基于操作系統(tǒng)思想的智慧校園架構(gòu)設(shè)計

張華

摘 ? 要：為推動教育信息化發(fā)展，高校不斷推進智慧校園建設(shè)?；诓煌砟詈屠斫?，各學校智慧校園建設(shè)的模式、架構(gòu)差異較大。文章根據(jù)操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的地位和作用，借鑒操作系統(tǒng)的思想，提出了智慧校園的一種新型簡易架構(gòu)，并說明了架構(gòu)中重要的模塊及其相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞：智慧校園;架構(gòu);智慧校園操作系統(tǒng)

中圖分類號：G434 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2020）05-0082-04

一、引言

國家站在教育現(xiàn)代化的高度強力推進教育信息化的建設(shè)?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》強調(diào)“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并把教育信息化納入國家信息化發(fā)展整體戰(zhàn)略?！督逃畔⒒臧l(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》《教育信息化2.0行動計劃》等文件中反復提及的教育信息化核心理念就是“現(xiàn)代信息技術(shù)與教育的全面深度融合”。教育的一種實體組織“高?！币话阃ㄟ^“智慧校園”建設(shè)來推進教育信息化，高校智慧校園成為教育信息化的有機載體之一[1]。

二、智慧校園的內(nèi)涵

1.智慧校園概念

“智慧校園”的概念來自于“智慧地球”。[2]從本世紀初開始有學者提出“智慧校園”的概念和設(shè)計[3]，智慧校園很快被學界和高校界接受。智慧校園作為數(shù)字校園發(fā)展的趨勢[2]，理論研究和建設(shè)實踐快速發(fā)展，但在其概念和內(nèi)涵上并未有明確的統(tǒng)一定義。對智慧校園的認識往往會受信息技術(shù)的熱點、研究者的學科背景和實踐者的工作重點等影響較大。

不同學者提出了智慧校園建設(shè)的不同視角：有的基于網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云網(wǎng)絡(luò)、云計算、教育云、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)來構(gòu)建智慧校園;有的從智慧教育、智慧學習等服務(wù)理念來構(gòu)建智慧校園;有的遵從“互聯(lián)網(wǎng)+”、SOA（面向服務(wù)）等建設(shè)思想來構(gòu)建智慧校園。一個普遍的認識就是智慧校園作為數(shù)字校園的更高階段，在技術(shù)層面有共同和繼承之處，關(guān)鍵在于“與數(shù)字校園主要注重管理信息化相比，智慧校園更加重視信息技術(shù)與人才培養(yǎng)、科學研究和社會服務(wù)的深度融合”，“在智慧校園建設(shè)階段，高校信息化由管理信息化發(fā)展為業(yè)務(wù)全面信息化”[4]。綜合來看智慧校園建設(shè)就是以實現(xiàn)信息技術(shù)與教育教學的深度融合為目標，以信息化軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)能力建設(shè)為重點，逐步實現(xiàn)校園全業(yè)務(wù)信息化的過程。

2.智慧校園模型

基于不同的思想認識和技術(shù)側(cè)重，大家也分別提出了對應的智慧校園的體系架構(gòu)，形成常見的“幾橫幾縱”的架構(gòu)模型。在橫向上因為劃分標準和粒度不同，模型有細微差異，但常見的劃分為5層，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應用層、服務(wù)層[5];在縱向上一般為運維與安全體系和信息標準與規(guī)范體系。

3.智慧校園困境

雖然大家對智慧校園的架構(gòu)做了分層，但是學校在具體建設(shè)時由于學?，F(xiàn)實基礎(chǔ)、建設(shè)理念和商業(yè)化產(chǎn)品成熟度等原因建設(shè)路徑差異很大，相對來講信息化建設(shè)職能部門更偏重基礎(chǔ)設(shè)施和應用系統(tǒng)建設(shè)。在基礎(chǔ)設(shè)施方面有校園有線及無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、機房數(shù)據(jù)中心、智慧教室等。在應用系統(tǒng)建設(shè)方面根據(jù)業(yè)務(wù)職能部門的要求，建設(shè)管理信息系統(tǒng)（Management Information System，MIS）。為更好地服務(wù)用戶，也會在MIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建設(shè)服務(wù)性系統(tǒng)或應用。應客觀地看到，應用系統(tǒng)往往根據(jù)其內(nèi)部業(yè)務(wù)要求進行建設(shè)，對外部邏輯關(guān)系沒有做很好的劃分和協(xié)同，系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)聚度高，而系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)度低，導致了常被提及的數(shù)據(jù)層面的信息孤島問題，在業(yè)務(wù)層面也是各自為陣，不能通過業(yè)務(wù)協(xié)同解決用戶的信息化需求。為部分解決信息孤島和數(shù)據(jù)互通的問題，各高校紛紛建設(shè)了三大平臺，即門戶、統(tǒng)一身份認證、共享數(shù)據(jù)庫。但是智慧校園中新建系統(tǒng)難、共享共用少、用戶體驗差、基本能力弱等問題始終存在。近年來高校以“數(shù)據(jù)”為核心來構(gòu)建智慧校園，圍繞數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、治理、流動、共享、開放、標準來完善基礎(chǔ)設(shè)施并利用大數(shù)據(jù)的理念重構(gòu)管理服務(wù)應用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)固然是智慧校園體系的核心內(nèi)容之一，但數(shù)據(jù)質(zhì)量的改善和流動并不能帶動應用系統(tǒng)質(zhì)量的整體提升。高校中可用、能用、好用的系統(tǒng)依然很少，能相互協(xié)同并滲透到各項業(yè)務(wù)和工作的更少。

