有AI身份核验，答题中AI随时拍照监考，分析学生行为是否有作弊嫌疑，还有全屏等防作弊限制，全过程实现了考试工作的网络化、智能化。

（2）智慧办公系统

智慧办公系统与教学系统互联互通，实现了教学系统中的数据可以直接被办公系统调用。通过智慧办公系统，教师可以利用其丰富的教学资源和办公工具进行网上备课、网上教研、批改作业，极大提升了工作效率。其中作业批改模块运用5G云计算技术对学生进行学习分析，即将学生在学习过程中生成的海量数据进行收集并分析，以判断学生的学习需求、学习风格和学习进展，并将其作为备课或布置作业的重要依据。智慧办公系统减少了教师面对冗杂数据的负担，同时也实现了教学中所倡导的“因时制宜，因人而异”，真正成为为广大教师提供促进专业发展的教学科研一体化平台[9]。

（3）智慧教务系统

教务管理工作是学校教育中重要的一环，是整个院校管理的核心。传统的教务管理系统，大量的工作由人工完成，无法把教务处老师从繁重的工作中释放出来。智慧教务系统改变了传统的管理模式，采用5G和互联网等现代化技术手段进行科学管理，实现了教务信息一体化管理和业务融合，满足了当今院校复合型、创新型、服务型、国际型的教务管理的需求。智慧教务系统可对管理员、老师、学生的日常教学中的课程、成绩、教学评价、考核、实验、实习等相关任务全面管理，实现学生从入学到毕业的全流程管理。通过基于AI技术的智能化管理和5G技术的网络化服务，智慧教务系统可大幅度降低教务管理的时间成本和人员操作，让管理人员能够全身心地进行教学业务的扩展与改革。

（4）移动学习系统

在智慧教育的背景下，教学改革更注重学生的独立性和自主性学习，培养学生勤于观察、善于思考、勇于探索的创新精神。自主学习以学生为主体，强调将自主权交给学生，逐步成为除课堂学习以外重要的学习方式。移动学习系统为学生自主学习提供了有效支持，它通过云存储把海量的教学资源集中管理起来，同时结合5G高速率的特性，学生可在各种移动终端实时快捷地获取数据。学生可以充分把握学习的自主权，可以根据自身的学习需求随时随地利用学习资源和教学课程，按照自身情况制定适合自己的学习方案，真正实现了“人人皆学，时时可学”的教育环境和学习氛围。

（5）家校通系统

家校通系统是利用物联网、5G通信技术和考勤信息化技术，为学校、教师、家长和学生之间提供在线交流和沟通的途径[13]。学校可在此通知校园活动，考试时间，特色招生等信息，弥补了数字校园管理的不足，缩短了学校和学生、家长的距离。老师可在此对家长进行留言并与家长进行沟通，通报学生的考勤情况和每日作业等，提高了与家长沟通的效率。家长是家校通系统最主要的服务对象，通过该系统家长可以随时了解学生学习情况，查询成绩信息和成绩趋势，也可在论坛中与其他家长进行教育交流，学习正确的教育方式。总的来说，家校通系统实现了学校家庭共同配合教育、共同关注学生成长的愿景，为学校、家庭及社会架起了一种有效、便捷、及时的沟通辅助桥梁。

3.3 5G校园安全

智慧校园安全系统提供面向学校、教师、学生和家长的智慧管理服务，主要由入侵报警系统、出入口控制系统、消防系统、停车场系统、门禁系统、巡更系统、视频监控系统等组成。融合人工智能视频分析技术，智慧校园安全系统在智能安防、视频监控、人脸识别、行为分析等具体业务场景，利用5G网络低时延，可有效提升应急事件反应速度。疫情期间，采用基于AI红外热传感测温技术的AI智能人脸识别测温一体机，将学校人员温度数据及数据分析传给管理人员，实现了日常的校园考勤和温度测量，大大减轻了劳动量。智慧校园安全系统还可以和校园门禁系统进行对接，通过系统平台实现对门禁统一、远程、精准管理。在校园中“5G+4K”安防监控系统能提高画面清晰度和摄像机的探测能力，提供便捷、快速的智能统计、分析，满足人像识别、行为识别、安全隐患识别等需求。基于5G网络将无人机与安防监控系统有机组合，弥补传统人力巡航和视频监控的不足，在较小的开销下有效提升校园安全管理水平。

3.4 校园一卡通

从20世纪80年代开始，我国就已经开始在各大中小学和高校推行餐卡制，传统的校园卡有饭卡、水卡、澡卡和门禁卡等等，携带起来非常不方便，容易丢失。而智慧校园背景下的校园一卡通则打破了原有校园“信息孤岛”的局面，将所有教务信息结合在一起，最后形成一个将金融服务、身份认证、信息服务等功能融合在一起的“一卡通”系统。除此之外，此校园一卡通最具有创新的是将一卡通系统与上述的智能教室和教务管理相结合，融合于智慧校园管理系统，实现互联互通，数据共享。师生在教室门口的智能面版（智能面版与教务管理系统数据库连接）刷卡时，智能面版会显示出此间教室人数、教室内一天的课程信息和被预约的时间。按照师生刷卡的数量，智能门禁系统和智慧教室的智能感知系统一起将人数通过5G网络高效快速上报教务管理系统，确保信息无误，同时实现考勤签到应用。

4 结束语

智慧校园与5G的结合，可塑造网络化、个性化的智慧教学环境，汇聚海量优质的智慧教学资源，实现高效协同地智慧校园管理，提供方便快捷地智慧校园服务，保障稳定有序的智慧校园安全。5G技术深度融合和创新应用，进一步丰富了教学途径，提高了院校的教学质量和科研服务能力，全方位提升校务管理的水平。当前，国内高校对5G对智慧校园的发展促进作用已形成共识，都在企盼5G的融入和新的赋能。但目前5G的建设、应用、创新等与高校的愿景、与智慧校园建设的实际需求，还有一定的差距，还需在平台顶层设计、自身业务定位等方面加强投入，在遵循教育客观规律的前提下，将创新应用场景作为切入点加强落地建设，以期达到最佳效果。