基于云计算的智慧校园探究

☆黄小卉 黄宇星

（1.福建师范大学教育学院教育技术学系，福建福州 350007；2.福建教育学院网络教育部，福建福州 350001）

随着教育信息化的逐步推进，信息服务在学校的教学、科研与管理中扮演着越来越重要的角色。在此背景下，2010年，浙江大学提出了建设“智慧校园”蓝图。经过近两年的发展，智慧校园建设中存在的一些问题开始显现，比如：网络基础设施的接入手段单一，安全保障体系尚不完善，特别是不同部门之间的信息共享与交流自动化程度低，缺乏统一的信息编码标准，信息化保障机制还不够健全等。云计算平台以及物联网平台的出现很好地解决了这些问题，云计算平台的应用给智慧校园带来了新技术，更好地实现了信息资源的共享与互动。特别是智慧校园中各种形式的信息资源，比如：身份识别信息、刷卡消费信息、银行结算信息、图书馆信息服务等的交流互动。

一、云计算与智慧校园概述

1.云计算的概念与特点

云计算是一种基于Web的服务，通过整合、管理、调配分布在网络各处的计算资源，以统一的界面同时向大量用户提供服务。它有两个层次的含义，即云平台和云服务。云平台是指提供资源的网站，具有动态扩展性。云服务是指基于抽象的底层基础设施，可以弹性扩展的服务。云计算由三个架构组成，分别是：IaaS（基础架构即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）。它的作用原理是，将计算任务分配到大量的分布式计算机上，最后将计算结果输出到本地计算机上。这使得学校能够轻松地获取经过云计算平台处理的信息资源。将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。云计算的三个架构、相关厂商以及服务产品如图1所示。

图1 云计算三个架构模型及其应用例子

2.智慧校园概述

什么是智慧校园？智慧校园中的校园卡可应用于统一的门禁管理，掌握公用房的使用情况，并与科研团队的绩效挂钩，提高办学资源的利用率。应用物联网等技术可以实现人员定位、食品溯源等新型服务。浙江大学信息中心负责人说：“未来的校园巡更将会是：应用物联感知、无线互联技术，安保巡更人员手持无线通讯装置，身配摄像头，哪里出现了异常，就可以实时捕捉哪里的‘现场’，并根据需要把它同步传回控制室或者各级决策领导的桌面。这样的巡更处理就变成了一种一体化、全方位的智能应对系统。”

南京邮电大学智慧校园的建设思路是以物联网为基础，以各种应用服务系统为载体而构建的教学、科研、管理和校园生活为一体的环境。这种环境是一种新型智慧化的环境，利用先进的信息技术手段使得人们能快速、准确地获得校园中人、财、研、管业务过程中的信息。同时通过综合数据分析为管理改进和业务流程再造提供数据支持，使学校教育信息化、决策科学化和管理规范化。通过云计算与物联网技术的融和，使校园管理智慧化、信息化。通过应用服务的集成与融合来实现校园的信息获取、信息共享和信息服务，从而推进智慧化的教学、智慧化的科研、智慧化的管理、智慧化的生活以及智慧化的服务的实现进程。

在高校智慧校园的应用中，一些大学校园、政府部门和企业进行体验推广手机一卡通，用来实现身份识别、刷卡消费、银行结算、信息服务等“一卡通”应用。用手机代替学生证、就餐卡等各种证件，实现身份识别。只要手机在手，就可以实现电子钱包的功能，就可以实现刷机消费，就可以实现银行结算还有信息服务以及校园学习空座位查询。还可以用手机代替学生证等实现身份识别，以手机作为信息服务终端，与学校图书馆、机房、教学、科研、学籍、人事、财务等相关信息系统链接，通过短信、手机上网等多种形式，实现校园各类信息通知、查询和互动，为学校师生员工的学习、工作和生活提供全方位的综合信息服务。同时，在与互联网相连的个人计算机上也能查询到很多相关信息。

智慧校园有三个方面的特征：一是为智慧校园的师生提供一个全面的信息服务平台，这种服务很个性化，是基于师生各自角色的个人化的一些定制服务；二是把这种基于云计算与物联网的信息服务引入到各种领域与服务，实现了信息交流中的互联、共享和协作；三是通过基于物联网的智慧校园感知环境和综合信息服务平台，为学校和外部世界提供一个相互交流和感知的接口。

二、云计算与智慧校园构建

云计算在应用方面有自身的特点，给智慧校园的建设带来便利。

1.给教育注入新血液

在智慧校园中可以利用云计算的特点，合理地利用软、硬件资源以及各地的教育信息和教学服务。比如：在中国有很多欠发达地区，可以通过云计算网络实现全国教育信息和资源的共享，为教育的发展提供更强大的动力。解决短期内无法解决的落后地区资源匮乏的问题。由此可见，云计算平台也能够更好地为智慧校园服务，给教育事业注入了新鲜血液。

2.最大幅度地减少资源重复建设

传统的远程教育系统由于各自属于不同的单位，所以，在很大程度上资源只能各自建设，很少能做到资源共享，由此造成大量资源重复建设。基于云计算的远程教育系统可建立全国统一的系统，各地的远程教育中心进行统一部署建设资源，有效地避免了资源重复建设。智慧校园的各种信息都可以很便捷地在云计算平台中得到存储。

3.资源共享和就近访问原则

智慧校园可以通过云计算平台实现高效的资源共享。资源共享使智慧校园的搭建更加流畅化。智慧校园的使用者无需知道资源在哪里，云计算平台的服务器能够统筹管理全部的资源，通过资源列表就可以提供最合理的服务。使用起来不再受地域、时间的限制。对于智慧校园平台的资源访问者，系统可以自动分析IP、确定路由，寻找离他最近的资源并建立好连接，提供最快最好的访问。云计算平台的服务器因此能够减少更多的时间和空间更加灵活地工作。

