开放化“智慧学院”的探索和实践

2014-04-10董黎刚厉星星

实验技术与管理 2014年6期

董黎刚,厉星星

(浙江工商大学信息与电子工程学院,浙江杭州 310018)

世界经济论坛在2012年发布的《2012—2013年世界竞争力报告》[1]揭示：中国科学家和工程师的质量名列第46位(中国总体排名是第29位)，是中国7个“创新”指标中最差的指标。这意味着，我国培养人才的质量已经严重影响了创新能力和竞争力。2012年2月教育部公布了《教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》[2]，其中明确提出要强化高校实践教学环节。麦可思公司发布的《2012年中国大学生就业报告》(就业蓝皮书)[3]揭示：中国大学毕业生毕业时对基本工作能力掌握的水平均低于工作岗位要求的水平。这些都意味着当代大学生的实践能力提高任重道远。

1 建设开放性“智慧学院”培养学生实践能力

综合考虑目前的社会需求和学生求职情况，实践能力应该是工科专业人才要培养的核心内容。针对学生实践能力的培养，笔者所在的浙江工商大学信息与电子工程学院(以下简称学院)提出了建设开放性“智慧学院”的构想，并进行了探索和实践。这是一种新的课外教学手段的尝试。

1.1 开放性“智慧学院”的特征

(1) 开放性：采用新一代网络的开放性架构和开源系统，学生进行自主创新的二次开发，并通过信息技术，给学生提供开放式的实验实践项目、开放式的学习和实验实践环境。

(2) 智慧性：把云计算、物联网等提供智能感知、智能处理和智能控制的最新信息技术进行学院内的实际应用部署。

综上所述，学生既可以享受到开放性“智慧学院”提供的各种信息服务，从而体验到开放性“智慧学院”中蕴含的当代最新技术，更好地理解技术内容，也可以在教师的指导下参与到开放性“智慧学院”建设和运行中来，充分发挥自己的想象力和创造力，利用各种软硬件基础设施实现不同的应用功能，使所学得到应用。两方面结合能更好地激发学生的学习动力和创新精神，增强学生的科技创新能力、实践能力等。通过本项目的建设，在全面提升学院数字化、网络化和智能化人才培养和教学管理水平的同时，培养具有扎实实践能力的应用型人才、复合型人才和拔尖创新人才。

1.2 开放性“智慧学院”的创新和特色

(1)开放。开放性“智慧学院”中所述的“开放”不是指一般的开放式教学，而是指基于开放性网络架构和开源软件系统进行的课外学生创新活动。开放式教学有两种表现形式，一是教学内容和方法的开放性[4]，二是教学组织形式的“开放”，比如电视大学，开放实验[5]。还有现在比较流行的网络远程教学，包括视频公开课(比如教育部的爱课程网，www.icourses.cn)、资源共享课(比如麻省理工学院的开放教学课件，ocw.mit.edu)、网络教学课(比如www.coursera.org)。另外，在教学中应用开源软件也已经是比较成熟的做法(详见本文“2 开放性‘智慧学院’的技术背景”)，但是本项目不仅使用开源软件，更是利用开放网络架构来进行人才培养。

(2) 智慧。开放性“智慧学院”中的“智慧”，不仅是从智慧地球、智慧城市到智慧校园的一个延伸，更是一种结合学院在新一代网络技术(包括开放架构网络技术、软件定义网络技术、物联网技术)、云计算技术、信息安全、嵌入式技术等方面的专业优势、突破原来的实验室建设和使用模式，在培养人才实践能力方面的有益尝试。与“智慧校园”(详见本文“2 开放性‘智慧学院’的技术背景”)的显著区别是：“智慧学院”不是请第三方设计和部署一个师生使用的基础设施，而是让学生通过课外科技创新活动亲自参与到这个设施的设计和实现中，让学生从实际应用中感受到成功的喜悦，从而更好地激发他们的创新动力。

上述两方面的结合是很自然的：系统是开放的，软件是开源的，学生才能在这些系统上进行二次开发，从而构建出“智慧学院”来培养学生的实践能力。据文献调研，国内高校中尚未有提出类似概念。

