摘 要 针对目前高等院校信息管理存在的问题，分析了“数字校园”建设的内容及意义，给出了数字校园系统模型设计，并详细介绍了新信息技术在数字校园建设中的应用。最后结合多年教学经验，探讨了数字校园建设的应用趋势。
关键词 教育信息化；信息技术；数字校园
1 引言
21 世纪，以计算机和网络为代表的现代信息技术的迅猛发展，不仅给企业带来管理上的革新，而且使得高校教育模式面临着有史以来最为深刻的变革——教育信息化。教育信息化是一种以现代信息技术为基础，通过将现代教育思想、教育理论与网络技术、数据库技术、多媒体技术和3S技术等的有机结合，实现信息化教学以及教育教学观念和人才培养模式的转变，提高教育教学效率的基于创新教育的新型教育体系。要实现教育信息化，必须先开展数字化校园建设，这已成为中国21世纪教育发展的基本方向。
2 高校信息化发展现状及存在问题
近几十年来，世界发达国家高度重视信息技术对高校教育的影响和作用，不断推进教育信息化建设。1990 年，美国克莱蒙特大学教授凯尼斯·格林发起并主持了一项大型科研项目，“信息化校园计划”，拉开了国外数字化校园建设的序幕。我国高等学校大规模的信息化建设大多始于20世纪90年代，比发达国家起步晚了10～20 年[1]。但发展速度非常快，尤其在“面向21世纪教育振兴行动计划”中特别强调了要利用信息技术来推进教育改革。我国“数字校园”就是在这一信息化建设基础上提出的。
从国内外高校信息化建设的历程来看，高校信息化建设总体上分为三个阶段：校园网硬件基础设施建设、综合信息系统建设和数字化校园建设。
目前，我国大多高校已完成校园网基础设施建设，并引进或开发了一批应用管理系统，如财务管理、教务管理、人事管理、考试管理等，在一定程度上提高了学校的管理水平。但这些系统大多是由高校各部门、各院系在不同阶段根据各自需求独立完成的，再加上大学校园管理的特殊性和信息技术发展的阶段性，导致高校信息化还存在不少问题：
(1)各院系、部门相对松散，早期信息化建设各自为政，缺乏统一规划，重复建设现象普遍存在。且系统间无法实现有效的数据共享，形成了网络环境下的“信息孤岛”。
(2)受限于当时信息技术的发展水平，这些系统在可视化、模拟仿真、决策支持等方面缺乏有效的支持。
(3)数字化校园建设中，许多高校存在重视“硬件”配置，忽视“软件”建设的问题。在软件建设上，又重“管理”，轻“教学”；资源利用上，重“本地”，轻“网络”等。
总体上，由于缺乏良好的灵活性、拓展性和适应性，现有系统很难满足高校日益发展的各种需求。因此，许多高校已开始探索和实施信息化建设的第三阶段：数字化校园建设，实现校园中教学、科研、管理、服务的全面数字化，实现管理上效率和质量的提升。
3 数字化校园建设应用研究
数字化校园建设是以网络为基础，利用先进信息化手段和工具，以“把学校建设成以面向校园，面向社会的超越时间、超越空间的虚拟大学”为目标，实现从环境(包括设备、教室等) 、资源(如图书、讲义、课件、信息等) 、到活动(包括教、学、管理、服务、办公等)的全部数字化，形成一个数字化空间，使得现实校园在时间和空间上延伸开来，从而提高传统校园的效率，扩展传统校园的功能，最终实现教育过程的全面信息化。
3.1 数字校园主要研究内容
数字化校园作为21世纪大学的概念模型，应积极利用行业教育知识库，实现从服务器、网络等硬件环境，到教学、科研、管理等应用软件系统的一体化校园数字应用空间，实现资源全球化、教学网络化、教材多样化、管理智能化、环境虚拟化等。
(1)资源全球化：利用校园网特别是互联网，使全球教育资源连为一体，供用户使用。
(2)教学网络化：利用网络技术构建远程教育模式，组建数字化学习环境，为学生异地自主学习提供条件。
(3)教材多样化：利用多媒体技术，特别是超媒体技术，实现教学内容结构化、动态化和形象化。
(4)管理智能化：通过一系列软硬件智能技术使高校教学管理自动化，智能化。如教学评价自动化，测试自动化，决策智能化等。
(5)环境虚拟化：多媒体网络传输技术和虚拟现实技术等的发展，使教学活动可以脱离物理时空的限制，实现虚拟化教育环境的构建，如虚拟图书馆、虚拟教室、虚拟实验室、虚拟校园等，组成虚拟教学平台。
