云计算和物联网技术下高校智慧校园的建设框架及路径

    何婉均

    

    

    摘要：本文对智慧校园的基本概念进行了阐述，通过查阅相关文献发现目前高校建设智慧校园面临信息共享不足、对数据应用的深度和广度不高，以及现代技术融合度低等困境。基于此困境，在明确云计算和物联网技术的相关概念及其具备的三大优势后，作者采用以用户需求为中心的设计理念，构建出智慧校园建设的总体框架，并分析其内在的基础设施层、数据平台层、应用服务层这三大系统架构，提出了基于云计算与物联网技术在高校建设智慧校园的关键路径。

    关键词：智慧校园;云计算;物联网;困境;建设框架

    中图分类号：G642 ?文献标识码：B ?论文编号：1674-2117（2021）07-0109-04

    近年来，信息技术的不断完善和创新为我国教育信息化的发展提供了巨大的力量。其中，云计算和互联网技术在高校智慧校园建设过程中发挥了重大的作用，推动了高校在教学手段、教学管理、教学环境和教学媒介等方面实现优化和创新。

    高校智慧校园建设面临的困境

    1.信息共享不充分

    根据沈宫新和王永红在《江苏省高校智慧校园建设分析研究》一文中的分析可以发现，在其调查的39所和14所高职院校中普遍存在的问题是，部分高校建设的智慧校园统一认证门户数据融合不足，各系统相对独立，信息共享不充分。[1]

    2.对数据应用的深度和广度不高

    据房月华等人撰写的《大数据背景下衡水高校智慧校园建设对策研究》的文献中发现，大部分的衡水高校在智慧校园系统中的数据应用在深度和广度上都远远不够。[2]智慧校园系统会产生大量的数据，目前大多数高校只针对数据进行浅层的采集和应用，并未针对数据进行进一步挖掘和分析，没有找到数据背后所蕴含的信息，为师生、教职工提供个性化、本土化、智能化的服务。

    3.现代技术融合度低

    尽管多所高校对智慧校园的建设投入了大量资金，但目前结果并不理想，师生以及教职工在智慧校园系统中尚未享受到其带来的智能化便利。例如，在教学层面，智慧教学平台等相关教学设备与师生的期望相差甚远，教师期待智慧教学平台能够为其进行教学资源的智能推送、学情检测以及自动化评测等，学生期待其能为自己定制个性化的学习方案等。然而，部分高校对智慧校园的认识不到位，对云计算、物联网等现代技术没有足够的重视，仅将资金投入到新兴设备的购买当中，难免会使想象的智慧校园与实际建设出来的差距甚远。

    云计算与物联网技术下的智慧校园优势

    1.信息的高速传达、共享互通

    智慧校园是以数字校园为基础的，是数字校园进一步优化的升级版。因此，它具备数字校园数字化和网络化的特征，但又比数字校园有着更高的要求。相比数字校园，智慧校园拥有高速有效的互联网网络，这是整个智慧校园功能体系得以运行的基础。在高速的互联网网络的支持下，智慧校园内的数字化设备能够得到有效的链接，从而实现校园内信息的高速传达、共享互通。

    2.集成化和智能化的校园环境

    智慧校园依托物联网技术对校园环境中的信息进行全面捕捉和感知。物联网技术通过红外线感应器、传感器等传感设备对校园环境中的“物”进行扫描，从而获取用户所需的数据和信息，继而将这些数据和信息传送给校园環境中的“人”和“物”，实现校园内物与物、人与物、人与人之间的信息交互。可见，在智慧校园中“物”被赋予智能化，并且能与智慧校园系统中“人”与“物”有机地集成一个整体，为广大师生创设集成化和智能化的校园环境。

    3.强大的数据分析和处理能力

    云计算平台有着强大的数据分析和处理系统，该平台能够分析和处理智慧校园中产生的庞大数据、信息，并且能够保障数据的准确性，将处理后的数据结果返回给用户，具有性能强、效率高等优点。[3]在智慧校园系统中借助云计算技术，能够对在校园环境中感知到的对象所产生的数据进行分析和处理，为教学管理和教学决策等各方面做出科学正确的决策和判断。