2 开放性“智慧学院”的技术背景

开放性“智慧学院”的提出依托了目前流行的“开放”和“智慧”两大信息技术。

2.1 开放技术

开放技术主要是指以开放系统思想为基础的开放架构网络技术和开源软件技术。

传统的网络设备在体系结构上都是封闭的，即一个网络设备通常只能由一个厂家生产，包括软件和硬件、网络底层技术等都由一个厂家拥有，用户只有有限地按照厂家提供的软件对设备进行设置的灵活性。这种开放性的不足导致网络设备业高度垄断、网络技术进展缓慢、新技术模块在业界的可重用性极低,针对不同厂家的全网操作很难实现。为此，从2002年开始的ForCES[6](forwarding and control element separation，转发件和控制件分离)为代表的开放网络技术,对网络设备中各个模块及相互接口的定义和通信协议进行统一或标准化。从2008年开始的SDN[7](software defined network，软件定义网络)研究进一步把开放性从设备扩展到整个网络。开放架构网络及软件定义网络研究目前是新一代网络研究中最热门的研究方向。

从教学方面来说，由于目前用于实验的网络设备的封闭特性，导致无法开展内部信息处理技术的教学，更难实现开发过程的教学实践。当前的教学重点仍停留在对网络原理、网络设备操作和应用维护等能力培养上，而不是培养学生开发能力。开放架构网络提供了网络技术教学的最佳方式：学生能够亲眼看到并感受到网络设备的内部的信息处理结构，能直观地了解网络设备的工作原理，可以进一步参与设计各类网络设备或设备中的各个环节。这样培养出的学生可达到：一通百通地熟练操作各种不同厂家的网络设备，将来可参与开发工作。

从1984年出现的自由软件发展而来的开源软件是指源码可以被公众使用的软件，并且此软件的使用、修改和分发也不受许可证的限制。开源软件为学生学习实战性的软件开发技术提供了最理想的资源，而且学生的改进也可以放到网上获得大家的评价和认可。近10年来已经在不少高校中采用开源软件，取得了较好的效果[8]。一种是将开源软件应用于校园信息化建设[9]，开源软件常被用来架设服务器,提供上网、文件共享、BBS 等校园网络服务，开源软件也可以用于网络教学系统和平台[10]，最著名的是Moodle和Sakai。另一种是将开源软件直接应用到教学活动，比如基于开源虚拟机实现在同一台机上构建企业网络实验平台(包括网站服务器、防火墙服务器、Email 服务器等应用)[11]，采用Dynamips等软件在同一台机上实现计算机网络环境[12]，采用Scilib软件进行仿真教学[13]，利用Splint等软件进行软件测试教学[14]，利用PostgreSQL软件进行数据库教学[15]，采用开源软件进行网络编程教学[16]。

2.2 智慧技术

2008年11月，全球信息产业领先企业IBM公司首次提出“智慧地球”概念。2009年1月，美国奥巴马总统公开肯定了“智慧地球”思路。智慧地球就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、油气管道等各种物体中，并被普遍链接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，并在后台构筑“云计算”平台(即通过大规模的分布式环境以支撑高性能和智能计算及存储技术等各类网络服务)，从而向整个社会提供智能化的服务。智慧地球的3个特色是：更透彻的感应和度量、更全面的互联互通、更深入的智能洞察。为构筑创新2.0时代的城市新形态，引领中国特色的新型城市化之路，建设部门启动了智慧城市试点工作。目前先后有北京、上海、杭州、宁波、广州、南京、沈阳、武汉、昆明等城市正在建设“智慧城市”。总之，智慧地球或者智慧城市是实体的基础设施与信息基础设施合二为一，实质是物联网与互联网的整合。基本特点是信息化、网络化、智能化。智慧地球和智慧城市之后，出现了智慧校园。目前已经有很多文献介绍了智慧校园的设计和应用。比如，文献[17]介绍了智慧校园的整体设计方案。文献[18]介绍了基于物联网的智慧校园的建设现状和应用。文献[19]介绍了智慧校园中学习环境建设要解决的几个关键问题。文献[20] 介绍了智慧校园中视频监控与即时发送信息系统的设计。文献[21] 介绍了智慧校园中教学资源管理的存在问题和基于云计算的解决方案。

