數(shù)字校園的構(gòu)建及其關(guān)鍵技術(shù)研究

文章出處：http://www.fang1.net 作者：張明鑫，米文寶，魏海平   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月06日

    1 引言
 
    數(shù)字校園從廣義上說(shuō)就是校園信息化, 是以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ), 利用先進(jìn)的信息化手段和工具, 實(shí)現(xiàn)從環(huán)境、資源到活動(dòng)的全部數(shù)字化, 在傳統(tǒng)校園的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)數(shù)字空間, 拓展現(xiàn)實(shí)校園的時(shí)間和空間維度, 提升傳統(tǒng)校園的效率, 擴(kuò)展傳統(tǒng)校園的功能, 最終實(shí)現(xiàn)教育過(guò)程的全面信息化, 從而達(dá)到提高教育管理水平和效率的目的。“數(shù)字校園”是指信息化的校園, 或者說(shuō)是校園的虛擬對(duì)照體。“數(shù)字校園”包括信息的獲取、處理和應(yīng)用, 采取不同方式的遙感與非遙感手段獲得海量的校園數(shù)據(jù), 并用計(jì)算機(jī)將它們和與之相關(guān)的其他數(shù)據(jù)以及應(yīng)用模型結(jié)合起來(lái)。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中重現(xiàn)真實(shí)的校園。在總結(jié)上述兩種觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 筆者認(rèn)為“數(shù)字校園”是在傳統(tǒng)校園的基礎(chǔ)上, 利用先進(jìn)的信息化手段和工具, 將現(xiàn)實(shí)校園的各項(xiàng)資源數(shù)字化, 是現(xiàn)實(shí)校園在時(shí)間和空間上的延伸。
 
    目前, 美國(guó)大學(xué)校園的信息化建設(shè)己經(jīng)涉及圖書(shū)館網(wǎng)絡(luò)、學(xué)校管理工作、教學(xué)活動(dòng)、科研活動(dòng)、學(xué)生日常生活的各個(gè)方面, 美國(guó)大學(xué)“虛擬校園”的大門(mén)已經(jīng)敞開(kāi)。在世界各國(guó)校園信息化建設(shè)的大潮促進(jìn)下, 我國(guó)校園信息化建設(shè)的迅速發(fā)展, 首先起步的是國(guó)內(nèi)一些知名大學(xué)。北京大學(xué)已經(jīng)建成比較成熟的數(shù)字校園工程- - “數(shù)字北大”, “數(shù)字北大”從GIS 角度規(guī)劃了數(shù)字校園工程。成都理工大學(xué)也提出基于GIS 的數(shù)字化校園工程- - “數(shù)字成都理工大學(xué)”。國(guó)內(nèi)其它許多各個(gè)高校也陸續(xù)開(kāi)始建立大量的涉及行政管理、教育科研、電子教學(xué)、遠(yuǎn)程教育、信息交流, 以及對(duì)外技術(shù)交流與合作服務(wù)等業(yè)務(wù)的數(shù)字校園工程。希望能夠在原有網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上, 建成快速、可靠的信息網(wǎng)絡(luò), 從而滿足教學(xué)、科研和各項(xiàng)管理工作需求。
 
    2 “數(shù)字校園”建設(shè)的框架結(jié)構(gòu)
 
    2.1 未來(lái)理想校園的構(gòu)架體系
 
    通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)字校園發(fā)展現(xiàn)狀的分析, 筆者認(rèn)為未來(lái)的理想校園已不再僅僅是傳統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)校園, 應(yīng)該包括現(xiàn)實(shí)中的校園和架構(gòu)在此基礎(chǔ)之上的“數(shù)字校園”兩大體系?，F(xiàn)實(shí)校園是建立在傳統(tǒng)部門(mén)的基礎(chǔ)之上, 通過(guò)硬件和軟件的組合形成新型的數(shù)字校園。從軟硬件角度劃分, 數(shù)字校園包含兩部分內(nèi)容:第一, 硬件部分, 也就是構(gòu)成數(shù)字校園的所有硬件設(shè)施。主要包括校園中的網(wǎng)絡(luò)布線、計(jì)算機(jī)的硬件配置交換機(jī)和路由器的分布結(jié)構(gòu)、服務(wù)器的具體架設(shè)等; 第二, 數(shù)字校園的軟件囊括了數(shù)字校園的全部軟件環(huán)境, 即包括操作系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的完整軟件系統(tǒng)等。圖1 展示了現(xiàn)實(shí)校園的各個(gè)組成部分和數(shù)字校園的軟硬件組成, 其中軟件環(huán)境是數(shù)字校園研究的重點(diǎn)。
 
