數字校園的構建及其關鍵技術研究

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：張明鑫，米文寶，魏海平   人氣： 發表時間：2011年11月06日

    1 引言
 
    數字校園從廣義上說就是校園信息化, 是以網絡為基礎, 利用先進的信息化手段和工具, 實現從環境、資源到活動的全部數字化, 在傳統校園的基礎上構建一個數字空間, 拓展現實校園的時間和空間維度, 提升傳統校園的效率, 擴展傳統校園的功能, 最終實現教育過程的全面信息化, 從而達到提高教育管理水平和效率的目的。“數字校園”是指信息化的校園, 或者說是校園的虛擬對照體。“數字校園”包括信息的獲取、處理和應用, 采取不同方式的遙感與非遙感手段獲得海量的校園數據, 并用計算機將它們和與之相關的其他數據以及應用模型結合起來。在網絡系統中重現真實的校園。在總結上述兩種觀點的基礎上, 筆者認為“數字校園”是在傳統校園的基礎上, 利用先進的信息化手段和工具, 將現實校園的各項資源數字化, 是現實校園在時間和空間上的延伸。
 
    目前, 美國大學校園的信息化建設己經涉及圖書館網絡、學校管理工作、教學活動、科研活動、學生日常生活的各個方面, 美國大學“虛擬校園”的大門已經敞開。在世界各國校園信息化建設的大潮促進下, 我國校園信息化建設的迅速發展, 首先起步的是國內一些知名大學。北京大學已經建成比較成熟的數字校園工程- - “數字北大”, “數字北大”從GIS 角度規劃了數字校園工程。成都理工大學也提出基于GIS 的數字化校園工程- - “數字成都理工大學”。國內其它許多各個高校也陸續開始建立大量的涉及行政管理、教育科研、電子教學、遠程教育、信息交流, 以及對外技術交流與合作服務等業務的數字校園工程。希望能夠在原有網絡資源的基礎上, 建成快速、可靠的信息網絡, 從而滿足教學、科研和各項管理工作需求。
 
    2 “數字校園”建設的框架結構
 
    2.1 未來理想校園的構架體系
 
    通過對國內外數字校園發展現狀的分析, 筆者認為未來的理想校園已不再僅僅是傳統的現實校園, 應該包括現實中的校園和架構在此基礎之上的“數字校園”兩大體系。現實校園是建立在傳統部門的基礎之上, 通過硬件和軟件的組合形成新型的數字校園。從軟硬件角度劃分, 數字校園包含兩部分內容:第一, 硬件部分, 也就是構成數字校園的所有硬件設施。主要包括校園中的網絡布線、計算機的硬件配置交換機和路由器的分布結構、服務器的具體架設等; 第二, 數字校園的軟件囊括了數字校園的全部軟件環境, 即包括操作系統、辦公自動化系統、管理信息系統、網絡教學系統在內的完整軟件系統等。圖1 展示了現實校園的各個組成部分和數字校園的軟硬件組成, 其中軟件環境是數字校園研究的重點。
 
    2.2 “數字校園”組成模塊劃分
 
    雖然數字校園還沒有一個確切、完整的定義, 而且高等院校與中小學的數字校園建設的內容也有差別, 但其基本內容一般都包括校園管理信息系統、校園辦公自動化系統和網絡教學系統。各部分內容對于高等院校和中小學有不相同的作用, 所以建設的重點也有側重。以下作者分別從平臺層、基礎層、框架結構層、服務層和目標層五個層次詳細劃分數字校園的組成結構。其中平臺層主要是建設數字校園的必要硬件和網絡基礎; 基礎層主要是指建設數字校園所依賴的關鍵性支持模塊, 包括三維立體校園仿真系統、身份認證系統和校園一卡通系統; 框架結構層是建立在平臺層和基礎層之上的包括辦公自動化系統、管理信息系統和網絡教學系統中的各個體現數字校園基礎功能模塊的子系統, 體現了數字校園的主要職能; 在框架結構層之上是數字校園的服務層, 說明了數字校園的包括網絡基本服務、綜合信息服務和決策支持服務在內的各個具體服務內容, 它是數字校園建設的高級階段所體現出的特色; 最上層是數字校園建設的最終目標, 即實現包括完整數字校園在內的人們所最終向往的虛擬校園和移動校園。其具體結構如圖2 所示: 

