開放化“智慧學院”的探索和實踐

董黎剛,厲星星

(浙江工商大學 信息與電子工程學院,浙江 杭州 310018)

世界經濟論壇在2012年發布的《2012—2013年世界競爭力報告》[1]揭示：中國科學家和工程師的質量名列第46位(中國總體排名是第29位)，是中國7個“創新”指標中最差的指標。這意味著，我國培養人才的質量已經嚴重影響了創新能力和競爭力。2012年2月教育部公布了《教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》[2]，其中明確提出要強化高校實踐教學環節。麥可思公司發布的《2012年中國大學生就業報告》(就業藍皮書)[3]揭示：中國大學畢業生畢業時對基本工作能力掌握的水平均低于工作崗位要求的水平。這些都意味著當代大學生的實踐能力提高任重道遠。

1 建設開放性“智慧學院”培養學生實踐能力

綜合考慮目前的社會需求和學生求職情況，實踐能力應該是工科專業人才要培養的核心內容。針對學生實踐能力的培養，筆者所在的浙江工商大學信息與電子工程學院(以下簡稱學院)提出了建設開放性“智慧學院”的構想，并進行了探索和實踐。這是一種新的課外教學手段的嘗試。

1.1 開放性“智慧學院”的特征

(1) 開放性：采用新一代網絡的開放性架構和開源系統，學生進行自主創新的二次開發，并通過信息技術，給學生提供開放式的實驗實踐項目、開放式的學習和實驗實踐環境。

(2) 智慧性：把云計算、物聯網等提供智能感知、智能處理和智能控制的最新信息技術進行學院內的實際應用部署。

綜上所述，學生既可以享受到開放性“智慧學院”提供的各種信息服務，從而體驗到開放性“智慧學院”中蘊含的當代最新技術，更好地理解技術內容，也可以在教師的指導下參與到開放性“智慧學院”建設和運行中來，充分發揮自己的想象力和創造力，利用各種軟硬件基礎設施實現不同的應用功能，使所學得到應用。兩方面結合能更好地激發學生的學習動力和創新精神，增強學生的科技創新能力、實踐能力等。通過本項目的建設，在全面提升學院數字化、網絡化和智能化人才培養和教學管理水平的同時，培養具有扎實實踐能力的應用型人才、復合型人才和拔尖創新人才。

1.2 開放性“智慧學院”的創新和特色

(1)開放。開放性“智慧學院”中所述的“開放”不是指一般的開放式教學，而是指基于開放性網絡架構和開源軟件系統進行的課外學生創新活動。開放式教學有兩種表現形式，一是教學內容和方法的開放性[4]，二是教學組織形式的“開放”，比如電視大學，開放實驗[5]。還有現在比較流行的網絡遠程教學，包括視頻公開課(比如教育部的愛課程網，www.icourses.cn)、資源共享課(比如麻省理工學院的開放教學課件，ocw.mit.edu)、網絡教學課(比如www.coursera.org)。另外，在教學中應用開源軟件也已經是比較成熟的做法(詳見本文“2 開放性‘智慧學院’的技術背景”)，但是本項目不僅使用開源軟件，更是利用開放網絡架構來進行人才培養。

(2) 智慧。開放性“智慧學院”中的“智慧”，不僅是從智慧地球、智慧城市到智慧校園的一個延伸，更是一種結合學院在新一代網絡技術(包括開放架構網絡技術、軟件定義網絡技術、物聯網技術)、云計算技術、信息安全、嵌入式技術等方面的專業優勢、突破原來的實驗室建設和使用模式，在培養人才實踐能力方面的有益嘗試。與“智慧校園”(詳見本文“2 開放性‘智慧學院’的技術背景”)的顯著區別是：“智慧學院”不是請第三方設計和部署一個師生使用的基礎設施，而是讓學生通過課外科技創新活動親自參與到這個設施的設計和實現中，讓學生從實際應用中感受到成功的喜悅，從而更好地激發他們的創新動力。

上述兩方面的結合是很自然的：系統是開放的，軟件是開源的，學生才能在這些系統上進行二次開發，從而構建出“智慧學院”來培養學生的實踐能力。據文獻調研，國內高校中尚未有提出類似概念。

