智慧校園背景下的區(qū)域教育云平臺建設(shè)實踐
——以南京教育云平臺建設(shè)為例

張寶飛

（南京市電化教育館，江蘇 南京 210008）

引言

智慧校園[1-5]是數(shù)字化校園建設(shè)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)而產(chǎn)生的校園建設(shè)新概念，目的是為學(xué)校師生建立智能開放的教育教學(xué)環(huán)境和方便快捷的生活環(huán)境，改變師生與學(xué)校資源、環(huán)境的交互方式，實現(xiàn)以人為本的個性化創(chuàng)新服務(wù)。智慧校園需要從更高層面制定建設(shè)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，一方面有助于為學(xué)校開展實踐活動指明方向、明確目標(biāo)，并為衡量學(xué)校實踐成效提供參考依據(jù)；另一方面也有助于對系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃，提高建設(shè)水平，避免重復(fù)建設(shè)。

教育云平臺是以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)的教育平臺，是實現(xiàn)智慧校園的基礎(chǔ)架構(gòu)，它包括基礎(chǔ)設(shè)施管理、平臺管理和應(yīng)用管理。學(xué)校通過教育云平臺可以實現(xiàn)校內(nèi)系統(tǒng)與區(qū)域數(shù)據(jù)中心的信息融合、互聯(lián)互通，充分利用區(qū)域數(shù)據(jù)中心資源，有效解決校園管理中的信息更新滯后、人力資源不足、信息孤島和設(shè)備重復(fù)投入等問題，達(dá)到校園管理中綠色節(jié)能、科學(xué)決策、及時管控、服務(wù)便捷的管理目標(biāo)。

2016年，南京市啟動“智慧校園”示范校建設(shè)工作，大力推進(jìn)云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在智慧校園中的創(chuàng)新應(yīng)用，建立電子身份及統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng)，構(gòu)建課堂教學(xué)、教師教研、學(xué)生學(xué)習(xí)、管理評價、家校互通、學(xué)校安全管理等一體化智能校園環(huán)境。

一、建設(shè)現(xiàn)狀

當(dāng)前，智慧校園建設(shè)主要以學(xué)校建設(shè)為主，各類信息化應(yīng)用系統(tǒng)隨著學(xué)校教育教學(xué)需求驅(qū)動而建設(shè)，由于缺乏有效的規(guī)劃，與數(shù)字化校園建設(shè)階段相比，校園信息孤島等問題還沒有得到根本解決，主要問題表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）頂層缺乏設(shè)計，缺少標(biāo)準(zhǔn)化研究。各學(xué)校都根據(jù)自身的理解做學(xué)校業(yè)務(wù)需要或者自己感興趣的部分，不注重基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和共建共享機(jī)制建設(shè)，導(dǎo)致智慧校園建設(shè)缺乏系統(tǒng)框架和整體設(shè)計。

（2）設(shè)施參差不齊，重視硬件忽視軟件。大部分學(xué)校還沒有建成無線校園網(wǎng)，或者剛剛建成，而且無線校園網(wǎng)覆蓋范圍差距較大。少部分學(xué)校建有基于物聯(lián)網(wǎng)等智能化技術(shù)的信息設(shè)施，大多數(shù)學(xué)校數(shù)據(jù)中心還未能形成真正意義上的云計算模式，部分學(xué)校網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量不足、陳舊問題仍然突出。

（3）管理不符合要求，應(yīng)用時缺乏共享。學(xué)校業(yè)務(wù)系統(tǒng)總體上還處于離散的狀態(tài)，建設(shè)重復(fù)、管理分散、信息孤島、信息化與教育教學(xué)“兩張皮”等現(xiàn)象普遍存在。

（4）缺乏理論層面的指導(dǎo)，數(shù)據(jù)利用技術(shù)薄弱。部分學(xué)校雖然已經(jīng)積累了海量數(shù)據(jù)，但還處于統(tǒng)計應(yīng)用的階段，尚未具備大數(shù)據(jù)分析能力，無法為學(xué)校管理提供關(guān)聯(lián)分析和輔助決策。