4.结构灵活性

不同用户用不同的基于云计算平台的智慧校园都无需做功能上的定制，不用再独立部署就可以提供灵活的自定义功能，组织机构、工作流程、文件管理体系和访问权限等均可由用户自定义，这样就可以使基于云计算的智慧校园系统满足不同学校的教学需求。系统还可方便地进行调整，以支持单位的变化与发展，达到按需使用和随处可用；如果用户数大量增加了，仅需增加硬件设备的数量，就可以支撑应用规模的增长。

5.成本低廉

基于云计算的智慧校园系统不再要求高性能的服务器，这朵“云”由各地普通的服务器组成来提供高性能的服务，节约了大量的硬件投资。云的出现使智慧校园的建设不再负担高昂的数据中心管理成本。云系统中资源的利用率也比传统的系统大幅提高。云计算平台给智慧校园系统的建设带来便利。

三、基于云计算的智慧校园信息资源管理策略

基于云计算的智慧校园信息资源经由云计算平台进入用户的电子终端设备中，使用户能够将更多的精力和开销投入到一些逻辑类的事物上。而这些运用数据库、程序编辑而成的信息资源，就是我们常说的虚拟资源，比如：网上图书馆、网上商城等。云计算平台所能提供的服务质量就取决于对虚拟资源的管理。因此，基于云计算的智慧校园的信息资源管理策略具有很强的虚拟化。首先，要收集虚拟资源，然后对虚拟资源进行划分，以后再对虚拟资源进行预留以及调度（借入/借出调度），来实现对虚拟资源的分配，确保用户对虚拟资源使用的有效性，从而实现资源的最大优化。

虚拟资源划分策略，是将基于云计算技术平台的具有相同特性的信息资源分组，用一个四元组G（Gname，Glist，Gunit，Gdoes） 来描述，其中 Gname为分组名字，Glist为分组中的一组数组主机，Gunit为可调度单元（Slot）U，Gdoes为分组描述，通过分组G可以知道一个分组提供哪些特性及有多少可用虚拟资源。

虚拟资源预留及调度策略是为了能够为用户的复杂应用需求在特定的时间内提供所需的资源。资源预留的最基本的操作是，给特定的用户在指定时间内预留单位个指定的资源。但这样的后果是降低了资源的利用率，用户预留请求拒绝数也不断增多。为了预防这种现象可运用对消费实体的借入/借出调度，解决预留资源利用率降低和预留资源负载的问题。

借入/借出调度策略就是根据租借机制实现应用程序对私有的可调度单元（Slot）进行租借。权衡受益和资源利用，以及考虑运行阶段应用程序私有的可调度单元（Slot）有可能空闲，因此，可以利用空闲的可调度单元（Slot）去协助完成其他的任务。

四、基于云计算的智慧校园信息资源共享

1.信息资源处理模型

为了使用户轻松地享受云计算带来的信息资源共享服务，可以利用MapReduce分布式调度模型来实现。如图2所示，MapReduce分布式调度模型把要解决的问题分解成Map（映射）和Reduce（化简）的方式。各种基于物联网的信息经过数字化转变后先通过Map将数据切割成不相关的区块，分配（调度）给大量计算机处理达到分布式运算的效果，再通过Reduce程序将所有的结果整合，最后输出需要的结果。

MapReduce的具体实现是指定一个Map（映射）函数，把键值对（Key/value）映射成新的键值对（key/reduce），形成一系列中间形式的key/value对，然后把它们传给Reduce（化简）函数，把具有相同中间形式key的value合并在一起。用Map过程把数据用映射函数规则分开，而Reduce则把分开的数据用化简函数规则合在一起。Map是个分的过程，而Reduce是个合的过程。这样各种类型的消息在云计算平台被分解传送，最后被传送到用户那里。云计算与传统的应用模式相比，具有高性价比、超强的计算和存储能力、虚拟化管理等优点，因此，有理由相信将云计算应用于智慧校园的建设是可行的。各种信息资源之间的共享与信息交流需要通过云计算技术来权衡。

图2 MapReduce分布式调度模型的基本框架

2.智慧校园信息共享云服务模式

图3 高校资源共享云服务结构

智慧校园的信息服务具有很好的效益，但是不足的是没有好的数字资源公共平台，各种类型数据库资源之间共享能力较低。有些资源就无法最优化利用。高校资源共享云服务结构模型为此类问题的解决提供了参考方法，如图3所示，云计算可以为智慧校园建设提供一个服务方案，银行、城市、图书馆、学校等可以通过云计算网络建立一个统一的接口，这些用户可以通过这样的统一接口进入数据库资源，获取所需的信息。而学校的图书馆可以将各种各样的资源上传到“云”中，让不同的用户分享。高校代表、数据库服务商、政府部门代表组成一个云委员会掌握着云计算网络，它的职责是负责制定服务协议、管理日常运营、推广服务市场。因此，智慧校园利用类似高校资源共享云服务结构进行信息资源的共享具有可行性。

五、结束语

云计算是当前一个热门的研究领域，基于云计算的智慧校园构建也受到了越来越多研究者的关注。同时云计算技术的发展必将为智慧校园的建设与完善提供更多的技术支持，例如：给智慧校园中的形式多样的信息资源互动提供了生机，在理论上实现了用云计算技术在PaaS,SaaS,和IaaS服务层次上对各种信息系统进行资源共享以及互动等。

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