基于智慧校园情境感知信息服务系统的设计与实现

黄立冬， 廖宏建

(1.淮阴师范学院 教育科学学院，江苏 淮安 223300； 2.广州大学 网络与现代教育技术中心，广东 广州 510006)

0 引言

2018年教育部正式提出《教育信息化2.0行动计划》，这标志着我国经过多年的教育信息化建设，校园信息化建设已经从校园网络建设、校园数字化建设阶段，发展到了智慧校园建设阶段.在5G网络、移动应用普及、云存贮、大数据、以及物联网等技术的推动下，基于情境感知的主动、个性化的智能化应用和服务是智慧校园发展的必然需求和趋势，同时也是国家布局教育信息化2.0，在消除教育界的“数字鸿沟”后，应对“智能鸿沟”问题的重要的技术保证手段[1].

2018年教育部发布了《中小学数字校园建设规范(试行)》指导性文件，随后各地区都在此基础上出台了中小学与高校的智慧校园建设的指导意见. 例如：江苏省要求以人为本、深化应用、融合创新、开放共享原则(智能感知是大多数智慧校园建设的指导思想或目标之一).智慧校园提供一个全面智能的感知环境和智慧空间，基于用户、情境和资源多维模式，在教学、科研、学习、生活、及校园管理等方面为广大师生提供一个基于角色、基于环境、基于事务的情境化与个性化服务[2].黄荣怀教授提出了智慧校园的5个特征，即网络的无缝互通、环境的全面感知、数据的海量支撑、师生的个性化服务、学习环境的全面开放[3].

目前，情境感知在汽车行业、智能家居、智能旅游、电子商务等领域应用都比较成熟.有关情境感知在智慧校园应用的研究与探讨主要集中在数字图书个性化服务、英语移动学习、智慧学习环境、智慧学习资源等领域.而且大部分研究仅限于某种应用需求的局部探讨，缺乏智慧校园建设的理念和业务大数据需求下的整体架构与思考，表明目前情境感知在智慧校园的应用与研究还尚处于探索阶段.

1 典型智慧校园情境分类框架

情境感知离不开情境，管理学视角认为，情境有场所之意，尤指在某一时间内事情发展或个体行为活动的状况、情势或即时条件[4].本质上，这与情境感知的视角是一致的，即都将个体与组织分开考虑，具有独特性，同时说明了资源、服务、知识都具有非普适性.对校园而言，整个系统的校园情境因素非常复杂，包括了组织与个体、内部与外部、文化与价值、主观与客观等.如果对情境考虑过细，导致泛情境化而无法聚焦，增加了事物研究的复杂性.因此，研究智慧校园的情境感知，对智慧校园情境进行分类是首先要解决的问题之一.

对于情境的分类，目前没有统一的定论.戴(A. K. Dey)将情境分为4个类型：标识、位置、状态、时间.徐光祐等将情境分为：计算情境、用户情境、物理情境、时间情境[5].也有学者将社会情境、任务活动等也纳入分类要素之中[6-7].参考已有分类方法，结合典型校园的特点，本文从用户、资源、活动、服务4个维度考虑，将典型智慧校园情境分类分为校园用户情境、校园环境情境、应用逻辑情境，具体如图1所示.校园用户情境和校园环境情境属于显性情境，是事物具有的基本属性，包含了用户、资源与活动.应用逻辑情境属于隐显情境，是情境系统识别出来的高级情境，主要指服务.

图1 典型智慧校园情境分类框架

1.1 校园用户情境

校园用户情境是针对校园用户基本属性的描述.包括个体属性、兴趣爱好、群体属性.个体属性可以是用户的个体特征，如用户姓名、性别、籍贯、年龄、专业、年级、身份等；兴趣爱好属性包括用户偏好、兴趣爱好、学习习惯、学习风格等；群体属性包括班级同学、专业同学、学科同事、组织成员等，这些特征用来描述校园群体用户特点.

1.2 校园环境情境

校园环境情境是指用户当前所处的环境特征的描述，包括校园自然环境、资源环境、文化活动环境等3个方面.自然环境、资源环境属于校园物质环境，文化活动环境属于校园社会环境(精神环境).自然环境主要指校园的地理属性，包含楼宇位置、文化景点、校园功能区等.资源环境主要指校园教学资源，包括教学设施、网络设施、图书资源、数字平台等.文化活动环境是指师生在规章制度指导下的校园活动环境，包括教学活动、科研活动、课外活动，校园事务等，体现的是人际互动的群体社会属性.