    2.2 “數(shù)字校園”組成模塊劃分
 
    雖然數(shù)字校園還沒(méi)有一個(gè)確切、完整的定義, 而且高等院校與中小學(xué)的數(shù)字校園建設(shè)的內(nèi)容也有差別, 但其基本內(nèi)容一般都包括校園管理信息系統(tǒng)、校園辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。各部分內(nèi)容對(duì)于高等院校和中小學(xué)有不相同的作用, 所以建設(shè)的重點(diǎn)也有側(cè)重。以下作者分別從平臺(tái)層、基礎(chǔ)層、框架結(jié)構(gòu)層、服務(wù)層和目標(biāo)層五個(gè)層次詳細(xì)劃分?jǐn)?shù)字校園的組成結(jié)構(gòu)。其中平臺(tái)層主要是建設(shè)數(shù)字校園的必要硬件和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ); 基礎(chǔ)層主要是指建設(shè)數(shù)字校園所依賴的關(guān)鍵性支持模塊, 包括三維立體校園仿真系統(tǒng)、身份認(rèn)證系統(tǒng)和校園一卡通系統(tǒng); 框架結(jié)構(gòu)層是建立在平臺(tái)層和基礎(chǔ)層之上的包括辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)中的各個(gè)體現(xiàn)數(shù)字校園基礎(chǔ)功能模塊的子系統(tǒng), 體現(xiàn)了數(shù)字校園的主要職能; 在框架結(jié)構(gòu)層之上是數(shù)字校園的服務(wù)層, 說(shuō)明了數(shù)字校園的包括網(wǎng)絡(luò)基本服務(wù)、綜合信息服務(wù)和決策支持服務(wù)在內(nèi)的各個(gè)具體服務(wù)內(nèi)容, 它是數(shù)字校園建設(shè)的高級(jí)階段所體現(xiàn)出的特色; 最上層是數(shù)字校園建設(shè)的最終目標(biāo), 即實(shí)現(xiàn)包括完整數(shù)字校園在內(nèi)的人們所最終向往的虛擬校園和移動(dòng)校園。其具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示: 

    3 “數(shù)字校園”建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案
 
    數(shù)字校園系統(tǒng)將成為校園新的信息源, 任何與校園有關(guān)的信息都將被定位, 并與空間數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)。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(shù)字校園具有很大的集成度, 用戶可以隨時(shí)獲得所需的信息, 就如同身在校園之中一般, 給學(xué)校的各項(xiàng)工作都帶來(lái)很大方便, 同時(shí)可以為學(xué)校帶來(lái)可觀的社會(huì)效益。最終使教育資源得到合理和有效的利用, 從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)模式的根本轉(zhuǎn)變, 同時(shí)也為“數(shù)字社區(qū)”和“數(shù)字城市”的建設(shè)起到了示范和試驗(yàn)作用。為了建設(shè)符合時(shí)代發(fā)展要求的現(xiàn)代化的數(shù)字校園體系, 應(yīng)當(dāng)通過(guò)現(xiàn)代化手段, 方便地實(shí)現(xiàn)學(xué)校的教學(xué)、科研、管理、服務(wù)等活動(dòng)的全部過(guò)程, 從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、科研水平、管理水平。筆者認(rèn)為以下六個(gè)方面是數(shù)字校園建設(shè)中的瓶頸, 即關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

圖1 數(shù)字校園軟硬組成圖

圖2 數(shù)字校園構(gòu)建體系圖 

    3.1 數(shù)字建模技術(shù)
 
