理論結合實務 虛實整合應用 5G智慧教育垂直應用場域發展概況 文｜吳仲凱、陳思豪、鄭爲珊

一、緒論

2015年國際教科文組織在「 青島宣言 」中強調「 未來的教育應把握數位時代的契機，善用資訊和通訊科技以引領教育改革 」，呼籲各國應善用資訊科技實現2030年聯合國的教育願景，包含在課程中融入資訊科技教學，以推動學校數位轉型，由科技教育再往智慧教育邁進。

資料來源：IJACSA(2019)。

5G的三大特性包含增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、巨量機器類型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)及超可靠低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)，如圖1所示，5G三大特性可深入各垂直應用場域，發展多元化的創新應用服務。過去在4G時代教育事業已發展科技教育的線上課程模式，5G技術近一步發展智慧教育之遠距教學模式，以期推動教育事業之創新應用與數位轉型。

資料來源：IJACSA(2019)。

教育數位技術之發展係國際標準組織(ISO)標準化作業之一，在ISO/IEC聯合技術委員會第36次委員會議(Sub-Committee 36, SC36)中，已就智慧教育環境框架將如何標準化進行討論，並透過研究以往IEEE學習技術系統架構(Learning Technology Standard Architecture, LTSA)、IMS摘要框架(Abstract Framework)、Oki開放知識倡議、JISC電子學習框架及進階分散式學習架構ADL等標準化過程，瞭解智慧教育型態與傳統教育型態之差別，藉以創造智慧教育下之學習環境。SC36亦提及目前教育現場所面臨的需求與挑戰，包含擴增實境和虛擬實境(AR＆VR)、智慧學習環境(Smart Learning Environments, SLE)與大規模開放線上課程(Massive open online course, MOOC)，其中SLE係利用各種先進數位技術與終端載具(如AI、AR/VR)來支援多元化學習、教學和培訓模式，打破傳統師生僅能在實體教室中學習的模式，為現代學習及教學環境提供了各式各樣的應用情境。

由於5G三大特性可支援不同的垂直應用場域，使得智慧教育可發展不同的潛在應用情境，參考2019年英國聯合資訊系統委員會(Joint Information Systems Committee, Jisc)的「 5G與教育 」(5G and Education)一文，5G智慧教育可發展觸碰互聯網、虛擬實境、擴增實境、無牆教室、個人化學習、無線書包、特殊教育學生與智慧校園等八大潛在應用情境，提供各種教育環境在導入5G時可以應用的方向，5G智慧教育潛在應用情境如圖2所示。

資料來源：Jisc(2019)，本文彙整編製。

因應嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)疫情下之教育情境，我國主要以遠距教學維持學生學習的進度，並使用各式各樣的終端設備如VR/AR、平板或是筆電接取學習平臺，觀察國內外智慧教育發展之現況，遠距教學對於5G大頻寬、低延遲、高可靠度等特性之需求度高。爰此，本文參考國外5G智慧教育垂直應用場域發展概況，並抽樣我國實驗與商轉之5G智慧教育垂直應用場域發展概況，期能作為後疫情時代智慧教育創新應用服務發展之參考。

二、國際智慧教育案例–5G遠距教學實務

依據5G Americas於2021年發布之「 5G垂直應用案例白皮書 」(5G Vertical Use Cases)，5G三大特性可應用之場域包含製造業、公用事業、採礦業、醫療及遊戲等領域，而教育產業亦為5G發展之關鍵垂直場域，本章主要蒐集與彙整美國、德國與日本等主要國家發展智慧教育之情形，以作為我國發展5G智慧教育垂直應用場域之參考。

(一)美國

1. 背景與目標
   美國田納西大學(The University of Tennessee)與電信業者AT&T合作，在其可司韋兒(Knoxville)校區合建5G毫米波專網，並導入多接取邊緣運算裝置(Multi-access Edge Computing, MEC)，該專案目的為強化創新研專欄話題 09COLUMN STORY2022 NCCNEWS．6 月號發能力，並提升教學的網路環境，預期藉由5G高速傳輸及低延遲的特性，為教職員工、學生、研究人員及其他管理人員帶來創新的數位學習、研究及發展方式。該專案希望能達到以下三項應用目標，其一在農村建置5G網路，提升農村的生活品質，包含遠距醫療與教育，並促進經濟成長與就業機會；其二為提供學生學術與培訓的管道，如提供AR和VR等沉浸式學習體驗；其三，美國軍方也將透過該專案研究可攜式通訊系統，測試穿透障礙物時的通訊品質，以避免潛在危險。
2. 應用內容
   農業應用主要透過5G串聯相關感測設備，即時監控土壤及作物的健康狀態，開發精準農業(Precision Agriculture)的相關研發能量；另外AR/VR沉浸式應用，將探索核電廠、海洋深處或體驗火箭發射等情境，同時結合AI及機器學習，藉由大量數據來分析學生的課堂表現，以分析及強化個人化的學習歷程。
3. 合作型態與效益
   該專案的場域業者為田納西大學克斯維爾分校，並與橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)、切諾基農場(Cherokee Farm)的田納西大學研究園區共同合作；網路建置業者為AT&T，Ericsson為5G室內小型天線設備業者，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(二)德國

