區(qū)縣智慧云平臺(tái)：以數(shù)據(jù)推動(dòng)教育發(fā)展

文 /劉建 徐妍

教育部發(fā)布《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》以來(lái)，各區(qū)（縣）在完成數(shù)字校園和教育資源公共服務(wù)平臺(tái)之后，再次啟動(dòng)了智慧教育和智慧校園的規(guī)劃建設(shè)行動(dòng)。

作為區(qū)級(jí)教科研機(jī)構(gòu)，對(duì)全區(qū)學(xué)校進(jìn)行了大規(guī)模的教育信息化方面的調(diào)研，下發(fā)了關(guān)于校園信息化和信息技術(shù)人員的兩份網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷，并調(diào)閱部分學(xué)校的智慧校園建設(shè)方案。

問(wèn)卷結(jié)果顯示，學(xué)校信息化建設(shè)和應(yīng)用水平不均衡，總體表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平低、利用率低和管理能力低，教學(xué)工作大多依賴(lài)于免費(fèi)的互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用。信息技術(shù)人員方面總體表現(xiàn)為配備不健全，網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平較低，對(duì)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬化等新技術(shù)不夠了解。

縱觀(guān)學(xué)校智慧校園方案，主要集中在校園多網(wǎng)融合、智能安防、創(chuàng)新型教室等物聯(lián)網(wǎng)使用和硬件系統(tǒng)配備上，設(shè)計(jì)思路依然是以功能為導(dǎo)向、系統(tǒng)簡(jiǎn)單堆疊的方式，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象依然存在。如何構(gòu)建智慧校園的應(yīng)用軟件體系、整合運(yùn)用校園數(shù)據(jù)在眾多方案中鮮有提及。

學(xué)校個(gè)體勢(shì)單力薄，受限于人員、技術(shù)和經(jīng)費(fèi)，獨(dú)立建設(shè)智慧校園很難有大的發(fā)展。因此，我們提出了一個(gè)區(qū)、校兩級(jí)普遍認(rèn)同的頂層設(shè)計(jì)思路，即建設(shè)區(qū)級(jí)智慧教育云平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“云平臺(tái)”），提供豐富的教學(xué)資源和教育應(yīng)用軟件，服務(wù)于智慧校園，補(bǔ)充學(xué)校的短板，使得薄弱學(xué)校也可利用云平臺(tái)提供的空間和應(yīng)用整合起自己的智慧平臺(tái)。

智慧教育云平臺(tái)方案

1.智慧教育的技術(shù)路線(xiàn)

對(duì)于“智慧教育”內(nèi)涵的理解，我們認(rèn)為，從信息技術(shù)角度來(lái)看，無(wú)論“智慧”還是“智能”，它的展現(xiàn)都需要利用數(shù)據(jù)去訓(xùn)練、辨識(shí)、計(jì)算和分析。國(guó)內(nèi)外的教育科研成果紛紛將“大數(shù)據(jù)”和“智慧”聯(lián)系在一起。教育大數(shù)據(jù)建設(shè)不僅要持續(xù)、動(dòng)態(tài)匯聚海量數(shù)據(jù)，更要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的教育“智慧”的創(chuàng)生[1]。教育大數(shù)據(jù)匯聚存儲(chǔ)了教育領(lǐng)域的信息資產(chǎn),是發(fā)展“智慧教育”最重要的基礎(chǔ),而數(shù)據(jù)挖掘和學(xué)習(xí)分析技術(shù)是連接教育大數(shù)據(jù)與智慧教育的橋梁[2]。

故此，我們將大數(shù)據(jù)作為云平臺(tái)建設(shè)的主要技術(shù)路線(xiàn)，開(kāi)展教育教學(xué)業(yè)務(wù)分析，為管理決策和教科研提供數(shù)據(jù)支撐。

2.云平臺(tái)建設(shè)原則與目標(biāo)

區(qū)級(jí)智慧教育云平臺(tái)服務(wù)于智慧校園，兩者共同構(gòu)成一個(gè)密不可分的系統(tǒng)工程，分擔(dān)不同的建設(shè)、管理和使用任務(wù)。采用“肥中心、瘦學(xué)?！钡摹霸?端”架構(gòu)模式[3]。區(qū)級(jí)按照私有云模式承建數(shù)據(jù)中心和云平臺(tái)，達(dá)到國(guó)家三通兩平臺(tái)的基本要求，提供教學(xué)、管理、教研、科研和培訓(xùn)等開(kāi)放共享的應(yīng)用系統(tǒng)，滿(mǎn)足基層學(xué)校的基本需求。學(xué)校智慧校園著力自身硬件建設(shè)及個(gè)性化發(fā)展，使用區(qū)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)展教學(xué)和管理工作，向數(shù)據(jù)中心匯聚各類(lèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)與智慧校園的有機(jī)融合。

云平臺(tái)需要一個(gè)具有高度整合、開(kāi)放特性的系統(tǒng)框架，滿(mǎn)足應(yīng)用整合和數(shù)據(jù)整合的要求，因而設(shè)定了四個(gè)基本目標(biāo)。