    3 “數字校園”建設中的關鍵技術及其解決方案
 
    數字校園系統將成為校園新的信息源, 任何與校園有關的信息都將被定位, 并與空間數據聯系起來。用戶可以圖文并茂地查詢校園信息, 獲得最為直接的效果。數字校園具有很大的集成度, 用戶可以隨時獲得所需的信息, 就如同身在校園之中一般, 給學校的各項工作都帶來很大方便, 同時可以為學校帶來可觀的社會效益。最終使教育資源得到合理和有效的利用, 從而實現傳統教學模式的根本轉變, 同時也為“數字社區”和“數字城市”的建設起到了示范和試驗作用。為了建設符合時代發展要求的現代化的數字校園體系, 應當通過現代化手段, 方便地實現學校的教學、科研、管理、服務等活動的全部過程, 從而達到提高教學質量、科研水平、管理水平。筆者認為以下六個方面是數字校園建設中的瓶頸, 即關鍵技術問題。

圖1 數字校園軟硬組成圖

圖2 數字校園構建體系圖 

    3.1 數字建模技術
 
    數字建模技術包括地形幾何建模技術、建筑物幾何建模技術和紋理映射建模技術。數字地形通常有等高線、規則格網(Grid)和不規則三角網(TIN)三種不同的表示方法。其中等高線的表示方法被廣泛應用于各種地形圖和現代地理信息系統中, 它是用二維手段表示三維物體的常用方法。而用規則格網來表示地形高程域的數據則是隨著計算機的出現而提出的, 它實際上使用一個二維的數組來表示地形的高程, 其格網的平面坐標通常是缺省的, 而另一種則是用不規則三角網來表示地形。
 
    在三維場景中, 除了建筑物外, 還存在大量的不規則物體需要模擬:如天空、樹木、花草、路燈等等, 它們是構成地形環境、提高逼真度必不可少的部分。紋理的意義可簡單歸納為:用圖像來替代物體模型中的可模擬或不可模擬細節, 提高模擬逼真度和顯示速度。因此采用紋理映射技術較好地模擬這類物體, 實現逼真度和運行速度的平衡。
 
    3.2 無線校園網技術
 
    怎樣才能滿足教育用戶日益增長的網絡需要呢? 原來局限于在辦公室的有線網絡顯然已經不能滿足需求。能在教室、多媒體教室、階梯教室、禮堂、會議室、圖書館甚至在體育館、足球場、操場等場所連接互聯網成為他們迫切的渴望, 總之只有隨時隨地能夠連接到網絡才能滿足目前教育網用戶對網絡的需求。針對較大型的建筑物如禮堂、圖書館等, 用戶可以利用已經存在的有線網絡接口, 輕松解決無線局域網的安裝布設, 可以很容易的擴展信息接入點的密度, 實現移動辦公。系統應用時, 用戶只需通過一張小小的射頻卡, 就可以使學校內的計算機由單元化的單機辦公設備轉向一種集辦公、管理、教學、學術交流為一體的綜合性信息資源, 為學校提供一個覆蓋全校范圍的安全、可靠、快速、靈活的校園網絡, 使學校的教學、科研和管理有先進的計算機網絡環境。
 
    3.3 身份認證技術
 
    為了在校園網中實現基于用戶的網絡管理, 要求所有用戶在使用網絡資源以前要先登錄認證服務器以確認身份, 然后將用戶的身份和他所使用的IP 地址綁定, 以解決IP 地址盜用的問題, 同時實現基于用戶的計費等管理。用戶登錄應用系統申請服務時, 提供一個由統一身份認證系統發給的身份認證令牌, 由應用系統將這個認證令牌交給統一身份認證服務系統進行認證, 確認用戶身份后應用系統根據用戶的身份授予用戶相應的訪問權限。每個應用系統要使用統一身份認證模式, 它必須先向統一身份認證系統進行注冊, 提供必須的信息, 包括應用系統的身份信息, 應用系統所有合法用戶的信息、應用系統的訪問控制信息、應用資源的訪問控制信息等。
 
    應用系統注冊后其用戶組信息存儲在目錄數據庫中, 應用系統要求統一身份認證系統認證用戶身份信息時, 統一身份認證系統根據用戶身份查找該用戶在應用系統中所屬的用戶組, 并將該信息返回給應用系統, 應用系統根據用戶所屬組別決定用戶權限。因此用戶得到應用系統的授權經過下面3 個步驟: 登錄統一身份認證系統確認身份; 向應用系統提出服務申請, 并提交身份證明; 應用系統將用戶的身份證明交統一身份認證系統認證并得到用戶授權信息, 應用系統根據用戶授權信息返回給用戶服務申請應答。 

