基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)

車 輝，王 莎，楊 波，邢慧芬，樊玉琦

（1.湖州市織里鎮(zhèn)公共事業(yè)服務(wù)中心，浙江 湖州 313008； 2.湖州師范學(xué)院醫(yī)學(xué)院，浙江 湖州 313000；3.中國移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000； 4.巢湖學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 238000；5.合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

傳統(tǒng)教育以灌輸式教育方式為主， 枯燥呆板。填鴨式、被動(dòng)式的學(xué)習(xí)方式令學(xué)生生厭，單一的學(xué)習(xí)方式也使學(xué)生無法獲得優(yōu)秀的學(xué)習(xí)資源。同時(shí)由于缺乏高質(zhì)量的教育平臺(tái)和教學(xué)資源，造成了城市與農(nóng)村教育嚴(yán)重失衡，存在教育不公平現(xiàn)象。 隨著教育的發(fā)展，傳統(tǒng)教育也向以學(xué)生為中心、泛在學(xué)習(xí)、高效溝通、資源共享、實(shí)時(shí)互動(dòng)等多種方式融合的現(xiàn)代化教育方向發(fā)展， 我國教育信息化迫在眉睫。 國務(wù)院在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要 （2010-2020 年）》、《2014 年教育信息化工作要點(diǎn)》中明確了教育信息化的發(fā)展目標(biāo)，推動(dòng)智慧教育[1]的建設(shè)。

智慧校園[2]是推動(dòng)中國智慧教育發(fā)展的主力抓手，是“三通兩平臺(tái)”應(yīng)用的具體體現(xiàn)。 智慧校園通過利用大數(shù)據(jù)[3]和物聯(lián)網(wǎng)[4]等DICT 技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生和教師交互能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)校產(chǎn)學(xué)研及應(yīng)用系統(tǒng)有效整合，提升各系統(tǒng)資源交互明確性、響應(yīng)及時(shí)性和靈活性，實(shí)現(xiàn)校園管理和服務(wù)智能化。

1 智慧校園整體系統(tǒng)架構(gòu)

智慧校園系統(tǒng)架構(gòu)分為IT 基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和展現(xiàn)層。其中IT 基礎(chǔ)層是實(shí)現(xiàn)資源互聯(lián)互通共享的基礎(chǔ)，位于“三通兩平臺(tái)”建設(shè)系統(tǒng)的最底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳輸；數(shù)據(jù)層包括計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源、安全資源，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和安全管理； 支撐層承擔(dān)數(shù)據(jù)交換共享、運(yùn)維管理、云服務(wù)中間件、云聚合中間件、大數(shù)據(jù)分析等功能，同時(shí)對外提供統(tǒng)一認(rèn)證和接口開放等；應(yīng)用層通過智慧校園的各種應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)教育信息化、智慧化，是“三通兩平臺(tái)”的具體呈現(xiàn)；而展現(xiàn)層通過Web、微信公眾號(hào)、手機(jī)APP 等手段向用戶呈現(xiàn)具體的應(yīng)用成果。 智慧校園的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。 智慧校園的頂層架構(gòu)包括應(yīng)用層和用戶層。

圖1 智慧校園系統(tǒng)架構(gòu)Figure 1 Smart campus system architecture

2 校園綜合信息平臺(tái)架構(gòu)

智慧校園綜合信息平臺(tái)提供包括教育資源中心、辦公自動(dòng)化、教務(wù)管理、校產(chǎn)管理、綜合評價(jià)、課堂教學(xué)研究（資源和視頻公開課）、家校互動(dòng)、教育APP 等多項(xiàng)功能服務(wù)。智慧校園綜合信息平臺(tái)的功能架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智慧校園綜合信息平臺(tái)的功能架構(gòu)Figure 2 Functional architecture of smart campus comprehensive information platform

2.1 教務(wù)管理

該系統(tǒng)主要包括學(xué)生、教職工信息管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及查詢功能。 學(xué)生信息、教職工信息數(shù)據(jù)采集與處理為建設(shè)數(shù)字化校園的基礎(chǔ)， 為后期統(tǒng)計(jì)報(bào)表分析、 數(shù)據(jù)智能挖掘以及計(jì)算機(jī)輔助決策等教育信息化服務(wù)提供強(qiáng)有力支撐。

2.2 智慧校園辦公系統(tǒng)

智慧校園辦公系統(tǒng)依托智能工作流引擎，定制個(gè)性化業(yè)務(wù)流程，滿足學(xué)校公眾信息發(fā)布、辦公及公文流轉(zhuǎn)、行政管理審批等多維度辦公需求，切實(shí)加強(qiáng)學(xué)校與基地、學(xué)校各機(jī)構(gòu)間、教職工之間的工作協(xié)同，提升教務(wù)和校務(wù)兩個(gè)方面的效率。

