孫振楠
(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有全面感知、可靠傳輸?shù)奶卣?。物?lián)網(wǎng)環(huán)境在智慧校園中的建設(shè)與應(yīng)用中,在智慧校園具備的數(shù)據(jù)處理能力基礎(chǔ)上,聚焦智慧校園現(xiàn)有數(shù)據(jù)通信信道的打通,教與學(xué)活動(dòng)中數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集,為學(xué)校多層面、多樣化的發(fā)展、分析學(xué)業(yè)成績背后的原因、幫助教師確定有針對性的教學(xué)策略、實(shí)現(xiàn)個(gè)體化教育提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外,智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)的設(shè)計(jì)及相關(guān)應(yīng)用的開發(fā),為新技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用提供了模型參考及實(shí)踐指導(dǎo)。
為了提升學(xué)校信息化環(huán)境,適應(yīng)新一代信息技術(shù)的發(fā)展,各類學(xué)校根據(jù)自身發(fā)展的需要有序開展智慧校園建設(shè)工作。在數(shù)字校園基礎(chǔ)上建設(shè)的智慧校園,其基礎(chǔ)設(shè)施包括全面覆蓋的有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)、全面共享的數(shù)據(jù)與綜合信息服務(wù)。目前,雖然智慧校園的硬件平臺與相應(yīng)的軟件平臺已經(jīng)搭建完成,系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行,但與預(yù)期的效果相比還有較大的差距。智慧校園的建設(shè)與應(yīng)用存在著硬件與軟件投入、系統(tǒng)建設(shè)與系統(tǒng)在教學(xué)活動(dòng)中實(shí)際應(yīng)用的矛盾。本文基于智慧校園建設(shè)工作,借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的平臺建設(shè)技術(shù),結(jié)合教與學(xué)活動(dòng)研究與分析智慧校園中的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境,對現(xiàn)已完成的建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行診斷與改進(jìn),依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),從數(shù)據(jù)通信信道打通、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集的角度,對亟待解決的教學(xué)與學(xué)習(xí)支撐平臺進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用建設(shè)。
2016年,教育部將“智慧校園”納入《2016年教育信息化工作要點(diǎn)》[1]。目前國內(nèi)外智慧校園的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個(gè)方面:全面信息化,營造社交型學(xué)習(xí)氛圍;利用云計(jì)算技術(shù),提供便利學(xué)習(xí)空間;隨時(shí)隨地智能化教學(xué)和管理;大數(shù)據(jù)為學(xué)生量身打造學(xué)習(xí)計(jì)劃、分析學(xué)習(xí)行為;基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能校園;使用可再生能源,實(shí)現(xiàn)校園節(jié)能減排;構(gòu)建傳感互聯(lián)的可監(jiān)控校園,實(shí)現(xiàn)安全校園。
智慧校園的建設(shè)過程中,在技術(shù)上面臨的主要問題有數(shù)據(jù)處理的問題和數(shù)據(jù)獲取的問題。因?qū)W校發(fā)展需要,學(xué)校不同的部門在不同階段建設(shè)了不同的管理平臺,如學(xué)習(xí)資源管理平臺、學(xué)生管理平臺、教務(wù)管理平臺、后勤管理平臺和師資管理平臺等[2]。由于數(shù)據(jù)源頭較多,缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式不盡相同、數(shù)據(jù)整合與處理困難。在數(shù)據(jù)處理問題上,為了整合各部門數(shù)據(jù),解決平臺不兼容、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一等問題,宋蘇軒等人通過云平臺構(gòu)建一站式服務(wù)中心、數(shù)據(jù)中心和認(rèn)證(注冊)中心實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)流程整合、數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃治理[3];鄧嘉明等人以數(shù)據(jù)聚合為核心改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的緊密耦合方式[4]。隨著數(shù)據(jù)處理問題的解決,數(shù)據(jù)的獲取不再受到約束,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有全面感知、可靠傳遞等特征,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧校園中的應(yīng)用將傳統(tǒng)的人與人之間的信息傳遞擴(kuò)展到人與物、物與物,在數(shù)據(jù)獲取方面實(shí)現(xiàn)了全面感知,為智慧校園的決策分析提供了數(shù)據(jù)支撐。
在此通過中國知網(wǎng)按主題“智慧校園”進(jìn)行檢索,設(shè)置查詢時(shí)間為2015年1月1日—2020年12月6日,分析近5年關(guān)于智慧校園的高頻關(guān)鍵詞,出現(xiàn)頻次見表1所列[1]。近5年知網(wǎng)所收錄的關(guān)于“智慧校園”的文獻(xiàn)共3 022篇,通過詞頻分類,合并同義關(guān)鍵詞,最后得到7個(gè)與技術(shù)有關(guān)的高頻關(guān)鍵詞,排在前三位的高頻關(guān)鍵詞分別是“大數(shù)據(jù)”“物聯(lián)網(wǎng)”和“互聯(lián)網(wǎng)+”。通過共現(xiàn)矩陣分析,3 022篇文獻(xiàn)中,“智慧校園”與“物聯(lián)網(wǎng)”同時(shí)出現(xiàn)的頻次為158次,如圖1所示。