1. 背景與目標
   德國5G系統整合業者Smart Mobile Labs，取得該國肯薩司樂特工業大學(Technische Universität Kaiserslautern, TUK)的5G專網計畫，該案亦為德國聯邦交通及數位基礎設施部(Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, BMVI)的補助計畫。肯薩司樂特工業大學為德國頂尖技術及產業研究單位之一，該5G專網計畫規劃三年執行期間，目標為強化校內5G SA網路連線能力，以利未來各項5G研究及案例測試。
2. 應用內容
   肯薩司樂特工業大學5G專網場域，可做為未來5G相關應用情境的研發基礎，如自駕車(Self-propelled cars)、無人機、智慧製造或智慧農業等。
3. 合作型態與效益
   Smart Mobile Labs為系統整合業者，其與Nokia合作於校內建置Nokia DAC平臺系統，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(三)日本

1. 背景與目標
   為推動2020年(令和2年)總務省的教育Local 5G實證計畫，並配合文科省「GIGA School」的智慧教育政策，透過Local 5G進行實證教學，於校園場域內測試與調適5G超高速、超低延遲與大連結特性。
2. 應用內容
   該專案包含高畫質影片學習活動、直播學習活動、虛擬博物館、虛擬交響樂團、虛擬職災訓練、AR解剖體驗、偏鄉遠距教學、線上協同學習平臺及感知設備集結資料學習等。
3. 合作型態與效益
   內田洋行為場域申請者，筑波市綠色學園義務教育學校為場域業者，茨城縣筑波市為政府輔導單位，富士通為網路建置業者，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(四)小結

美國田納西大學與電信業者AT&T合作，在可司韋兒校區合建5G毫米波專網，並導入多接取邊緣運算裝置，將為全校用戶帶來創新數位學習與創新研發內容。德國Smart Mobile Labs與電信設備商Nokia合作，在肯薩司樂特工業大學建置校園5G專網場域，做為各項5G創新應用測試如無人載具、智慧製造與智慧農業之研發基地。日本內田洋行結合富士通與茨城縣筑波市之資源，於筑波市內的綠色學園義務教育學校進行2020年總務省支援之教育Local 5G實證，以發展各項遠距教學的學習活動。

綜合上述，主要國家5G智慧教育垂直應用場域發展概況如圖3，觀察主要國家之5G遠距教學皆依循其國家智慧教育數位轉型政策方向，而其5G遠距教學之發展端賴數位基礎設施建置之完善度，顯見我國在發展5G遠距教學時，應先檢視數位基礎建設環境完善情形，方能確保校園後續是否能提供良好的5G網路連線測試環境。

資料來源：AT&T(2021)、fuenf-g.de(2020)、Nokia(2020)、Bundesnetzagentur(2021)、文部科學省(2020)、總務省(2021)，本文彙整編製。

三、國內智慧教育案例–5G遠距教學實務

我國5G垂直應用服務網路可申請實驗頻段或商用頻段建置5G網路，如圖4所示，本章分別蒐集國內智慧教育申請實驗頻段自建5G網路，以及申請商用頻段委由電信業者協助建置5G網路，並彙整其背景與目標、應用內容、合作型態與效益等內容，以了解我國5G智慧教育垂直應用場域之發展概況。

資料來源：本文彙整編製(2022)。

(一)逢甲大學(實驗頻段)

1. 背景與目標
   為打造「 5G專網智慧城市實驗場域與測試平臺 」，並整合國內智慧城市產業整廠輸出量能，逢甲大學善用校園、逢甲商圈、水湳經貿園區、大臺中廣大機工具產業和中科高科技產業等聚落生態，規劃先聚焦「 智慧製造 」與「 智慧工安 」這兩項垂直應用場域。該實驗計畫整合校內各智慧製造相關實作場域設備，建置兼具教學、實驗、實作與研究功能的場域，促使廠商能更加投入於臺灣工程教育，以及吸收未來畢業人才就業於臺灣高端智慧製造與智慧工安產業。
2. 應用內容
   
