数字校园的构建及其关键技术研究

    1 引言
 
    数字校园从广义上说就是校园信息化, 是以网络为基础, 利用先进的信息化手段和工具, 实现从环境、资源到活动的全部数字化, 在传统校园的基础上构建一个数字空间, 拓展现实校园的时间和空间维度, 提升传统校园的效率, 扩展传统校园的功能, 最终实现教育过程的全面信息化, 从而达到提高教育管理水平和效率的目的。“数字校园”是指信息化的校园, 或者说是校园的虚拟对照体。“数字校园”包括信息的获取、处理和应用, 采取不同方式的遥感与非遥感手段获得海量的校园数据, 并用计算机将它们和与之相关的其他数据以及应用模型结合起来。在网络系统中重现真实的校园。在总结上述两种观点的基础上, 笔者认为“数字校园”是在传统校园的基础上, 利用先进的信息化手段和工具, 将现实校园的各项资源数字化, 是现实校园在时间和空间上的延伸。
 
    目前, 美国大学校园的信息化建设己经涉及图书馆网络、学校管理工作、教学活动、科研活动、学生日常生活的各个方面, 美国大学“虚拟校园”的大门已经敞开。在世界各国校园信息化建设的大潮促进下, 我国校园信息化建设的迅速发展, 首先起步的是国内一些知名大学。北京大学已经建成比较成熟的数字校园工程- - “数字北大”, “数字北大”从GIS 角度规划了数字校园工程。成都理工大学也提出基于GIS 的数字化校园工程- - “数字成都理工大学”。国内其它许多各个高校也陆续开始建立大量的涉及行政管理、教育科研、电子教学、远程教育、信息交流, 以及对外技术交流与合作服务等业务的数字校园工程。希望能够在原有网络资源的基础上, 建成快速、可靠的信息网络, 从而满足教学、科研和各项管理工作需求。
 
    2 “数字校园”建设的框架结构
 
    2.1 未来理想校园的构架体系
 
    通过对国内外数字校园发展现状的分析, 笔者认为未来的理想校园已不再仅仅是传统的现实校园, 应该包括现实中的校园和架构在此基础之上的“数字校园”两大体系。现实校园是建立在传统部门的基础之上, 通过硬件和软件的组合形成新型的数字校园。从软硬件角度划分, 数字校园包含两部分内容:第一, 硬件部分, 也就是构成数字校园的所有硬件设施。主要包括校园中的网络布线、计算机的硬件配置交换机和路由器的分布结构、服务器的具体架设等; 第二, 数字校园的软件囊括了数字校园的全部软件环境, 即包括操作系统、办公自动化系统、管理信息系统、网络教学系统在内的完整软件系统等。图1 展示了现实校园的各个组成部分和数字校园的软硬件组成, 其中软件环境是数字校园研究的重点。
 
    2.2 “数字校园”组成模块划分
 
    虽然数字校园还没有一个确切、完整的定义, 而且高等院校与中小学的数字校园建设的内容也有差别, 但其基本内容一般都包括校园管理信息系统、校园办公自动化系统和网络教学系统。各部分内容对于高等院校和中小学有不相同的作用, 所以建设的重点也有侧重。以下作者分别从平台层、基础层、框架结构层、服务层和目标层五个层次详细划分数字校园的组成结构。其中平台层主要是建设数字校园的必要硬件和网络基础; 基础层主要是指建设数字校园所依赖的关键性支持模块, 包括三维立体校园仿真系统、身份认证系统和校园一卡通系统; 框架结构层是建立在平台层和基础层之上的包括办公自动化系统、管理信息系统和网络教学系统中的各个体现数字校园基础功能模块的子系统, 体现了数字校园的主要职能; 在框架结构层之上是数字校园的服务层, 说明了数字校园的包括网络基本服务、综合信息服务和决策支持服务在内的各个具体服务内容, 它是数字校园建设的高级阶段所体现出的特色; 最上层是数字校园建设的最终目标, 即实现包括完整数字校园在内的人们所最终向往的虚拟校园和移动校园。其具体结构如图2 所示: 