圖1 共現(xiàn)矩陣分析圖
表1 智慧校園研究的高頻關(guān)鍵詞表
物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)通過多網(wǎng)互聯(lián)的通信技術(shù)保障傳感層設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定的傳輸,供上層應(yīng)用智能處理,具有全面感知、可靠傳遞、智能處理等特征[5]。本文在智慧校園建設(shè)過程中研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境,以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)整體架構(gòu),充分集成現(xiàn)有的信息化資源,打通數(shù)字通信信道,實(shí)現(xiàn)人與物、物與物相互關(guān)聯(lián)。通過相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì),在教與學(xué)活動(dòng)中完成多項(xiàng)任務(wù),調(diào)動(dòng)教師應(yīng)用新技術(shù)的積極性,使其成為智慧校園的重要組成部分;探究智慧實(shí)驗(yàn)室對不同專業(yè)、不同實(shí)驗(yàn)的環(huán)境影響,跟蹤學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果;采集學(xué)生、教師個(gè)性化數(shù)據(jù),改變教師的教學(xué)方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式,培養(yǎng)學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新精神和信息化素養(yǎng),探索物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境在智慧校園建設(shè)過程中的應(yīng)用價(jià)值。
智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境架構(gòu)的設(shè)計(jì)以現(xiàn)有智慧校園為基礎(chǔ),依據(jù)信息規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)和物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層架構(gòu)打通智慧校園數(shù)據(jù)流通信道,如圖2所示。現(xiàn)有智慧校園包括統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施平臺、共享數(shù)據(jù)平臺、基于多網(wǎng)融合的新型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與管理系統(tǒng)、IC卡與手機(jī)融合的綜合校園卡應(yīng)用系統(tǒng)、面向信息服務(wù)的各類應(yīng)用系統(tǒng)[6-7]。
圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)智慧實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)
智慧校園物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的感知層根據(jù)接入系統(tǒng)“物體”的特點(diǎn),包括NFC標(biāo)簽、多媒體設(shè)備、校園卡、射頻讀寫器、教學(xué)搶答器、二維碼、RFID標(biāo)簽、環(huán)境監(jiān)測傳感器、聯(lián)動(dòng)執(zhí)行器等物理設(shè)備;網(wǎng)絡(luò)層在基礎(chǔ)設(shè)施平臺上擴(kuò)展無線射頻、ZigBee、NFC、2.4G等通信技術(shù);應(yīng)用層基于教與學(xué)活動(dòng)的需要,包含環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、聽課管理系統(tǒng)、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、學(xué)習(xí)檔案記錄系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)、資源共享平臺、德育管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)等。在基礎(chǔ)設(shè)施方面,針對目前學(xué)校中的傳統(tǒng)管理方式,從安全、節(jié)能、高效、舒適4個(gè)方面,設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)校設(shè)施監(jiān)管系統(tǒng),通過硬件和軟件的精選和設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)設(shè)施的全程監(jiān)控、智能管理,提高設(shè)施的服務(wù)效率。
智慧校園中的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)物物相連、人人相連,對接入的“物體”數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集,精準(zhǔn)獲取學(xué)生、教師個(gè)性化數(shù)據(jù),為使用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析數(shù)據(jù),為學(xué)校多層面、多樣化的發(fā)展、分析學(xué)生學(xué)業(yè)成績背后的原因、幫助教師確定有針對性的教學(xué)策略、實(shí)現(xiàn)個(gè)體化教育提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)科時(shí)間與探索的重要場所,傳統(tǒng)的管理方式局限于設(shè)備管理、使用人員管理。