（5）系統(tǒng)安全缺乏保障。一些學(xué)校安全意識還比較淡薄，信息化建設(shè)和運(yùn)維管理制度缺失，運(yùn)維團(tuán)隊實力薄弱，經(jīng)費(fèi)投入不足，網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制保障、技術(shù)保障和應(yīng)急處置保障不到位。

二、總體架構(gòu)

南京教育云平臺以“融合”為目標(biāo)，旨在對現(xiàn)有應(yīng)用、服務(wù)和資源進(jìn)行整合，建立統(tǒng)一身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實現(xiàn)資源和數(shù)據(jù)的有效管理，提高學(xué)校智慧校園建設(shè)的效率，減少學(xué)?；A(chǔ)設(shè)施投入，避免重復(fù)建設(shè)，逐步實現(xiàn)“智慧校園”的戰(zhàn)略目標(biāo)，平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 教育云平臺總體架構(gòu)

建設(shè)的內(nèi)容主要有：①基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。包括城域網(wǎng)、無線網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)。②應(yīng)用支撐平臺建設(shè)。包括統(tǒng)一身份認(rèn)證[6-7]、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、云存儲、微門戶建設(shè)。通過統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺，實現(xiàn)用戶的統(tǒng)一訪問、身份管理及權(quán)限控制；通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建立公共數(shù)據(jù)平臺和數(shù)據(jù)交換平臺，實現(xiàn)信息共享；通過云存儲實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的集中存儲和管理；通過微門戶實現(xiàn)統(tǒng)一訪問界面，展現(xiàn)數(shù)字校園的各類應(yīng)用系統(tǒng)。③業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)。包括區(qū)域公共應(yīng)用和學(xué)校自建應(yīng)用的建設(shè)。

通過教育云平臺建設(shè)，實現(xiàn)了三方面的目標(biāo)：

（1）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。制定基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）資源集中。統(tǒng)一IT基礎(chǔ)設(shè)施，集約化建設(shè)；對數(shù)據(jù)、安全性的統(tǒng)一控制；更高的服務(wù)質(zhì)量；快速部署上線能力。

（3）數(shù)據(jù)集中。數(shù)據(jù)的整合匯聚；提供有價值的教育數(shù)據(jù)支撐；通過數(shù)據(jù)服務(wù)平臺實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞；數(shù)據(jù)傳遞的規(guī)范化。

三、功能設(shè)計

南京教育云平臺面向全市教育行政部門、學(xué)校，為所有教師、學(xué)生、家長群體提供服務(wù)，平臺功能會隨著應(yīng)用的深入不斷擴(kuò)展，對其可伸縮性、靈活性、易維護(hù)性、穩(wěn)定性、高并發(fā)能力的要求比較高，為了滿足這些需要，平臺從基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、應(yīng)用支撐服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)層三個方面進(jìn)行了設(shè)計。

1.基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層

教育城域網(wǎng)是區(qū)域教育云平臺服務(wù)的基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和安全的保障，也是師生用戶高效使用各類教育資源的保障。南京目前已有504所中小學(xué)實現(xiàn)光纖接入城域網(wǎng)，接入率達(dá)83%。以“分散部署、集中控制”為原則建設(shè)校園無線網(wǎng)絡(luò)，按照“市區(qū)兩級聯(lián)動、AP各自建設(shè)、認(rèn)證互聯(lián)互通”的原則，實現(xiàn)全市校園無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一身份認(rèn)證，江寧、鼓樓已實現(xiàn)區(qū)內(nèi)學(xué)校的無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋和統(tǒng)一認(rèn)證功能。目標(biāo)到2020年，全面建成覆蓋全市各級各類學(xué)校的快速、高效、安全的教育信息化運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)市、區(qū)、校三級網(wǎng)絡(luò)高效互聯(lián)互通。

（1）SDN 教育城域網(wǎng)

