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智慧校园建设研究

来源:用户上传      作者:杨凤 张改红 杨瑞

摘 要: 智慧校园是指以物联网、云计算、大数据分析等新技术为核心技术,提供智慧化、数据化、网络化、协作一体化的教学、科研、管理和生活等各类服务,促进信息技术与教育教学有效深度融合,提高学生学习效果,最终实现智慧化教学和管理的校园模式。文章探讨了智慧校园的建设,智慧校园的架构设计以及智慧校园的应用场景,可为智慧校园建设提供参考。

关键词: 智慧校园; 应用场景; 智能教育; 创新

中图分类号:TP399 文献标识码:A 文章编号:1006-8228(2021)12-125-04

Abstract: Smart campus refers to a campus model that takes new technologies such as Internet of Things, cloud computing and big data analysis as the core technology, provides intelligent, digital, networked and collaborative integrated services for teaching, scientific research, management and life, promotes the effective and in-depth integration of information technology and education and teaching, improves students' learning effect, and finally realizes intelligent teaching and management. This paper discusses the construction of smart campus and the architecture design of smart campus, as well as the application scenarios of smart campus, which can provide reference for the construction of smart campus.

Key words: smart campus; application scenarios; intelligent education; Innovation

0 引言

智慧校園是指以物联网、云计算、大数据分析等新技术为核心技术,提供智慧化、数据化、网络化、协作一体化的教学、科研、管理和生活等各类服务,促进信息技术与教育教学有效的深度融合,提高学生学习效果,最终实现智慧化教学和管理的校园模式。

有学者认为,智能校园的核心特征主要有三个层次:一是尽可能为教师和学生提供智能感知环境和综合服务平台,并制定配套服务;二是进一步实现校园网的互联与合作;三是利用智能传感环境,让学校与外界形成互动传感界面[1]。也有学者认为,智慧校园是将人、社会、资源、技术设备进行信息化有机整合的一种独特校园系统,并通过信息交流手段提供双向交流平台,以便构建更智能的校园[2]。从根本上看,建设智慧校园不应只是物联网技术上的应用,应该整合更多新技术,以有效突出应用和服务[3]。

第五代移动通讯技术(5G)具有更宽的带宽、更高的速率和更低的延时,实现了数据无卡顿传输,极大提升了用户的体验感,为智慧校园的建设提供新技术支持和新机遇,通过5G构建智能感知环境和综合服务平台,可以建立新的课堂空间,智能识别老师和学生的学习、工作情况,能够促进教学、管理和生活流程优化与系统重构,提升学生的自主学习能力,建立新式校园生态,本文结合5G、大数据、人工智能等新兴技术,对智慧校园的建设进行探索。

1 智慧校园建设中应考虑的难点

随着智慧校园在我国的探索式推进,在结合多种技术并实际应用到现实之后发现,智慧校园的建设还存在一定的问题[4],如习惯以技术和管理为中心而不是以用户为中心、设计与构建时偏向简单化和理想化、信息技术与学校核心业务结合不够密切等。结合5G技术应用于学校管理的实际情况,目前建设智慧校园应考虑如下几个问题。

1.1 传输效率问题

首先,虽然5G使得网速得到显著提升,但如果校内资源访问需绕道运营商网络后再返回校园网络,产生的网间切换可能影响传输效率;其次,物联网中海量的边缘设备会产大量数据,只是简单传输到有限的云端会造成网络带宽的极大压力;最后,一些特殊的宽带设备问题,如果其网络系统和其他专业混用,将会大量占用网络带宽,而造成不利影响。所以基于5G的智慧校园建设时,应考虑以上网络传输问题,争取得到更加高效、稳定的传输。

1.2 实时性问题

目前云计算技术在系统部署时已经非常普及,但传统的云计算框架更多偏重于非实时性的策略性分析,更重视计算能力而不是网络通讯和控制的即时性,当传输数据量过大时,如果应用到智慧校园建设,可能产生网络延迟,会相应的对管理领域造成影响,因此,如何实现真正的实时控制也是需要考虑的问题。

1.3 资源存储问题

万物物联带来了数据量的爆发增长,因此简单建立集中的数据存储和计算系统已经不能满足数据分析的客观要求,而工业级的大数据分析需要以Hadoop和Spark技术为代表的分布式并行计算系统保障存储和计算效率,但分布式计算的高频数据分析方法和技术,与传统的表结构数据有显著区别,在未来一段时期内,两种数据系统还将长期共存,很难以单一的存储和计算系统来应对全场景的智慧校园建设。此外,在智慧校园建设时,缺乏可供使用的统一应用平台,无法统一共享资源和数据,原本可以共享给各系统的大量数据需要重复录入到不同的应用系统,导致人力浪费,并且容易出现数据质量问题。

