物联网环境下智慧校园建设与发展问题研究

乔 蕊,崔春英

在物联网和教育信息化发展的推动下,“智慧校园”被提出并部分开始建设实施,而建设推广智慧校园是一项极其复杂的系统工程,非常有必要对智慧校园建设与发展问题进行深入调研、分析论证,多视角探讨智慧校园建设中的问题.只有建立对智慧校园建设的整体性认识,明确当前存在的技术难点,运用多视角理论体系分析智慧校园建设中的问题,才能有效指导智慧校园建设实践,进一步提高智慧校园在各项校园活动中的服务能力与师生参与度,更好地促进智慧校园的协同发展.

1 物联网与智慧校园

1.1 物联网的发展现状

物联网技术是在传感技术、网络技术、云计算等各项技术的推动下发展起来的,被称为信息产业的第三次创新.自20世纪90年代物联网被提出,到现在经历了二十几年的时间,物联网从一个崭新的技术名词,提升为以美国为首的多个发达国家的国家战略.近些年,各国政府都试图将物联网的推广应用作为刺激本国新的经济增长点的要素和确立国际竞争优势的关键战略[1].中国的物联网建设也受到重点关注和推进,2010年3月国务院总理温家宝在《政府工作报告》中,将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点产业振兴,表明物联网已经被提升为国家战略.然而从整体上看,目前国内外关于物联网的研究和开发都还处于起步阶段.不同于以前的历次技术革命,中国对物联网建设的开展与发达国家相比起步并不_晚,这使中国能够在即将到来的物联网技术革命中扎稳脚步,很好地抓住机遇、迎接挑战[2].

尽管物联网是当前的研究热点,但目前世界范围内仍然没有形成对物联网统一的定义.从物联网的本质进行分析,主要有三个方面的特征:一是互联通信特征,即接入物联网的各终端(可以是人,也可以是物)需要进行通信,要有网络平台进行支持;二是识别感知特征,即接入物联网的“物”一定要具备自动识别感知周围环境功能;三是智能化特征,即网络上的终端应该可以智能化地组织通信路径,并进行自我反馈与智能控制[3].

1.2 智慧校园概念的提出

物联网用途广泛,遍及文化教育、医疗卫生、环境监控、电网监控、国防等多个领域,实现了物理世界的虚拟化、智能化、加快人类社会信息化发展的进程,为人们提供智能化的生活和环境.在教育领域,教育信息化发展经历了网络化→数字化→信息化→智能化四个阶段,物联网技术的应用加快了教育信息化发展的历程,适应学校对创新型教学模式和科学化管理模式发展的要求,对提高学校的教学水平及管理水平有着广阔的应用前景.智慧校园的提出是教育信息化建设的高级阶段(信息化、智能化)与物联网发展交叉的必然产物,符合当前阶段创新型人才培养和科学化管理要求[4].

“智慧校园”是指利用物联网技术,借助校园网络平台创建包括所有人及物理对象在内的各终端自组织对话的交互方式.智慧校园的引入能够实现课堂上教学环境与数字化虚拟环境互联,甚至是区域内教学资源的互联,一方面使学生能够在课堂上感知外面的真实场景,实现教学过程中抽象的问题具体化,加深学生对学科知识的理解,另一方面也有利于提高贵重、稀有资源的利用率.通过智慧校园学习系统,教师和管理者可以实现教学信息的实时反馈和教学设备的智能控制.与各种传统网络学习方式相比,智慧校园平台下的学习具有更加开放、自主、多元化的特征,更加有利于激发学生独立自主的学习探究能力,开拓创新性学习模式.校园一卡通的应用也是基于智慧校园的研究成果,它能完成对师生身份的识别并提供各种系统应用服务,实现应用系统的整合.智慧校园的应用还在推广,涉及校园交通、校园水电、校园设备感知等多个方面.

智慧校园的建设与推广有利于创建创新型教学环境,实现科学化教学管理模式,加快知识更新,促进域内资源共享,促进校园各项资源与人的高度融合,提升学校总体运行的效益.然而,智慧校园建设推广也存在不少困难,本文从多个角度进行探讨.