    數(shù)字建模技術(shù)包括地形幾何建模技術(shù)、建筑物幾何建模技術(shù)和紋理映射建模技術(shù)。數(shù)字地形通常有等高線、規(guī)則格網(wǎng)(Grid)和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)三種不同的表示方法。其中等高線的表示方法被廣泛應(yīng)用于各種地形圖和現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)中, 它是用二維手段表示三維物體的常用方法。而用規(guī)則格網(wǎng)來(lái)表示地形高程域的數(shù)據(jù)則是隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而提出的, 它實(shí)際上使用一個(gè)二維的數(shù)組來(lái)表示地形的高程, 其格網(wǎng)的平面坐標(biāo)通常是缺省的, 而另一種則是用不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)表示地形。
 
    在三維場(chǎng)景中, 除了建筑物外, 還存在大量的不規(guī)則物體需要模擬:如天空、樹(shù)木、花草、路燈等等, 它們是構(gòu)成地形環(huán)境、提高逼真度必不可少的部分。紋理的意義可簡(jiǎn)單歸納為:用圖像來(lái)替代物體模型中的可模擬或不可模擬細(xì)節(jié), 提高模擬逼真度和顯示速度。因此采用紋理映射技術(shù)較好地模擬這類物體, 實(shí)現(xiàn)逼真度和運(yùn)行速度的平衡。
 
    3.2 無(wú)線校園網(wǎng)技術(shù)
 
    怎樣才能滿足教育用戶日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要呢? 原來(lái)局限于在辦公室的有線網(wǎng)絡(luò)顯然已經(jīng)不能滿足需求。能在教室、多媒體教室、階梯教室、禮堂、會(huì)議室、圖書(shū)館甚至在體育館、足球場(chǎng)、操場(chǎng)等場(chǎng)所連接互聯(lián)網(wǎng)成為他們迫切的渴望, 總之只有隨時(shí)隨地能夠連接到網(wǎng)絡(luò)才能滿足目前教育網(wǎng)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求。針對(duì)較大型的建筑物如禮堂、圖書(shū)館等, 用戶可以利用已經(jīng)存在的有線網(wǎng)絡(luò)接口, 輕松解決無(wú)線局域網(wǎng)的安裝布設(shè), 可以很容易的擴(kuò)展信息接入點(diǎn)的密度, 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公。系統(tǒng)應(yīng)用時(shí), 用戶只需通過(guò)一張小小的射頻卡, 就可以使學(xué)校內(nèi)的計(jì)算機(jī)由單元化的單機(jī)辦公設(shè)備轉(zhuǎn)向一種集辦公、管理、教學(xué)、學(xué)術(shù)交流為一體的綜合性信息資源, 為學(xué)校提供一個(gè)覆蓋全校范圍的安全、可靠、快速、靈活的校園網(wǎng)絡(luò), 使學(xué)校的教學(xué)、科研和管理有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
 
    3.3 身份認(rèn)證技術(shù)
 
    為了在校園網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)基于用戶的網(wǎng)絡(luò)管理, 要求所有用戶在使用網(wǎng)絡(luò)資源以前要先登錄認(rèn)證服務(wù)器以確認(rèn)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(wèn)題, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于用戶的計(jì)費(fèi)等管理。用戶登錄應(yīng)用系統(tǒng)申請(qǐng)服務(wù)時(shí), 提供一個(gè)由統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)發(fā)給的身份認(rèn)證令牌, 由應(yīng)用系統(tǒng)將這個(gè)認(rèn)證令牌交給統(tǒng)一身份認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證, 確認(rèn)用戶身份后應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份授予用戶相應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限。每個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)要使用統(tǒng)一身份認(rèn)證模式, 它必須先向統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè), 提供必須的信息, 包括應(yīng)用系統(tǒng)的身份信息, 應(yīng)用系統(tǒng)所有合法用戶的信息、應(yīng)用系統(tǒng)的訪問(wèn)控制信息、應(yīng)用資源的訪問(wèn)控制信息等。
 
    應(yīng)用系統(tǒng)注冊(cè)后其用戶組信息存儲(chǔ)在目錄數(shù)據(jù)庫(kù)中, 應(yīng)用系統(tǒng)要求統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)認(rèn)證用戶身份信息時(shí), 統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)根據(jù)用戶身份查找該用戶在應(yīng)用系統(tǒng)中所屬的用戶組, 并將該信息返回給應(yīng)用系統(tǒng), 應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶所屬組別決定用戶權(quán)限。因此用戶得到應(yīng)用系統(tǒng)的授權(quán)經(jīng)過(guò)下面3 個(gè)步驟: 登錄統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)確認(rèn)身份; 向應(yīng)用系統(tǒng)提出服務(wù)申請(qǐng), 并提交身份證明; 應(yīng)用系統(tǒng)將用戶的身份證明交統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)認(rèn)證并得到用戶授權(quán)信息, 應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)用戶授權(quán)信息返回給用戶服務(wù)申請(qǐng)應(yīng)答。 