    3 “数字校园”建设中的关键技术及其解决方案
 
    数字校园系统将成为校园新的信息源, 任何与校园有关的信息都将被定位, 并与空间数据联系起来。用户可以图文并茂地查询校园信息, 获得最为直接的效果。数字校园具有很大的集成度, 用户可以随时获得所需的信息, 就如同身在校园之中一般, 给学校的各项工作都带来很大方便, 同时可以为学校带来可观的社会效益。最终使教育资源得到合理和有效的利用, 从而实现传统教学模式的根本转变, 同时也为“数字社区”和“数字城市”的建设起到了示范和试验作用。为了建设符合时代发展要求的现代化的数字校园体系, 应当通过现代化手段, 方便地实现学校的教学、科研、管理、服务等活动的全部过程, 从而达到提高教学质量、科研水平、管理水平。笔者认为以下六个方面是数字校园建设中的瓶颈, 即关键技术问题。

图1 数字校园软硬组成图

图2 数字校园构建体系图 

    3.1 数字建模技术
 
    数字建模技术包括地形几何建模技术、建筑物几何建模技术和纹理映射建模技术。数字地形通常有等高线、规则格网(Grid)和不规则三角网(TIN)三种不同的表示方法。其中等高线的表示方法被广泛应用于各种地形图和现代地理信息系统中, 它是用二维手段表示三维物体的常用方法。而用规则格网来表示地形高程域的数据则是随着计算机的出现而提出的, 它实际上使用一个二维的数组来表示地形的高程, 其格网的平面坐标通常是缺省的, 而另一种则是用不规则三角网来表示地形。
 
    在三维场景中, 除了建筑物外, 还存在大量的不规则物体需要模拟:如天空、树木、花草、路灯等等, 它们是构成地形环境、提高逼真度必不可少的部分。纹理的意义可简单归纳为:用图像来替代物体模型中的可模拟或不可模拟细节, 提高模拟逼真度和显示速度。因此采用纹理映射技术较好地模拟这类物体, 实现逼真度和运行速度的平衡。
 
    3.2 无线校园网技术
 
    怎样才能满足教育用户日益增长的网络需要呢? 原来局限于在办公室的有线网络显然已经不能满足需求。能在教室、多媒体教室、阶梯教室、礼堂、会议室、图书馆甚至在体育馆、足球场、操场等场所连接互联网成为他们迫切的渴望, 总之只有随时随地能够连接到网络才能满足目前教育网用户对网络的需求。针对较大型的建筑物如礼堂、图书馆等, 用户可以利用已经存在的有线网络接口, 轻松解决无线局域网的安装布设, 可以很容易的扩展信息接入点的密度, 实现移动办公。系统应用时, 用户只需通过一张小小的射频卡, 就可以使学校内的计算机由单元化的单机办公设备转向一种集办公、管理、教学、学术交流为一体的综合性信息资源, 为学校提供一个覆盖全校范围的安全、可靠、快速、灵活的校园网络, 使学校的教学、科研和管理有先进的计算机网络环境。
 
    3.3 身份认证技术
 
    为了在校园网中实现基于用户的网络管理, 要求所有用户在使用网络资源以前要先登录认证服务器以确认身份, 然后将用户的身份和他所使用的IP 地址绑定, 以解决IP 地址盗用的问题, 同时实现基于用户的计费等管理。用户登录应用系统申请服务时, 提供一个由统一身份认证系统发给的身份认证令牌, 由应用系统将这个认证令牌交给统一身份认证服务系统进行认证, 确认用户身份后应用系统根据用户的身份授予用户相应的访问权限。每个应用系统要使用统一身份认证模式, 它必须先向统一身份认证系统进行注册, 提供必须的信息, 包括应用系统的身份信息, 应用系统所有合法用户的信息、应用系统的访问控制信息、应用资源的访问控制信息等。
 
    应用系统注册后其用户组信息存储在目录数据库中, 应用系统要求统一身份认证系统认证用户身份信息时, 统一身份认证系统根据用户身份查找该用户在应用系统中所属的用户组, 并将该信息返回给应用系统, 应用系统根据用户所属组别决定用户权限。因此用户得到应用系统的授权经过下面3 个步骤: 登录统一身份认证系统确认身份; 向应用系统提出服务申请, 并提交身份证明; 应用系统将用户的身份证明交统一身份认证系统认证并得到用户授权信息, 应用系统根据用户授权信息返回给用户服务申请应答。 