2 智慧校园总体架构及支撑技术

智慧校园的建设应当以推进创新型的教学模式和科学化的管理模式为基本出发点,打破传统校园网络数据与信息资源相对独立、封闭的特点,借鉴物联网架构的基本思想,采用云计算信息处理手段,并对大量泛在信息进行优化处理,从而对校园各类资源进行有效的整合与集成,实现人与物、物与物之间的自由对话,为学校实现创新型的教学模式和科学化的管理模式提供一个集成化环境.

2.1 智慧校园的体系分析

随着物联网技术相关研究的开展,国内一些高校如浙江大学、南京邮电大学、西南大学、成都大学、同济大学等纷纷开始探索、实施物联网技术在智慧校园中的各项应用.主要目的是创建无处不在的学习环境,融合区域内教学资源,提高校园信息管理和服务水平,实现对校园资源及事务的实时监测处理,为校园生活提供更便捷的服务,建立一个开放的、共享的、创新的和智能的综合信息服务平台,实现智慧校园下各类信息的有效感知、处理、应用和服务.

智慧校园的架构可以分为四个层次:首先,要有支持各种移动终端、传感器、一卡通等设备的系统接入环境;二是有多网融合的网络连接环境,包括有线网络、无线网络、2G/3G/4G网络;第三,要拥有一个数据存储环境,就是云计算环境、存储环境;第四,提供面向用户的各类信息应用服务平台,智慧校园体系架构如图1所示[5].

感知层的作用主要是为广大师生提供一个全面的智能感知环境,利用射频技术、传感技术、二维码、移动终端等感知技术对各类信息进行采集,并采用分布式的计算方法进行底层数据融合,实现校园中人、财、物和教、研、管工作过程中各类信息到系统的主动、有效、智能的推送,为系统进行综合数据分析提供数据支持.感知层终端设备应具备低能耗、低成本和小型化的特征,并且向灵敏度更高、感知能力更强的方向发展.

传输层融合校园网内多样化的网络环境,将校园内的多个应用网络如固定网络、无线网络、移动网络、传感器网络等融合在一起,进行统一的控制和管理,综合使用各种网络接入手段,建立统一的网络融合平台,提供透明的网络接口和可靠、稳定、高性能的网络传输,使得各类业务的多方协同共享成为可能,校园资源得到更有效的分配.校园内最终实现网络区域全覆盖,人或者是物都能随时随地的访问智慧校园网络.

图1 智慧校园体系架构

服务层提供海量数据存储、分析和处理,采用云计算等技术创建服务器存储系统架构,以更加灵活的方式适应多种应用系统存储架构的需求,提高数据资源存储的利用率和管理效率.

应用层融合面向用户的各类信息应用服务平台,包括人事信息管理平台、科研信息服务平台、一卡通服务平台、校园设备监管平台、教务管理平台、图书管理平台等,定制基于角色的个性化服务,实现校园教学与管理的智慧化.

在此架构基础上构建了智慧校园各模块,包括公共基础设施、网络支撑平台、智能校园综合信息服务、标准规范和体制机制、智能应用系统等建设内容.

2.2 智慧校园的关键技术

实现智慧校园的关键技术有四个方面:第一,各种异构网络的融合;第二,巨大信息来源的有效分析和提取;第三,信息安全技术研究;第四,资源整合机制[6].下面对物联网环境下智慧校园的若干技术热点问题进行研究和分析.

2.2.1 智慧校园下异构网络的融合

互通的网络是智慧校园信息传递的基础.智慧校园中存在多种接入终端,应能实现各终端自主的互联,而校园内又存在多种为不同客户需求设计的网络通信标准,形成了目前校园内多种异构网络并存的局面.网络的异构性主要有三个方面特征:异构的无线频段特性导致不同的频谱资源使用方式;异构的网络通信标准存在网络接口及通信协议的差异,造成设备的不兼容;异构的信息网络存在服务差异.

所谓异构网络的融合是指在公共通信平台之上对异构通信网络间共性的整合,目的是使各种异构网络实现共性的融合与个性的协同.异构网络共性融合是指校园网内各种异构网络与作为公共通信平台的网络的融合,从而构成覆盖整个校园的泛在网.而个性的协同则是对异构网络间个性的整合,通过各接入子网彼此之间的协同实现多网并存,相互协作的局面,以满足智慧校园多样化的业务和应用需求.