    3.4 校園一卡通技術(shù)
 
    校園一卡通系統(tǒng)架構(gòu)在校園網(wǎng)之上, 利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、終端等設(shè)備, 充分整合校園網(wǎng)絡(luò)資源,借助IC 卡載體, 實(shí)現(xiàn)信息化管理, 為實(shí)現(xiàn)全面數(shù)字校園提供了良好平臺(tái)。一卡通目前還沒(méi)有統(tǒng)一的概念, 一卡就是在同一張卡上實(shí)現(xiàn)多種不同功能的智能管理, 一張卡通行于很多的設(shè)備。校園一卡通系統(tǒng)可供學(xué)生用于校園內(nèi)部處理雜務(wù), 購(gòu)買(mǎi)食品、飲料、書(shū)本, 借閱圖書(shū)等。一卡通不僅方便了大家使用, 也是學(xué)校信息化水平的重要標(biāo)志。這個(gè)系統(tǒng)不僅要求數(shù)據(jù)的絕對(duì)準(zhǔn)確和安全, 而且要求24 小時(shí)工作。數(shù)字校園中的每一個(gè)成員在數(shù)字空間有一個(gè)固定的電子身份, 電子身份由權(quán)威管理部門(mén)維護(hù)供數(shù)字校園使用, 以保證用戶的準(zhǔn)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(xué)生在校園中能夠使用IC 卡完成一系列與其身份相關(guān)的活動(dòng), 如注冊(cè)、借/還書(shū)、上機(jī)、就餐等。從而將部署在銀行、校園中心機(jī)房和校區(qū), 校園中心機(jī)房主要運(yùn)行校內(nèi)信息系統(tǒng), 校終端應(yīng)用系統(tǒng)相互連接, 使得數(shù)字校園骨干平臺(tái)業(yè)務(wù)和服務(wù)得到延伸。
 
    3.5 流媒體技術(shù)的應(yīng)用
 
    流媒體, 即無(wú)須下載, 可在線即時(shí)收聽(tīng)收看的媒體。流媒體技術(shù)是一個(gè)綜合的技術(shù), 它包括采集、編碼、傳輸、儲(chǔ)存、解碼等多項(xiàng)技術(shù)。流媒體應(yīng)用系統(tǒng)一般由編碼端、服務(wù)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(gè)教室的學(xué)生能與老師在授課過(guò)程中實(shí)時(shí)地交流問(wèn)題, 可以在學(xué)生所在的教室安裝攝像機(jī)和編碼計(jì)算機(jī), 用來(lái)拍攝并上傳提問(wèn)學(xué)生的影像, 并在授課老師所在的教室安裝一臺(tái)終端計(jì)算機(jī)和投影儀, 用來(lái)播放提問(wèn)學(xué)生的視頻, 從而達(dá)到老師和異地學(xué)生的實(shí)時(shí)交互。為了實(shí)現(xiàn)交互教學(xué), 需將一臺(tái)攝像機(jī)放在教師授課的教室, 攝像機(jī)拍攝的教師授課過(guò)程實(shí)時(shí)地被傳輸?shù)搅髅襟w編碼機(jī), 經(jīng)過(guò)采集卡的采集、編碼后再實(shí)時(shí)地上傳給流媒體服務(wù)器, 再由流媒體服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)布到其它教室的終端計(jì)算機(jī), 并利用投影儀將教員的授課過(guò)程實(shí)時(shí)地播放出來(lái), 供其它教室的學(xué)生觀看。流媒體技術(shù)在學(xué)校的應(yīng)用前景廣闊, 可用于課件點(diǎn)播、交互教學(xué)、電視轉(zhuǎn)播、遠(yuǎn)程監(jiān)控、視頻會(huì)議等。 