1.3 应用逻辑情境

应用逻辑情境属于高级情境.是情境服务系统跟据感知的基本数据与相关的业务应用逻辑融合计算生成的高层次的情境，具有个体性，可以直接为校园个体用户服务.应用逻辑情境分为3种：流程应用、事件应用、推理应用.流程应用指根据用户情境与系统日程安排生成的新情境.如每位同学的课表安排，老师的办事进度.触发应用指不管哪个用户，只要满足条件就触发了新的情境信息.如学生一刷卡进图书馆，系统就会第一时间将其关注的图书信息、空余自习位置等信息推送给他.推理情境是指情境服务系统通过情境计算，推测到用户下一步行动或需求主动生成的情境信息.如根据课表中的教室、时间安排信息与用户当前位置信息与时间对比，自动把手机设为静音状态并自动签到.

这种分类优势主要是考虑了校园空间(情境)的领域性，可降低情境感知的难度，能提高应用的精准性.不足之处是因为个体感知方面的心理情境太主观，无法考虑.比如，某同学要购买一支笔，但这支笔是自己用的还是用来送礼物的是有差别的.

2 基于情境感知的智慧校园资源服务引擎框架

关于情境感知与智慧校园的研究，学者们从各种技术角度进行了探讨.蔡苏等基于增强现实、位置和移动技术，以安卓Android手机平台为客户端，设计并实现了地理导航与校园文化浏览一体的校园智能导览系统[8].后圆圆提出一种基于规则的情境感知系统设计方案，实现了一个小的校园资源推荐原型[9].夏凌云等提出基于位置情境，以微信公众平台和iBeacon技术的智慧校园智能签到应用方案[10]，蒋达央利用基于校园师生活动这一本体而设计的情境感知模型，提出了3种基于智慧校园的情境感知数据采集的策略[11].覃飞提出面向智慧校园的情境感知系统研究框架，并对协同过滤等推荐优化技术在智慧校园情境感知系统的服务推荐中的应用进行了探讨与研究[11].本文在上述学者的研究基础上，基于数据融合与智慧校园建设指导文件，提出一种智慧校园情境服务的引擎框架.

2.1 设计思路

依据国家教育信息化2.0行动计划，2018年江苏省高校智慧校园建设指导文件指出，智慧校园建设要以坚持开放共享、融合创新、应用驱动、以人为本的原则，在这基础上，结合校园用户、资源、活动、服务4个维度进行设计考虑.

2.1.1 基于资源融合的“服务碎片化”轻应用原则

融合阶段是智慧校园进入成熟标志，融合意味着校园网络、数据、平台、业务及服务的统一，为用户的情境服务提供了“组件化”的可能性.用户即开即用的轻应用，如图书助手、学术助手、报销助手、社团助手、课堂助手等，这些轻应用设计成低耦合高内聚，开发与使用时可以在数据库共享与系统框架下自由扩展.例如大四学生在作毕业论文期间，选择打开“学术助手”，当有相关论文写作时一些通知、讲座、资源时就会及时推送.非毕业班的同学对这一块需求不是很明显，则可以关闭.这样一方面满足了客户端按需选择的“服务碎片化”，避免了相关信息或服务对用户来说可能适合但暂不需要的矛盾，另一方面也减轻了系统开发与云端情境计算的复杂性.

2.1.2 基于校园活动(业务)驱动原则

作为典型的各项校园活动都有一定的规范性，这也为个性化的服务提供了可操作性.例如学生需要按课表进行上课，老师需要按流程与规章报销.借鉴企业资源规划(ERP)中的业务流程管理(BMP)生命周期的管理方法，情境服务系统参与进来，对每个个体的业务进行定义、建模、启动、执行、监控、分析，主动提供各种个性化的资源与服务，提升智慧校园的用户体验与使用价值.

2.1.3 基于以用户为中心的个性化服务原则

智慧校园的建设最终指向的服务对象是学生、教师、管理者、社会公众(家长或校友).用户所认同的智慧性的表征在个性化的体验上与情境感知服务目标是一致的.只有让服务系统能真正理解用户“我是谁(who)、我在哪里(where)、我在干什么(do what)、我要什么(want)”，这样才能让用户体会到智慧与个性化.

表1 校园用户需求分类

2.2 框架设计及关键技术

智慧校园情境服务系统独立于校园信息管理系统之外，通过中间件(Agent)数据访问接口可以与校园大数据平台进行数据交换与融合，基于感知层、服务层、应用层等3个层次，具体如图2所示.

