基于数字校园的智慧校园建设方案及分析

陈岩

（福建省科学技术信息研究所，福建福州350003）

教育是强国的重要组成部分，教育强则民族强。教育部2019年工作要点中指出“推进信息技术与教育教学深度融合”“实施教育信息化2.0行动计划，研究中国智能教育发展方案。”［1］提出了充分运用信息化手段提高教育教学质量的要求。为了适应形势的发展和教学业务的需要，各地中小学校都在积极地扩建和延伸各类信息网络系统，落实各项适应智能化教育发展的应用，标志着校园信息化建设步入了一个新时期和新起点。

一、建设智慧校园网的教育意义

（一）促进“深度融合”

中小学校在教育教学中运用信息技术经历了三个阶段，分别是信息技术辅助教学、信息技术与教学整合、信息技术与教学融合。从目前各地信息技术与课程融合实践分析，由于受到信息技术发展限制，大部分教师在课堂教学中仅将信息技术作为教学辅助工具使用，这样虽然提高教学容量和效率，但是教育管理水平和教学质量并没有得到实质性的提高。建设智慧校园可以有效提高教育教学质量：一是优化教育资源，引入智能化教学模式，助力教师研制基于信息化的学科课程；二是促进信息技术渗透于学科课程中，促进信息技术与教学深度融合，成为课程的有机部分，提高教学质量；三是利用智能技术，形成信息技术与学习多维互动的学习环境，转变学习方法，学会学习。

（二）改革教育评价方式

中共中央国务院印发《深化新时代教育评价改革总体方案》指出“教育评价事关教育发展方向，有什么样的评价指挥棒，就有什么样的办学导向。”［2］指出了深化改革现有不合理的教育评价体系。目前学校主要采用考试来评价学生的学习水平，方式单一。利用智慧校园的资源管理平台，通过数据挖掘、人工智能、大数据等算法，建成一系列合理规范的德智体美劳五育并举的教育评价系统，实现具有个性化的、综合性的、全面的教学评价方式。

（三）提高教育教学管理水平

教育教学管理现代化是提升教育教学质量的保障，其主要管理内容有教务管理、办公管理、教学管理、后勤管理等。通过智慧校园，创建智能化教育教学管理分析系统，实现人、物、资源一体化管理。应用大数据平台，多维度、准确、全面的采集数据，整合数据，进行数据分析和数据挖掘，准确判断数据特征，形成规范的分析报告，得出合理的建议和方案。

二、数字校园与智慧校园的比较

（一）应用功能比较

智慧校园的功能有别于数字校园，与传统的校园网也有本质的区别。数字校园是基于互联网的架构，主要应用于校园与因特网联通，实现“校校通网、班班通、人人通”，校内实现无纸化办公，“一卡通”、辅助教学、教育管理等。《智慧校园总体框架》对“数字校园”的定义为“在传统校园基础上构建一个数字空间，实现从环境信息（包括教室、实验室等）、资源信息（如图书、讲义、课件等）到应用信息（包括教学、管理、服务、办公等）等全部数字化，从而为资源和服务共享提供有效支撑。”［3］

智慧校园系统是传统互联网系统的延伸与发展，是以物联网为基础的网络平台，应用广泛。《智慧校园总体框架》对“智慧校园”的定义为“智能化感知、控制、管理、互动、数据分析、视窗等功能为一体可以支持教学、科研活动的现实空间或虚拟空间环境。”［3］

（二）收集处理信息方式比较

智慧校园收集处理信息的方式与数字校园有明显不同，减少了许多人工干预的收集处理信息形式。表1是根据祝智庭教授的《智慧校园建设与应用新发展》［4］论述整理，其中采集信息指计算机收集信息的方法，获取信息指用户获取信息的方法。

表1 数字校园与智慧校园的比较

三、智慧校园建设方案分析

（一）改造升级基本原则

1.引用标准规范

大力推进智慧校园建设，计算机网络系统建设是重中之重。在一个大型网络里，必然汇集了多种品牌的软件和硬件，具有高度复杂性。为了实现各种产品兼容和软件开放，准确定位应用功能，把握建设方向和内容，需要建立建设规范和标准。2018年4月，教育部发布了《中小学数字校园建设规范（试行）》，指出了数字校园“建设目标、建设原则、建设模式和建设内容”［5］，为实施智慧校园建设提供了正确的目标导向和清晰的建设依据。