2.2.2 物联网下智慧校园巨大信息来源的有效分析和提取

随着智慧校园应用的推广、终端数量的增多,智慧校园网络将不断得到海量新数据,如何对这些海量新数据进行有效的存储、处理及分析成为制约智慧校园系统应用的关键因素[7].传统的信息处理手段只对信息进行简单的采集和处理,缺少对语义信息的有效分析和提取,导致所采集信息中的规律和知识无法被利用.而要实现智慧校园下学校的智慧管理、智慧教学等,系统必须对采集到的行为、事件等空间信息进行有效的语义分析和提取,挖掘海量信息中的数据规律和知识,涉及数据异构处理、语义理解、语义描述、语义关联、不确定性、知识表达等相关技术的研究和运用[8].

2.2.3 基于智慧校园的信息安全技术

智慧校园中终端设备种类多、数量大,任意一个物体的标签或者移动终端都存在被远程侵入的可能性,而物体标签或移动终端由于计算能力受限、能量受限等原因无法运行复杂的安全软件,因而不能对恶意程序的侵入进行有效的甄别,它们往往会自动地将本地终端上存储的信息传输到对方服务器上,造成信息的泄漏.可见,基于物联网技术的智慧校园网络除了传统的网络安全问题外,还有基于自身架构的特殊安全问题.因此,保障智慧校园网络单位及个人信息不被侵犯成了网络信息安全技术研究的关键问题,也是制约物联网技术发展的重要课题.

2.2.4 智慧校园中的资源整合机制

智慧校园具有如下特征:应用系统类型多,产生数据量大,对数据处理的可靠性要求高,本地的硬件环境难以胜任;学校网络中心或高性能实验室往往拥有大量计算、高存储能力的计算机,从资源有效利用的角度看,应该最大限度的开发它们的利用率;学校业务在发展,应用在增加,各类应用系统适应学校的发展,必须引入动态伸缩处理机制.云计算技术具备解决上述问题的能力,因此它在智慧校园的建设中获得广泛应用[9].

在开放式的智慧校园环境中云计算技术的应用是建立校园综合信息服务平台的关键.云计算技术基于虚拟化的手段对校内服务器资源进行整合,使之形成公共资源池,云计算平台对任务进行统一管理、分派,以更加灵活的方式适应多种系统架构的需求.云计算信息平台整合了校园网内多种应用平台,包括教学信息平台、科研管理平台、学生信息平台、人事信息平台等,使各类子系统能够根据需要从“云端”获取相应的计算服务和存储服务,从而提高了校内软硬件资源的利用率和管理效率.

3 多视角下智慧校园建设的约束与推动

以物联网技术为基础的智慧校园从根本上改变了校园中信息交互方式及分布形态,从而改变了人们之间的“教育关系”,模糊了教育者与学习者的界限.从不同的学科视角对智慧校园进行研究,有助于对智慧校园研究的深化,更好地解决智慧校园建设中的实践问题.

3.1 管理学视角下对智慧校园建设问题进行分析

智慧校园建设中的首要问题就是管理问题,要解决好两个事情:第一是对人的观念做好引导,第二是对相关标准规范进行制订,突出人是应用的根本这一核心问题.从管理学的角度对智慧校园建设问题进行分析,得出需要注意的三个方面.

3.1.1 关注目标,加强对智慧校园建设规范的研究和制订

智慧校园的建设目标可以概括为提供全面的智能感知环境;为师生定制各种应用服务平台,提供基于角色的个性化服务;融合校内各种网络,实现资源的自主通信和人员的互动协作,并提供学校与外部网络环境交流感知的接口.智慧校园的提出建立在数字校园发展的基础上,由于物联网技术等新技术的运用,又使智慧校园区别于前期数字校园,它在技术层面及整合度方面都有相当大的提升.因此,应该在明确智慧校园建设目标的基础上,结合新技术的运用与发展情况,组织相关人员研究制订兼具科学性、可靠性、可行性的智慧校园建设标准和规范,这对于学校教育信息化的发展具有重要的指导意义.