（1）統(tǒng)一身份認(rèn)證

云平臺(tái)應(yīng)提供統(tǒng)一的實(shí)名賬戶(hù)管理中心，一人一號(hào)覆蓋全體師生，利用接口向各應(yīng)用軟件提供用戶(hù)身份驗(yàn)證和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的受限調(diào)用，保證個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的安全。這是實(shí)現(xiàn)角色授權(quán)和應(yīng)用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)。

（2）應(yīng)用市場(chǎng)

云平臺(tái)提供種類(lèi)豐富的應(yīng)用功能，以“應(yīng)用市場(chǎng)”模式統(tǒng)一管理并向用戶(hù)展現(xiàn)，學(xué)?？砂凑罩腔坌@的規(guī)劃自主選用，既滿(mǎn)足學(xué)校共性需要，又滿(mǎn)足個(gè)性化發(fā)展需要。應(yīng)用市場(chǎng)中使用統(tǒng)一賬戶(hù)并支持應(yīng)用軟件單點(diǎn)登錄，不受限于單一廠(chǎng)商，可擴(kuò)充、升級(jí)、撤銷(xiāo)和更替，支持公有云和私有云的混合架構(gòu)方式。

（3）數(shù)據(jù)本地化存儲(chǔ)

教育信息分布在各種應(yīng)用系統(tǒng)中，但是這些數(shù)據(jù)還無(wú)法共享，不能直接匯聚計(jì)算。設(shè)計(jì)者要有數(shù)據(jù)價(jià)值意識(shí)，提前規(guī)劃需要的主題，從各應(yīng)用系統(tǒng)中抽取數(shù)據(jù)本地化存儲(chǔ)。這個(gè)模塊的任務(wù)有三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，首先是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；其次是應(yīng)用數(shù)據(jù)的抽取機(jī)制；最后是存儲(chǔ)模式設(shè)計(jì)。本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非指資源類(lèi)，而是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以及各應(yīng)用軟件中的用戶(hù)行為或日志數(shù)據(jù)。

（4）大數(shù)據(jù)分析與挖掘

區(qū)縣教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要是為教育決策服務(wù)，各類(lèi)應(yīng)用數(shù)據(jù)的整合分析能充分展現(xiàn)教育各層面的精準(zhǔn)特性。這需要先明確各種主題需求，再為之提供單獨(dú)的分析與挖掘算法，這是一個(gè)高度定制化的任務(wù)模塊，覆蓋云平臺(tái)建設(shè)的整個(gè)生命周期。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

為使各應(yīng)用系統(tǒng)的教育數(shù)據(jù)可關(guān)聯(lián)、可整合、可分析，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)，采取分層設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了一種松耦合的大數(shù)據(jù)云平臺(tái)框架（圖1）。

圖1 松耦合大數(shù)據(jù)云平臺(tái)框架

（1）應(yīng)用層

我們把各種應(yīng)用系統(tǒng)和信息化工具統(tǒng)一抽象成“應(yīng)用層”，不再區(qū)分應(yīng)用的公有云、私有云及單機(jī)的部署差異。這一層作為數(shù)據(jù)采集源頭，從中抽取所需的數(shù)據(jù)子集，但并不直接運(yùn)用到大數(shù)據(jù)分析中，而是經(jīng)過(guò)規(guī)范化處理后保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

（2）接口層

應(yīng)用整合和數(shù)據(jù)抽取需要系統(tǒng)間調(diào)用機(jī)構(gòu)信息、用戶(hù)身份及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，出于安全的考慮，應(yīng)用系統(tǒng)不允許外部直接操作底層數(shù)據(jù)庫(kù)，就需要單獨(dú)提供一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。設(shè)計(jì)獨(dú)立的接口層，屏蔽各應(yīng)用系統(tǒng)的部署方式、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)的異構(gòu)性，采用基于HTTP協(xié)議的Restful API技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)通訊接口，編程調(diào)用返回JSON數(shù)據(jù)。接口由應(yīng)用層各應(yīng)用軟件分別實(shí)現(xiàn)。

（3）業(yè)務(wù)層

業(yè)務(wù)層完成兩個(gè)任務(wù)：一是完成數(shù)據(jù)的抓取、清洗、轉(zhuǎn)換和加載等調(diào)和數(shù)據(jù)的過(guò)程[4]，“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)接口”由“中華人民共和國(guó)教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”和應(yīng)用系統(tǒng)特定的元數(shù)據(jù)構(gòu)成，為調(diào)和數(shù)據(jù)的功能模塊所調(diào)用；二是完成數(shù)據(jù)計(jì)算和結(jié)果呈現(xiàn)，“數(shù)據(jù)分析與挖掘模塊”為主題提供算法，“報(bào)表和視圖呈現(xiàn)模塊”將結(jié)果數(shù)據(jù)返回給前臺(tái)用戶(hù)。業(yè)務(wù)層功能模塊由定制開(kāi)發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)，本地化部署。

（4）存儲(chǔ)層

存儲(chǔ)層的目標(biāo)是匯聚存儲(chǔ)教育大數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的區(qū)級(jí)數(shù)據(jù)中心。對(duì)照應(yīng)用層各平臺(tái)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式，分別設(shè)計(jì)主題生成數(shù)據(jù)集市，逐步建設(shè)完成數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。最終由傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件（如MySQL）提供物理存儲(chǔ)。