3 开放性“智慧学院”的实施内容

开放性“智慧学院”建设中包含了基础架构、管理平台、培养模式等3个方面的重要内容。

3.1 新一代计算和网络基础架构

新一代网络基础架构由软件定义网络、物联网、云计算3部分组成。

(1) 软件定义网络通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为多样化网络及应用的创新提供了良好的平台。有了这样的平台，学生就能在最大限度不干扰运行网络的前提下灵活试验各种网络应用和网络技术，从而更好地掌握网络技术。2011年学院获得省财政专项支持的“开放架构网络处理技术实验室”，采用了学院自主研发的ForCES技术，该技术是实现SDN的途径之一。

(2) 物联网就是物物相连的互联网，它以互联网为核心和基础，在互联网基础上延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。2012年学院获得省财政专项支持的“物联网工程实验室”，一方面在学院周围布置了水质、空气质量、光照、温度、湿度等多种传感器，另一方面，学院已经在教学大楼全面布置了供校园智能卡访问的门禁系统，让学生可以通过实际应用来了解和掌握物联网技术。下一步是通过手机RFID-SIM卡的使用提供更广泛的终端覆盖。

(3) 云计算就是通过网络以按需、易扩展的方式向终端用户提供包括计算能力在内的各种资源。2012年学院获得省财政专项支持的“基于云计算的信息通信工程学科学生科研创新实验平台”，构建了云计算服务器群，为全院师生提供强大、可靠、安全的存储和计算数据的能力。同时学院已经把一部分学生的PC替换成云计算节点，使得通常的PC管理、更新和维护更方便和无病毒。

3.2 开放性智慧化管理平台

在基础架构之上，学院正在构建开放性智慧化的管理平台，包括数据及其应用软件。

3.2.1 智慧化管理平台的内容智慧化

管理平台包括：

(1) 具有视频监控、门禁管理、预约管理、设备管理等功能的实验室管理平台;

(2) 具有流量控制、病毒防治等功能的网络管理平台;

(3) 具有课程学习和测试、选课、实习、毕业设计、创新创业竞赛、创新创业项目、师生互评等功能的教学管理平台;

(4) 具有选举、远程会议、发布通知、报名、考核评价等功能的事务管理平台;

(5) 具有通知库、新闻库、文件库、数据库、资料库、软件库等功能的信息管理平台。

3.2.2 管理平台的特色

(1) 泛在化。首先，支持访问终端(包括电脑、手机、LED屏、显示液晶电视等各种媒体终端)的多样化。其次，通过互联网和物联网达到人和物之间，学院、教师、学生间的信息互联互通。最后，云端共享功能可以在教师上课的同时录制板书及声音并及时共享至云端，使得学生无论身居何地，只要通过网络接入云端均可以直接共享学习，真正实现学习无边界，海量优质教学资源充分共享。

(2) 自主性。为充分发挥学生在教学中的主体作用，提高学生自主学习实践能力，第一步是提供网络课程。不仅提供丰富的教学资源，提供师生网络互动交流，而且能监控学生的学习进度和评价学生的学习效果。第二步是提供实验和实践项目。不仅要提供真实实验和实际实践项目，而且要能提供虚拟实验和模拟实践项目，运用数字化还原真实实验场景及实验实践效果。第三步是寓教于乐。为提高学生兴趣和自主性，有必要采用“游戏”的做法，以虚拟的环境、充实的剧情、绚丽的视觉效果、使用者参与(竞技和角色扮演)，再加上得分和通关的激励，在游戏中获得知识。

(3) 虚拟化和数字化。实现包括环境(包括设备、实验室、教室、办公室)、资源(如设备、课件、教案讲义、辅导材料、作业、图书杂志、软件、试题、成绩等)、活动(包括上课、自学、辅导、答疑、作业、考试)、管理(检查、督促、考核、评比等)四大领域在内的全部虚拟化和数字化，在传统管理和服务的基础上，构建一个数字空间以拓展现实管理服务的时间和空间维度，实现了精细化、动态化管理，提升了传统管理服务模式的效率。

(4) 智能化。通过软件技术和云计算技术实现信息的高速和智能处理及深度挖掘。

(5) 开放性。开放性体现为数据来源和应用的多样性。首先，兼顾课内和课外，平台不仅支持课程中和课堂上的学习，而且也支持课外各种广义范畴内的学习，比如科研项目、竞赛、实践活动。其次，重知识更重实践。最后，从校内逐步扩展到校外。比如，更多学习资料和实践设备的对外开放共享，开展网络教学。

