基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：該文探討了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，旨在提升校園管理效率、優(yōu)化資源配置、改善教學(xué)質(zhì)量。首先，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域，分析了智慧校園管理系統(tǒng)的需求和挑戰(zhàn)。其次，提出了一種新穎的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，以應(yīng)對(duì)校園管理中的挑戰(zhàn)，并詳細(xì)分析了大數(shù)據(jù)分析在高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用。然后，具體分析了大數(shù)據(jù)分析在高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用，包括高校教學(xué)、高?？蒲泻透咝９芾?。最后，提出了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智能校園建模，并通過實(shí)證分析驗(yàn)證了指標(biāo)體系的有效性。結(jié)果表明，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)在提升管理效率、服務(wù)水平和校園生活質(zhì)量等方面取得了顯著成效，為智慧校園建設(shè)提供了有效的參考模型。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)；智慧校園；管理系統(tǒng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）05-0051-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

當(dāng)前信息技術(shù)迅猛發(fā)展，教育領(lǐng)域也迎來了新的變革與機(jī)遇。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷應(yīng)用，傳統(tǒng)的校園管理模式面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。這些技術(shù)的融合為教育管理提供了更為高效、智能的解決方案，提升了校園管理的效率和服務(wù)質(zhì)量。大數(shù)據(jù)技術(shù)作為這一變革中的核心動(dòng)力，憑借其海量數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和挖掘，為教育管理提供了全新的思路。因此，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，既是教育管理發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是提升教學(xué)質(zhì)量和管理效率的重要途徑，為教育改革與創(chuàng)新貢獻(xiàn)新的思路與解決方案。

1 智能校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)校園管理向精細(xì)化、精準(zhǔn)化的方向邁進(jìn)，不再局限于傳統(tǒng)的信息記錄、統(tǒng)計(jì)與分析[1]。教育數(shù)據(jù)逐漸成為決策的重要依據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘與分析，管理者可以更加全面地了解教育教學(xué)的動(dòng)態(tài)狀況，優(yōu)化資源配置，提升教育質(zhì)量。此外，大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析能力使學(xué)校能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決教學(xué)管理中的潛在問題，助力教育管理的科學(xué)化和智能化[2]。

1.1 數(shù)字校園系統(tǒng)功能需求

本文從校園調(diào)查需求入手，將教室管理主要問題總結(jié)為以下幾個(gè)方面[3]。

1） 傳統(tǒng)考勤方式低效。當(dāng)前教室上課考勤方式效率低，大部分學(xué)校仍依靠人工點(diǎn)名且需確認(rèn)，出現(xiàn)作弊、冒名頂替、提前早退等行為，學(xué)?；蚪處熾y以規(guī)避，造成時(shí)間浪費(fèi)。教師考勤信息依靠紙質(zhì)記錄，且需單獨(dú)保存，考勤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)依靠人工錄入考試系統(tǒng)，易錯(cuò)且費(fèi)時(shí)，出現(xiàn)問題難以追溯。

2） 教室門禁管理低效。當(dāng)前高校教室、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)備類型多，價(jià)格高昂，而學(xué)校各類教室管理須依靠安全檢查人員定時(shí)定期開關(guān)、檢查，鑰匙保管權(quán)限固化，門禁管理易出現(xiàn)紕漏，造成混亂，產(chǎn)生人力物力浪費(fèi)的問題。

3） 信息推送管理低效。學(xué)校各類通知下發(fā)依靠網(wǎng)站查詢或管理教師打印并張貼，工作煩瑣，宣傳內(nèi)容固化，方式單一，缺乏數(shù)字媒體展現(xiàn)方式。學(xué)校或教室組織考試工作時(shí)須張貼更新考試考場(chǎng)信息、考生信息，且當(dāng)學(xué)校組織承接社會(huì)性大型考試時(shí)，對(duì)外來人員的管理監(jiān)管難度加大。

4） 教室巡課管理狀態(tài)缺乏監(jiān)控。多媒體、空調(diào)與照明等設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)無法隨時(shí)掌握教室授課情況，缺乏對(duì)各班級(jí)教學(xué)動(dòng)態(tài)與學(xué)生上課情況的對(duì)比與監(jiān)控。