2.3 評價(jià)系統(tǒng)

評價(jià)系統(tǒng)基于其他系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)，其涉及了教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、科研、素養(yǎng)等各個(gè)方面。 評價(jià)系統(tǒng)是利用大數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的結(jié)果， 避免了人為因素干擾，因此能夠保證評價(jià)的公平公正。評價(jià)系統(tǒng)分為學(xué)生評價(jià)系統(tǒng)和教師評價(jià)系統(tǒng)。

2.4 校園資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理系統(tǒng)是對學(xué)校的各種資產(chǎn)通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行管理，同時(shí)根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)形成資產(chǎn)匯總報(bào)表、資產(chǎn)臺(tái)賬、設(shè)備使用率統(tǒng)計(jì)報(bào)表等，以實(shí)現(xiàn)學(xué)校各單位的資產(chǎn)信息化管理。

2.5 智慧教室系統(tǒng)

智慧教室為日常教學(xué)提供智慧課堂技術(shù)平臺(tái)，系統(tǒng)模塊對應(yīng)課前、課中、課后等全面教學(xué)環(huán)節(jié)，兼容智能移動(dòng)終端、PC、智能教具等各種終端設(shè)備。 智慧教室系統(tǒng)包括微課錄制系統(tǒng)、教師備課系統(tǒng)、互動(dòng)課堂系統(tǒng)、電子書包系統(tǒng)、教室設(shè)備管理模塊等，其功能架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 智慧教室系統(tǒng)的功能架構(gòu)Figure 3 Functional architecture of smart classroom system

2.6 教學(xué)資源中心

通過教學(xué)資源共享庫， 可以實(shí)現(xiàn)對精品課程、媒體素材、文獻(xiàn)資料、案例、試題庫、實(shí)訓(xùn)視頻、網(wǎng)絡(luò)課程等教學(xué)資源的統(tǒng)一匯集、管理、共享和挖掘，消除教學(xué)資源的“信息孤島”現(xiàn)象。

2.7 家?；?dòng)平臺(tái)

家?；?dòng)系統(tǒng)是為教師、家長、學(xué)生提供無縫遠(yuǎn)程溝通方式的綜合平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)家長在線查詢學(xué)生考勤信息、成績信息、課程表信息、任課教師信息及學(xué)生獎(jiǎng)懲信息；手機(jī)短信互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)短信獲取學(xué)生進(jìn)出校、進(jìn)出宿舍、學(xué)生作業(yè)以及教師寄語等信息。

3 智慧教育APP 架構(gòu)

智慧教育通過手機(jī)APP、微信公眾號(hào)等多種方式實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)教學(xué)和家?；ネ?，連接了學(xué)校、家長、老師和學(xué)生， 真正實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)互聯(lián)和泛在學(xué)習(xí)。APP 共有4 個(gè)功能模塊，即微官網(wǎng)、微教學(xué)、微管理和微家校。其中微官網(wǎng)功能幫助學(xué)?？焖俳⒅悄芤苿?dòng)門戶網(wǎng)站，充分展示學(xué)校的風(fēng)采；微教學(xué)功能為學(xué)生提供海量精品課程和大量同步練習(xí)，改善教育教學(xué)質(zhì)量； 微管理功能大大簡化學(xué)校管理流程，提升教師工作效率； 微家校功能暢通家校溝通渠道，實(shí)現(xiàn)家長與教師之間無縫溝通。 智慧教育APP功能模塊如圖4 所示。

圖4 智慧教育APP 功能架構(gòu)Figure 4 Functional architecture of smart education APP

4 校園智慧管理系統(tǒng)建設(shè)

4.1 多媒體教學(xué)系統(tǒng)

多媒體教學(xué)系統(tǒng)是以多媒體中央控制系統(tǒng)為核心，協(xié)同電子白板、投影儀、錄播系統(tǒng)等視聽設(shè)備，融合燈光控制等外設(shè)操控為一體的全方位智能化教學(xué)系統(tǒng)解決方案。其中智能錄播系統(tǒng)支持雙高清視頻源，能夠幫助學(xué)校錄制課件、通過網(wǎng)絡(luò)同步直播課件、提供學(xué)生課后復(fù)習(xí)，而且為后期老師聽課評課，提供了很好的課件資源。 智能錄播系統(tǒng)包括課件錄制、智能跟蹤、智能導(dǎo)播、課堂直播、后期編輯、課件資源管理等六大功能模塊。