項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)施

1.虛擬化數(shù)據(jù)中心

虛擬化數(shù)據(jù)中心已建設(shè)完成，使用了華為全套設(shè)備和軟件，配備11臺(tái)雙路服務(wù)器，全萬(wàn)兆光纖數(shù)據(jù)通道，2臺(tái)獨(dú)立存儲(chǔ)設(shè)備提供120T存儲(chǔ)容量，安裝Fusion Compute云操作系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化運(yùn)維，使用備份一體機(jī)按策略自動(dòng)備份虛擬機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.部署智慧教育云平臺(tái)

引進(jìn)了一套“教育云平臺(tái)”軟件，按照國(guó)家三通兩平臺(tái)的要求開(kāi)發(fā)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與國(guó)家教育資源公共服務(wù)平臺(tái)連通。重要的是這套平臺(tái)提供了一個(gè)框架，能實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一身份認(rèn)證”和“應(yīng)用市場(chǎng)”兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

云平臺(tái)包含一個(gè)實(shí)名制用戶(hù)中心，通過(guò)“開(kāi)放平臺(tái)”編程模式向應(yīng)用系統(tǒng)提供系列接口（圖2），供統(tǒng)一身份驗(yàn)證和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)用，能實(shí)現(xiàn)Web應(yīng)用、Windows客戶(hù)端和手機(jī)App的對(duì)接。應(yīng)用市場(chǎng)的管理功能除管理本區(qū)部署的應(yīng)用軟件外，還可完成與上級(jí)平臺(tái)及應(yīng)用的對(duì)接整合（圖3），用戶(hù)界面直觀(guān)易用，可單點(diǎn)登錄（圖4）。

圖2 開(kāi)放平臺(tái)接口

圖3 應(yīng)用市場(chǎng)管理界面

圖4 應(yīng)用市場(chǎng)用戶(hù)界面

3.區(qū)級(jí)教育應(yīng)用體系

綜合了區(qū)校兩級(jí)的共性需要，首批提供網(wǎng)絡(luò)閱卷系統(tǒng)、一對(duì)一教學(xué)、數(shù)字題庫(kù)、視文資源庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)教研中心、辦公OA和課題管理等區(qū)級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)，正逐步完成與云平臺(tái)的對(duì)接，整合到應(yīng)用市場(chǎng)，向?qū)W校開(kāi)放共享。

4.大數(shù)據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)

面對(duì)種類(lèi)繁多的教育應(yīng)用系統(tǒng)，建設(shè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析,需要定制開(kāi)發(fā)，因此選定了“學(xué)業(yè)質(zhì)量分析”作為首個(gè)定制的主題，以積累經(jīng)驗(yàn)。數(shù)據(jù)主要來(lái)自于：學(xué)籍管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)閱卷系統(tǒng)、成績(jī)報(bào)表、中考數(shù)據(jù)報(bào)表和雙向細(xì)目表等，開(kāi)展諸如小題、知識(shí)點(diǎn)和學(xué)科能力等方面指標(biāo)分析。

經(jīng)驗(yàn)與反思

大數(shù)據(jù)智慧云平臺(tái)對(duì)應(yīng)用整合和數(shù)據(jù)整合的要求很高，從規(guī)劃階段開(kāi)始就應(yīng)高度重視使用國(guó)家教育行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和各種接口的完備性與規(guī)范性，并貫徹始終。應(yīng)用軟件在整合到應(yīng)用市場(chǎng)前，至少提出三個(gè)技術(shù)要求：（1）按照云平臺(tái)提供的接口進(jìn)行整合；（2）落實(shí)提取的數(shù)據(jù)內(nèi)容，遵循現(xiàn)有的教育行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；（3）提供抽取數(shù)據(jù)的API接口。

云平臺(tái)雖然采用了松耦合的架構(gòu)，對(duì)部署方式兼容性較好，但教育數(shù)據(jù)中諸多信息涉及個(gè)人和機(jī)構(gòu)的隱私，如學(xué)生學(xué)籍、用戶(hù)身份、組織架構(gòu)和公文數(shù)據(jù)等，涉及此類(lèi)信息的應(yīng)用系統(tǒng)都應(yīng)部署在由教育主管機(jī)構(gòu)所管理的數(shù)據(jù)中心，遵守國(guó)內(nèi)隱私保護(hù)和信息安全方面的法律法規(guī)，禁止互聯(lián)網(wǎng)云應(yīng)用調(diào)用和存儲(chǔ)，保密隱私數(shù)據(jù)。

云平臺(tái)服務(wù)于智慧校園，最終需要學(xué)校信息技術(shù)人員去部署、培訓(xùn)和使用，他們的專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平直接關(guān)乎平臺(tái)的整合能力和應(yīng)用水平，培養(yǎng)和維系這樣一支骨干團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)作為這個(gè)系統(tǒng)工程的一個(gè)重要項(xiàng)目來(lái)對(duì)待。