1.4 数据安全问题

在智慧校园建设时,存在很多专业领域,而各个领域对数据安全的要求不尽相同。一些特殊行业,如消防、财务,存在行业特有的专用网络安全和特殊数据安全要求,不能与其他领域混同。

另外,根据我国“网络安全法”和教育部“2019年教育信息化和网络安全工作要点”的要求,各高校各级部门都应落实网络安全岗位责任制和数据分级保障制度,如何在云计算和大数据集中存储的架构中,满足规章制度也是一个值得考虑的问题。

最后,智慧校园中存储着大量用户隐私数据,师生的相关信息,集中的上传、储存、分析是否会带来隐私信息泄露也是应当考虑的问题。

2 智慧校园建设的探索

高校在建设智慧校园时,应结合自身软硬件的实际情况,掌握外部信息科技发展水平,统筹做好智慧校园项目的总体规划,并注意以下几点。

2.1 统筹安排智慧校园建设

智慧校园建设是一项综合性、系统性、创新性的工程,是技术与管理互相结合的项目,需要管理层统一规划,统一协调。由于智慧校园的建设牵涉面广。需要人力、物力、财力的支持。因此,学校管理者应加强信息化意识和创新意识,加大建设资金投入,并广泛吸纳既懂信息技术,又掌握教学管理的人才,全面负责智慧校园建设,并充分听取师生和行政人员的意见,切实满足广大师生的需求,提高教学管理质量。

2.2 实现系统集成和资源共享

智慧校园不是一个单独的平台建设,而应实现校园所有系统的统一调度和控制。统一身份认证,实现系统的标准化、模块化和开放性,将校园内原有的不同系统子平台连接到主平台上,实现数据资源的共享。共享数据库中心和应用服务,实现分散在各平台系统数据库中的数据整合、交换与共享,实现平台各应用场景之间以及与外围系统的统一数据及信息交换。

2.3 智慧大数据中心建设

大数据管理平台规范共享数据接口、为各应用场景提供统一规范的数据推送、数据查询接口和数据服务,管理数据服务授权,提供大数据的访问控制、数据接口管理、元数据管理、信息标准管理、数据服务管理及其他系统管理。建设统一的大数据中心,进行统一管理和应用,并从全局的角度对各类资源进行统一管理和调度,充分考虑数据安全和不同技术架构下数据的交互问题。

3 智慧校园应用场景

结合学生日常生活学习以及校园管理需求,智慧校园应用可分为如下几个场景。

3.1 智慧教学

智慧教学是利用数字化、网络化、智能化和多媒体化的技术特点以及开放、共享、交互、协作的基本特征,应用在教学管理中,主要是以课堂在线直播的形式提供课程,并在线收集教学信息和学生学习信息,采用大数据挖掘的方法了解学生学习情况,为更好的教学提供智慧支持。

课堂直播课对于网络技术的要求极高,即便使用光纤网络,依旧会造成直播有时延、卡顿等问题。而5G的零时延、高速率和建设成本更低的优势,刚好能够解决当前课堂直播的困境,从而打破课堂的时空界限,为用户提供更多优质的学习资源,也能够将教育资源很好的传送到偏远地区,将传统的线下教学课堂变为了远程互动课堂。智慧课堂的出现,极大的提高了学生学习的积极性和主动性,打破了传统课堂中的教学壁垒,使教学更具针对性与高效性,也提高了学生与教师的信息素养。

3.2 智慧健康

智慧健康是指通过实时监测运动或医疗信息的物联网设备收集各类数据,开发掌握医疗、运动信息,并有针对性的提供建议的应用模块,可分为体育健康和智慧校医。

体育健康模块是指通过与智慧化設备的高效连接,实时的数据监控和分析报告来加强师生的自我健身管理,如检测师生体质体能,得到精准的用户数据,根据不同情况,有针对性的提供体质体能锻炼课程,或者自动推送有针对性的体育锻炼作业,培养其养成体育锻炼的习惯。还可以增加如心率指数、运动数据、体育场馆查询、在线约校友一起运动、运动打卡等信息服务,为师生的健康保驾护航。