2.依托教育理论

智慧校园的教育意义在于引入先进理念和文化，实现智能化教育，如果没有现代教育理论引领和导向，只是一个空架子。要以信息化背景下的教育理论为指导，在“重构环境、重塑结构、重整评价、重建生态”［6］的视野下，关注新理论、新观念，新动态、新发展、新方向，着眼未来，突出环境建设，有序的、规范的、在合乎自然的状态下，建立人机和谐的应用环境和文化氛围，创新发展。

3.整合资源，保留扩展空间

建立统一的教育教学资源平台和管理平台，整合分散的网络系统，有效地实现数据共享、统一管理，减少重复，实现数据的一致性。为了适应发展需要，还要留出设备扩展空间，为今后的扩充发展留有足够的余地，在不影响正常使用的条件下添加设备。

4.提高系统可靠性

为使网络可靠、稳定地运行，要选用性价比高、质量好的产品，以减少故障率。采用双电源、双风扇等设备冗余的方式，电源、风扇故障不影响设备工作。选用支持模块热拔插的设备，单模块故障不影响其他模块的正常工作。选用支持热修复功能的设备应具有，当设备的某些部件发生故障时，可以带电更换而不影响设备其他部件工作，新更换部件可直接投入工作而不必重新引导整个设备。

5.保障系统安全

保障系统安全需要采用一系列措施。一要使用安全等级高，性能良好的网络设备，以保障内部网络正常运行；二要安装防雷、防火、防盗等物理安全防范设备；三要安装防火墙免受黑客攻击，利用入侵检测技术，建立防范策略；四要使用安全扫描技术，及时发现网络安全漏洞；五要采用身份认证、数字签名等加密技术，保证数据安全。

（二）基础架构

以往校园网络系统大部分采用星型的拓扑结构，是一种基于小型局域网的结构，数据传输带宽有限，不足以承担智慧校园带宽的需求。

支持智慧校园运行，必须有安全、稳定、畅通、高速的网络基础平台，才能满足综合信息处理和应用服务，实现互联网功能的延伸。图1为网络基础架构示意图，其中核心主干和汇聚层均采用网状结构。

图1 智慧校园网基础架构示意图

1.核心层

核心层是网络通信的枢纽中心，它的性能对网络的连通起到至关重要的作用。要采用高带宽的交换机，双机冗余热备份，具备负载均衡功能及可扩展性。建设时，可以在原有校园网的主干上并入一台或多台交换机，采用部分网状拓扑结构，提高数据传输效率。根据校园规模，选择多（单）光纤作为传输介质。

网状结构中每个节点可能与多点进行连结，结构比较复杂。为了提高网络数据处理能力，提高服务器响应时间，在安装多台或集群服务器的网络中，应安装负载均衡器，用于内部负载平均。其拓扑结构如图2所示。

图2 主干网结构拓扑图

2.汇聚层

汇聚层是接入层和核心层进行数据交换的中介，其作用是缓冲来自接入层的数据，减轻核心层设备的负荷。由于汇聚层面向的是各种不同属性的网络，具有一定的复杂性，所以应选用带有定义策略功能的交换机，支持三层交换技术及虚拟局域网（VLAN）划分，可管理及描述应用策略，以达到网络隔离和分段的目的。其结构示意如图3所示。

图3 汇聚层结构示意图

可以按照楼栋来设置汇聚层，也可按照应用功能来划分，按楼栋设置可以减少布线距离，按照应用功能划分，可以合理分配数据流量，优化网络。

3.接入层

智慧校园智能化的终端设备大都采用射频、红外、激光等各种技术，实时采集任何需要监控的物体，实现实物的数字化。一般情况下，终端设备直接与接入层连接实现数据交换。终端设备的主要类型有传感设备、数据服务器、视频服务器等，它们安装在智慧教室、微格教室、智慧实验室、智慧图书馆、各种专用教室以及各活动场所，其数量大，对交换机有极高可靠性要求。如图4所示是一种无源双星型终端接入结构示意图，采用虚拟化交换，具有可靠性高、抗干扰能力强、安装方便等特点，是一种较好的接入网结构。

图4 双星型结构示意图

总之，建设智慧校园，要根据学校实际条件实施，强调创新，以应用为本，突出地方特色。采用分模块、分批、逐步建设，有利于设备更新，用上新一代的产品，而不会因为设备换代淘汰造成浪费和其他方面的不可预见的损失。随着物联网应用，各种智能设备将会不断出现，智慧校园的应用也将更加广泛。