基于數字校園的智慧校園建設方案及分析

陳巖

（福建省科學技術信息研究所，福建福州350003）

教育是強國的重要組成部分，教育強則民族強。教育部2019年工作要點中指出“推進信息技術與教育教學深度融合”“實施教育信息化2.0行動計劃，研究中國智能教育發展方案。”［1］提出了充分運用信息化手段提高教育教學質量的要求。為了適應形勢的發展和教學業務的需要，各地中小學校都在積極地擴建和延伸各類信息網絡系統，落實各項適應智能化教育發展的應用，標志著校園信息化建設步入了一個新時期和新起點。

一、建設智慧校園網的教育意義

（一）促進“深度融合”

中小學校在教育教學中運用信息技術經歷了三個階段，分別是信息技術輔助教學、信息技術與教學整合、信息技術與教學融合。從目前各地信息技術與課程融合實踐分析，由于受到信息技術發展限制，大部分教師在課堂教學中僅將信息技術作為教學輔助工具使用，這樣雖然提高教學容量和效率，但是教育管理水平和教學質量并沒有得到實質性的提高。建設智慧校園可以有效提高教育教學質量：一是優化教育資源，引入智能化教學模式，助力教師研制基于信息化的學科課程；二是促進信息技術滲透于學科課程中，促進信息技術與教學深度融合，成為課程的有機部分，提高教學質量；三是利用智能技術，形成信息技術與學習多維互動的學習環境，轉變學習方法，學會學習。

（二）改革教育評價方式

中共中央國務院印發《深化新時代教育評價改革總體方案》指出“教育評價事關教育發展方向，有什么樣的評價指揮棒，就有什么樣的辦學導向。”［2］指出了深化改革現有不合理的教育評價體系。目前學校主要采用考試來評價學生的學習水平，方式單一。利用智慧校園的資源管理平臺，通過數據挖掘、人工智能、大數據等算法，建成一系列合理規范的德智體美勞五育并舉的教育評價系統，實現具有個性化的、綜合性的、全面的教學評價方式。

（三）提高教育教學管理水平

教育教學管理現代化是提升教育教學質量的保障，其主要管理內容有教務管理、辦公管理、教學管理、后勤管理等。通過智慧校園，創建智能化教育教學管理分析系統，實現人、物、資源一體化管理。應用大數據平臺，多維度、準確、全面的采集數據，整合數據，進行數據分析和數據挖掘，準確判斷數據特征，形成規范的分析報告，得出合理的建議和方案。

二、數字校園與智慧校園的比較

（一）應用功能比較

智慧校園的功能有別于數字校園，與傳統的校園網也有本質的區別。數字校園是基于互聯網的架構，主要應用于校園與因特網聯通，實現“校校通網、班班通、人人通”，校內實現無紙化辦公，“一卡通”、輔助教學、教育管理等。《智慧校園總體框架》對“數字校園”的定義為“在傳統校園基礎上構建一個數字空間，實現從環境信息（包括教室、實驗室等）、資源信息（如圖書、講義、課件等）到應用信息（包括教學、管理、服務、辦公等）等全部數字化，從而為資源和服務共享提供有效支撐。”［3］

智慧校園系統是傳統互聯網系統的延伸與發展，是以物聯網為基礎的網絡平臺，應用廣泛。《智慧校園總體框架》對“智慧校園”的定義為“智能化感知、控制、管理、互動、數據分析、視窗等功能為一體可以支持教學、科研活動的現實空間或虛擬空間環境。”［3］

（二）收集處理信息方式比較

智慧校園收集處理信息的方式與數字校園有明顯不同，減少了許多人工干預的收集處理信息形式。表1是根據祝智庭教授的《智慧校園建設與應用新發展》［4］論述整理，其中采集信息指計算機收集信息的方法，獲取信息指用戶獲取信息的方法。

表1 數字校園與智慧校園的比較

三、智慧校園建設方案分析

（一）改造升級基本原則

1.引用標準規范

大力推進智慧校園建設，計算機網絡系統建設是重中之重。在一個大型網絡里，必然匯集了多種品牌的軟件和硬件，具有高度復雜性。為了實現各種產品兼容和軟件開放，準確定位應用功能，把握建設方向和內容，需要建立建設規范和標準。2018年4月，教育部發布了《中小學數字校園建設規范（試行）》，指出了數字校園“建設目標、建設原則、建設模式和建設內容”［5］，為實施智慧校園建設提供了正確的目標導向和清晰的建設依據。

