黃立冬， 廖宏建

(1.淮陰師范學院 教育科學學院，江蘇 淮安 223300； 2.廣州大學 網(wǎng)絡與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510006)

0 引言

2018年教育部正式提出《教育信息化2.0行動計劃》，這標志著我國經(jīng)過多年的教育信息化建設，校園信息化建設已經(jīng)從校園網(wǎng)絡建設、校園數(shù)字化建設階段，發(fā)展到了智慧校園建設階段.在5G網(wǎng)絡、移動應用普及、云存貯、大數(shù)據(jù)、以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動下，基于情境感知的主動、個性化的智能化應用和服務是智慧校園發(fā)展的必然需求和趨勢，同時也是國家布局教育信息化2.0，在消除教育界的“數(shù)字鴻溝”后，應對“智能鴻溝”問題的重要的技術(shù)保證手段[1].

2018年教育部發(fā)布了《中小學數(shù)字校園建設規(guī)范(試行)》指導性文件，隨后各地區(qū)都在此基礎上出臺了中小學與高校的智慧校園建設的指導意見. 例如：江蘇省要求以人為本、深化應用、融合創(chuàng)新、開放共享原則(智能感知是大多數(shù)智慧校園建設的指導思想或目標之一).智慧校園提供一個全面智能的感知環(huán)境和智慧空間，基于用戶、情境和資源多維模式，在教學、科研、學習、生活、及校園管理等方面為廣大師生提供一個基于角色、基于環(huán)境、基于事務的情境化與個性化服務[2].黃榮懷教授提出了智慧校園的5個特征，即網(wǎng)絡的無縫互通、環(huán)境的全面感知、數(shù)據(jù)的海量支撐、師生的個性化服務、學習環(huán)境的全面開放[3].

目前，情境感知在汽車行業(yè)、智能家居、智能旅游、電子商務等領域應用都比較成熟.有關情境感知在智慧校園應用的研究與探討主要集中在數(shù)字圖書個性化服務、英語移動學習、智慧學習環(huán)境、智慧學習資源等領域.而且大部分研究僅限于某種應用需求的局部探討，缺乏智慧校園建設的理念和業(yè)務大數(shù)據(jù)需求下的整體架構(gòu)與思考，表明目前情境感知在智慧校園的應用與研究還尚處于探索階段.

1 典型智慧校園情境分類框架

情境感知離不開情境，管理學視角認為，情境有場所之意，尤指在某一時間內(nèi)事情發(fā)展或個體行為活動的狀況、情勢或即時條件[4].本質(zhì)上，這與情境感知的視角是一致的，即都將個體與組織分開考慮，具有獨特性，同時說明了資源、服務、知識都具有非普適性.對校園而言，整個系統(tǒng)的校園情境因素非常復雜，包括了組織與個體、內(nèi)部與外部、文化與價值、主觀與客觀等.如果對情境考慮過細，導致泛情境化而無法聚焦，增加了事物研究的復雜性.因此，研究智慧校園的情境感知，對智慧校園情境進行分類是首先要解決的問題之一.

對于情境的分類，目前沒有統(tǒng)一的定論.戴(A. K. Dey)將情境分為4個類型：標識、位置、狀態(tài)、時間.徐光祐等將情境分為：計算情境、用戶情境、物理情境、時間情境[5].也有學者將社會情境、任務活動等也納入分類要素之中[6-7].參考已有分類方法，結(jié)合典型校園的特點，本文從用戶、資源、活動、服務4個維度考慮，將典型智慧校園情境分類分為校園用戶情境、校園環(huán)境情境、應用邏輯情境，具體如圖1所示.校園用戶情境和校園環(huán)境情境屬于顯性情境，是事物具有的基本屬性，包含了用戶、資源與活動.應用邏輯情境屬于隱顯情境，是情境系統(tǒng)識別出來的高級情境，主要指服務.

圖1 典型智慧校園情境分類框架

1.1 校園用戶情境

校園用戶情境是針對校園用戶基本屬性的描述.包括個體屬性、興趣愛好、群體屬性.個體屬性可以是用戶的個體特征，如用戶姓名、性別、籍貫、年齡、專業(yè)、年級、身份等；興趣愛好屬性包括用戶偏好、興趣愛好、學習習慣、學習風格等；群體屬性包括班級同學、專業(yè)同學、學科同事、組織成員等，這些特征用來描述校園群體用戶特點.