智慧校医模块是指与学校医院的管理系统结合,如果学生出现紧急严重疾病,可以借助5G的高速度连接知名医院中的急诊医生,在线为学生诊治,实现远程在线医疗。还可以记录学生的个人体检和就医情况,有针对性的为学生推送合适的饮食、运动计划,或实现学生健康信息监管、统计、记录等工作的电子化,减少校医的繁琐工作,不仅学生的健康得到了保障,还大大提高了校医的工作效率。

3.3 智慧安防

智慧安防是指结合5G等新兴技术,实现校园安防智能化,如在教学楼设置智能报警、节能灯控等,利用基于物联网的检测技术,在检测到灾难信号时,系统自动报警,提高学校安防的迅速反应能力。在宿舍楼设置人脸识别的智能门禁系统,加强学生出入管理,减少安全隐患。或配合智能摄像头的检测系统,结合人工智能的安全检测模型,如果学生出现紧急情况,及时通知管理人员化解危险。疫情当下,传统的门卫管理、视频监控手段并不能有效解决外来人员随意入校、学生擅自离校等问题。而校园安防技术支撑的系统可有感知的准确识别出入人员的身份信息,自动保存人员出入的时间、地点,为家校沟通建立了桥梁。也大大降低了校园安全管理隐患。

3.4 智慧社区

智慧社区是指将学校的社区活动功能整合到同一个服务平台上,提供如社团活动、二手转卖、在线交友等功能,丰富学生的校园生活。

社团活动是指学校内各类社团活动的统一管理,包括新生招募、社团互动、活动信息发布、在线社团活动等功能。尤其是开发基于5G技术的在线社团活动,将必须集体固定的社团活动在线实现,节省了场地空间,提高了学生的参与数量,丰富学生的课外日常生活。

二手转卖和在线交友功能,可基于智慧校园的实名认证功能,减少师生通过闲鱼、微信群、qq群、校园表白墙等非官方认证方式,防止不法诈骗分子钻空子,保证师生的个人安全以及校园秩序。

4 智慧校园架构设计

智慧化校园的建设是现代管理技术与信息技术相融合的复杂系统工程[5],其建设总体架构模型主要包括以下内容。

⑴ 校园泛在互联:包括人与物、物与物之间设备连接,及资源的共享与应用。

⑵ 校园网络基础设施:包括物联网、移动终端、校园网以及延伸的视频通话、视频会议等,实现人与物之间的全面对接,并在5G网络基础设施辅助下增强用户获取信息与服务的能力。

⑶ 数据层:主要是对数据进行收集分析的功能。其中涵盖了教育数据库、管理数据库、科研数据库以及教学数据库等。利用5G技术,结合物联网技术让智慧校园平台实现大范围的数据分析功能,使校园成为全面感知、服务高效的智慧型校园。还包括根据应用服务层传输过来的数据,在云计算平台通过分布式边缘计算对数据进行分析处理。

⑷ 应用层:提供个性化服务以及智能决策的功能,如前所述的各类应用场景,将其进行高度融合,构建开放式学习环境等智能化应用服务。

⑸ 云服务层:利用Hadoop、Hive、Spark、Storm等大数据技术进行服务器搭建,并对网络通信层上传的师生信息分析和存储,将所采集到的信息通过网络通信层传递给网关,然后在服务器云端根据得出的分析结果进行汇总处理,并与应用层进行信息交互。

⑹ 网络通信:利用万物互联传感网络,构造低时延、高速率、高可靠性网络。运用计算机与通讯设备使信息达到充分共享和快速传输。

⑺ 展现层:通过系统门户、学校门户网或手机客户端,为用户提供有各类展示服务。

5 结束语

智慧校园的根本目的是方便學生学习与生活,方便学校管理,结合5G技术,可实现及时化、虚拟化与智能化的应用,让学校的教学管理工作、教学工作、个人成长与发展更高效和顺畅。智慧校园在管理规范上还需要进一步完善。

参考文献(References):

[1] 余鹏,李艳.基于教育大数据生态体系的高校智慧校园建设研究[J].中国电化教育,2018.6.

[2] 陈光海,汪应,黄华.“互联网+智慧校园教学资源基础支撑平台”的立体架构及应用[J].教育探索,2018.2.

[3] 梁为.智慧校园的建设与应用研究———《深圳市中小学“智慧校园”建设与应用标准指引(试行)》解读[J].现代教育技术,2016.26(4).

[4] 于长虹,王运武,马武.智慧校园建设的现状、问题与对策[J].教学与管理,2015.6:48-51

[5] 熊频,胡小勇.面向智慧校园的学习环境建设研究:案例与策略[J].电化教育研究,2015.36(3).


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