2.依托教育理論

智慧校園的教育意義在于引入先進理念和文化，實現智能化教育，如果沒有現代教育理論引領和導向，只是一個空架子。要以信息化背景下的教育理論為指導，在“重構環境、重塑結構、重整評價、重建生態”［6］的視野下，關注新理論、新觀念，新動態、新發展、新方向，著眼未來，突出環境建設，有序的、規范的、在合乎自然的狀態下，建立人機和諧的應用環境和文化氛圍，創新發展。

3.整合資源，保留擴展空間

建立統一的教育教學資源平臺和管理平臺，整合分散的網絡系統，有效地實現數據共享、統一管理，減少重復，實現數據的一致性。為了適應發展需要，還要留出設備擴展空間，為今后的擴充發展留有足夠的余地，在不影響正常使用的條件下添加設備。

4.提高系統可靠性

為使網絡可靠、穩定地運行，要選用性價比高、質量好的產品，以減少故障率。采用雙電源、雙風扇等設備冗余的方式，電源、風扇故障不影響設備工作。選用支持模塊熱拔插的設備，單模塊故障不影響其他模塊的正常工作。選用支持熱修復功能的設備應具有，當設備的某些部件發生故障時，可以帶電更換而不影響設備其他部件工作，新更換部件可直接投入工作而不必重新引導整個設備。

5.保障系統安全

保障系統安全需要采用一系列措施。一要使用安全等級高，性能良好的網絡設備，以保障內部網絡正常運行；二要安裝防雷、防火、防盜等物理安全防范設備；三要安裝防火墻免受黑客攻擊，利用入侵檢測技術，建立防范策略；四要使用安全掃描技術，及時發現網絡安全漏洞；五要采用身份認證、數字簽名等加密技術，保證數據安全。

（二）基礎架構

以往校園網絡系統大部分采用星型的拓撲結構，是一種基于小型局域網的結構，數據傳輸帶寬有限，不足以承擔智慧校園帶寬的需求。

支持智慧校園運行，必須有安全、穩定、暢通、高速的網絡基礎平臺，才能滿足綜合信息處理和應用服務，實現互聯網功能的延伸。圖1為網絡基礎架構示意圖，其中核心主干和匯聚層均采用網狀結構。

圖1 智慧校園網基礎架構示意圖

1.核心層

核心層是網絡通信的樞紐中心，它的性能對網絡的連通起到至關重要的作用。要采用高帶寬的交換機，雙機冗余熱備份，具備負載均衡功能及可擴展性。建設時，可以在原有校園網的主干上并入一臺或多臺交換機，采用部分網狀拓撲結構，提高數據傳輸效率。根據校園規模，選擇多（單）光纖作為傳輸介質。

網狀結構中每個節點可能與多點進行連結，結構比較復雜。為了提高網絡數據處理能力，提高服務器響應時間，在安裝多臺或集群服務器的網絡中，應安裝負載均衡器，用于內部負載平均。其拓撲結構如圖2所示。

圖2 主干網結構拓撲圖

2.匯聚層

匯聚層是接入層和核心層進行數據交換的中介，其作用是緩沖來自接入層的數據，減輕核心層設備的負荷。由于匯聚層面向的是各種不同屬性的網絡，具有一定的復雜性，所以應選用帶有定義策略功能的交換機，支持三層交換技術及虛擬局域網（VLAN）劃分，可管理及描述應用策略，以達到網絡隔離和分段的目的。其結構示意如圖3所示。

圖3 匯聚層結構示意圖

可以按照樓棟來設置匯聚層，也可按照應用功能來劃分，按樓棟設置可以減少布線距離，按照應用功能劃分，可以合理分配數據流量，優化網絡。

3.接入層

智慧校園智能化的終端設備大都采用射頻、紅外、激光等各種技術，實時采集任何需要監控的物體，實現實物的數字化。一般情況下，終端設備直接與接入層連接實現數據交換。終端設備的主要類型有傳感設備、數據服務器、視頻服務器等，它們安裝在智慧教室、微格教室、智慧實驗室、智慧圖書館、各種專用教室以及各活動場所，其數量大，對交換機有極高可靠性要求。如圖4所示是一種無源雙星型終端接入結構示意圖，采用虛擬化交換，具有可靠性高、抗干擾能力強、安裝方便等特點，是一種較好的接入網結構。

圖4 雙星型結構示意圖

總之，建設智慧校園，要根據學校實際條件實施，強調創新，以應用為本，突出地方特色。采用分模塊、分批、逐步建設，有利于設備更新，用上新一代的產品，而不會因為設備換代淘汰造成浪費和其他方面的不可預見的損失。隨著物聯網應用，各種智能設備將會不斷出現，智慧校園的應用也將更加廣泛。