數(shù)字校園２．０的軟硬件架構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計

邵　山

摘 要：目前，數(shù)字校園已成為我國高校乃至中小學(xué)信息化建設(shè)的重點，為真正達到教學(xué)與科研數(shù)字化、管理信息化、校園無界化，實現(xiàn)高質(zhì)、高效的師生數(shù)字化生活體驗的建設(shè)目標(biāo)，本文從數(shù)字校園的概念模型出發(fā)，探討了數(shù)字校園2.0的軟硬件架構(gòu)及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字校園 軟硬件架構(gòu) 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP302.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8454（2009）05-0021-04

信息技術(shù)在學(xué)校教學(xué)和管理的應(yīng)用已成為當(dāng)今教育領(lǐng)域發(fā)展的必由之路。隨著我國現(xiàn)代教育技術(shù)水平的不斷提高，各種先進的教學(xué)媒體和技術(shù)手段已廣泛融入到學(xué)校的日常教學(xué)和管理中。數(shù)字校園已成為我國高校乃至中小學(xué)信息化建設(shè)的重點。目前，數(shù)字校園的建設(shè)已逐步邁向數(shù)字校園2.0時代。

一、數(shù)字校園2.0

數(shù)字校園概念最早是由美國麻省理工學(xué)院在上世紀(jì)70年代提出的。1998年1月31日，美國前副總統(tǒng)戈爾（AL GORE）在美國加利福尼亞科學(xué)中心發(fā)表了題為“數(shù)字地球：二十一世紀(jì)認(rèn)識地球的方式（The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century）”的演講，最先提出“數(shù)字地球”的概念。隨后“數(shù)字校園2.0”的概念也逐步形成。我國較早定義數(shù)字校園概念的是北大、清華，以及洪恩等一些IT企業(yè)。

北京大學(xué)對數(shù)字校園的定義是：利用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)對學(xué)校教學(xué)科研和生活服務(wù)有關(guān)的信息資源進行全面的數(shù)字化；并用科學(xué)規(guī)范的管理對這些信息資源進行整合和集成，以構(gòu)成統(tǒng)一的用戶管理、統(tǒng)一的資源管理和統(tǒng)一的權(quán)限控制；把學(xué)校建設(shè)成面向校園內(nèi)，也面向社會的一個超越時間、超越空間的虛擬大學(xué)。

清華大學(xué)沈培華教授為數(shù)字校園下的定義是：以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用先進的信息化手段和工具，實現(xiàn)從環(huán)境(包括設(shè)備、教室等)、資源(如圖書、講義、課件等)到活動(包括教學(xué)、管理、服務(wù)、辦公等)的全部數(shù)字化，在傳統(tǒng)校園的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個數(shù)字空間，拓展現(xiàn)實校園的時間和空間維度，提升傳統(tǒng)校園的效率，擴展傳統(tǒng)校園的功能，最終實現(xiàn)教育過程的全面信息化，從而達到提高教學(xué)質(zhì)量、科研和管理水平的目的。[1]

新一代數(shù)字校園2.0則在原定義的基礎(chǔ)上涵蓋了三大特點：第一，以用戶為核心組織信息資源與服務(wù)；第二，以信息資源的開發(fā)、共享、利用為目標(biāo)建設(shè)信息系統(tǒng)；第三，以構(gòu)建與現(xiàn)實校園有機銜接的數(shù)字空間為重心。[2]由此可以看出，數(shù)字校園2.0應(yīng)該是面向教師、學(xué)生和社會，運用現(xiàn)代信息技術(shù)以及各類專業(yè)化數(shù)字設(shè)備，實現(xiàn)學(xué)校信息資源的優(yōu)化配置，形成一個與信息社會同步發(fā)展、滿足教學(xué)、科研和管理需求的數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境和數(shù)字化教學(xué)、管理模式。數(shù)字校園2.0的概念包含了理念、技術(shù)、設(shè)備、人員和應(yīng)用等各種要素的校園智能化系統(tǒng)。建設(shè)目標(biāo)是：教學(xué)與科研數(shù)字化、管理信息化、校園無界化，實現(xiàn)高質(zhì)、高效的師生數(shù)字化生活體驗。