2 開放性“智慧學院”的技術背景

開放性“智慧學院”的提出依托了目前流行的“開放”和“智慧”兩大信息技術。

2.1 開放技術

開放技術主要是指以開放系統思想為基礎的開放架構網絡技術和開源軟件技術。

傳統的網絡設備在體系結構上都是封閉的，即一個網絡設備通常只能由一個廠家生產，包括軟件和硬件、網絡底層技術等都由一個廠家擁有，用戶只有有限地按照廠家提供的軟件對設備進行設置的靈活性。這種開放性的不足導致網絡設備業高度壟斷、網絡技術進展緩慢、新技術模塊在業界的可重用性極低,針對不同廠家的全網操作很難實現。為此，從2002年開始的ForCES[6](forwarding and control element separation，轉發件和控制件分離)為代表的開放網絡技術,對網絡設備中各個模塊及相互接口的定義和通信協議進行統一或標準化。從2008年開始的SDN[7](software defined network，軟件定義網絡)研究進一步把開放性從設備擴展到整個網絡。開放架構網絡及軟件定義網絡研究目前是新一代網絡研究中最熱門的研究方向。

從教學方面來說，由于目前用于實驗的網絡設備的封閉特性，導致無法開展內部信息處理技術的教學，更難實現開發過程的教學實踐。當前的教學重點仍停留在對網絡原理、網絡設備操作和應用維護等能力培養上，而不是培養學生開發能力。開放架構網絡提供了網絡技術教學的最佳方式：學生能夠親眼看到并感受到網絡設備的內部的信息處理結構，能直觀地了解網絡設備的工作原理，可以進一步參與設計各類網絡設備或設備中的各個環節。這樣培養出的學生可達到：一通百通地熟練操作各種不同廠家的網絡設備，將來可參與開發工作。

從1984年出現的自由軟件發展而來的開源軟件是指源碼可以被公眾使用的軟件，并且此軟件的使用、修改和分發也不受許可證的限制。開源軟件為學生學習實戰性的軟件開發技術提供了最理想的資源，而且學生的改進也可以放到網上獲得大家的評價和認可。近10年來已經在不少高校中采用開源軟件，取得了較好的效果[8]。一種是將開源軟件應用于校園信息化建設[9]，開源軟件常被用來架設服務器,提供上網、文件共享、BBS 等校園網絡服務，開源軟件也可以用于網絡教學系統和平臺[10]，最著名的是Moodle和Sakai。另一種是將開源軟件直接應用到教學活動，比如基于開源虛擬機實現在同一臺機上構建企業網絡實驗平臺(包括網站服務器、防火墻服務器、Email 服務器等應用)[11]，采用Dynamips等軟件在同一臺機上實現計算機網絡環境[12]，采用Scilib軟件進行仿真教學[13]，利用Splint等軟件進行軟件測試教學[14]，利用PostgreSQL軟件進行數據庫教學[15]，采用開源軟件進行網絡編程教學[16]。

2.2 智慧技術

2008年11月，全球信息產業領先企業IBM公司首次提出“智慧地球”概念。2009年1月，美國奧巴馬總統公開肯定了“智慧地球”思路。智慧地球就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、油氣管道等各種物體中，并被普遍鏈接，形成所謂“物聯網”，然后將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合，并在后臺構筑“云計算”平臺(即通過大規模的分布式環境以支撐高性能和智能計算及存儲技術等各類網絡服務)，從而向整個社會提供智能化的服務。智慧地球的3個特色是：更透徹的感應和度量、更全面的互聯互通、更深入的智能洞察。為構筑創新2.0時代的城市新形態，引領中國特色的新型城市化之路，建設部門啟動了智慧城市試點工作。目前先后有北京、上海、杭州、寧波、廣州、南京、沈陽、武漢、昆明等城市正在建設“智慧城市”。總之，智慧地球或者智慧城市是實體的基礎設施與信息基礎設施合二為一，實質是物聯網與互聯網的整合。基本特點是信息化、網絡化、智能化。智慧地球和智慧城市之后，出現了智慧校園。目前已經有很多文獻介紹了智慧校園的設計和應用。比如，文獻[17]介紹了智慧校園的整體設計方案。文獻[18]介紹了基于物聯網的智慧校園的建設現狀和應用。文獻[19]介紹了智慧校園中學習環境建設要解決的幾個關鍵問題。文獻[20] 介紹了智慧校園中視頻監控與即時發送信息系統的設計。文獻[21] 介紹了智慧校園中教學資源管理的存在問題和基于云計算的解決方案。