   1. （1）智慧製造：開發5G零組件製造智慧檢測監控解決方案，係將人工智慧學習與回饋控制系統結合產線的產能數據收集系統，並透過5G網路和資訊可視化界面來監控與管理，以資訊串流技術提升製造品質管理的可靠度，運用智慧化管理來增進產能。
   2. （2）智慧工安：開發5G智慧工安環境監控解決方案，透過收集區域偵測影像、穿戴裝置(如定位、當日行動軌跡、傾倒偵測及心跳等)等資訊，再整合5G訊號後，能將過去難以判斷或偵測狀況快速判釋出來，更重要的是，能夠做到證據數位化保全及錯誤經驗回復學習等各項目的，進而達到施工環境防微杜漸之價值。
3. 合作型態與效益
   場域暨系統整合者為該校，網路建置暨智慧應用提供者為帆宣系統科技股份有限公司，輔導單位為財團法人電信技術中心（ 以下簡稱電信技術中心），指導單位為國家通訊傳播委員會（ 以下簡稱本會），該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(二)明志科技大學(實驗頻段)

1. 背景與目標
   為強化學生就業之實務能力，並將課程結合5G應用、企業實作與技術專利研發，明志科技大學視傳系老師研發AR智慧巡檢應用軟體，期待此AR智慧巡檢應用將導入台塑石化廠區，作為相關巡檢教育訓練應用，讓資訊圖像設計課程的學生，配戴AR智慧眼鏡實際操作設備，體驗石化工廠之巡檢流程，同時老師須在旁指導巡檢流程進行，以及說明AR應用物件之設計觀念，作為教學之輔助。
2. 應用內容
   針對工廠內輸送氣體或液體管線進行AR巡檢，其流程包含判讀與確認管線的壓力量錶數據，觀測管線的外觀狀況與現場狀況並即時回報。為進行上述體驗流程，老師預計將學生分組輪流扮演兩種角色，分別為指導人員及巡檢人員。指導人員將依照老師設計之腳本內容給予巡檢或維修指示，而巡檢人員則依指示記錄或操作儀器設備，最後角色互換，進行不同任務之體驗。藉由此經驗可讓學生實際了解產業端巡檢實際運作狀況，加強學生理解使用者之特質及需求(如作業人員對於資訊的需求)，以利後續將資訊以視覺化呈現，了解設計應用與使用者需求結合之觀念。
3. 合作型態與效益
   場域暨系統整合者為該校，網路建置業者為國眾電腦，資通訊設備業者為佐臻，內容平臺業者為Android，智慧應用提供者為台塑集團，輔導單位為電信技術中心，指導單位為本會，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(三)國立虎尾科技大學(實驗頻段)

1. 背景與目標
   為建置臺灣第一個5G智慧校園多元應用實證環境，強化學校5G通訊領域的智慧應用研發、技術專利布局與5G產學合作等地位，智慧製造與量測、通信延遲智駕車次系統研發、虛實系統創新整合應用、智慧製造與智能化IOT技術應用、無人機與智慧農業，以及智慧自動化研究，期望能達到智慧機械5G示範場域之目標。
2. 應用內容
   
   1. （1）智慧製造與量測：於該校校園內建置一條智慧機械生產(智慧製造)線，透過將舊有機臺改裝與整合各項智慧系統後，達到工業4.0的生產能力。
   2. （2）通信延遲智駕車次系統研發：使用智慧物聯網的5G通訊技術，利用5G通訊系統無線訊號，布建於室內環境，以建置智慧物聯網室內定位系統，提供自駕車室內定位。
   3. （3）虛實系統創新整合應用：以物聯網與虛實整合系統的相關技術為核心，發展新世代「 智慧型(AI)虛實整合系統平臺」，結合行動通訊與雲端技術，運用即時遠端網路監控與大數據資料的運算分析，進行新世代「 智能工廠網路標準的CPS平臺架構 」之整合技術研發與系統建構，進而達成「 智能工廠 」的CPS智能功能。
   4. （4）智慧製造與智能化IOT技術應用：提出遠端智慧座艙系統之概念，完成車輛零組件狀態之預估與診斷，以提供故障預警，達到5G高速影像傳輸與車內IoT感測訊號的量測與傳輸，進而提升無人車或自駕車之可靠度與安全性。
   5. （5）無人機與智慧農業：無人機以5G低延遲、高速率功能，將拍攝的視訊內容傳回MEC(Mobile Edge Computing)處理，發展智慧農業、自動建物檢測、自動監控及校園720環景導覽相關關鍵技術。
   6. （6）智慧自動化研究：運用邊緣運算系統判讀工作情形及進行預知保養，並透過5G收發天線即時回傳各站點之資料至終端伺服器，深入分析資料或進行演算法的調整。
3. 合作型態與效益
   網路建置業者為華電聯網，場域主為該校，輔導單位為電信技術中心，指導單位為本會，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(四)臺北市新興國中、臺南市和順國中與高雄市鹽埕國中(商用頻段)