二、數(shù)字校園的系統(tǒng)架構(gòu)

1.數(shù)字校園概念模型

數(shù)字校園是基于高速計算機多媒體網(wǎng)絡(luò)的虛擬教學(xué)環(huán)境，是現(xiàn)實校園空間的延伸和擴展。其系統(tǒng)架構(gòu)可以形象地表示為一個同心圓形式的層次結(jié)構(gòu)，概念模型如圖1所示，共分為五層：

第一層為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)層，是數(shù)字校園2.0的硬件平臺，為所有的應(yīng)用服務(wù)提供可靠的高速數(shù)字鏈路，可存儲和傳輸數(shù)據(jù)、語音、圖像等各種信息。

第二層為基本服務(wù)層，是數(shù)字校園2.0應(yīng)用軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺，可為具體應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，如：網(wǎng)絡(luò)身份認(rèn)證、Web服務(wù)、郵件服務(wù)、FTP服務(wù)、流媒體服務(wù)等，由專門的服務(wù)器和系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。

第三層為應(yīng)用層，包含學(xué)校內(nèi)部各種業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，是數(shù)字校園2.0功能的具體實現(xiàn)，由網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、數(shù)字化圖書館、教務(wù)信息管理、辦公自動化、智能廣播、安防監(jiān)控等分系統(tǒng)組成。

第四層為擴展層，主要是在應(yīng)用層各系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展信息服務(wù)功能，是數(shù)字校園高層次應(yīng)用，如數(shù)據(jù)挖掘、教學(xué)質(zhì)量評估、決策支持等。

最外層為個性化門戶，它是數(shù)字校園的總?cè)肟?，各類用戶通過門戶進入數(shù)字校園，可以獲得與其身份相對應(yīng)的個性化信息與服務(wù)。

2.數(shù)字校園系統(tǒng)組成

從數(shù)字校園的弱電系統(tǒng)建設(shè)的具體實施過程來說，一般可劃分以下功能子系統(tǒng)：

（１）綜合布線系統(tǒng)：符合國際標(biāo)準(zhǔn)，綜合了語音、數(shù)據(jù)、圖像和控制信號，具有靈活性、可擴充性和易維護性的，且結(jié)構(gòu)化、模塊化的統(tǒng)一布線；

（2）計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：各種網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)（WWW、Email、FTP、流媒體），運行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、教務(wù)與后勤MIS（管理信息系統(tǒng)）、OA（辦公自動化）、數(shù)字圖書館等應(yīng)用軟件；

（３）校園一卡通系統(tǒng)：統(tǒng)一身份認(rèn)證、消費現(xiàn)金結(jié)算；

（４）多媒體教學(xué)系統(tǒng)：多媒體課堂教學(xué)、雙向教學(xué)；

（５）校園智能廣播系統(tǒng)：教學(xué)區(qū)與生活區(qū)分區(qū)廣播、背景音樂、外語聽力訓(xùn)練；

（６）安防監(jiān)控系統(tǒng)：校園安全防護；

（７）語音電話系統(tǒng)：校內(nèi)語音通訊、家校通；

（８）大屏顯示系統(tǒng)：公共信息發(fā)布。

各子系統(tǒng)間各自獨立又相互關(guān)聯(lián)，共同實現(xiàn)數(shù)字校園的各種業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.數(shù)字校園從1.0到2.0

數(shù)字校園2.0與1.0相比，系統(tǒng)的硬件建設(shè)并未發(fā)生根本的變化，主要是在應(yīng)用層面上發(fā)生的轉(zhuǎn)變。數(shù)字校園服務(wù)的對象、目的和方法更加明確，更加符合Web2.0的思想。因此，數(shù)字校園2.0的設(shè)計與建設(shè)重點在于其中的應(yīng)用系統(tǒng)間的相互關(guān)聯(lián)與數(shù)據(jù)共享。