1.2 校園環(huán)境情境

校園環(huán)境情境是指用戶當前所處的環(huán)境特征的描述，包括校園自然環(huán)境、資源環(huán)境、文化活動環(huán)境等3個方面.自然環(huán)境、資源環(huán)境屬于校園物質(zhì)環(huán)境，文化活動環(huán)境屬于校園社會環(huán)境(精神環(huán)境).自然環(huán)境主要指校園的地理屬性，包含樓宇位置、文化景點、校園功能區(qū)等.資源環(huán)境主要指校園教學資源，包括教學設施、網(wǎng)絡設施、圖書資源、數(shù)字平臺等.文化活動環(huán)境是指師生在規(guī)章制度指導下的校園活動環(huán)境，包括教學活動、科研活動、課外活動，校園事務等，體現(xiàn)的是人際互動的群體社會屬性.

1.3 應用邏輯情境

應用邏輯情境屬于高級情境.是情境服務系統(tǒng)跟據(jù)感知的基本數(shù)據(jù)與相關的業(yè)務應用邏輯融合計算生成的高層次的情境，具有個體性，可以直接為校園個體用戶服務.應用邏輯情境分為3種：流程應用、事件應用、推理應用.流程應用指根據(jù)用戶情境與系統(tǒng)日程安排生成的新情境.如每位同學的課表安排，老師的辦事進度.觸發(fā)應用指不管哪個用戶，只要滿足條件就觸發(fā)了新的情境信息.如學生一刷卡進圖書館，系統(tǒng)就會第一時間將其關注的圖書信息、空余自習位置等信息推送給他.推理情境是指情境服務系統(tǒng)通過情境計算，推測到用戶下一步行動或需求主動生成的情境信息.如根據(jù)課表中的教室、時間安排信息與用戶當前位置信息與時間對比，自動把手機設為靜音狀態(tài)并自動簽到.

這種分類優(yōu)勢主要是考慮了校園空間(情境)的領域性，可降低情境感知的難度，能提高應用的精準性.不足之處是因為個體感知方面的心理情境太主觀，無法考慮.比如，某同學要購買一支筆，但這支筆是自己用的還是用來送禮物的是有差別的.

2 基于情境感知的智慧校園資源服務引擎框架

關于情境感知與智慧校園的研究，學者們從各種技術(shù)角度進行了探討.蔡蘇等基于增強現(xiàn)實、位置和移動技術(shù)，以安卓Android手機平臺為客戶端，設計并實現(xiàn)了地理導航與校園文化瀏覽一體的校園智能導覽系統(tǒng)[8].后圓圓提出一種基于規(guī)則的情境感知系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)了一個小的校園資源推薦原型[9].夏凌云等提出基于位置情境，以微信公眾平臺和iBeacon技術(shù)的智慧校園智能簽到應用方案[10]，蔣達央利用基于校園師生活動這一本體而設計的情境感知模型，提出了3種基于智慧校園的情境感知數(shù)據(jù)采集的策略[11].覃飛提出面向智慧校園的情境感知系統(tǒng)研究框架，并對協(xié)同過濾等推薦優(yōu)化技術(shù)在智慧校園情境感知系統(tǒng)的服務推薦中的應用進行了探討與研究[11].本文在上述學者的研究基礎上，基于數(shù)據(jù)融合與智慧校園建設指導文件，提出一種智慧校園情境服務的引擎框架.

2.1 設計思路

依據(jù)國家教育信息化2.0行動計劃，2018年江蘇省高校智慧校園建設指導文件指出，智慧校園建設要以堅持開放共享、融合創(chuàng)新、應用驅(qū)動、以人為本的原則，在這基礎上，結(jié)合校園用戶、資源、活動、服務4個維度進行設計考慮.