    云计算与物联网技术下高校智慧校园的建设框架

    1.高校智慧校园的设计思路和用户需求

    设计思路能为高校智慧校园框架的搭建指明了方向。经过相关研究的分析，智慧校园建设框架的设计主要有两种方式，一种为基于分层思想的模型设计，另一种是以用户需求为中心的设计理念。基于分层思想的模型设计主要是以物联网的参考模型为基础，大多是在利用物联网搭建智慧校园时所采用的模型设计，通过搭建相应的感知层、网络层和应用层并在这个基础上进行增添或删减部分层次。[4]目前，大多数高校沿用分层思想来构建智慧校园，但因其过多地关注技术和管理层面的应用，造成高校在智慧校园的建设中陷入了困境。这种设计思路忽略了智慧校园建设的真正目的是为人服务，为身处智慧校园环境内的广大师生提供便捷、安全、智慧的学习科研和生活服务。因此，基于智慧校园建设的最终目的，此次智慧校园建设的设计思路选用以用户需求为中心的设计理念，改变旧的有以云计算和物联网技术搭建智慧校园所采用的分层思想的模型设计，更多地考虑校园环境内人的需求。

    处于高校智慧校园内的人是要关注的对象和用户。首先，教育教学活动是校园活动的核心，广大师生的需求自然是考虑的重点。其次，教育教学的有效开展离不开教育管理者和家长的支持，因此，教育管理者和家长也是师生以外的重要主体。最后，管理校园设备安全运行的技术人员和保障校园生活有序运作的工作人员也是高校智慧校园建设的主体之一，也应考虑他们的需求。综上所述，云计算和物联网下智慧校园的建设需关注的主体有师生、教育管理者、家长、技术人员和工作人员等，各主体的关系如下页图1所示。

    分析用户需求能够很好地解决用户痛点，针对其痛点构建的云计算和物联网技术下的智慧校园才能真正地实现“智慧”校园。云计算和物联网技术下的智慧校园，从教师层面来说应能满足精准地把握学生对知识的掌握程度、监测学生的学习进程、自动评测学生行为和减少重复的行政工作负担等方面的需求;从学生层面来说，应满足沉浸式的互动学习、前沿学习资源的推送、个性化学习方案制定和一站式的生活服务等需求;从家长层面来说，应更能满足关注孩子的学习进程、校园内的行为表现、及时的校园资讯、家校合作等方面的需求;从教育管理者层面来说，应满足对师生教育数据和学校工作数据的收集和深度分析、信息门户的统一和数据的实时共享等方面的需求;从校内技术人员和工作人员层面来说，应更关注设备的使用及运行情况、校园安全的风险预警、出入人员的登记管理等需求。

    2.高校智慧校园建设的总体框架和系统架构

    针对上述不同主体的需求，采用以用户需求为中心的设计理念，将用户的需求分为教育教学、智能管理、生活服务三大方面，辅以适当的分层设计思想，构建出以云计算和物联网技术为核心的高校智慧校园总体框架（如图2）。在总体架构上细分为三个小的系统架构，分别为基础设施层、数据平台层、应用服务层。

    （1）基础设施层

    基础设施层是数据平台层和应用服务层运行的前提和基础。基础设施中包括硬件设施、资料服务器、软件系统三大方面。硬件设施主要作用是提供软件系统运行和校园应用服务的物质载体，如传感器、RFID读写器、高清摄像机等。软件系统是基础设施层的核心部分，包括物联网、语音识别系统、GPS、5G等方面，通过这些软件系统捕捉到校园的数据信息进而传送到数据平台层中，通过数据平台层实现智慧校园中的各种个性化、智能化服务。最后，资料服务器的主要作用是将云计算与物联网技术下智慧校园产生的海量信息资料进行汇总和存储，如校园内的用户资料、行政工作资料、访客资料、教学资源等，相当于一个巨大的信息“仓库”，通过一个统一的信息“仓库”，能够很好地解决高校智慧校园建设中信息共享不充分的问题。

    （2）数据平台层

    数据平台层是云计算和互联网技术下智慧校园建设的“最强大脑”，主要承担智慧校园中生产出来的庞大数据信息的收集、分析、管理以及提供定制化服务的功能。主要借助云计算技术得以实现，在云计算环境下使用学习分析、聚类算法、自然语言处理、知识图谱、贝叶斯算法等各类算法技术深入挖掘有价值的信息并对其组织、归纳管理后发送到应用服务层。各种算法的组合应用在数据分析的广度和深度上得到提高，能够满足不同主体对数据分析的需求。

