基于物聯網的智慧校園頂層架構設計

車 輝，王 莎，楊 波，邢慧芬，樊玉琦

（1.湖州市織里鎮公共事業服務中心，浙江 湖州 313008； 2.湖州師范學院醫學院，浙江 湖州 313000；3.中國移動通信集團山西有限公司太原分公司，山西 太原 030000； 4.巢湖學院 信息工程學院，安徽 合肥 238000；5.合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

傳統教育以灌輸式教育方式為主， 枯燥呆板。填鴨式、被動式的學習方式令學生生厭，單一的學習方式也使學生無法獲得優秀的學習資源。同時由于缺乏高質量的教育平臺和教學資源，造成了城市與農村教育嚴重失衡，存在教育不公平現象。 隨著教育的發展，傳統教育也向以學生為中心、泛在學習、高效溝通、資源共享、實時互動等多種方式融合的現代化教育方向發展， 我國教育信息化迫在眉睫。 國務院在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要 （2010-2020 年）》、《2014 年教育信息化工作要點》中明確了教育信息化的發展目標，推動智慧教育[1]的建設。

智慧校園[2]是推動中國智慧教育發展的主力抓手，是“三通兩平臺”應用的具體體現。 智慧校園通過利用大數據[3]和物聯網[4]等DICT 技術，增強學生和教師交互能力，實現學校產學研及應用系統有效整合，提升各系統資源交互明確性、響應及時性和靈活性，實現校園管理和服務智能化。

1 智慧校園整體系統架構

智慧校園系統架構分為IT 基礎層、數據層、支撐層、應用層和展現層。其中IT 基礎層是實現資源互聯互通共享的基礎，位于“三通兩平臺”建設系統的最底層，負責數據的采集和傳輸；數據層包括計算資源、網絡資源、存儲資源、安全資源，用以實現數據的存儲和安全管理； 支撐層承擔數據交換共享、運維管理、云服務中間件、云聚合中間件、大數據分析等功能，同時對外提供統一認證和接口開放等；應用層通過智慧校園的各種應用來實現教育信息化、智慧化，是“三通兩平臺”的具體呈現；而展現層通過Web、微信公眾號、手機APP 等手段向用戶呈現具體的應用成果。 智慧校園的系統架構如圖1所示。 智慧校園的頂層架構包括應用層和用戶層。

圖1 智慧校園系統架構Figure 1 Smart campus system architecture

2 校園綜合信息平臺架構

智慧校園綜合信息平臺提供包括教育資源中心、辦公自動化、教務管理、校產管理、綜合評價、課堂教學研究（資源和視頻公開課）、家校互動、教育APP 等多項功能服務。智慧校園綜合信息平臺的功能架構如圖2 所示。

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

2.1 教務管理

該系統主要包括學生、教職工信息管理、數據統計分析及查詢功能。 學生信息、教職工信息數據采集與處理為建設數字化校園的基礎， 為后期統計報表分析、 數據智能挖掘以及計算機輔助決策等教育信息化服務提供強有力支撐。

2.2 智慧校園辦公系統

智慧校園辦公系統依托智能工作流引擎，定制個性化業務流程，滿足學校公眾信息發布、辦公及公文流轉、行政管理審批等多維度辦公需求，切實加強學校與基地、學校各機構間、教職工之間的工作協同，提升教務和校務兩個方面的效率。

2.3 評價系統

評價系統基于其他系統生成的數據，其涉及了教學、實驗、科研、素養等各個方面。 評價系統是利用大數據分析產生的結果， 避免了人為因素干擾，因此能夠保證評價的公平公正。評價系統分為學生評價系統和教師評價系統。

2.4 校園資產管理

資產管理系統是對學校的各種資產通過軟件系統進行管理，同時根據基礎數據形成資產匯總報表、資產臺賬、設備使用率統計報表等，以實現學校各單位的資產信息化管理。

2.5 智慧教室系統

智慧教室為日常教學提供智慧課堂技術平臺，系統模塊對應課前、課中、課后等全面教學環節，兼容智能移動終端、PC、智能教具等各種終端設備。 智慧教室系統包括微課錄制系統、教師備課系統、互動課堂系統、電子書包系統、教室設備管理模塊等，其功能架構如圖3 所示。

圖3 智慧教室系統的功能架構Figure 3 Functional architecture of smart classroom system

2.6 教學資源中心

通過教學資源共享庫， 可以實現對精品課程、媒體素材、文獻資料、案例、試題庫、實訓視頻、網絡課程等教學資源的統一匯集、管理、共享和挖掘，消除教學資源的“信息孤島”現象。

2.7 家校互動平臺

家校互動系統是為教師、家長、學生提供無縫遠程溝通方式的綜合平臺，實現家長在線查詢學生考勤信息、成績信息、課程表信息、任課教師信息及學生獎懲信息；手機短信互動，實現通過手機短信獲取學生進出校、進出宿舍、學生作業以及教師寄語等信息。