3 開放性“智慧學院”的實施內容

開放性“智慧學院”建設中包含了基礎架構、管理平臺、培養模式等3個方面的重要內容。

3.1 新一代計算和網絡基礎架構

新一代網絡基礎架構由軟件定義網絡、物聯網、云計算3部分組成。

(1) 軟件定義網絡通過將網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現了網絡流量的靈活控制，為多樣化網絡及應用的創新提供了良好的平臺。有了這樣的平臺，學生就能在最大限度不干擾運行網絡的前提下靈活試驗各種網絡應用和網絡技術，從而更好地掌握網絡技術。2011年學院獲得省財政專項支持的“開放架構網絡處理技術實驗室”，采用了學院自主研發的ForCES技術，該技術是實現SDN的途徑之一。

(2) 物聯網就是物物相連的互聯網，它以互聯網為核心和基礎，在互聯網基礎上延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。2012年學院獲得省財政專項支持的“物聯網工程實驗室”，一方面在學院周圍布置了水質、空氣質量、光照、溫度、濕度等多種傳感器，另一方面，學院已經在教學大樓全面布置了供校園智能卡訪問的門禁系統，讓學生可以通過實際應用來了解和掌握物聯網技術。下一步是通過手機RFID-SIM卡的使用提供更廣泛的終端覆蓋。

(3) 云計算就是通過網絡以按需、易擴展的方式向終端用戶提供包括計算能力在內的各種資源。2012年學院獲得省財政專項支持的“基于云計算的信息通信工程學科學生科研創新實驗平臺”，構建了云計算服務器群，為全院師生提供強大、可靠、安全的存儲和計算數據的能力。同時學院已經把一部分學生的PC替換成云計算節點，使得通常的PC管理、更新和維護更方便和無病毒。

3.2 開放性智慧化管理平臺

在基礎架構之上，學院正在構建開放性智慧化的管理平臺，包括數據及其應用軟件。

3.2.1 智慧化管理平臺的內容智慧化

管理平臺包括：

(1) 具有視頻監控、門禁管理、預約管理、設備管理等功能的實驗室管理平臺;

(2) 具有流量控制、病毒防治等功能的網絡管理平臺;

(3) 具有課程學習和測試、選課、實習、畢業設計、創新創業競賽、創新創業項目、師生互評等功能的教學管理平臺;

(4) 具有選舉、遠程會議、發布通知、報名、考核評價等功能的事務管理平臺;

(5) 具有通知庫、新聞庫、文件庫、數據庫、資料庫、軟件庫等功能的信息管理平臺。

3.2.2 管理平臺的特色

(1) 泛在化。首先，支持訪問終端(包括電腦、手機、LED屏、顯示液晶電視等各種媒體終端)的多樣化。其次，通過互聯網和物聯網達到人和物之間，學院、教師、學生間的信息互聯互通。最后，云端共享功能可以在教師上課的同時錄制板書及聲音并及時共享至云端，使得學生無論身居何地，只要通過網絡接入云端均可以直接共享學習，真正實現學習無邊界，海量優質教學資源充分共享。

(2) 自主性。為充分發揮學生在教學中的主體作用，提高學生自主學習實踐能力，第一步是提供網絡課程。不僅提供豐富的教學資源，提供師生網絡互動交流，而且能監控學生的學習進度和評價學生的學習效果。第二步是提供實驗和實踐項目。不僅要提供真實實驗和實際實踐項目，而且要能提供虛擬實驗和模擬實踐項目，運用數字化還原真實實驗場景及實驗實踐效果。第三步是寓教于樂。為提高學生興趣和自主性，有必要采用“游戲”的做法，以虛擬的環境、充實的劇情、絢麗的視覺效果、使用者參與(競技和角色扮演)，再加上得分和通關的激勵，在游戲中獲得知識。

(3) 虛擬化和數字化。實現包括環境(包括設備、實驗室、教室、辦公室)、資源(如設備、課件、教案講義、輔導材料、作業、圖書雜志、軟件、試題、成績等)、活動(包括上課、自學、輔導、答疑、作業、考試)、管理(檢查、督促、考核、評比等)四大領域在內的全部虛擬化和數字化，在傳統管理和服務的基礎上，構建一個數字空間以拓展現實管理服務的時間和空間維度，實現了精細化、動態化管理，提升了傳統管理服務模式的效率。

(4) 智能化。通過軟件技術和云計算技術實現信息的高速和智能處理及深度挖掘。

(5) 開放性。開放性體現為數據來源和應用的多樣性。首先，兼顧課內和課外，平臺不僅支持課程中和課堂上的學習，而且也支持課外各種廣義范疇內的學習，比如科研項目、競賽、實踐活動。其次，重知識更重實踐。最后，從校內逐步擴展到校外。比如，更多學習資料和實踐設備的對外開放共享，開展網絡教學。