3.2 数字校园综合系统模型
数字化校园建设是一项庞大的系统工程，应本着“统一规划、软硬并重、分步实施、以点带面、重点突破、持之以恒”的建设原则，分阶段、分层次的由硬及软、从下到上逐层推进。其系统模型如图1所示。
第一层为网络基础层，为数字校园提供通信基础设施，保障系统正常运行和数据安全可靠传输。主要包括校园网络以及工作在这些网络之上提供基本服务的服务器系统，如：文件传输、域名解析、病毒防护等。
第二层为操作系统层，实现多系统兼容，保证数字校园在各主流操作系统上同步运行，如Windows系列、Linux、各种版本的UNIX系统等。
第三层为数据层，通过将各类数据按照业务的逻辑规范管理和组织，保证数字校园能够支持各种主流数据库(包括Oracle，DB2，SQL Server，Sybase等)，以及图形、文本等各种文件。
第四层为应用服务器层，实现对多种主流应用服务器的支持，包括市场免费开源的Tomcat和JBoss等，也支持诸如WebLogic、Websphere以及Apusic等商用应用服务器。
第五层为应用管理层，是数字校园的核心部分。构建基于SOA(Service-Oriented Architecture，面向服务架构)技术规范的应用集成与信息交换平台，采用pure XML标准实现综合办公自动化系统、数字化图书馆、院系、教务管理系统等应用的整合和系统间无缝信息的交换。提取各应用系统中需要对外暴露的功能模块，确定各应用对外提供的所有服务和访问权限。
第六层为对外统一门户层，是数字校园的总入口。 主要借助集成化的门户和导航功能，运用单点登录技术，保证各类登录用户(学生、教职员工、各课题组、各部门等)能快速获取到与其身份相对应的各种信息服务和决策支持等。另外，通过提供一对外通信平台，使校园功能突破围墙限制，成为一个覆盖网络可达范围的虚拟大学。
4 数字校园建设新技术应用
在数字校园的分层建设中，不仅涉及到较成熟的网络技术，数据库技术，多媒体技术等，还将包括新一代信息技术如网格计算、数据挖掘、3S技术、虚拟现实技术等的应用。这些技术的迅猛发展，给校园信息资源共享和一体化应用带来了广阔的空间，加速了数字化校园建设的进程。
4.1 网络新技术
高校信息网络化是实现高等教育现代化的必由之路，随着高校网络化的不断深入，新的网络技术：网格技术、无线技术等已逐步被应用到了校园信息化建设中。
4.1.1 校园网格
网格是2004年IBM 公司提出的技术概念。该技术是一种专门针对复杂科学计算的新型计算模式，是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机构成一个“节点”，整个计算机是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”。网格的主要任务是在动态变化的网络环境中共享资源和协同解决问题。李国杰院士认为：“第一代互联网实现了计算机硬件的连通，第二代互联网实现了网页的连通，而作为第三代互联网的网格则试图实现网上所有资源，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源和信息资源等的全面连通。
校园网格是网格技术在校园中的一种应用，是学校用来实现校园整体IT资源共享、挖掘潜能，从而提高其研究能力的手段。与其它的计算网格、信息网格不同，校园网格的资源提供者是高校各院系部门，主要有集群、数据库、高性能计算机、个人PC、存储设备等，而用户一般是学校的教职员工和学生，他们通过校园网格共享计算、信息、存储、教学等资源。
4.1.2 无线校园网络
无线局域网(Wireless Local Area Network) 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。无线局域网利用无线多址信道方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体提供了可能。目前，实现无线局域网的关键技术主要有：蓝牙无线接入技术、家庭网络的HomeRF 以及IEEE802.11 连