長期以來，教育城域網(wǎng)的建設(shè)和管理一直是教育部門的艱巨任務(wù)。首先是管理難。管理人員不足，需要管理數(shù)萬臺設(shè)備，設(shè)備種類復(fù)雜，對管理員能力要求極高。其次是運(yùn)維難。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)用戶地址不斷變化，運(yùn)維策略需要相應(yīng)調(diào)整；發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障需要現(xiàn)場運(yùn)維，效率低。還有就是防護(hù)難。安全設(shè)備數(shù)量多、分布廣、難統(tǒng)一管理，極易造成防護(hù)漏洞。

自2015年起，南京教育城域網(wǎng)啟動SDN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

SDN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比具有很大優(yōu)勢：

1）自帶“AI網(wǎng)管”，免現(xiàn)場運(yùn)維的教育網(wǎng)絡(luò)。把分布式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中式控制，從更高的層次管理整個網(wǎng)絡(luò)，可以通過軟件來控制網(wǎng)絡(luò)行為，控制器會自動收集整網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流量等信息，計算最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。下屬學(xué)校內(nèi)任意一臺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障都可自我修復(fù)，無需派遣專業(yè)人員到偏遠(yuǎn)學(xué)校。

2）維護(hù)“三臺”設(shè)備，即是維護(hù)全網(wǎng)設(shè)備。城域網(wǎng)架構(gòu)虛擬化為三個層次，數(shù)據(jù)中心核心交換層、學(xué)校核心交換層、學(xué)校接入交換層，每層次只維護(hù)一套配置，由SDN控制器自動完成整個網(wǎng)絡(luò)的部署，電教館只需維護(hù)這“三臺”設(shè)備即可維護(hù)整網(wǎng)數(shù)以萬計的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3）提供逃生機(jī)制，保障故障發(fā)生時網(wǎng)絡(luò)正常。當(dāng)運(yùn)營商鏈路或認(rèn)證系統(tǒng)、DHCP等出現(xiàn)故障，SDN教育城域網(wǎng)方案提供了逃生機(jī)制，通過逃生機(jī)制保障網(wǎng)絡(luò)可以正常使用，不影響學(xué)校正常教學(xué)。

4）改變傳統(tǒng)安全部署模式，提升安全防護(hù)效率。通過SDN控制器及“安全服務(wù)鏈”技術(shù)改變傳統(tǒng)安全策略部署模式，提升防護(hù)效率。

SDN網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，學(xué)校與市區(qū)數(shù)據(jù)中心之間訪問更加流暢，可以開展網(wǎng)絡(luò)教研直播活動，充分利用城域網(wǎng)內(nèi)的教學(xué)資源。

（2）支持統(tǒng)一管理的融合無線與物聯(lián)網(wǎng)

統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺同無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對接后，用戶在請求訪問學(xué)校無線網(wǎng)絡(luò)時，會由無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的認(rèn)證服務(wù)器將身份認(rèn)證請求直接重定向至統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺，平臺在身份驗證通過后通知無線設(shè)備，繼而允許該用戶使用無線網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)證流程如圖3。

圖3 無線認(rèn)證流程圖

（3）支持云管理的虛擬化平臺

使用虛擬化技術(shù)建設(shè)數(shù)據(jù)中心，虛擬化可以幫助整合數(shù)據(jù)中心資源，實現(xiàn)集約化管理，方便業(yè)務(wù)應(yīng)用靈活部署和管理，應(yīng)用系統(tǒng)均搭建到云虛擬機(jī)上，并能提供場外服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)硬件供學(xué)校使用，節(jié)省了維護(hù)成本和辦公場地。

2.應(yīng)用支撐服務(wù)層

傳統(tǒng)模式下的公共數(shù)據(jù)平臺無法支撐后期開放架構(gòu)下的數(shù)據(jù)共享與管理。智慧校園時代下的公共數(shù)據(jù)平臺建設(shè)需要從以下幾個方面開展：

1）提升基礎(chǔ)支撐能力。從信息標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行、公共數(shù)據(jù)平臺的結(jié)構(gòu)、共享數(shù)據(jù)的開放、數(shù)據(jù)質(zhì)量的治理、歷史數(shù)據(jù)的積累幾個方面著手，對平臺的建設(shè)進(jìn)行頂層設(shè)計，讓大家認(rèn)識到基礎(chǔ)性工作的重要性，基礎(chǔ)平臺要優(yōu)先建設(shè)。