    3.4 校园一卡通技术
 
    校园一卡通系统架构在校园网之上, 利用计算机、网络、终端等设备, 充分整合校园网络资源,借助IC 卡载体, 实现信息化管理, 为实现全面数字校园提供了良好平台。一卡通目前还没有统一的概念, 一卡就是在同一张卡上实现多种不同功能的智能管理, 一张卡通行于很多的设备。校园一卡通系统可供学生用于校园内部处理杂务, 购买食品、饮料、书本, 借阅图书等。一卡通不仅方便了大家使用, 也是学校信息化水平的重要标志。这个系统不仅要求数据的绝对准确和安全, 而且要求24 小时工作。数字校园中的每一个成员在数字空间有一个固定的电子身份, 电子身份由权威管理部门维护供数字校园使用, 以保证用户的准确性和一致性。校园一卡通利用IC 卡作为电子身体的载体。使教师、学生在校园中能够使用IC 卡完成一系列与其身份相关的活动, 如注册、借/还书、上机、就餐等。从而将部署在银行、校园中心机房和校区, 校园中心机房主要运行校内信息系统, 校终端应用系统相互连接, 使得数字校园骨干平台业务和服务得到延伸。
 
    3.5 流媒体技术的应用
 
    流媒体, 即无须下载, 可在线即时收听收看的媒体。流媒体技术是一个综合的技术, 它包括采集、编码、传输、储存、解码等多项技术。流媒体应用系统一般由编码端、服务器端和用户终端三部分组成。为了方便与授课老师不在同一个教室的学生能与老师在授课过程中实时地交流问题, 可以在学生所在的教室安装摄像机和编码计算机, 用来拍摄并上传提问学生的影像, 并在授课老师所在的教室安装一台终端计算机和投影仪, 用来播放提问学生的视频, 从而达到老师和异地学生的实时交互。为了实现交互教学, 需将一台摄像机放在教师授课的教室, 摄像机拍摄的教师授课过程实时地被传输到流媒体编码机, 经过采集卡的采集、编码后再实时地上传给流媒体服务器, 再由流媒体服务器实时发布到其它教室的终端计算机, 并利用投影仪将教员的授课过程实时地播放出来, 供其它教室的学生观看。流媒体技术在学校的应用前景广阔, 可用于课件点播、交互教学、电视转播、远程监控、视频会议等。 

    3.6 远程虚拟大学的建立 

    现实校园是数字校园的基础, 数字校园是现实校园通过信息技术在时间和空间上的扩展与延伸, 它包含了现实校园及其所衍生出来的数字空间, 虚拟大学是数字校园的远程教育功能部分, 是数字校园的对外服务的部分职能, 它是传统校园数字化后社会功能的延伸。虚拟大学就是指在传统数字校园的基础上, 数字校园远程教育职能的延伸。远程教育并不是传统教育的简单扩展, 成功的远程教育也不会因数字化和网络化技术的运用而自然获得。 

    可以设想随着信息技术的发展, 在即将到来的社会里, 只要有一台笔记本电脑或PDA, 便可以在任何时间、任何地点不间断随意无线上网。学员可以实时地查阅资料, 进行图书馆电子借阅、国际著名电子期刊浏览, 或在电脑上完成论文并递交到导师信箱, 或上网访问。未来的高校会被建设成一个超越时间、超越空间的虚拟大学。使得学员们可以方便地利用网上学习系统的各种学习设施, 从而实现远程考试、远程讨论, 多媒体作业等, 同时, 学员的学习记录将会被进行统计分析, 并将结果反馈给学员和有关人员, 以提高学习的效率。通过无线网络的建设, 不仅拓展了联网方式, 而且实现了移动教育。目前国内正在研制开发基于有线网( 互联网、电话网、光纤等) 和无线网( 卫星网络、移动通信网、无线局域网、蓝牙技术等) 的移动大学系统(MVC) 。该系统能够为校园内的用户和校园外的用户提供了大规模的移动计算环境, 而且目前北大已经实现了移动办公系统、移动BBS 讨论系统、移动答疑系统、移动新闻系统、移动教室管理系统等。 

    4 结论
 
    “数字校园”是数字城市的重要组成部分; 是在建设数字地球、数字城市、数字社区等大环境下提出的概念; 是用层次化、整体的观点来实施校园信息化建设, 是将校园网上信息进行更好的组织和分类, 让用户在网上快速发现自己需求的信息。加速建设“数字校园”对教育部门和学校提高教育行政质量和效率, 规范管理, 加强服务, 以及促进社会对教育的监督都起到重要作用。教育系统作为我国电子政务建设的重要组成部分, 其办公自动化和管理信息化水平逐步提高, 服务范围不断扩大。因而建设目的是更好地利用现有的数字化、信息化和网络化的教学资源和方便快捷的电子化教学手段来代替单调的传统教学模式, 从而实现教学资源共享, 提高工作效率和教学效果, 使高等院校教学、科研、管理的数字化、信息化和智能化水平迈上一个新台阶。