三、數(shù)字校園2.0的系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)功能整體性考慮

數(shù)字校園的建設(shè)包含大量的計算機硬件設(shè)備和各種應(yīng)用軟件。這些設(shè)備和軟件所組成的應(yīng)用系統(tǒng)（如一卡通系統(tǒng)、教務(wù)管理信息系統(tǒng)）大多是自成一體，獨立運作。但在數(shù)字校園2.0的總體框架下不應(yīng)是條塊分割的多個系統(tǒng)的簡單疊加與組合，而應(yīng)是一個高度集成，各系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)同的有機整體。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)進行統(tǒng)一的整體考慮。以硬件系統(tǒng)的互聯(lián)為基礎(chǔ)，以滿足師生具體日常工作學(xué)習(xí)的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為目的，實現(xiàn)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和功能整合。這主要通過子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)化和中間件技術(shù)來實現(xiàn)，完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一性考慮

要實現(xiàn)數(shù)字校園2.0智能化系統(tǒng)的各種功能的協(xié)同工作，有機結(jié)合，首先要求數(shù)據(jù)具備統(tǒng)一性，只有規(guī)范了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式和接口標(biāo)準(zhǔn)，各系統(tǒng)間才能在需要時方便地進行數(shù)據(jù)交換和共享。目前，在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)上，一般的做法是各個子系統(tǒng)由多個供應(yīng)商分別設(shè)計施工，最后由集成商統(tǒng)一協(xié)調(diào)實現(xiàn)?？梢韵胂螅@種做法獨立地看各子系統(tǒng)，都能基本達到應(yīng)用功能需求，子系統(tǒng)供應(yīng)商也可根據(jù)學(xué)校的具體情況不斷更新和升級自己的系統(tǒng)，但他們不會也不可能考慮到本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享，最多也只能做一些數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出工作，系統(tǒng)間基本處于各自為政的狀態(tài)。在當(dāng)今教育教學(xué)理念不斷更新的今天，這種現(xiàn)狀亟待改變。從學(xué)校應(yīng)用的角度考慮，在建立完善的、性能優(yōu)良的校園計算機網(wǎng)絡(luò)硬件平臺的同時，也應(yīng)該在學(xué)校教學(xué)、教務(wù)、管理、辦公、后勤、服務(wù)等所有應(yīng)用中建立和使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺。其具體的設(shè)計思想是：利用一卡通已有的安全性較高的卡務(wù)數(shù)據(jù)庫，建立校園內(nèi)的所有人員（包括教師、學(xué)生、教務(wù)、管理人員、后勤服務(wù)人員等）的身份認(rèn)證數(shù)據(jù)庫，運用輕量級目錄訪問協(xié)議（LDAP）實現(xiàn)數(shù)字校園的統(tǒng)一身份認(rèn)證，對其他應(yīng)用系統(tǒng)軟件的用戶管理功能模塊進行簡單的修改或二次開發(fā)，與校園一卡通數(shù)據(jù)庫掛接。[3] 將一卡通的應(yīng)用從一般意義上的后勤消費、考勤、門禁拓展到教務(wù)、辦公、學(xué)籍、教學(xué)、考試等學(xué)校日常的各個領(lǐng)域中去，真正實現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”。同時，整合教務(wù)管理數(shù)據(jù)庫、教學(xué)資源數(shù)據(jù)庫、辦公信息數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)庫，建立學(xué)校統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中管理，并根據(jù)需要建立相關(guān)聯(lián)接，保證應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和同步。這個設(shè)計方案從技術(shù)上講有一定難度，實現(xiàn)起來也比原來分系統(tǒng)獨立設(shè)計復(fù)雜許多，但為學(xué)校教育現(xiàn)代化建設(shè)帶來的將是質(zhì)的飛越，對于提高學(xué)校教學(xué)質(zhì)量和管理水平，進一步完善教育體系起到?jīng)Q定性的作用。