智慧校園建設(shè)是系統(tǒng)工程，如何進一步整合資源、理順各層邏輯關(guān)系，對各部分的組成進行整體設(shè)計，更細粒度地描述技術(shù)元素所包含的技術(shù)細節(jié)和實現(xiàn)思路 [4]，提升智慧校園的基本能力和公共能力并建立相應的規(guī)范和標準，成為需要重點考慮的問題。針對現(xiàn)有智慧校園建設(shè)中的層與層之間脫節(jié)、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間分割的情況，根據(jù)筆者實踐，參照操作系統(tǒng)（Operating System，OS）的特性，可基于操作系統(tǒng)的思想來設(shè)計智慧校園。

三、操作系統(tǒng)思想

1.操作系統(tǒng)特征

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成。操作系統(tǒng)是在計算機硬件越來越復雜和更強大之后，為了更好地管理和使用硬件資源而出現(xiàn)的。我們知道，用戶如果要通過計算機系統(tǒng)做某項工作，則應該準備好硬件電腦，在電腦上安裝操作系統(tǒng)，基于操作系統(tǒng)環(huán)境利用編程語言等工具軟件開發(fā)應用系統(tǒng)，用戶通過應用系統(tǒng)實現(xiàn)需要的功能，只是這些軟硬件并不總是需要用戶自行生產(chǎn)。所以操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，管理和控制計算機系統(tǒng)中的硬件及軟件資源，合理地組織計算機工作流程，提供強大和可擴展的環(huán)境，為其他軟件提供支持，并作為人機界面方便用戶使用計算機[6-7]。操作系統(tǒng)作用主要表現(xiàn)在：一是作為計算機資源的管理員，方便用戶或應用系統(tǒng)共享資源;二是通過用戶接口為用戶提供服務(wù)，方便用戶使用計算機系統(tǒng);三是為計算機系統(tǒng)的功能擴展提供支撐平臺，易于追加新服務(wù)和功能而不影響原有服務(wù)和功能[6]。百度百科定義：操作系統(tǒng)是管理計算機硬件與軟件資源的計算機程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內(nèi)核與基石。操作系統(tǒng)也提供一個讓用戶與系統(tǒng)交互的操作界面[8]。

2.操作系統(tǒng)思想

據(jù)此，計算機系統(tǒng)架構(gòu)體系大致分為三層：硬件層、操作系統(tǒng)層、應用系統(tǒng)層。操作系統(tǒng)是位于硬件之上、應用系統(tǒng)之下的系統(tǒng)軟件，可以幫助應用系統(tǒng)高效地利用硬件資源，是用戶與硬件之間的接口。操作系統(tǒng)提供圖形用戶界面給用戶，提供系統(tǒng)調(diào)用接口給應用系統(tǒng)。圖1為計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖。

忽略操作系統(tǒng)的具體功能，操作系統(tǒng)思想的基本特征就是對整個系統(tǒng)進行合理分層，可分為資源層、操作系統(tǒng)層和應用層，每一層都為上一層提供基本能力，重復性的功能集中到操作系統(tǒng)層。操作系統(tǒng)層通過其自身能力在用戶層和資源層之間提供用戶界面，方便用戶使用軟硬件資源;同時也為應用系統(tǒng)的開發(fā)提供必要的公共組件，應用系統(tǒng)在開發(fā)程序的時候不必重復建設(shè)各系統(tǒng)都可共用的部分，只需聚焦自身的業(yè)務(wù)功能;還以接口對接、資源呈現(xiàn)形式等確定使用或開發(fā)的規(guī)范和標準。

四、基于操作系統(tǒng)思想的智慧校園架構(gòu)

1.智慧校園架構(gòu)