1. 背景與目標
   為配合教育部於110年初啟動「 校園5G示範教室與學習載具計畫 」，現以新興國中、和順國中與鹽埕國中作為示範學校，推動三校教室共同備課與虛實混合式遠距教學，初期針對英文及科學教育VR課程，未來將納入數學及理化等課程，從示範學校發展出更多應用領域。
2. 應用內容
   
   1. （1）跨校遠距共同備課及跨校實體虛擬混合式共同學習：藉由5G網路高速、低延遲特性，以遠距視訊方式，進行教師跨校備課，學生則可於實體教室或線上學習，加速數位學習發展。
   2. （2）VR沈浸式學習：教材內容由國立臺北教育大學及國立屏東大學教師設計，利用5G網路、5G行動路由器、常時聯網筆電與VR頭盔裝置等，提供學生身歷其境的互動式學習體驗。
3. 合作型態與效益
   示範場域主為新興國中、和順國中與鹽埕國中，網路建置者為中華電信，軟硬體設備由高通、精英電腦、亞旭電腦、力新國際、XRSpace等多家業者提供，內容由國立臺北教育大學、國立屏東大學指導教師及三所示範場域教師籌備，指導單位為教育部與地方教育單位，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。

(五)花蓮縣政府智慧教育中心(商用頻段)

1. 背景與目標
   為結合地方特色，打造5G概念場域，使參與的師生更能體驗5G創新應用，花蓮縣政府以智慧教育中心做為示範場域，在5G網路基礎下，導入結合虛擬實境與AI的動態捕捉系統，運用5G與科技技術提升課程內容多樣性與多元學習方式，迎接元宇宙的時代，期能藉此增加學習體驗，亦可針對學生學習能力與興趣，調整學習進度，實現個人化教學，並以此做為花蓮縣政府積極推動智慧城市的一環。
2. 應用內容
   
   1. （1）結合虛擬實境與AI的「動態捕捉系統」及「虛擬攝影棚」：以虛擬網紅引導數位教案與教材之使用者體驗，透過多元科技結合在地特色以提升課程豐富度，並可於「 虛擬攝影棚 」開發製作專屬數位課程。
   2. （2）「 5G示範教室 」：展示包含智慧路燈、智慧充電等智慧城市應用，於智慧教育方面則有VR遠距共學，展現沈浸式教育。
3. 合作型態與效益
   示範場域主為該中心，網路建置者為遠傳電信，該合作效益係透過5G網路結合學校研發能量，俾利推動教育現場數位轉型。考量花蓮地形狹長，偏鄉交通不便，花蓮縣政府也進一步於國風國中、崙山國小及卓溪國小等3校設置區域示範學校，期能帶動智慧教育之發展。

(六)小結

在5G垂直應用服務網路「 實驗頻段 」方面，逢甲大學5G研發與教學實驗計畫，主要在校內打造「 5G專網智慧城市實驗場域與測試平臺 」，研發5G零組件製造智慧檢測監控解決方案與5G智慧工安環境監控解決方案，誘使廠商能更加投入於臺灣智慧製造教育與智慧工安教育，並創造未來臺灣高端智慧製造與智慧工安產業人才就業率。明志科技大學隸屬台塑集團，具備石化產業之資源，該校AI與AR應用結合5G通訊技術實驗計畫，主要在校內研發「 AR智慧巡檢應用軟體 」，並將AR智慧巡檢應用導入台塑石化廠區，作為相關巡檢教育訓練應用，讓學生體驗石化工廠之巡檢流程。國立虎尾科技大學5G SA實驗計畫，主要在校內建置一條智慧機械生產(智慧製造)線，並致力於將5G通訊領域、智駕車次系統研發聯合、虛實系統創新整合應用、智慧製造與智能化IOT技術應用、無人機與智慧農業，以及智慧自動化研究等5G相關應用領域融入課程中，為我國第一個5G智慧校園多元應用實證環境。