4.2 數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用到理科實(shí)驗(yàn)中去的一種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)裝置或媒介， 由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析管理軟件和實(shí)驗(yàn)輔助器材組成。其中傳感器主要負(fù)責(zé)前端實(shí)驗(yàn)量的采集，數(shù)據(jù)采集器連接傳感器， 負(fù)責(zé)把傳感器的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信； 而數(shù)據(jù)分析管理軟件則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的顯示、處理與分析等；另外，實(shí)驗(yàn)室還配有專用的實(shí)驗(yàn)輔助器材，比如力學(xué)實(shí)驗(yàn)軌道小車、向心力實(shí)驗(yàn)器、機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)器、各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)板等。 探究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 探究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)示意圖Figure 5 Schematic diagram of the structure of the exploration laboratory

4.3 校園安防系統(tǒng)

隨著近年來校園暴力事件和突發(fā)事件的增加，通過中小學(xué)校安防系統(tǒng)的建設(shè)來提高校園管理與安全防范，成為各中小學(xué)校新的安防需求。 校園安防系統(tǒng)[5]依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和視頻融合技術(shù)，時(shí)刻注意著校園的一舉一動(dòng)，為中小學(xué)校園提供安全保障。 校園安防系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)和校園消防系統(tǒng)等。 校園安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 校園安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFigure 6 Network topology diagram of campus security system

4.4 校園數(shù)字廣播電視系統(tǒng)

校園數(shù)字廣播系統(tǒng)由控制中心、傳輸網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備三部分構(gòu)成。校園數(shù)字廣播系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)播放廣播體操、眼保健操、通知及上下課鈴聲、英語聽力教學(xué)、考試等功能。 校園電視系統(tǒng)由節(jié)目源接收和編碼、網(wǎng)絡(luò)電視管理和客戶端等三部分組成。 系統(tǒng)基于校園網(wǎng)，依托硬件部署方式，實(shí)現(xiàn)視音頻文件的精確同步和實(shí)時(shí)編碼，并可通過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)等多種媒介，對大型會(huì)議、重要校園活動(dòng)、名師講座等進(jìn)行直播，實(shí)時(shí)錄制、保存并發(fā)布至資源平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)回看與共享功能，用戶通過瀏覽器或者移動(dòng)終端APP 即可收看。

4.5 校園一卡通系統(tǒng)

校園一卡通系統(tǒng)主要由系統(tǒng)平臺(tái)和各種應(yīng)用系統(tǒng)組成。 系統(tǒng)利用校園網(wǎng)絡(luò)，通過感應(yīng)式射頻IC卡，實(shí)現(xiàn)了身份鑒別、電子支付等功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)在此平臺(tái)上的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享功能。校園一卡通系統(tǒng)有效地連接了在校師生和智能校園， 實(shí)現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”目標(biāo)。

4.6 校園能耗管理系統(tǒng)

校園能耗管理系統(tǒng)[6]通過對校園內(nèi)的辦公樓、教學(xué)樓等建筑和場所的水、電、氣等能源資源的消耗情況信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理，并實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，為能源部門的決策提供支持。 通過實(shí)施校園能源管理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌握能耗數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)變能源管理模式、提高能源監(jiān)管水平、發(fā)現(xiàn)有效節(jié)能機(jī)會(huì)、評估節(jié)能改造效果。 校園能源管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 校園能源管理系統(tǒng)架構(gòu)Figure 7 Architecture of campus energy management system

5 結(jié)語

中小學(xué)基礎(chǔ)教育通過“三通兩平臺(tái)”的建設(shè)，消除了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端， 推動(dòng)了教育信息化的發(fā)展，同時(shí)克服了教育不公平的現(xiàn)象，有效推動(dòng)了教育事業(yè)的發(fā)展。 智慧校園通過校園綜合信息平臺(tái)建設(shè)、校園智慧管理系統(tǒng)建設(shè)、智慧教育APP 建設(shè)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)校管理的科學(xué)分析和決策；通過智慧教室系統(tǒng)建設(shè)、探究實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，推動(dòng)了教學(xué)信息化、智能化、現(xiàn)代化，使翻轉(zhuǎn)課堂成為現(xiàn)實(shí)。 通過校園廣播電視系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了教育信息發(fā)布現(xiàn)代化、多樣化；通過校園安防系統(tǒng)、校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了平安校園、 綠色校園的建設(shè)?？傊?，智慧教育（基礎(chǔ)教育）以智慧校園為抓手，以教育公共資源庫為中心，真正實(shí)現(xiàn)了教育資源的校校通、班班通、人人通，推動(dòng)了無處不在的泛在學(xué)習(xí)、透明高效的教育管理、和諧穩(wěn)定的綠色校園和豐富多彩的校園文化建設(shè)。