3.3 开放性智慧化培养模式

仅仅有基础架构和管理平台还是不够的，最核心的是为培养学生会使用和开发这些基础架构和管理平台。

3.3.1 开发和应用管理平台直接培养学生的实践能力

这些在新一代计算和网络架构基础上的众多管理平台的开发和应用，很适合作为学生的实践项目。

(1) 平台的定制和动态调整。由于学校各学院的具体情况差异，上述管理平台的开发应该是定制的而不是统一的，而且更复杂的是，现在高等教育和人才培养正处于改革时期，政策措施和管理手段都处于动态变化中，因此管理平台应该能动态调整。从这个方面来说，让一届又一届的学生参与这些实际系统的开发，正好能应对这些动态调整问题。

(2) 平台的模块化。上述不同主题的平台系统往往是一种或多种模块的组合体，比如新闻模块、搜索模块、统计模块、预约模块、交流模块(包括分类、发贴等功能)、项目模块(包括申报、申报评价、中期检查、验收结题等功能)、选择模块(包括上传、初选择、双向选择、二次选择等功能)、考试模块(包括出题、考试、批改等功能)、电子教室模块(包括教学广播、资料分发、远程控制、屏幕录制等功能)。这些模块很适合分散出来提供给学生进行各自相对独立的专业实践能力训练。

3.3.2 对不同的学生分别进行引导和指导

按照学院整体人才培养的目标和策略，着重从开放性和智慧性两方面对不同的学生分别进行引导和指导。

(1) 使学生认识到自学(自主学习和自己学习)是学习的真正开始。学习的目的是应用，通过应用(解决实际问题)来学习是效果最好的学习方式。

(2) 平台为学生提供了开放式的学习实践平台，同时学院也鼓励学生以开放的心态学习和掌握各方面的知识和能力。

(3) 以应用和实践为导向，鼓励教师积极探索学生培养模式的多样化开放化。

(4) 在最核心的思考能力的培养上，鼓励学生用开放性的思考方式，掌握思维的原理和智慧的原则，成为智慧型人才。

(5) 在学生项目和产品开发中，以“创新意识的培养—创新实践的探索—创新研究的积累—创新项目的孵化”为主线进行人才培养。

4 开放性“智慧学院”的基础和成效

本学院具有“十二五”浙江省重点一级学科——“信息与通信工程”。在开放性“智慧学院”所需用的新一代网络技术、物联网技术、云计算技术、信息安全、嵌入式技术等方面具有充分的技术储备，尤其是开放架构网络方面取得了突出的研究成果。学院的新一代开放架构网络技术及应用科研创新团队是省级科研创新团队，是国内第一个深入研究ForCES技术的小组。

开放性“智慧学院”实施以来，已经取得初步成效。

(1) 在学生开放、论文、项目、竞赛成绩方面有长足的进步。3年内学院每年面向5个专业承担每145 774人时数的开放(比前3年增长58%)，支持了180个与校级以上学科相关的项目让学生进行科研实践(比前3年增长125%)，学生发表了124篇论文(比前3年增长88%)，学生获得省级以上竞赛获奖达50人次(比前3年增长61%)。继2008年、2010年全国“挑战杯”竞赛中学院连续2届获全国金、银奖，实现省属高校在这一竞赛上的历史性突破之后，在2012年和2013年省“挑战杯”竞赛中，学院学生又获得省一等奖2项，省二等奖4项，成绩列全校之冠。学院在省级和全国“挑战杯”创业计划竞赛上的整体成绩在省内名列前茅。

(2) 学院组织实施了学生专业作品竞赛，强调学生自己组队，独立开发出能够直接应用的软硬件作品。自3届比赛以来，表彰了51件专业作品，包括多项可以直接在学院内应用的产品，比如“课程网站”、“教师网络云盘”、“教师教学反馈系统”、“浙江工商大学展示平台”、“移动校园网客户端”等，在已有学院内产品开发经验的基础上，一些学生团队已经组建了工作室，比如3G物联网嵌入式工作室，开始对校外承接研发项目。