基于操作系統(tǒng)思想的智慧校園架構(gòu)可分為三層，分別是資源層、校園OS層、應用系統(tǒng)層，如圖2所示。

資源層：包括校園基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（含有線網(wǎng)和無線網(wǎng)）、機房數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)、智慧教室、智能設(shè)備及終端等一切具有實體化硬件性質(zhì)的信息化相關(guān)資源。硬件資源具有物理空間載體、計算、存儲、感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、人機交互等功能，是智慧校園的基石，是其他各層的基礎(chǔ)，可以協(xié)助完成人和物的數(shù)字化、虛擬化，完成數(shù)據(jù)的存儲、傳輸、共享，完成信息或業(yè)務(wù)的計算、加工、處理，完成信息化服務(wù)的提供與交互等。硬件資源的豐富性和能力決定了智慧校園的整體性能。

校園OS層：首先要為用戶提供可視化使用智慧校園各項功能和資源的接口，即圖形用戶界面。其次要為應用系統(tǒng)建設(shè)提供系統(tǒng)調(diào)用接口，系統(tǒng)調(diào)用接口就是把常用的智慧校園公共功能封裝成公共組件或公共系統(tǒng)，完成重復性工作的集中化，應用系統(tǒng)在建設(shè)時對已經(jīng)提供的公共組件或公共系統(tǒng)的功能不再重復開發(fā)，直接通過應用程序編程接口（API）調(diào)用。通過用戶交互方式、接口對接規(guī)范等確定智慧校園的建設(shè)標準。

應用系統(tǒng)層：包括智慧校園中所有的應用系統(tǒng)。傳統(tǒng)上一般根據(jù)服務(wù)的對象劃分為管理系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)，并把兩者對立起來。其實不管是校園管理者還是普通師生都是各種系統(tǒng)的使用者，從這個角度來說，所有系統(tǒng)都是為了完成某一項功能的應用系統(tǒng)。應用系統(tǒng)利用操作系統(tǒng)層的能力并根據(jù)相關(guān)標準進行開發(fā)，系統(tǒng)之間也按照規(guī)范進行功能協(xié)同，并以統(tǒng)一形式提供給用戶使用。應用系統(tǒng)也包含開發(fā)應用系統(tǒng)的編程語言、開發(fā)框架等工具類系統(tǒng)。

2.智慧校園操作系統(tǒng)

在基于操作系統(tǒng)思想的智慧校園設(shè)計中，智慧校園操作系統(tǒng)是整個智慧校園體系的核心和關(guān)鍵。智慧校園操作系統(tǒng)應該重點做好如下幾個方面。

一是校園信息門戶。信息門戶是將各種信息資源進行整合，通過單一的入口，為用戶提供訪問各種應用和信息的服務(wù)[9]。校園信息門戶就是校園OS圖形用戶界面，用戶以校園信息門戶為入口使用智慧校園一切軟硬件資源。用戶所用資源主要有三類：一是應用類，信息門戶應允許用系統(tǒng)將鏈接URL（Uniform Resource Locator，統(tǒng)一資源定位符）和程序圖標按照一定的方式集成在界面中，便于用戶訪問;二是文字信息類，在校園應用中有大量資訊類信息，信息門戶也需要將多源的文字信息按照統(tǒng)一方式組織起來供用戶訂閱和閱讀;三是消息類，用戶在使用資源和服務(wù)過程中產(chǎn)生的過程性、結(jié)果性消息統(tǒng)一反饋給用戶。

隨著手機等智能移動終端的普及，校園信息門戶除了桌面版外還需要支持移動版。可以采用H5技術(shù)實現(xiàn)多終端適配，并在后端管理上實現(xiàn)一體化，一次設(shè)置或配置不同終端同時生效，避免重復設(shè)置，確保用戶體驗的一致性。

二是統(tǒng)一賬號。賬號是生物用戶在智慧校園虛擬世界中的數(shù)字化表達，是身份標識號碼。以前賬號都是各應用系統(tǒng)自行生成并管理維護，也導致了系統(tǒng)之間無法互通與協(xié)同。校園OS應提供一套本校范圍內(nèi)的賬號生成、管理規(guī)則，所有應用系統(tǒng)的賬號必須是統(tǒng)一賬號的子集，賬號在各系統(tǒng)中通用。校園OS同時可根據(jù)CAS、OAuth2.0等協(xié)議提供用戶授權(quán)、統(tǒng)一身份認證、單點登錄等功能。