接技术等。依托这些关键技术要素，无线局域网具备了：安装便捷、经济节约、移动性、容量大、易于扩展等特点。随着高校的不断扩张变大，在校园中采用无线技术已成为校园网发展的必然趋势，它可以弥补校园有线网络的布线难、成本高、灵活性、扩展性差等不足，从而实现更有效的通信。
4.1.3 网络安全
数字校园建设的一关键问题是安全问题。网络安全不单是单点的安全，而是整个信息网的安全。主要体现在以下四个层面：物理网络安全、操作系统安全、用户安全、应用程序安全等。涉及到的安全技术也是多方面的，如：漏洞扫描技术、防火墙技术、NAT 技术、VPN虚拟专用网(VPN)、数据加密技术(Ipsec)、身份认证、企业级病毒防测、网络实时监测等。
在数字化校园建设中，为了实现有效的信息防护，往往需要综合采用多种安全技术：如防火墙、身份认证、数据加密、VPN等。例如，在门户设置上采用统一身份认证技术，在用户通过浏览器登录校园系统时，门户网关通过门户服务器自动到用户资料数据库进行统一身份认证。认证成功后，在用户与门户服务器之间建立一条SSL的虚拟通道，所有访问均通过该通道完成。当用户结束浏览时，该通道自动关闭，从而保障校内资源不被非法使用。另外，借助单点登录技术，在门户服务器上可以部署其它的应用程序，用户一次登录，就能在不同应用系统中漫游，而不需要重复输入电子身份，记忆各种密码。
4.2 多媒体技术
多媒体技术是把比较成熟的图像处理、声音处理、视频处理等技术以及三维动画技术有机地集成到计算机中，实现将文字、音频、视频、图形、图像、动画等多种媒体信息进行数字化处理，并借助计算机输出设备以单独或合成形式表现出来的一种一体化技术。随着媒体和网络技术的发展，产生了一种新的媒体技术：流媒体。流媒体技术是为解决中低带宽网络上的庞大视频信号传输问题而发展起来的一种网络新技术。它解决了连续实时媒体即时播放，不占用客户硬盘空间，给移动和远程媒体应用带来广阔空间。目前为止，主要的流媒体格式有ASF、MOV、RM、MPEG、AVI、DVI、SWF等。
目前多媒体技术已被广泛应用到教育与传媒行业，特别是多媒体传输技术的突破，使网络多媒体教学得以实现，如：视频点播、视频会议、远程教育、电视转播、远程监控等。将多媒体技术集成到数字校园中可进一步丰富高校的教学方式，改善课堂教学的环境，提高学生对抽象事物与过程的理解与感受，加大优质教育资源的共享与应用。
4.3 数据挖掘
数据挖掘的前身即知识发现( Knowledge Discovery)，指运用统计学、人工智能、机器学习、数据库技术等方法从存放在各种信息库的数据中挖掘有价值的关系或知识的一种技术。作为目前国际上数据库和信息决策领域最前沿研究方向之一，数据挖掘所得到的信息应具有先前未知、有效和实用三个特征。即数据挖掘的目的是要发现那些不能靠直觉发现的信息或知识，甚至是违背直觉的信息或知识。
随着高校信息化的不断深入，高校信息数据库中积累了越来越多的数据。以往，这些数据主要被用来进行普通的查询和报表打印。而事实上，在这些数据中往往蕴涵着大量有价值的规律，如果运用数据挖掘去发现这些规律，则可以辅助领导层在招生就业、课程安排、素质教育和创新人才培养等方面进行辅助决策，从而促进教育决策的科学化。例如将分类分析法应用于个性化人才培养、聚类分析法应用于试卷质量分析、关联规则应用于合理设置课程和学习评价等。
4.4 “3S”技术
“3S”技术是地理信息系统( Geographical Information System) 、遥感(Remote Sensing) 和全球定位系统(Global Positing System) 的一体化统称。广义的“3S”技术包括空间信息获取、传感器和信息探测、图形图像处理、空间定位、动态监测，信息管理与存储、预测评价和决策分析等。其中GIS既有独特的空间信息管理和分析功能，RS具有方便快捷的数据更新能力，GPS具有信息准确定位及强大的导航功能。 目前，“3S”技术已经成为不可分割的有机整体，是现代信息技术与空间分析研究的主要技术手段和发展方向。
图2 “3S” 集成关系图