2）完善信息標(biāo)準(zhǔn)。信息標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)是智慧校園建設(shè)的重點(diǎn)之一，對推進(jìn)校園信息化建設(shè)，保證信息的交流與共享，有著重要的意義。信息標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)包括代碼集、數(shù)據(jù)集和編碼規(guī)則3個部分，架構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

3）打造數(shù)據(jù)管理平臺。數(shù)據(jù)管理平臺包括數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理子系統(tǒng)、元數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、主數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理子系統(tǒng)，正是通過這些子系統(tǒng)模塊完成數(shù)據(jù)治理、教育基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、數(shù)據(jù)清洗與整合、數(shù)據(jù)安全防護(hù)等工作。

4）搭建應(yīng)用服務(wù)支撐平臺。應(yīng)用服務(wù)支撐平臺包含服務(wù)中心、應(yīng)用中心、消息中心、接口中心四大部分，[5]實現(xiàn)用戶統(tǒng)一身份認(rèn)證、權(quán)限分配控制、日志、統(tǒng)計、應(yīng)用配置管理、數(shù)據(jù)分發(fā)與同步等功能，為應(yīng)用的接入提供全面、可擴(kuò)展、便利的支撐。

南京教育云平臺鼓勵各區(qū)、學(xué)校使用市級平臺以及在市建平臺基礎(chǔ)上深化資源建設(shè)與應(yīng)用推廣，新建平臺要與市級平臺實現(xiàn)對接，通過統(tǒng)一平臺建設(shè)推進(jìn)全市教育系統(tǒng)各平臺的整合與數(shù)據(jù)互通，已建成的平臺主要包括統(tǒng)一身份認(rèn)證、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、云存儲等。

（1）統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺

統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺是教育云平臺的基本需求，南京教育云統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺基于Yale CAS開發(fā)，Yale CAS是目前常用的統(tǒng)一認(rèn)證解決方案，其應(yīng)用廣泛，具有獨(dú)立于平臺的、易于理解、支持代理等功能，在各個大學(xué)如耶魯大學(xué)、加州大學(xué)、劍橋大學(xué)、香港科技大學(xué)等得到應(yīng)用。

Yale CAS的工作原理基于票據(jù)（Ticket）來實現(xiàn)。票據(jù)存儲在TicketRegistry中，為了實現(xiàn)CAS的負(fù)載均衡，采用統(tǒng)一的TicketRegistry讓多臺CAS之間共享所有的Ticket。缺省的CAS備置是在內(nèi)存中實現(xiàn)TicketRegistry，不同的CAS服務(wù)器使用自己獨(dú)立的TicketRegistry，這種模式不支持分布式集群。幸運(yùn)的是CAS為我們提供了支持TicketRegistry分布式的接口，我們只要采用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫Redis來實現(xiàn)TicketRegistry分布式,就可以通過這個接口實現(xiàn)多臺CAS服務(wù)器TicketRegistry共享，從而實現(xiàn)CAS集群。

南京教育云統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺，用戶可以選擇賬號、手機(jī)號、電子郵箱、二維碼多種登錄方式進(jìn)行登錄，登錄后首先進(jìn)入個人的應(yīng)用中心，系統(tǒng)根據(jù)個人所在區(qū)縣、學(xué)校和權(quán)限顯示個性化應(yīng)用導(dǎo)航。