5） 校內(nèi)多系統(tǒng)管理，信息孤島化現(xiàn)象嚴(yán)重。信息查詢便捷化不足，信息通道閉塞，數(shù)據(jù)資源分散，操作性低，導(dǎo)致資源利用率低。

通過使用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理這些數(shù)據(jù)資源，數(shù)字校園系統(tǒng)能夠?yàn)閷W(xué)校提供一個(gè)全面、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)的信息庫，支持校園的規(guī)劃、管理、教學(xué)和科研等多方面的需求。高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型中大數(shù)據(jù)分析的主要應(yīng)用如圖1 所示[4]。

1.2 數(shù)字校園系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

數(shù)字校園建設(shè)旨在充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，緊密結(jié)合校園自身的特色和需求，通過精心的總體規(guī)劃和分階段實(shí)施，將教學(xué)管理、科研以及數(shù)據(jù)資源等核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域逐步數(shù)字化[5]。這一過程不僅能夠顯著提升學(xué)校在管理、教學(xué)和科研方面的整體水平，還將推動(dòng)校園向更加綜合、開放、安全和智能的方向發(fā)展，最終建設(shè)一個(gè)現(xiàn)代化、高效率、高品質(zhì)的數(shù)字校園，為師生提供更加優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)和工作環(huán)境。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)分為兩部分，Web管控平臺(tái)程序設(shè)計(jì)和教室終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[6]。Web前端界面使用VUE框架進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，智能終端設(shè)備使用Flutter 實(shí)現(xiàn)界面開發(fā)。后端管控平臺(tái)利用ASP.NET開發(fā)框架，基于WebAPI 開發(fā)模式，使用C#語言實(shí)現(xiàn)邏輯。采用前后端分離的開發(fā)方式，使得前后端僅通過數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，提高了開發(fā)效率。網(wǎng)絡(luò)層終端設(shè)備通過感知層硬件模塊采集信息，為整個(gè)平臺(tái)注冊(cè)提供數(shù)據(jù)支持，作為平臺(tái)架構(gòu)感知層硬件的網(wǎng)關(guān)，通過應(yīng)用實(shí)現(xiàn)每個(gè)教室的本地考勤功能、門禁控制功能和信息查詢功能，并將數(shù)據(jù)格式封裝為JSON格式進(jìn)行傳輸，定時(shí)將收集的數(shù)據(jù)上傳至Web應(yīng)用層。

Web應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)將所有教室數(shù)據(jù)匯總，后臺(tái)向報(bào)表工具提供發(fā)布接口，同時(shí)通過HTTP請(qǐng)求與用戶頁面和終端設(shè)備進(jìn)行通信。管理員用戶通過網(wǎng)址登錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)查詢考勤匯總信息，監(jiān)控學(xué)生逃課行為，警示缺勤掛科行為，通過線上推送發(fā)布教室考場(chǎng)考試信息，簡(jiǎn)化考務(wù)及通知發(fā)布，此外，通過與監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)的連接支撐遠(yuǎn)程巡課評(píng)估，同時(shí)支持用戶對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的管理控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)門等功能。該Web 平臺(tái)的主要用戶為校內(nèi)管理者，支持用戶在多瀏覽器終端、不同系統(tǒng)以及多用戶同時(shí)登錄，登錄時(shí)通過判斷其身份信息返回相應(yīng)權(quán)限下的功能操作頁面。

2 大數(shù)據(jù)分析在高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用

2.1 大數(shù)據(jù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用

在高等教育領(lǐng)域，大數(shù)據(jù)技術(shù)的引入極大地促進(jìn)了教學(xué)方法的創(chuàng)新和學(xué)習(xí)效果的提升，為高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新的動(dòng)力。大數(shù)據(jù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用主要集中在學(xué)生表現(xiàn)分析、個(gè)性化教育路徑的設(shè)計(jì)以及課程內(nèi)容的優(yōu)化。這些應(yīng)用通過精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析，使教育過程更加符合學(xué)生的需求和特點(diǎn)。