    3.4 校園一卡通技術
 
    校園一卡通系統架構在校園網之上, 利用計算機、網絡、終端等設備, 充分整合校園網絡資源,借助IC 卡載體, 實現信息化管理, 為實現全面數字校園提供了良好平臺。一卡通目前還沒有統一的概念, 一卡就是在同一張卡上實現多種不同功能的智能管理, 一張卡通行于很多的設備。校園一卡通系統可供學生用于校園內部處理雜務, 購買食品、飲料、書本, 借閱圖書等。一卡通不僅方便了大家使用, 也是學校信息化水平的重要標志。這個系統不僅要求數據的絕對準確和安全, 而且要求24 小時工作。數字校園中的每一個成員在數字空間有一個固定的電子身份, 電子身份由權威管理部門維護供數字校園使用, 以保證用戶的準確性和一致性。校園一卡通利用IC 卡作為電子身體的載體。使教師、學生在校園中能夠使用IC 卡完成一系列與其身份相關的活動, 如注冊、借/還書、上機、就餐等。從而將部署在銀行、校園中心機房和校區, 校園中心機房主要運行校內信息系統, 校終端應用系統相互連接, 使得數字校園骨干平臺業務和服務得到延伸。
 
    3.5 流媒體技術的應用
 
    流媒體, 即無須下載, 可在線即時收聽收看的媒體。流媒體技術是一個綜合的技術, 它包括采集、編碼、傳輸、儲存、解碼等多項技術。流媒體應用系統一般由編碼端、服務器端和用戶終端三部分組成。為了方便與授課老師不在同一個教室的學生能與老師在授課過程中實時地交流問題, 可以在學生所在的教室安裝攝像機和編碼計算機, 用來拍攝并上傳提問學生的影像, 并在授課老師所在的教室安裝一臺終端計算機和投影儀, 用來播放提問學生的視頻, 從而達到老師和異地學生的實時交互。為了實現交互教學, 需將一臺攝像機放在教師授課的教室, 攝像機拍攝的教師授課過程實時地被傳輸到流媒體編碼機, 經過采集卡的采集、編碼后再實時地上傳給流媒體服務器, 再由流媒體服務器實時發布到其它教室的終端計算機, 并利用投影儀將教員的授課過程實時地播放出來, 供其它教室的學生觀看。流媒體技術在學校的應用前景廣闊, 可用于課件點播、交互教學、電視轉播、遠程監控、視頻會議等。 

    3.6 遠程虛擬大學的建立 

    現實校園是數字校園的基礎, 數字校園是現實校園通過信息技術在時間和空間上的擴展與延伸, 它包含了現實校園及其所衍生出來的數字空間, 虛擬大學是數字校園的遠程教育功能部分, 是數字校園的對外服務的部分職能, 它是傳統校園數字化后社會功能的延伸。虛擬大學就是指在傳統數字校園的基礎上, 數字校園遠程教育職能的延伸。遠程教育并不是傳統教育的簡單擴展, 成功的遠程教育也不會因數字化和網絡化技術的運用而自然獲得。 

    可以設想隨著信息技術的發展, 在即將到來的社會里, 只要有一臺筆記本電腦或PDA, 便可以在任何時間、任何地點不間斷隨意無線上網。學員可以實時地查閱資料, 進行圖書館電子借閱、國際著名電子期刊瀏覽, 或在電腦上完成論文并遞交到導師信箱, 或上網訪問。未來的高校會被建設成一個超越時間、超越空間的虛擬大學。使得學員們可以方便地利用網上學習系統的各種學習設施, 從而實現遠程考試、遠程討論, 多媒體作業等, 同時, 學員的學習記錄將會被進行統計分析, 并將結果反饋給學員和有關人員, 以提高學習的效率。通過無線網絡的建設, 不僅拓展了聯網方式, 而且實現了移動教育。目前國內正在研制開發基于有線網( 互聯網、電話網、光纖等) 和無線網( 衛星網絡、移動通信網、無線局域網、藍牙技術等) 的移動大學系統(MVC) 。該系統能夠為校園內的用戶和校園外的用戶提供了大規模的移動計算環境, 而且目前北大已經實現了移動辦公系統、移動BBS 討論系統、移動答疑系統、移動新聞系統、移動教室管理系統等。 

    4 結論
 
    “數字校園”是數字城市的重要組成部分; 是在建設數字地球、數字城市、數字社區等大環境下提出的概念; 是用層次化、整體的觀點來實施校園信息化建設, 是將校園網上信息進行更好的組織和分類, 讓用戶在網上快速發現自己需求的信息。加速建設“數字校園”對教育部門和學校提高教育行政質量和效率, 規范管理, 加強服務, 以及促進社會對教育的監督都起到重要作用。教育系統作為我國電子政務建設的重要組成部分, 其辦公自動化和管理信息化水平逐步提高, 服務范圍不斷擴大。因而建設目的是更好地利用現有的數字化、信息化和網絡化的教學資源和方便快捷的電子化教學手段來代替單調的傳統教學模式, 從而實現教學資源共享, 提高工作效率和教學效果, 使高等院校教學、科研、管理的數字化、信息化和智能化水平邁上一個新臺階。