2.1.1 基于資源融合的“服務碎片化”輕應用原則

融合階段是智慧校園進入成熟標志，融合意味著校園網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、平臺、業(yè)務及服務的統(tǒng)一，為用戶的情境服務提供了“組件化”的可能性.用戶即開即用的輕應用，如圖書助手、學術(shù)助手、報銷助手、社團助手、課堂助手等，這些輕應用設計成低耦合高內(nèi)聚，開發(fā)與使用時可以在數(shù)據(jù)庫共享與系統(tǒng)框架下自由擴展.例如大四學生在作畢業(yè)論文期間，選擇打開“學術(shù)助手”，當有相關論文寫作時一些通知、講座、資源時就會及時推送.非畢業(yè)班的同學對這一塊需求不是很明顯，則可以關閉.這樣一方面滿足了客戶端按需選擇的“服務碎片化”，避免了相關信息或服務對用戶來說可能適合但暫不需要的矛盾，另一方面也減輕了系統(tǒng)開發(fā)與云端情境計算的復雜性.

2.1.2 基于校園活動(業(yè)務)驅(qū)動原則

作為典型的各項校園活動都有一定的規(guī)范性，這也為個性化的服務提供了可操作性.例如學生需要按課表進行上課，老師需要按流程與規(guī)章報銷.借鑒企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)中的業(yè)務流程管理(BMP)生命周期的管理方法，情境服務系統(tǒng)參與進來，對每個個體的業(yè)務進行定義、建模、啟動、執(zhí)行、監(jiān)控、分析，主動提供各種個性化的資源與服務，提升智慧校園的用戶體驗與使用價值.

2.1.3 基于以用戶為中心的個性化服務原則

智慧校園的建設最終指向的服務對象是學生、教師、管理者、社會公眾(家長或校友).用戶所認同的智慧性的表征在個性化的體驗上與情境感知服務目標是一致的.只有讓服務系統(tǒng)能真正理解用戶“我是誰(who)、我在哪里(where)、我在干什么(do what)、我要什么(want)”，這樣才能讓用戶體會到智慧與個性化.

表1 校園用戶需求分類

2.2 框架設計及關鍵技術(shù)

智慧校園情境服務系統(tǒng)獨立于校園信息管理系統(tǒng)之外，通過中間件(Agent)數(shù)據(jù)訪問接口可以與校園大數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)交換與融合，基于感知層、服務層、應用層等3個層次，具體如圖2所示.

2.2.1 感知層情境數(shù)據(jù)的獲取

校園情境信息采集是利用移動終端感知器對用戶所處環(huán)境的一系列原始情境信息進行采集，經(jīng)過情境運算，確定用戶的時間、日程、位置、習慣、日志或業(yè)務狀態(tài)等用戶的基本情境，具體如圖3所示.

圖3 感知層情境數(shù)據(jù)的獲取

①從智能終端獲取

用戶位置情境是很重要的情境之一，用戶的位置定位可以使用已采用的GPS、GSM、WIFI或室內(nèi)藍牙iBeacons來定位用戶的經(jīng)緯度地理信息，其中樓層位置可以采用海拔高度或藍牙iBeacon RSSI值標志來判斷.然后根據(jù)經(jīng)緯度值及高度值，查詢校園位置索引庫，位置索引庫中包含了校園每個建筑物，每個功能區(qū)的4個角點的經(jīng)緯坐標的范圍，運用定位算法，就可確定用戶位置在校園中的精確位置.

②從用戶基本信息獲取

用戶基本情境的獲取，可以從注冊信息、用戶習慣、操作的日志獲取，如果用戶的基本情境較少時，可以從班級同學模型或興趣模型中參考相同或相近的用戶，并進行存貯和更新.

③從服務數(shù)據(jù)庫中獲取

校園用戶的基本情境的獲取，主要來自大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)挖掘.例如根據(jù)教務課表、會議的安排、班級活動、事務流程狀態(tài)，結(jié)合當前時間可以確定用戶的事務活動.也可以來自感應設備的處理數(shù)據(jù)，結(jié)合觸發(fā)條件確定情境變化.情境服務系統(tǒng)就可以理解用戶環(huán)境，及時為用戶提供相應的資源與消息.