3.3 開放性智慧化培養模式

僅僅有基礎架構和管理平臺還是不夠的，最核心的是為培養學生會使用和開發這些基礎架構和管理平臺。

3.3.1 開發和應用管理平臺直接培養學生的實踐能力

這些在新一代計算和網絡架構基礎上的眾多管理平臺的開發和應用，很適合作為學生的實踐項目。

(1) 平臺的定制和動態調整。由于學校各學院的具體情況差異，上述管理平臺的開發應該是定制的而不是統一的，而且更復雜的是，現在高等教育和人才培養正處于改革時期，政策措施和管理手段都處于動態變化中，因此管理平臺應該能動態調整。從這個方面來說，讓一屆又一屆的學生參與這些實際系統的開發，正好能應對這些動態調整問題。

(2) 平臺的模塊化。上述不同主題的平臺系統往往是一種或多種模塊的組合體，比如新聞模塊、搜索模塊、統計模塊、預約模塊、交流模塊(包括分類、發貼等功能)、項目模塊(包括申報、申報評價、中期檢查、驗收結題等功能)、選擇模塊(包括上傳、初選擇、雙向選擇、二次選擇等功能)、考試模塊(包括出題、考試、批改等功能)、電子教室模塊(包括教學廣播、資料分發、遠程控制、屏幕錄制等功能)。這些模塊很適合分散出來提供給學生進行各自相對獨立的專業實踐能力訓練。

3.3.2 對不同的學生分別進行引導和指導

按照學院整體人才培養的目標和策略，著重從開放性和智慧性兩方面對不同的學生分別進行引導和指導。

(1) 使學生認識到自學(自主學習和自己學習)是學習的真正開始。學習的目的是應用，通過應用(解決實際問題)來學習是效果最好的學習方式。

(2) 平臺為學生提供了開放式的學習實踐平臺，同時學院也鼓勵學生以開放的心態學習和掌握各方面的知識和能力。

(3) 以應用和實踐為導向，鼓勵教師積極探索學生培養模式的多樣化開放化。

(4) 在最核心的思考能力的培養上，鼓勵學生用開放性的思考方式，掌握思維的原理和智慧的原則，成為智慧型人才。

(5) 在學生項目和產品開發中，以“創新意識的培養—創新實踐的探索—創新研究的積累—創新項目的孵化”為主線進行人才培養。

4 開放性“智慧學院”的基礎和成效

本學院具有“十二五”浙江省重點一級學科——“信息與通信工程”。在開放性“智慧學院”所需用的新一代網絡技術、物聯網技術、云計算技術、信息安全、嵌入式技術等方面具有充分的技術儲備，尤其是開放架構網絡方面取得了突出的研究成果。學院的新一代開放架構網絡技術及應用科研創新團隊是省級科研創新團隊，是國內第一個深入研究ForCES技術的小組。

開放性“智慧學院”實施以來，已經取得初步成效。

(1) 在學生開放、論文、項目、競賽成績方面有長足的進步。3年內學院每年面向5個專業承擔每145 774人時數的開放(比前3年增長58%)，支持了180個與校級以上學科相關的項目讓學生進行科研實踐(比前3年增長125%)，學生發表了124篇論文(比前3年增長88%)，學生獲得省級以上競賽獲獎達50人次(比前3年增長61%)。繼2008年、2010年全國“挑戰杯”競賽中學院連續2屆獲全國金、銀獎，實現省屬高校在這一競賽上的歷史性突破之后，在2012年和2013年省“挑戰杯”競賽中，學院學生又獲得省一等獎2項，省二等獎4項，成績列全校之冠。學院在省級和全國“挑戰杯”創業計劃競賽上的整體成績在省內名列前茅。

(2) 學院組織實施了學生專業作品競賽，強調學生自己組隊，獨立開發出能夠直接應用的軟硬件作品。自3屆比賽以來，表彰了51件專業作品，包括多項可以直接在學院內應用的產品，比如“課程網站”、“教師網絡云盤”、“教師教學反饋系統”、“浙江工商大學展示平臺”、“移動校園網客戶端”等，在已有學院內產品開發經驗的基礎上，一些學生團隊已經組建了工作室，比如3G物聯網嵌入式工作室，開始對校外承接研發項目。

5 結束語

本文詳細介紹了針對學生實踐能力培養提出的開放化“智慧學院”。該項目充分結合學院的學科特色和優勢，并初步取得明顯的成效。相信其探索會給其他工科專業學院帶來啟發和共鳴。

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