    3.6 遠(yuǎn)程虛擬大學(xué)的建立 

    現(xiàn)實(shí)校園是數(shù)字校園的基礎(chǔ), 數(shù)字校園是現(xiàn)實(shí)校園通過(guò)信息技術(shù)在時(shí)間和空間上的擴(kuò)展與延伸, 它包含了現(xiàn)實(shí)校園及其所衍生出來(lái)的數(shù)字空間, 虛擬大學(xué)是數(shù)字校園的遠(yuǎn)程教育功能部分, 是數(shù)字校園的對(duì)外服務(wù)的部分職能, 它是傳統(tǒng)校園數(shù)字化后社會(huì)功能的延伸。虛擬大學(xué)就是指在傳統(tǒng)數(shù)字校園的基礎(chǔ)上, 數(shù)字校園遠(yuǎn)程教育職能的延伸。遠(yuǎn)程教育并不是傳統(tǒng)教育的簡(jiǎn)單擴(kuò)展, 成功的遠(yuǎn)程教育也不會(huì)因數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的運(yùn)用而自然獲得。 

    可以設(shè)想隨著信息技術(shù)的發(fā)展, 在即將到來(lái)的社會(huì)里, 只要有一臺(tái)筆記本電腦或PDA, 便可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)不間斷隨意無(wú)線上網(wǎng)。學(xué)員可以實(shí)時(shí)地查閱資料, 進(jìn)行圖書(shū)館電子借閱、國(guó)際著名電子期刊瀏覽, 或在電腦上完成論文并遞交到導(dǎo)師信箱, 或上網(wǎng)訪問(wèn)。未來(lái)的高校會(huì)被建設(shè)成一個(gè)超越時(shí)間、超越空間的虛擬大學(xué)。使得學(xué)員們可以方便地利用網(wǎng)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)的各種學(xué)習(xí)設(shè)施, 從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程考試、遠(yuǎn)程討論, 多媒體作業(yè)等, 同時(shí), 學(xué)員的學(xué)習(xí)記錄將會(huì)被進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 并將結(jié)果反饋給學(xué)員和有關(guān)人員, 以提高學(xué)習(xí)的效率。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè), 不僅拓展了聯(lián)網(wǎng)方式, 而且實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)教育。目前國(guó)內(nèi)正在研制開(kāi)發(fā)基于有線網(wǎng)( 互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)、光纖等) 和無(wú)線網(wǎng)( 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙技術(shù)等) 的移動(dòng)大學(xué)系統(tǒng)(MVC) 。該系統(tǒng)能夠?yàn)樾@內(nèi)的用戶和校園外的用戶提供了大規(guī)模的移動(dòng)計(jì)算環(huán)境, 而且目前北大已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)辦公系統(tǒng)、移動(dòng)BBS 討論系統(tǒng)、移動(dòng)答疑系統(tǒng)、移動(dòng)新聞系統(tǒng)、移動(dòng)教室管理系統(tǒng)等。 

    4 結(jié)論
 
    “數(shù)字校園”是數(shù)字城市的重要組成部分; 是在建設(shè)數(shù)字地球、數(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)等大環(huán)境下提出的概念; 是用層次化、整體的觀點(diǎn)來(lái)實(shí)施校園信息化建設(shè), 是將校園網(wǎng)上信息進(jìn)行更好的組織和分類, 讓用戶在網(wǎng)上快速發(fā)現(xiàn)自己需求的信息。加速建設(shè)“數(shù)字校園”對(duì)教育部門(mén)和學(xué)校提高教育行政質(zhì)量和效率, 規(guī)范管理, 加強(qiáng)服務(wù), 以及促進(jìn)社會(huì)對(duì)教育的監(jiān)督都起到重要作用。教育系統(tǒng)作為我國(guó)電子政務(wù)建設(shè)的重要組成部分, 其辦公自動(dòng)化和管理信息化水平逐步提高, 服務(wù)范圍不斷擴(kuò)大。因而建設(shè)目的是更好地利用現(xiàn)有的數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)資源和方便快捷的電子化教學(xué)手段來(lái)代替單調(diào)的傳統(tǒng)教學(xué)模式, 從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享, 提高工作效率和教學(xué)效果, 使高等院校教學(xué)、科研、管理的數(shù)字化、信息化和智能化水平邁上一個(gè)新臺(tái)階。