3.1.2 突出以人为本的教育理念,注重师生信息素养培养

调研发现,智慧校园建成之后,大部分师生只会使用其中的某些应用系统,而不去思考如何让技术变成工具,更好的改变人们的工作生活.师生对智慧校园的应用水平直接影响到智慧校园的正常运行和效用的最大化发挥.这就要求认真把握以人为本的教育原则,注重师生信息素养培养,让师生学会主动将智慧校园平台下各项服务融入各学科教学中,融入课余时间的生活中,帮助师生在教学及生活过程中更有效和充分地利用校园资源.只有加大师生信息素养培养力度,注重培养师生的创新精神和实践能力,才能有利于智慧校园的推广,有利于创建创新性教学、管理环境和舒适化校园环境,促进教育观念和教学方式的深刻变革.

3.1.3 用发展的眼光看待技术手段的转变

随着网络技术、多媒体技术及物联网等的应用与发展,媒体教育手段一直在变化,从计算机仅服务于计算,到多媒体的应用,到互联网的普及,到今天的数字校园、智慧校园的推广应用,信息技术的变化极大的影响和改善着学校的教育管理模式,也为学校发展带来新的机遇及挑战.智慧校园的各应用主体应该在这些变化中总结规律,吸取长处,让技术创新的成果更好地服务于学校的各项事务,而不能够仅停留在过去的技术层面上.调研发现,有的学校投入了很大的人、财、物进行智慧校园的创建,并且专门针对智慧校园的各种应用对老师们进行了培训,但事实上,多数老师还是喜欢采用本地机器进行教学,拒绝学习新知识,采用新技术,这种现象对智慧校园的推广造成了限制.因此,教师的观念严重制约教育信息化的发展,学校各级领导、教师及管理人员都应在观念上进行创新,坚持用发展的世界观看问题.只有消除了对新知识的畏惧心理和抵抗心理,才能够使新技术的应用得到推广,使智慧校园的巨额资金投入收到更多成效.

3.2 教育学视角下对智慧校园建设产生的约束与推动

3.2.1 传统学校教育机构及教学组织形式对智慧校园的发展产生阻碍

传统学校教育机构常常采用班级授课制的教学组织形式,这种教育模式从被捷克教育家夸美纽斯提出到现在经历了几百年的历史,培养了大规模人才,对学校教学乃至社会政治经济都产生了深远的影响.然而这样的教育形式一旦形成,就会产生很大的惯性,这种惯性对学校推进信息化教育的阻碍是毋庸置疑的.调研发现,部分学校花费巨大投入进行智慧校园各种应用平台建设,实际上它的利用率却不如人意.本地多媒体教学平台使老师们对自己制作的教学课件等资源使用起来得心应手,老师和学生之间的互动、交流也往往局限在课堂上,多数人不习惯通过网络平台进行任何时间、任何地点、任何对象的教学资源整合和传播,这使得智慧校园推进创新型教学模式的进程受到阻碍.传统学校教育机构及教学组织形式对智慧校园的发展产生的阻碍,需要经过一段时间的适应过程才能消除,因此,智慧校园的推广不能一蹴而就.

3.2.2 传统学制结构对智慧校园的发展产生阻碍

在教育信息化浪潮的影响下,各国教育均已形成完善的新的学制结构,呈现出多样化、终身化的发展趋势,但新的学制结构仍然受到传统学制结构的影响.既定的学制结构短时间内难以容得下智慧校园平台知识获取方式及评价方式,智慧校园的发展必须依附于传统的学制结构,不可能离开传统的学制结构另辟蹊径.可见,传统的学制结构对智慧校园的推广有一定的阻碍作用.

3.2.3 高校教学评价体系对智慧校园的发展既有阻碍,又有推动

一方面,大学里部分学生面临研究生入学考试,由于考试本身在技术性、公平性方面的要求,考试科目及内容必须事先限定,这样导致学生的主观性、个性和爱好受到压制,在此环境下将导致智慧校园的效用不能得到有效发挥.另一方面,大学教育十分注重学生兴趣的培养,个性的成长,必修与选修课程相结合的教学模式已经沿用多年,学生兴趣爱好的多元化培养模式也必将推动智慧校园的发展.

3.2.4 学校教育呈现出移动学习的新趋势

对周口师范学院年龄在35岁以下的209名青年教师和学生进行调研,喜欢使用移动设备访问校园网络获取信息的占78.36%,尽管通常是浅层知识的获取,但也培养了将移动个体通过互联网络跟外界自主通信并进行信息交互的意识,这又成为推动智慧校园发展的一个重要因素.