2.2.2 情境本體與建模

利用本體，可以在不同的人或應用程序之間共享一組有結(jié)構(gòu)的信息，并達成理解上的共識.基于本體的情境推理時，首先要確定應用相關的情境本體，覃飛將校園分為用戶、時間、位置、活動、設備5個頂層本體[11]. 本文提煉校園元素，基于情境服務目標“我是誰(who)、我在哪里(where)、我在干什么(do what)、我要什么(want)”，對應的將用戶、位置、活動、資源4個對象作為校園頂層情境本體，通過時間、位置、業(yè)務、資源等屬性來關聯(lián)相關本體.根據(jù)約束條件，快速推理判斷做出相關反饋.如圖4所示.

圖4 智慧校園情境服務頂層本體

每一個頂層本體又可以派生出眾多子類本體.其中用戶包括學生、教職工，同時可以是群體或個體；活動包括日程安排的教學活動、講座、匯演等在內(nèi)的群體校園活動，也可以是個人事務，如預約圖書、報銷進程、自習、跑步等；資源可包含通知、資訊、網(wǎng)絡文件等網(wǎng)絡資源，也可以是實驗器材、圖書等實體資源.位置可以是教學樓宇，生活場館，活動場地等.

基于本體的建模工具有Apollo、OILEd、OntoEdit、Protégé軟件.其中Protégé是基于Java語言一款開源的本體建模工具.其提供了本體概念類，關系，屬性和實例，只需在概念層次上進行領域本體模型的構(gòu)建.另外，Protégé最大的特點在于其可擴展性，具有開放式的接口，提供大量的插件，支持幾乎所有形式的本體論表示語言，包括XML、RDF(S)、OIL、DAML、DAML+OIL、OWL等系列語言.

2.2.3 情境推理

基于情境感知的智慧校園與傳統(tǒng)的智慧校園的區(qū)別之一在于系統(tǒng)可以智能的感知用戶的行為與預期，主動為用戶提供個性化的服務[12].應用場景和用戶需求多樣性，為了降低計算的復雜度，改善用戶的滿意度，發(fā)現(xiàn)有4種方式的有效的校園情境類型可參考.

①依據(jù)日程表

用戶每周的課表與教務活動有一定周期性，各種教學場所的使用也有一定的周期性.根據(jù)課表信息，可以得到時間與上課地點，如果用戶的當前位置與當前地點不相符，就可以推理出用戶不在上課情境，可以及時提醒用戶.

②依據(jù)事件觸發(fā)

系統(tǒng)提供的服務與資源，只要匹配到用戶滿足條件，就可以主動觸發(fā)服務.例如，畢業(yè)生到了開題時間，會接收到相關的通知、學術(shù)資源等.教師的相關業(yè)務辦理進度會及時的反饋給當事人.

③依據(jù)情境推理產(chǎn)生新的情境

這里指高級情境的生成.例如，根據(jù)歷史記錄發(fā)現(xiàn)某同學每晚七點去操場跑步的習慣，同時系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)天氣預報的信息在七點半將會下雨，這時及時提醒用戶要帶傘或取消活動.

④根據(jù)群體相似性推理

典型校園用戶的情境不僅具有個性化，還具有群體性，如同年級、同班級、同專業(yè)、同興趣等.因此，一個對個體適合的情境，可能也對群體也是適合的，情境推理一般采用協(xié)同過濾推薦、基于內(nèi)容相似性推薦、混合推薦等3種類型[13].協(xié)同過濾推薦是向用戶推薦與他相似屬性相似愛好的人的資源與服務.如適合A同學的相關資源與服務，可能也同樣適合他的同班同學、同專業(yè)同學或同興趣的學友；基于內(nèi)容相似性推薦主要是根據(jù)用戶過去的偏愛的內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容的相似性推薦給用戶；混合推薦是前兩種方法的綜合.

3 基于情境感知的“課堂助手”應用原型

在上述校園情境服務研究的基礎上，本文以某學院新校區(qū)3號樓為例，模擬一些樓宇的課表信息，設計開發(fā)了一款移動手機用戶基于課表、位置、時間三元情境向用戶提供體現(xiàn)大數(shù)據(jù)、多業(yè)務融合、情境推理服務的“課堂助手”應用原型實踐.