1） 對(duì)學(xué)生表現(xiàn)的分析可以通過預(yù)測(cè)模型來實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)常用的模型是線性回歸模型，其公式如下：

Y = β0 + β1 X1 + β2 X2 + ...+βn Xn + ε （1）

式中：Y 代表學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)或其他表現(xiàn)指標(biāo)，X1，X2，...，Xn 是影響學(xué)生表現(xiàn)的因素，如出勤率、作業(yè)提交情況等，β0， β1，...，βn為模型參數(shù)，? 為誤差項(xiàng)。

2） 在個(gè)性化教育路徑的設(shè)計(jì)中，使用聚類分析來識(shí)別具有相似學(xué)習(xí)模式和需求的學(xué)生群體，其常用的K-means聚類算法公式為：

式中：S 為所有點(diǎn)到其所屬簇中心點(diǎn)的距離平方和，Ci為第i個(gè)簇，μi為Ci的均值向量。

3） 在課程內(nèi)容的優(yōu)化中，決策樹算法可以用來確定哪些課程內(nèi)容對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成效影響最大。通過運(yùn)用這些數(shù)學(xué)模型和算法，大數(shù)據(jù)分析能夠?yàn)楦咝＝虒W(xué)提供精準(zhǔn)的洞察，幫助教育者更好地理解學(xué)生需求，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和方法的優(yōu)化。

2.2 大數(shù)據(jù)在高?？蒲兄械膽?yīng)用

在高?？蒲蓄I(lǐng)域，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用正在改變傳統(tǒng)的研究方法和科研管理，為科研工作帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。這些應(yīng)用涵蓋了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科研決策、科研成果的數(shù)據(jù)分析以及跨學(xué)科研究合作。利用大數(shù)據(jù)分析，研究人員能夠從海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)并提升研究的準(zhǔn)確性和效率。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科研決策支持系統(tǒng)中，大數(shù)據(jù)分析發(fā)揮著核心作用，其中關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘是揭示數(shù)據(jù)集之間隱含相關(guān)性的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的經(jīng)典算法之一是Apriori算法，它依據(jù)事務(wù)數(shù)據(jù)庫中的頻繁項(xiàng)集合來生成關(guān)聯(lián)規(guī)則。算法的基本度量之一是支持度，其定義為一個(gè)事務(wù)集合中同時(shí)包含項(xiàng)集X 和Y 的事務(wù)數(shù)與所有事務(wù)總數(shù)的比例，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Support（X → Y ） = σ（X ? Y ） ／N （3）

式中：σ（X ? Y ）表示同時(shí)包含項(xiàng)集X 和Y 的事務(wù)數(shù)，N 是事務(wù)數(shù)據(jù)庫中的事務(wù)總數(shù)。支持度量度反映了項(xiàng)集X 和Y 共同出現(xiàn)的頻率，是評(píng)估規(guī)則強(qiáng)度的基礎(chǔ)指標(biāo)。通過這種方式，研究人員可以量化分析不同數(shù)據(jù)項(xiàng)集的聯(lián)合出現(xiàn)頻率，從而揭示潛在的數(shù)據(jù)關(guān)系并支持決策制定。此外，這一指標(biāo)在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集時(shí)，為降低計(jì)算復(fù)雜性和提升效率提供了方法論上的指導(dǎo)。

2.3 大數(shù)據(jù)在高校管理中的應(yīng)用

在高等教育機(jī)構(gòu)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)的融入為提升管理決策的精準(zhǔn)性提供了強(qiáng)有力的支撐。通過利用支持向量機(jī)（SVM） 的分類能力，教育管理者能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)學(xué)校招生的趨勢(shì)和結(jié)果，優(yōu)化招生策略。同時(shí)，主成分分析（PCA） 作為一種數(shù)據(jù)降維技術(shù)，能夠揭示復(fù)雜數(shù)據(jù)集中最顯著的特征，從而輔助管理者在眾多決策變量中識(shí)別出關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)資源的有效配置。在校園安全監(jiān)控領(lǐng)域，自編碼器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能夠通過異常檢測(cè)機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)非典型行為或潛在風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別，提升整體的安全管理能力。這些技術(shù)的集成應(yīng)用不僅增強(qiáng)了教育機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)的洞察力，而且通過精確分析支持了以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的決策過程，促進(jìn)了高校運(yùn)營效率的提升和學(xué)生服務(wù)體驗(yàn)的改善。