在数字校园建设中，包括信息的获取、处理和应用，可以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它数据以及应用模型结合起来，同时，利用GIS 强大的图形空间数据处理、分析能力，把反映不同空间区位的属性数据置于空间“面”上进行分析，改变传统管理模式，实现真正意义上的图文互动，以及进行可视化分析和各种空间检索和空间分析。在网络系统中重现真实的校园。
4.5 虚拟现实技术
虚拟现实(Virtual Reality)技术诞生于90年代初，是以计算机技术为核心，综合利用：计算机图形学、人机交互技术、多媒体技术、网络技术、传感技术、视听技术、人工智能等各种新技术，模拟人在特定环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。VR技术可以实现空间数据的三维立体表达和模拟，实现对现实世界的虚拟仿真等。
VR技术的“3I”(Immersion、Interaction 、Imagination；沉浸、交互、想象)特征给校园的教学、科研、试验等数字化应用起到非常大的推动作用：①在课件制作中运用虚拟现实技术，设计出一些三维的、交互式的、具有沉浸感的内容，以满足学生从各个角度观察和学习，仿佛身临其境，便于更好地理解学习内容。②利用虚拟现实技术构造各种如物理、化学、地理、生物，以及计算机硬件操作等虚拟实验室，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。在虚拟实验室里，学习者可以自由地做各种实验，身临其境般地操作虚拟仪器，验证所学的各种理论知识。③利用VRGIS (VR与GIS相结合技术)构建校园三维交互漫游系统，提供三维全景展示，使老师、学生、家长等仅需要通过电脑和网络，就能身临其境地感受优美的校园风光、良好的教学环境和教学资源等。
5 数字化校园建设应用展望
中国教育行业的资源整合与发展、信息技术的日新月异给传统高校校园管理带来新的机遇。同时，21世纪中国经济的飞速发展也要求以新的人才观、教学观和管理理论为指导，充分利用信息技术，以数字校园带动全局，提高教学管理效率和质量，创建多层次、创新型、开放式的高等院校，培养适应信息社会要求的创新型和应用型人才。结合多年高校从教经验，笔者认为未来高校数字化校园建设应用主要应围绕以下几方面进行：
1) 构建“互联教育体系”(Connected Education System)
数字化校园是学校走向创造性、开放性、素质化教育、市场化运营的基础。它的发展将会形成一种新的教育体系——“互联教育体系”。即：通过充分利用多媒体、网络技术实现高质量教学资源、信息资源和智力资源的共享与传播，达到教学内容的结构化、动态化、形象化。实现师生互动，促进主动式、协作式、研究型的学习，从而形成开放、高效的教学模式，培养学生的信息素养以及解决问题和创新应用的能力。
2)实现资源共享，加强异地科研合作
网络化技术不但给高等院校多校区管理和资源共享带来巨大效益，而且也为院校合作研究带来广泛的应用空间。利用先进的网络技术可以促进科研资源和设备的共享，加快科研信息的传播，促进国际性学术交流，掌握科技前沿动态，开展网上合作研究，促进最新科研成果向教学领域的转化，以及科研成果的产业化和市场化，从而大大提高科研的创新水平和辐射力。
3)搭建“公共基础服务体系”
建设高质量的数字化图书馆、档案馆、博物馆、艺术馆等，开展电子商务、电子医疗等各种网络化服务项目，提供面向全校师生的教学、科研、管理、生活等方面的网络服务形成智能型的公共服务体系，为学校高水平的教学、利研和管理等提供强有力的支撑。
4)完成管理自动化，实现决策智能化
重点建设各类教学信息库，包括教师信息库、学生信息库、教室条件信息库、实践环境信息库、教学反馈及评价信息库等，形成具有多维分析与统计、数据挖掘与处理的数字化基础，为教学管理决策提供依据。实现上下级之间、各部门之间更迅速便捷的沟通，实现不同职能部门之间的数据共享与协调，提高决策的科学性和民主性，形成充满活力的新型管理机制。
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