    （3）应用服务层

    应用服务层是云计算与物联网技术下智慧校园建设的起点和终点，主要包括教育教学、智能管理和生活服务三个方面，这三方面的信息会通过各种形式的智能终端传送到不同主体的手中。第一，在教育教学方面，通过各种算法的组合应用，生成智能的学习报告，提供具有个性化的学习方案，并且能够依据不同的用户需求推送相应的教育教学资料信息等。第二，在智能管理方面，可分为教学数据、校园安全、设备仪器、人员管理等方面的智能管理层，这几个管理层在运作时保持相对独立，在需要联动时又能实现信息的共享互通。第三，在生活服务方面，其目的是打造一站式的服务，联通校园生活的各个方面，对用户的生活轨迹进行追踪，提供最适宜用户的个性化校园生活方案。

    基于云计算与物联网技术在高校智慧校园建设的关键路径

    1.创新高校内部的组织管理结构

    高校智慧校园的建设跟不上时代发展的需求，究其原因，除了缺乏技术层面的支持，高校内部的组织管理结构不合理也是阻碍其发展的原因之一。在云计算与物联网技术环境下，高校智慧校园建设必须充分认识到其内部组织管理结构不合理带来的弊端，如教育科研、校园治理、行政管理等各系统分属不同的部门管理，这在一定程度上限制了各种数据信息在不同主体之间的流动和传递，容易形成“信息孤岛”的现象。因此，高校要解决信息共享不充分的问题，除了有效利用云计算和物联网技术外，也要加强创新高校内部的组织管理结构，加强对管理机制的改革，为高校智慧校园的建设打下坚实的组织基础。

    2.融合新一代信息技术，创设智能服务型的教育环境

    基于5G的高宽带、低时延、大连接特点，以及其边缘计算、网络切片技术，可以很好地支持智慧校园的建设，借助5G建设教育专网，搭建灵活、稳定、便捷、智慧的教育网络环境。[5]在云计算和物联网技术下，基于AR/VR和人工智能等相关技术的智慧校园建设不仅可以突破地理限制，创设沉浸式的学习环境，还可以实时动态监测学生学习时的注意力，改善教育教学质量，为师生提供个性化、智能化服务，从而营造良好的学习氛围和教育环境。

    3.优化安全保障技术及建立伦理规范体系

    智慧校园建设是构建一个庞大的网络系统工程，在云计算与物联网技术下，智慧校园建设必然会产生巨大的网络数据信息。因此，非常有必要优化安全保障技术及建立伦理规范体系，以便最大限度地保障用户的隐私安全。第一，优化安全保障技术。学校可以与相关的技术专业人员、技术开发商等定期开展交流学习活动和培训活动，学习先进的安全保障技术，提高校园网络隐私安全的级别。第二，建立伦理规范体系。基于用户需求建设的智慧校园，可由学校、家长、教育管理者等核心参与者共同组建伦理审查委员会，消解不同利益诉求冲突带来的伦理风险。

    结语

    智慧校园的建设不能一味地追求基础设施的投入和技术的应用，忽略了“人”才是智慧校园建设围绕的核心。在未来教育中，智慧校园的建设将会与更多的新技术融合，助力智慧校园的发展，构建更加智能的人性化的校园，但在这背后，需要引起注意的是数据伦理、隐私安全等问题给智慧校园建设带来的极大挑战。

    参考文献：

    [1]沈宮新，王永红.江苏省高校智慧校园建设分析研究[J].中国教育信息化，2018（19）：49-51+96.

    [2]房月华，李伟达，闫帅领，等.大数据背景下衡水高校智慧校园建设对策研究[J].南方农机，2020，51（08）：95+131.

    [3]于长虹，王运武，马武.智慧校园的智慧性设计研究[J].中国电化教育，2014（09）：7-12.

    [4]余胜泉，陈璠，李晟.基于5G的智慧校园专网建设[J].开放教育研究，2020，26（05）：51-59.

    [5]赵磊磊，代蕊华，赵可云.人工智能场域下智慧校园建设框架及路径[J].中国电化教育，2020（08）：100-106+133.