3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園建模

對(duì)收集到的定量測(cè)量指標(biāo)以及定性測(cè)量指標(biāo)進(jìn)行整理，形成樣本數(shù)據(jù)集，運(yùn)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，分析各個(gè)指標(biāo)與能力成熟度等級(jí)的相關(guān)性，以驗(yàn)證指標(biāo)體系的有效性。如果各個(gè)指標(biāo)與能力成熟度等級(jí)存在相關(guān)性，則評(píng)價(jià)體系的各個(gè)指標(biāo)能夠較好地反映高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型的數(shù)據(jù)能力成熟度等級(jí)，構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系合理；反之，則不合理。

如圖2所示，由于能力既具有潛在性又具有現(xiàn)實(shí)性雙重特征，對(duì)于能力的度量需要綜合應(yīng)用測(cè)量指標(biāo)?；谀芰Τ墒於忍岢龅母咝?shù)據(jù)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包含6個(gè)測(cè)量指標(biāo)（C1、C2、C3、C4、C5） 。指標(biāo)收集自2023年12月份填報(bào)的教育部高校事實(shí)數(shù)據(jù)庫、高校圖書館的門戶網(wǎng)頁、微信咨詢相關(guān)人員等。根據(jù)能力測(cè)量指標(biāo)的觀測(cè)要點(diǎn)，首先通過高校圖書館門戶網(wǎng)頁、微信公眾號(hào)等途徑收集指標(biāo)相關(guān)情況，為指標(biāo)的量化分析提供依據(jù)。隨后，甄選專家，并提供相關(guān)資料給專家作為評(píng)價(jià)參考，以完成指標(biāo)的專家評(píng)價(jià)賦值。結(jié)合收集的各個(gè)高校圖書館的指標(biāo)數(shù)值情況，得到總體的樣本數(shù)據(jù)，部分樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)及綜合評(píng)分如表1所示。

4 智能校園系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

優(yōu)化資源分配，定期實(shí)施館藏資源評(píng)估，通過圖書館管理系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)統(tǒng)計(jì)與分析，掌握用戶借閱情況，進(jìn)而調(diào)整資源配置，如圖3所示。結(jié)合學(xué)科發(fā)展和用戶需求，對(duì)已有資源進(jìn)行定期質(zhì)量審查，持續(xù)采購與更新館藏資源。同時(shí)，重視資源的分類與編目工作，以便用戶查找和使用。設(shè)置專題書架，根據(jù)學(xué)科、研究熱點(diǎn)等設(shè)置專題書架，方便用戶查找相關(guān)書籍。建立資源共享機(jī)制，通過館際互借、資源共享等方式，彌補(bǔ)本館資源的不足。加強(qiáng)宣傳推廣力度，如制作圖書館宣傳手冊(cè)、海報(bào)，利用社交媒體定期發(fā)布圖書館動(dòng)態(tài)及資源信息推薦，并與各學(xué)院加強(qiáng)合作進(jìn)行輔助宣傳等。開發(fā)引入圖書館移動(dòng)應(yīng)用，方便用戶隨時(shí)隨地查詢資源及實(shí)現(xiàn)位置預(yù)約等功能。

5 結(jié)論

本文旨在通過深入研究大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧校園管理中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套高效、智能的校園管理系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧校園管理系統(tǒng)在提升校園管理效率、優(yōu)化資源配置和改善教學(xué)質(zhì)量等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，為智慧校園建設(shè)提供了有力的支持和指導(dǎo)。該系統(tǒng)具有一定的學(xué)術(shù)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提升現(xiàn)代教育管理水平、促進(jìn)智慧校園建設(shè)具有積極的實(shí)際意義。

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【通聯(lián)編輯：張薇】