2.2.1 感知层情境数据的获取

校园情境信息采集是利用移动终端感知器对用户所处环境的一系列原始情境信息进行采集，经过情境运算，确定用户的时间、日程、位置、习惯、日志或业务状态等用户的基本情境，具体如图3所示.

图3 感知层情境数据的获取

①从智能终端获取

用户位置情境是很重要的情境之一，用户的位置定位可以使用已采用的GPS、GSM、WIFI或室内蓝牙iBeacons来定位用户的经纬度地理信息，其中楼层位置可以采用海拔高度或蓝牙iBeacon RSSI值标志来判断.然后根据经纬度值及高度值，查询校园位置索引库，位置索引库中包含了校园每个建筑物，每个功能区的4个角点的经纬坐标的范围，运用定位算法，就可确定用户位置在校园中的精确位置.

②从用户基本信息获取

用户基本情境的获取，可以从注册信息、用户习惯、操作的日志获取，如果用户的基本情境较少时，可以从班级同学模型或兴趣模型中参考相同或相近的用户，并进行存贮和更新.

③从服务数据库中获取

校园用户的基本情境的获取，主要来自大数据平台的数据挖掘.例如根据教务课表、会议的安排、班级活动、事务流程状态，结合当前时间可以确定用户的事务活动.也可以来自感应设备的处理数据，结合触发条件确定情境变化.情境服务系统就可以理解用户环境，及时为用户提供相应的资源与消息.

2.2.2 情境本体与建模

利用本体，可以在不同的人或应用程序之间共享一组有结构的信息，并达成理解上的共识.基于本体的情境推理时，首先要确定应用相关的情境本体，覃飞将校园分为用户、时间、位置、活动、设备5个顶层本体[11]. 本文提炼校园元素，基于情境服务目标“我是谁(who)、我在哪里(where)、我在干什么(do what)、我要什么(want)”，对应的将用户、位置、活动、资源4个对象作为校园顶层情境本体，通过时间、位置、业务、资源等属性来关联相关本体.根据约束条件，快速推理判断做出相关反馈.如图4所示.

图4 智慧校园情境服务顶层本体

每一个顶层本体又可以派生出众多子类本体.其中用户包括学生、教职工，同时可以是群体或个体；活动包括日程安排的教学活动、讲座、汇演等在内的群体校园活动，也可以是个人事务，如预约图书、报销进程、自习、跑步等；资源可包含通知、资讯、网络文件等网络资源，也可以是实验器材、图书等实体资源.位置可以是教学楼宇，生活场馆，活动场地等.

基于本体的建模工具有Apollo、OILEd、OntoEdit、Protégé软件.其中Protégé是基于Java语言一款开源的本体建模工具.其提供了本体概念类，关系，属性和实例，只需在概念层次上进行领域本体模型的构建.另外，Protégé最大的特点在于其可扩展性，具有开放式的接口，提供大量的插件，支持几乎所有形式的本体论表示语言，包括XML、RDF(S)、OIL、DAML、DAML+OIL、OWL等系列语言.

2.2.3 情境推理

基于情境感知的智慧校园与传统的智慧校园的区别之一在于系统可以智能的感知用户的行为与预期，主动为用户提供个性化的服务[12].应用场景和用户需求多样性，为了降低计算的复杂度，改善用户的满意度，发现有4种方式的有效的校园情境类型可参考.

①依据日程表

用户每周的课表与教务活动有一定周期性，各种教学场所的使用也有一定的周期性.根据课表信息，可以得到时间与上课地点，如果用户的当前位置与当前地点不相符，就可以推理出用户不在上课情境，可以及时提醒用户.

②依据事件触发

系统提供的服务与资源，只要匹配到用户满足条件，就可以主动触发服务.例如，毕业生到了开题时间，会接收到相关的通知、学术资源等.教师的相关业务办理进度会及时的反馈给当事人.

③依据情境推理产生新的情境

这里指高级情境的生成.例如，根据历史记录发现某同学每晚七点去操场跑步的习惯，同时系统发现天气预报的信息在七点半将会下雨，这时及时提醒用户要带伞或取消活动.