3.3 系统科学视角下智慧校园建设的问题分析

系统科学是以系统为对象进行研究的基础理论和应用开发的学科构成的学科群[10].系统科学视角下,采取将认知对象作为系统,从系统、要素、环境三者间的关系和作用中全面观察认知对象的方法,准确可靠的对复杂情况和问题获得系统见解.智慧校园的建设推广是一项复杂的系统工程,涉及多种要素,有必要运用系统科学的观点对智慧校园建设中的各种复杂情况进行分析.然而目前,运用系统科学理论对智慧校园建设实施的分析并不多见,仍停留在初级阶段,没有得到广泛的重视.从系统科学视角下对智慧校园建设中的复杂情况和问题进行分析,为准确把握智慧校园的结构与功能,更深层次的理解智慧校园建设中的制约因素提供依据,从而有效指导智慧校园建设实施,促进智慧校园的协同发展[11].本文运用系统科学理论对智慧校园建设中的问题进行分析,得出以下结论.

(1)缺少对智慧校园建设的共性认识

调研发现,国内智慧校园建设目前尚处于摸索阶段,各校文化背景、科研背景、教学和管理机制等方面都存在差异,导致他们对智慧校园本质的认识必然存在差异,往往只强调智慧校园的部分特征,不能从整体上挖掘智慧校园实施中的本质问题.在智慧校园建设实施过程中,常常由于缺乏对智慧校园建设的整体性认识,缺少系统科学视角下运用整体思维对智慧校园建设问题进行有效的分析和把握,不能很好地处理智慧校园建设中的问题.

(2)个人本位主义导致智慧校园功能结构存在差异

智慧校园的建设实施与参与建设的主体有很大关系,不同的专家、领导对智慧校园的功能结构往往产生不同的分析认识,导致智慧校园在建设过程中存在功能结构的差异.管理人员主导的智慧校园建设,在实施过程中往往表现出“重建设、轻应用”的偏向,过分强调智慧校园对教育管理的支持功能;教研人员主导的智慧校园建设,注重与教学相关的各类应用系统的开发,然而随着智慧校园平台应用和资源越来越多,系统就会表现出缺乏有效的组织和管理,也会带来系统维护成本不断增加的问题;技术人员主导的智慧校园建设,注重相关技术的应用,对应用系统、资源建设关注较少,对各部门之间的协作、学校的运行状况等了解也不够全面、深入.上述现象正是个人本位主义思想在系统工程实施过程中的放大,这主要是由于人们习惯从自身的角度考虑问题,将自己某个角度的观点当作全局意愿放大并移植于智慧校园建设当中,从而使智慧校园属性偏离,导致智慧校园投资效率不高.

(3)群体利益关系对智慧校园建设产生影响

智慧校园的建设涉及大量资金的投入运作,相关利益群体涉及主管部门、建设参与者、服务群体、智慧校园专家、网络运营商、产品供应商等环节.必须充分考虑建设经费的分配,才能充分调动各部门积极协作,使智慧校园的建设投入发挥最大效益.

4 结论与展望

随着中国教育信息化技术的推广,国内许多学校已具备创建智慧校园的硬件条件,有些学校已经开始进行智慧校园的建设,并具备一定的规模.在智慧校园平台的推动下,学校将被建设成为兼具泛在的网络教学、创新的科研环境、高效的校务治理、丰富的校园文化、方便周到的校园生活等特征的新型校园环境,这是学校发展过程中一次重大的跨越.

基于物联网架构的智慧校园的发展具有广阔的前景,然而其推广目前仍存在多重困难.正如前面提到的,在技术领域,建设智慧校园需要解决异构网络融合、信息安全、数据有效提取、资源共享等问题;从管理学视角、教育学视角、系统科学视角进行分析,智慧校园的推广应用都有一定的制约因素.通过论证分析,笔者得出结论,智慧校园的建设不仅存在技术上的困难,其推广应用还依赖于多部门能否协调合作共同促成管理制度、教育制度的改革,科学有效地运作.

参考文献:

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[11]Systems thinking[EB/OL].[2010-05-17].http://e_n.wikipedia.org/wiki/Systems thinking.