3．系統(tǒng)易用性考慮

完善的數(shù)字校園2.0智能化系統(tǒng)將為學(xué)校師生建立起一個數(shù)字化的工作學(xué)習(xí)環(huán)境，涵蓋了學(xué)校各種日常事務(wù)，因此，為師生提供方便易用的操作方法是必須重視的問題，具體可歸結(jié)為：

（1）建立以一卡通為核心的身份認(rèn)證和電子錢包系統(tǒng)，確保校園內(nèi)一人一卡，自動完成各應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞和同步，所有系統(tǒng)共用一個認(rèn)證。

（2）學(xué)校內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)、專網(wǎng)互聯(lián)互通，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，讓學(xué)校師生不管是在校內(nèi)還是校外，都能方便地利用網(wǎng)絡(luò)工作和學(xué)習(xí)。

（3）應(yīng)用系統(tǒng)盡可能以B/S方式開發(fā)，客戶端無需安裝，只需用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可訪問。

（4）應(yīng)用系統(tǒng)用戶界面可進行個性設(shè)置，用戶可根據(jù)自己的實際需要和喜好自定義畫面內(nèi)容、組織結(jié)構(gòu)和主題。

4．系統(tǒng)安全性考慮

當(dāng)人類步入信息社會、網(wǎng)絡(luò)社會的時候，校園也必將成為整個信息社會的一部分，校園中用于教學(xué)、管理、學(xué)習(xí)的計算機也成為局域網(wǎng)、Internet網(wǎng)的一部分，在享受網(wǎng)絡(luò)帶給我們的諸多便捷的同時，一些令人頭痛的病毒、黑客攻擊和不健康內(nèi)容也隨之而來。建立起一套完整的網(wǎng)絡(luò)安全防護體系，保證學(xué)校應(yīng)用系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，確保其中與教學(xué)管理相關(guān)的信息和與師生切身利益相關(guān)的金融信息不被外界非法訪問和黑客攻擊是整個系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。不管是硬件選型、軟件規(guī)劃還是各應(yīng)用業(yè)務(wù)的聯(lián)接和數(shù)據(jù)傳輸，都應(yīng)充分考慮系統(tǒng)安全防范措施。在保證應(yīng)用功能實現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)速度的基礎(chǔ)上，通過加裝防火墻、設(shè)置代理和路由規(guī)則、實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包、包過濾、根據(jù)應(yīng)用功能合理劃分虛擬子網(wǎng)、用戶分級權(quán)限管理、SSL認(rèn)證、數(shù)據(jù)實時備份等一系列手段，最大限度建立一道道防線，確保學(xué)校重點部門應(yīng)用系統(tǒng)的運行安全和數(shù)據(jù)安全。具體的思路和措施是：

（1）校園與Internet網(wǎng)通過防火墻隔離，確保從外部無法訪問校內(nèi)核心服務(wù)器物理地址。

（2）師生從校園網(wǎng)內(nèi)部經(jīng)代理或路由訪問Internet，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包，過濾不良信息，并完成計費功能。

（3）為學(xué)校教務(wù)管理和辦公等專用系統(tǒng)設(shè)立獨立子網(wǎng)，由交換機軟件設(shè)置相應(yīng)的路由規(guī)則，可在其他子網(wǎng)內(nèi)有限地訪問該子網(wǎng)信息，確保學(xué)校日常教學(xué)工作正常進行。

（4）與現(xiàn)金結(jié)算有關(guān)的一卡通獨立組網(wǎng)，為實現(xiàn)一卡通數(shù)據(jù)與其他系統(tǒng)的共享，采用磁盤陣列實時雙機鏡像備份數(shù)據(jù)，并設(shè)定嚴(yán)格的讀寫權(quán)限。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5．系統(tǒng)易維護性考慮