3.1 技術(shù)線路

前端基于愛碼哥(www.imagjs.com)網(wǎng)絡H5平臺，底層封裝的原生UI接口，最終導出的APP都具有和原生應用相同的性能和用戶體驗，在平臺上一次編譯，可以直接生成Android、IOS移動應用，主要負責用戶情境的感知收集，向后臺發(fā)送用戶當前情境(如位置、用戶id)，經(jīng)過后臺情境計算后返回結(jié)果，通過推送插件及時推送給用戶手機.

后臺基于微軟.Net Framework 4.5框架，使用ashx一般處理程序httpHandler接受前臺的http請求，依據(jù)制定好的規(guī)則庫進行對情境元素進行運算，通過JSON(JavaScript Object Notation)數(shù)據(jù)反饋給前端愛碼哥平臺.前臺與后臺屬于不同平臺，通過數(shù)據(jù)接口進行耦合，奇數(shù)線路圖如圖5所示.

圖5 技術(shù)線路圖

3.2 場景功能設計

校園情境服務“課堂助手”輕應用客戶端，主要以教學活動安排為導向，在后臺主動獲取用戶的位置、時間與課表基本情境，主動提供4種情境服務功能，如表2所示.

表2 輕應用客戶端提供4種情境服務功能

3.3 情境本體模型關系描述

本體主要涉及到用戶、位置、活動(課表)、資源等4個主要本體，本體關系圖如圖6所示.

圖6 本體關系示意圖

3.4 位置感知定位

位置感知定位主要基于學生智能移動端，是系統(tǒng)情境計算的基礎.只有采集用戶地理位置，才能實現(xiàn)信息空間和物理空間的情境融合與計算，才能為用戶提供個性化的服務.

位置定位之前，首先建立自己的校園地理位置地標索引數(shù)據(jù)庫.相比較谷歌地圖、高德地圖，百度地圖是將樓宇的平面圖都顯示出來，使用比較方便.然后使用百度的在線坐標拾取系統(tǒng)(http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html)，用鼠標拾取建筑物的4個角點的經(jīng)緯度坐標入庫，如果需要精細地選取地理位置，可以用手機相關軟件精確獲取到每個教室4個角點的經(jīng)緯度.

位置定位采用了愛碼哥的ImagBDLocation組件，可自適應通過GPS、GSM、WiFi，使用百度地圖JavaScript API v3.0調(diào)用獲取用戶的latitude(緯度坐標)與longitude(經(jīng)度坐標).校園地理位置地標索引數(shù)據(jù)庫包含了校園每個建筑物及每個功能區(qū)的4個角點的經(jīng)緯坐標的范圍，根據(jù)獲取的經(jīng)緯度值，運用定位算法，就可確定用戶位置在校園中的精確位置.由于獲取GPSaltitude(海拔高度)需要用戶開GPS，而教室的樓層已知，為了使問題簡單化，在實現(xiàn)代碼中如果匹配到了樓宇的經(jīng)緯度范圍信息，就可認為在上課教室里了.

3.5 軟件測試與評價

本文搭建了一個基本的技術(shù)原型，軟件前后臺主要通過數(shù)據(jù)進行耦合，從技術(shù)角度實現(xiàn)了情境服務的幾種基本功能，能對用戶進行準確位置情境的采集并進行提示性反饋，提供智能化個性化的情境服務.如：根據(jù)所處的位置在手機上出現(xiàn)“課堂助手提醒”.打開APP，即可顯示與上課相關的提醒與消息.這些提醒和消息可以是課程上課時間與地點的顯示，也可以是作業(yè)與習題的發(fā)布，如果已在教室上課，也可以顯示“上課期間，手機使用頻繁，請專心聽講！”等提示信息.用戶情境信息的隱私保護及心理因素暫時未能考慮，這將是下一步研究的重要問題.

4 總結(jié)與展望

智慧校園的建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，是數(shù)字校園未來發(fā)展的主要形態(tài)，目前對智慧校園的研究與探索還較少，大部分學校的智慧化的應用還僅停留在一卡通移動應用、借書、考勤等功能上，本文從校園情境感知這個角度，探討了校園高級智慧形式的情境感知服務的基本問題與基本框架，期望數(shù)字校園未來的發(fā)展，借助于新一代的信息技術(shù)，讓技術(shù)能感知與理解用戶，在校園的各種具體情境下，從科研、教學、生活、管理等方面為校園用戶提供真正智慧化、個性化的服務與資源.