學(xué)?？梢酝ㄟ^開放平臺提交應(yīng)用接入申請，根據(jù)應(yīng)用平臺是否需要在自身平臺管理用戶和權(quán)限，可以選擇兩種接入模式：①完全集成子系統(tǒng)，用戶名與統(tǒng)一身份認(rèn)證用戶名為同一賬戶，子系統(tǒng)沒有單獨(dú)的登錄模塊，用戶合法性驗證由統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)完成，登錄流程如圖5所示；②非完全集成子系統(tǒng)，有獨(dú)立的用戶管理模塊和用戶群，不與統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)使用相同的賬戶，用戶需要在統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一身份認(rèn)證賬戶與本子系統(tǒng)賬戶關(guān)聯(lián)設(shè)置，這樣，統(tǒng)一身份認(rèn)證賬戶才能登錄進(jìn)入該子系統(tǒng)，登錄該系統(tǒng)后，仍然使用本子系統(tǒng)的賬戶。

圖5 完全集成子系統(tǒng)認(rèn)證流程圖

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫作為南京市師生信息的管理平臺，負(fù)責(zé)用戶信息的集中維護(hù)，為各信息系統(tǒng)間用戶對接與數(shù)據(jù)整合提供了保障。對于需要使用教師信息的系統(tǒng)，只要與基礎(chǔ)信息庫對接，通過平臺提供的增量訂閱接口就可以快速實現(xiàn)師生信息的實時同步，同步訂閱接口的類型如表1所示。

表1 同步的接口類型

同時，系統(tǒng)還為第三方系統(tǒng)建立初期數(shù)據(jù)的初始化提供了數(shù)據(jù)獲取接口，通過這些接口，第三方系統(tǒng)可以獲取授權(quán)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，并對各系統(tǒng)可以使用的字段進(jìn)行授權(quán)管理，主要接口如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)獲取接口

目前教育政務(wù)平臺、網(wǎng)絡(luò)教研活動平臺已經(jīng)通過以上的接口實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)對接，在用戶信息修改后，平臺會實時分發(fā)數(shù)據(jù)修改，保障各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致。

3.業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)層

南京教育云平臺不僅向全市師生、家長提供教育云盤、教育政務(wù)微信企業(yè)號、期刊庫等市級應(yīng)用，還能通過統(tǒng)一身份認(rèn)證系統(tǒng)的單點(diǎn)登錄功能訪問到學(xué)校應(yīng)用。南京教育云平臺建立本地化應(yīng)用中心，對第三方應(yīng)用進(jìn)行集中管理，按照用戶的所在區(qū)域和權(quán)限顯示個性化應(yīng)用導(dǎo)航，應(yīng)用中心根據(jù)用戶終端形式分為兩部分：由單點(diǎn)登錄平臺實現(xiàn)Web端的管理；由教育政務(wù)微信平臺實現(xiàn)移動端的管理。

單點(diǎn)登錄平臺已整合期刊庫等第三方應(yīng)用，對已有系統(tǒng)進(jìn)行融合，實現(xiàn)了一次登錄多次訪問的目標(biāo)，并且完成了網(wǎng)絡(luò)資源的實名訪問工作。

教育政務(wù)微信平臺是移動端的統(tǒng)一入口，選擇基于微信企業(yè)號的平臺架構(gòu)，信息接收端的用戶不需要在手機(jī)端再下載任何應(yīng)用，而只需關(guān)注微信企業(yè)號就可以使用各項功能，平臺提供了非常良好的基礎(chǔ)功能和架構(gòu)，為移動端開發(fā)節(jié)省大量的開發(fā)時間和平臺維護(hù)成本，面向用戶提供部分共性的基礎(chǔ)功能模塊：通知公告、消息推送、問卷調(diào)查、活動管理、工作日程和資源預(yù)約等，界面如圖6所示。

四、結(jié)論

南京教育云平臺通過多年的努力，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上得到了全面提升，實現(xiàn)了全市的SDN網(wǎng)絡(luò)部署，構(gòu)建了區(qū)域教育信息化應(yīng)用服務(wù)平臺、開放標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)體系，建成了全市的教師基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。同時，通過統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺和教育政務(wù)信息平臺，教師無需知道賬號和密碼就可以直接掃描二維碼登錄應(yīng)用系統(tǒng)，不僅簡化了平臺推廣過程，提高了用戶的訪問體驗，而且符合當(dāng)前對于實名使用網(wǎng)絡(luò)資源的安全要求。

圖6 教育政務(wù)微信平臺

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