而在5G垂直應用服務網路「 商用頻段 」方面，中華電信參與教育部「 校園5G示範教室與學習載具計畫 」，與高通及國內軟硬體業者、內容業者攜手打造5G示範教室，於三縣市代表學校提供跨校共同備課、共同學習，以及VR沈浸式學習與學生身歷其境之互動式學習體驗，期以此為基礎，從示範學校擴散到更多教學領域的應用。遠傳電信則協助花蓮縣政府智慧教育中心建置5G網路，以「 5G示範教室 」及「 5G虛擬攝影棚 」，讓師生探索5G與智慧城市創新應用，並結合虛擬實境與AI的「 動態捕捉系統 」及「 虛擬攝影棚 」，體驗互動式教育及專屬教材製作，將5G智慧教育拓展至偏鄉其他領域，提升數位學習機會。

觀察我國5G智慧教育垂直應用場域發展概況(如圖5)可知，防疫期間仍可藉由教學平臺線上直播課程、觀看預錄影片與線上測驗等方式，順利解決遠距教學相關問題。

資料來源：聯合新聞網(2022)、iThome(2021)、教育部(2021)、中央社(2022)、國家通訊傳播委員會(2020, 2021)，本文彙整編製。

四、結論與建議

5G Americas於2021年發布之「 5G垂直應用案例白皮書 」(5G Vertical Use Cases)即指出，教育產業為5G發展之關鍵垂直場域，其他產業包含製造業、公用事業、採礦業、醫療、遊戲等領域。國際上主要國家發展智慧教育政策係配合國家總體數位發展政策，對於遠距教學大多結合5G技術及其利害關係人之強項，共同打造智慧教育的學習環境，而我國則在前瞻基礎建設計畫中，提倡智慧教育進一步數位轉型之重要性，顯見「 智慧教育 」係打造「 數位國家 」的重要元素之一，在嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19)疫情嚴峻期間，投入智慧教育的發展，正是凸顯各校建置實驗網路與研發各垂直場域智慧應用亮點之最佳時機。惟各國在建置5G智慧教育場域網路時，基礎化數位環境之完善度為最大的問題，由此借鏡，我國在發展5G遠距教學時，應先檢視基礎數位建設環境完善情形，方能確保校園後續是否能提供良好的5G網路連線測試環境。

截至目前為止，我國5G智慧教育實驗網路發展情形，主要運用學校的研發環境與資源，開發各種5G垂直應用場域如無人載具、智慧製造、智慧工安、智慧巡檢、智慧交通與智慧農業等解決方案，不僅培育學生未來就業的專業技能，亦能將解決方案與相應之垂直應用業者相互媒合，充分利用國內產官學研之資源。另一方面，我國電信業者除傳統企業服務外，亦進一步拓展智慧醫療、智慧教育、智慧農業及遊戲等領域，而在疫情嚴峻下，我國各縣市學校紛紛採取遠距教學的作法，電信業者得於其既有通訊網路豐富經驗之基礎上，與政府教育單位合作，促進遠距教學之應用，未來亦得以此帶動偏遠地區數位學習之機會；另透過結合AR、VR等新興科技技術，使教師與學生得於虛實環境之沈浸式教育中，體驗增添學習動機與樂趣。

綜上所述，電信業者協助場域主建置的5G智慧教育網路，主要以遠距教學應用於正規教育為主，而實驗網路自建的5G智慧教育網路，主要以場域主在校園內開發各種5G垂直應用場域解決方案為主，故本文認為智慧教育的價值，在於透過以學界理論搭配實務操作，研發出各垂直應用場域核心技術解決方案，透過該解決方案的技術移轉，將能帶動各垂直應用場域智慧應用的數位轉型，而其中可能面臨的技術障礙，正是產學合作可以融入每學期的課程與教學內容，讓學生、老師與業師組合一個「 學習共同體 」，共同激盪出解決方案。

爰此，未來無論使用實驗頻率或是商用頻率建置5G智慧教育垂直應用場域，智慧教育在數位轉型中將扮演最關鍵與核心的角色。然而，豐碩的成果源自於團隊共同努力，建議未來我國在發展智慧教育時，可以結合各部會上位計畫、地方政府施政計畫與跨領域組織專案團隊，如此方能打造聯盟優勢，共享垂直場域資源，加速推動數位轉型。

（ 本文作者為射頻與資源管理處技佐、財團法人台灣經濟研究院副所長及財團法人電信技術中心副研究員 ）