④根据群体相似性推理

典型校园用户的情境不仅具有个性化，还具有群体性，如同年级、同班级、同专业、同兴趣等.因此，一个对个体适合的情境，可能也对群体也是适合的，情境推理一般采用协同过滤推荐、基于内容相似性推荐、混合推荐等3种类型[13].协同过滤推荐是向用户推荐与他相似属性相似爱好的人的资源与服务.如适合A同学的相关资源与服务，可能也同样适合他的同班同学、同专业同学或同兴趣的学友；基于内容相似性推荐主要是根据用户过去的偏爱的内容，根据内容的相似性推荐给用户；混合推荐是前两种方法的综合.

3 基于情境感知的“课堂助手”应用原型

在上述校园情境服务研究的基础上，本文以某学院新校区3号楼为例，模拟一些楼宇的课表信息，设计开发了一款移动手机用户基于课表、位置、时间三元情境向用户提供体现大数据、多业务融合、情境推理服务的“课堂助手”应用原型实践.

3.1 技术线路

前端基于爱码哥(www.imagjs.com)网络H5平台，底层封装的原生UI接口，最终导出的APP都具有和原生应用相同的性能和用户体验，在平台上一次编译，可以直接生成Android、IOS移动应用，主要负责用户情境的感知收集，向后台发送用户当前情境(如位置、用户id)，经过后台情境计算后返回结果，通过推送插件及时推送给用户手机.

后台基于微软.Net Framework 4.5框架，使用ashx一般处理程序httpHandler接受前台的http请求，依据制定好的规则库进行对情境元素进行运算，通过JSON(JavaScript Object Notation)数据反馈给前端爱码哥平台.前台与后台属于不同平台，通过数据接口进行耦合，奇数线路图如图5所示.

图5 技术线路图

3.2 场景功能设计

校园情境服务“课堂助手”轻应用客户端，主要以教学活动安排为导向，在后台主动获取用户的位置、时间与课表基本情境，主动提供4种情境服务功能，如表2所示.

表2 轻应用客户端提供4种情境服务功能

3.3 情境本体模型关系描述

本体主要涉及到用户、位置、活动(课表)、资源等4个主要本体，本体关系图如图6所示.

图6 本体关系示意图

3.4 位置感知定位

位置感知定位主要基于学生智能移动端，是系统情境计算的基础.只有采集用户地理位置，才能实现信息空间和物理空间的情境融合与计算，才能为用户提供个性化的服务.

位置定位之前，首先建立自己的校园地理位置地标索引数据库.相比较谷歌地图、高德地图，百度地图是将楼宇的平面图都显示出来，使用比较方便.然后使用百度的在线坐标拾取系统(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)，用鼠标拾取建筑物的4个角点的经纬度坐标入库，如果需要精细地选取地理位置，可以用手机相关软件精确获取到每个教室4个角点的经纬度.

位置定位采用了爱码哥的ImagBDLocation组件，可自适应通过GPS、GSM、WiFi，使用百度地图JavaScript API v3.0调用获取用户的latitude(纬度坐标)与longitude(经度坐标).校园地理位置地标索引数据库包含了校园每个建筑物及每个功能区的4个角点的经纬坐标的范围，根据获取的经纬度值，运用定位算法，就可确定用户位置在校园中的精确位置.由于获取GPSaltitude(海拔高度)需要用户开GPS，而教室的楼层已知，为了使问题简单化，在实现代码中如果匹配到了楼宇的经纬度范围信息，就可认为在上课教室里了.

3.5 软件测试与评价

本文搭建了一个基本的技术原型，软件前后台主要通过数据进行耦合，从技术角度实现了情境服务的几种基本功能，能对用户进行准确位置情境的采集并进行提示性反馈，提供智能化个性化的情境服务.如：根据所处的位置在手机上出现“课堂助手提醒”.打开APP，即可显示与上课相关的提醒与消息.这些提醒和消息可以是课程上课时间与地点的显示，也可以是作业与习题的发布，如果已在教室上课，也可以显示“上课期间，手机使用频繁，请专心听讲！”等提示信息.用户情境信息的隐私保护及心理因素暂时未能考虑，这将是下一步研究的重要问题.

4 总结与展望

智慧校园的建设是一项复杂的系统工程，是数字校园未来发展的主要形态，目前对智慧校园的研究与探索还较少，大部分学校的智慧化的应用还仅停留在一卡通移动应用、借书、考勤等功能上，本文从校园情境感知这个角度，探讨了校园高级智慧形式的情境感知服务的基本问题与基本框架，期望数字校园未来的发展，借助于新一代的信息技术，让技术能感知与理解用户，在校园的各种具体情境下，从科研、教学、生活、管理等方面为校园用户提供真正智慧化、个性化的服务与资源.