三是公共組件和公共系統(tǒng)。在傳統(tǒng)智慧校園建設(shè)過程中，由于缺乏操作系統(tǒng)層的支撐，每一個應用系統(tǒng)必須獨立開發(fā)所有需要用到的功能，在保持其獨立性和完整性的同時，會重復建設(shè)一些功能，如通知公告、消息、日程、支付等。這些重復建設(shè)的功能在不同系統(tǒng)中的界面、交互、后臺管理、性能等各不相同，差異很大，不管是后端管理還是前端用戶使用都非常復雜。可按照“大平臺、小應用”模式將各應用系統(tǒng)中的共性功能剝離出來，建設(shè)獨立的公共組件和公共系統(tǒng)，并納入智慧校園操作系統(tǒng)層管理。公共組件和公共系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的基本能力，通過API接口的方式供應用系統(tǒng)調(diào)用。這樣操作系統(tǒng)和應用系統(tǒng)各自分工，在功能層面適度解耦，減化了應用系統(tǒng)的功能，降低了應用系統(tǒng)的復雜度，提升了應用系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，公共組件和公共系統(tǒng)更新升級或替換時應用系統(tǒng)也無需跟著變動。

在智慧校園范圍內(nèi)，公共組件和公共系統(tǒng)一般可包含但不限于數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)交換、組織機構(gòu)、統(tǒng)一賬號、統(tǒng)一認證、統(tǒng)一支付、統(tǒng)一日程、統(tǒng)一消息、積分聚合、天氣預報、活動簽到、流程引擎、物聯(lián)感知等。

四是系統(tǒng)對接和內(nèi)容組織標準。智慧校園應用系統(tǒng)的建設(shè)責任單位各不相同，應用場景千差萬別，系統(tǒng)開發(fā)承建單位能力參差不齊，必須要確定系統(tǒng)對接、內(nèi)容組織的統(tǒng)一標準。根據(jù)統(tǒng)一標準各系統(tǒng)功能模塊才能與公共組件互通，各系統(tǒng)之間才能相互配合，完成智慧校園中各種業(yè)務(wù)需求，并按照統(tǒng)一的模式與用戶交互，使用戶體檢最佳。要強制各應用系統(tǒng)不得重復開發(fā)校園OS已有的公共組件，在接口對接或功能協(xié)同時必須遵循已有規(guī)范和標準，盡可能減少不必要的個性化定制。

五是網(wǎng)絡(luò)安全防護。在網(wǎng)絡(luò)安全越來越重要的當下，校園OS可按照第三級等級保護的要求，在網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)中心出口、流量監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫防護、系統(tǒng)代碼檢測、漏洞掃描、病毒掃殺等方面，通過規(guī)范的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)和完備的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施設(shè)備為各應用系統(tǒng)提供基本和通用的網(wǎng)絡(luò)安全防護和保護。

五、結(jié)束語

基于操作系統(tǒng)思想的智慧校園架構(gòu)層次清晰、內(nèi)容分工明確，易于建設(shè)，其對應用系統(tǒng)做了適度解耦，避免了重復建設(shè)，也確立了建設(shè)標準，智慧校園的框架和基本能力大幅提升，系統(tǒng)性能也更加穩(wěn)健。但是智慧校園建設(shè)是一項長期性的系統(tǒng)工程，除了在技術(shù)層面不斷優(yōu)化提升，還應該進一步整合硬件資源、操作系統(tǒng)、應用系統(tǒng)、建設(shè)單位、合作伙伴、用戶等，打造以智慧校園OS為核心的智慧校園生態(tài)。良好的智慧校園生態(tài)才能確保智慧校園持續(xù)迭代優(yōu)化，為用戶創(chuàng)造更多的信息化價值。

參考文獻：

[1]李有增，周全，釗劍.關(guān)于高校智慧校園建設(shè)的若干思考[J].中國電化教育，2018（1）：112-117.

[2]黃榮懷，張進寶，胡永斌，楊俊鋒.智慧校園：數(shù)字校園發(fā)展的必然趨勢[J].開放教育研究，2012（4）：12-17.

[3]宗平，朱洪波，黃剛，許建真.智慧校園設(shè)計方法的研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2010（4）：4-5.

[4]蔣東興，付小龍，袁芳，蔣磊宏.高校智慧校園技術(shù)參考模型設(shè)計[J].中國電化教育，2016（9）：108-114.

[5]王燕.智慧校園建設(shè)總體架構(gòu)模型及典型應用分析[J].中國電化教育，2014（9）：88-92.

[6]張堯?qū)W，史美林.計算機操作系統(tǒng)教程（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2000：1-2.

[7]蘇慶剛.操作系統(tǒng)原理與應用教程[M].上海：上海交通大學出版社，2012：1-2.

[8]百度百科.操作系統(tǒng)[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/操作系統(tǒng)/192.

[9]王猛.關(guān)于高校信息門戶建設(shè)的技術(shù)與方案探析[J].上海金融學院學報，2005（6）：64-67.

（編輯：王曉明）