數(shù)字校園2.0是一個結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜的、具有較高技術(shù)含量、多種軟硬件綜合在一起的龐大工程。其設(shè)計施工都必須由專業(yè)的技術(shù)人員來完成。但一旦建成投入運行后，將主要由本校的教師來對其進行管理和維護。因此在系統(tǒng)總體設(shè)計時，從最基本的技術(shù)選型、布線設(shè)計、設(shè)備選擇、軟件配置等方面都應(yīng)以方便管理和維護為標(biāo)準(zhǔn)，努力做到：

（1）設(shè)備選型應(yīng)本著標(biāo)準(zhǔn)化、通用性好、簡單化、便于互換的原則。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較高的靈活性，在一定程度上便于學(xué)校今后擴充調(diào)整。

（3）網(wǎng)絡(luò)管線設(shè)計安裝除滿足當(dāng)前需求外，還應(yīng)考慮以后功能擴展，留有一定的余量。

（4）系統(tǒng)穩(wěn)定性高、容錯性好，具有較強的適應(yīng)性。

（5）可自動生成運行日志，并對重要數(shù)據(jù)進行定期備份。

四、數(shù)字校園2.0的建設(shè)

數(shù)字校園2.0的建設(shè)不僅是IT企業(yè)的任務(wù)，更是學(xué)校本身發(fā)展的需要和責(zé)任。學(xué)校的師生員工才是數(shù)字校園2.0建設(shè)和使用的主體。數(shù)字校園2.0的信息資源建設(shè)與完善需要師生廣泛參與。從這個意義上來說，數(shù)字校園2.0的建設(shè)可形象地概括為“修路”、“設(shè)卡”、“買車”、“備貨”、“培訓(xùn)駕駛員”、“定規(guī)矩”六個工程。

“路”就是校園網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是校園的基礎(chǔ)設(shè)施，包括結(jié)構(gòu)化綜合布線、服務(wù)器和終端機、內(nèi)外連接設(shè)備（如交換機和路由器等）和系統(tǒng)軟件平臺的選擇和建設(shè)。

“卡”就是校園網(wǎng)安全防護與身份識別機制，主要包括網(wǎng)絡(luò)安全、病毒防范、系統(tǒng)應(yīng)用權(quán)限和個人身份驗證等方面功能，以此保證整個校園數(shù)字化系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和有序的工作。

“車”就是運行在校園網(wǎng)系統(tǒng)上的應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括教務(wù)MIS系統(tǒng)、辦公自動化、網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)、師-生交流平臺、信息服務(wù)、資源庫、后勤保障及校園安防等。

“貨”就是應(yīng)用系統(tǒng)上的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如學(xué)生信息、教師信息、課程信息、管理信息、多媒體課件、電子圖書、音視頻素材等教育教學(xué)信息。

“駕駛員”就是校園信息系統(tǒng)的使用人員，這些人員可分為四類：學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、專業(yè)技術(shù)人員、師生和其他使用人員。

“規(guī)矩”就是新型數(shù)字化教育模式下的學(xué)校管理、培訓(xùn)、評估和激勵機制。

“路”、“卡”、“車”的建設(shè)在前面已做了較詳細的論述。“貨”則是在數(shù)字校園2.0的長期運行過程中，需要使用主體——“駕駛員”不斷添加和完善的。這也就進一步說明，轉(zhuǎn)變“駕駛員”的思想觀念、培養(yǎng)其信息技術(shù)能力同樣對數(shù)字校園2.0的建設(shè)起著非常關(guān)鍵的作用。而如何激發(fā)廣大師生的積極性、提高他們的參與度，使數(shù)字校園2.0系統(tǒng)安全高效運行，真正發(fā)揮其在現(xiàn)代教育教學(xué)中的優(yōu)勢作用，相關(guān)的政策法規(guī)和評估激勵機制將是重要的保證。

參考文獻：

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