3 智慧教育APP 架構

智慧教育通過手機APP、微信公眾號等多種方式實現了移動教學和家校互通，連接了學校、家長、老師和學生， 真正實現了移動互聯和泛在學習。APP 共有4 個功能模塊，即微官網、微教學、微管理和微家校。其中微官網功能幫助學校快速建立智能移動門戶網站，充分展示學校的風采；微教學功能為學生提供海量精品課程和大量同步練習，改善教育教學質量； 微管理功能大大簡化學校管理流程，提升教師工作效率； 微家校功能暢通家校溝通渠道，實現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Figure 4 Functional architecture of smart education APP

4 校園智慧管理系統建設

4.1 多媒體教學系統

多媒體教學系統是以多媒體中央控制系統為核心，協同電子白板、投影儀、錄播系統等視聽設備，融合燈光控制等外設操控為一體的全方位智能化教學系統解決方案。其中智能錄播系統支持雙高清視頻源，能夠幫助學校錄制課件、通過網絡同步直播課件、提供學生課后復習，而且為后期老師聽課評課，提供了很好的課件資源。 智能錄播系統包括課件錄制、智能跟蹤、智能導播、課堂直播、后期編輯、課件資源管理等六大功能模塊。

4.2 數字化探究實驗系統

數字化探究實驗系統是計算機信息技術應用到理科實驗中去的一種現代化實驗裝置或媒介， 由傳感器、數據采集器、數據分析管理軟件和實驗輔助器材組成。其中傳感器主要負責前端實驗量的采集，數據采集器連接傳感器， 負責把傳感器的模擬電信號轉換成數字信號并與計算機進行通信； 而數據分析管理軟件則負責數據信號的顯示、處理與分析等；另外，實驗室還配有專用的實驗輔助器材，比如力學實驗軌道小車、向心力實驗器、機械能守恒實驗器、各種電學實驗板等。 探究實驗室結構如圖5 所示。

圖5 探究實驗室結構示意圖Figure 5 Schematic diagram of the structure of the exploration laboratory

4.3 校園安防系統

隨著近年來校園暴力事件和突發事件的增加，通過中小學校安防系統的建設來提高校園管理與安全防范，成為各中小學校新的安防需求。 校園安防系統[5]依托物聯網、云計算和視頻融合技術，時刻注意著校園的一舉一動，為中小學校園提供安全保障。 校園安防系統包括視頻監控系統、入侵報警系統、電子巡更系統、門禁管理系統和校園消防系統等。 校園安防系統的網絡架構如圖6 所示。

圖6 校園安防系統網絡拓撲圖Figure 6 Network topology diagram of campus security system

4.4 校園數字廣播電視系統

校園數字廣播系統由控制中心、傳輸網絡和終端設備三部分構成。校園數字廣播系統主要實現播放廣播體操、眼保健操、通知及上下課鈴聲、英語聽力教學、考試等功能。 校園電視系統由節目源接收和編碼、網絡電視管理和客戶端等三部分組成。 系統基于校園網，依托硬件部署方式，實現視音頻文件的精確同步和實時編碼，并可通過衛星、互聯網等多種媒介，對大型會議、重要校園活動、名師講座等進行直播，實時錄制、保存并發布至資源平臺，實現回看與共享功能，用戶通過瀏覽器或者移動終端APP 即可收看。

4.5 校園一卡通系統

校園一卡通系統主要由系統平臺和各種應用系統組成。 系統利用校園網絡，通過感應式射頻IC卡，實現了身份鑒別、電子支付等功能，同時實現架構在此平臺上的應用系統數據共享功能。校園一卡通系統有效地連接了在校師生和智能校園， 實現“一卡在手，走遍校園”目標。

4.6 校園能耗管理系統

校園能耗管理系統[6]通過對校園內的辦公樓、教學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據進行采集、分析和處理，并實時監控管理，為能源部門的決策提供支持。 通過實施校園能源管理系統可以實時掌握能耗數據、轉變能源管理模式、提高能源監管水平、發現有效節能機會、評估節能改造效果。 校園能源管理系統架構如圖7 所示。

圖7 校園能源管理系統架構Figure 7 Architecture of campus energy management system

5 結語

中小學基礎教育通過“三通兩平臺”的建設，消除了傳統教學的弊端， 推動了教育信息化的發展，同時克服了教育不公平的現象，有效推動了教育事業的發展。 智慧校園通過校園綜合信息平臺建設、校園智慧管理系統建設、智慧教育APP 建設，并結合大數據分析技術，實現了對學校管理的科學分析和決策；通過智慧教室系統建設、探究實驗室建設，推動了教學信息化、智能化、現代化，使翻轉課堂成為現實。 通過校園廣播電視系統建設，實現了教育信息發布現代化、多樣化；通過校園安防系統、校園能耗監控系統實現了平安校園、 綠色校園的建設。總之，智慧教育（基礎教育）以智慧校園為抓手，以教育公共資源庫為中心，真正實現了教育資源的校校通、班班通、人人通，推動了無處不在的泛在學習、透明高效的教育管理、和諧穩定的綠色校園和豐富多彩的校園文化建設。