智慧實(shí)驗(yàn)室隨著智慧校園的發(fā)展而興起,突破傳統(tǒng)管理方式的局限,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與各平臺的對接?;谖锫?lián)網(wǎng)的智慧實(shí)驗(yàn)室,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上融合了實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集,監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度、光照、二氧化碳等環(huán)境數(shù)據(jù),跟蹤實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用情況、所處位置。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,為探究實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境對不同專業(yè)、不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境一定條件下,分析實(shí)驗(yàn)操作者的操作行為對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響打下基礎(chǔ)[8]。
利用RFID定位技術(shù)有效管理可外借實(shí)驗(yàn)設(shè)備,將實(shí)驗(yàn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),通過分類、編目,使實(shí)驗(yàn)設(shè)備像圖書一樣管理。通過檢測每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,教師端平臺通過比對每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,判斷設(shè)備是否損壞等情況,對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的借出實(shí)現(xiàn)可追溯管理,提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率。
自動(dòng)測評的桌面式物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺模擬物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景,如智能家居、智慧商超、智慧小區(qū)等,是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的落地應(yīng)用的展示平臺。平臺有助于普及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用,通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選型、布局、安裝、連接等操作自動(dòng)評分功能,評定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。平臺包括實(shí)驗(yàn)工位、計(jì)算機(jī)、設(shè)備套件、移動(dòng)端APP、PC端軟件、自檢模塊,平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。平臺通過實(shí)驗(yàn)綜合管理系統(tǒng)采集、分析學(xué)生操作數(shù)據(jù),并將分析結(jié)果及實(shí)驗(yàn)質(zhì)量通過PC端或手機(jī)端反饋給學(xué)生。系統(tǒng)功能模塊包括:登錄模塊、題庫管理模塊、用戶管理模塊、答題模塊、自動(dòng)判分模塊、成績查看模塊和答題分析模塊。
圖3 物聯(lián)網(wǎng)自測平臺結(jié)構(gòu)示意圖
校園手環(huán)作為智能穿戴設(shè)備,其集成校園生活中的門禁識別、刷卡消費(fèi)、名片交換、運(yùn)動(dòng)記錄、時(shí)間查看、信息系統(tǒng)身份識別等功能,具有便攜、智能、操作簡單、美觀和時(shí)尚、可以方便的與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信等優(yōu)點(diǎn)[9]。校園手環(huán)作為學(xué)生、教師在校期間的身份標(biāo)識,通過對手環(huán)日常數(shù)據(jù)收集、分析,形成學(xué)生與教師的個(gè)性化數(shù)據(jù)采集、分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教學(xué)精準(zhǔn)化建議、學(xué)生行為的過程性監(jiān)測。手環(huán)上的課堂搶答模塊便于記錄學(xué)生答題情況,形成學(xué)習(xí)檔案記錄,完善課堂教學(xué)智能化,為多元化評價(jià)反饋,最終形成課程學(xué)習(xí)記錄提供依據(jù)[10]。
根據(jù)教師聽課預(yù)約機(jī)制,開發(fā)聽課預(yù)約系統(tǒng),以解決教師扎推聽課、影響課堂效果問題。聽課預(yù)約系統(tǒng)根據(jù)教師的專業(yè)、所任教學(xué)生的專業(yè)智能篩選、排序,預(yù)約成功后生成二維碼。聽課前掃描二維碼簽到,聽課后,通過二維碼入口實(shí)時(shí)上傳聽課評價(jià)。系統(tǒng)中的NFC標(biāo)簽方便修改手機(jī)情景模式,免除了忘記修改靜音模式帶來的聽課影響。
物聯(lián)網(wǎng)具有全面感知、可靠傳遞的特征,智慧校園中的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境有效地打通了數(shù)據(jù)流通途徑。在現(xiàn)有智慧校園基礎(chǔ)上建設(shè)智慧實(shí)驗(yàn)室、自動(dòng)測評物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺、校園手環(huán)、聽課預(yù)約系統(tǒng),貫穿教師的教學(xué)活動(dòng)過程、學(xué)生從入校到畢業(yè)、從學(xué)期開始到學(xué)期結(jié)束、從課堂開始到課堂結(jié)束的過程,精準(zhǔn)采集教師、學(xué)生的個(gè)性化數(shù)據(jù),為大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)智能處理提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。