高校智慧校園系統(tǒng)軟件開發(fā)與實現(xiàn)

楊嬌嬌

（湖北國土資源職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢 430090）

0 引言

智慧校園建設(shè)已經(jīng)發(fā)展成為目前學(xué)校管理信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重要步驟。目前高校智慧校園建設(shè)還處在由多媒體化向數(shù)字化過渡的階段，很多校園里教室的配置還處于“三機一幕”的“老三樣”階段，校園信息化的水平較低，呈現(xiàn)出“重硬件、輕軟件”的特點。因此，智慧校園軟件方面的投入變得越來越重要，以人為本、面向服務(wù)、信息互通、數(shù)據(jù)共享是智慧校園軟件平臺建設(shè)中深入人心的建設(shè)目標(biāo)和理念。高校的校園系統(tǒng)大多有教學(xué)管理平臺類系統(tǒng)、在線教學(xué)平臺類系統(tǒng)、在線考核平臺類系統(tǒng)、教學(xué)輔助平臺類系統(tǒng)等四大類系統(tǒng)平臺，用以滿足整個教學(xué)管理和廣大師生的校園生活的數(shù)字化。然而在各個系統(tǒng)的建設(shè)過程中，各個系統(tǒng)的技術(shù)路線不同，開放的接口不同，數(shù)據(jù)孤島的現(xiàn)象嚴(yán)重，每個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合交換、信息資源的融合展示等都存在不少的障礙，高校各個崗位對數(shù)據(jù)驅(qū)動的理解不盡相同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧校園從管理層面的支撐能力不強。因此需要建立數(shù)據(jù)共享中心平臺，統(tǒng)一地進行數(shù)據(jù)的交換和集成，是數(shù)據(jù)分析利用展示的重要基礎(chǔ)，建立數(shù)據(jù)清洗和整合平臺對四大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行清洗和整合，業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨立，互不影響，通過開放統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口提供經(jīng)數(shù)據(jù)整合平臺清洗后的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)共享平臺，建立用戶管理和統(tǒng)一身份認(rèn)證的平臺，對各類應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的身份認(rèn)證服務(wù)，提高智慧校園系統(tǒng)的安全性，通過對學(xué)校的用戶進行統(tǒng)一的認(rèn)證和授權(quán)，防止重復(fù)的資源消耗，并通過整合的門戶網(wǎng)站，為各種用戶配置個性化服務(wù)；通過建設(shè)基于共享數(shù)據(jù)中心的平臺，把各個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)整合起來，實現(xiàn)“智能”的信息化建設(shè)；以教師與學(xué)生角色為主線，開展全方位的人事、教學(xué)和學(xué)工工作；通過科研、設(shè)備資產(chǎn)、財務(wù)經(jīng)費等綜合性的咨詢服務(wù)，提供主題導(dǎo)向、多維度的問卷調(diào)查及個人化的問卷調(diào)查。并綜合運用數(shù)據(jù)進行分析，為領(lǐng)導(dǎo)做出科學(xué)的決策提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 數(shù)據(jù)共享中心平臺

高校的數(shù)據(jù)由于是根據(jù)多個系統(tǒng)的不同規(guī)范來存儲的，從各個系統(tǒng)獲取的元數(shù)據(jù)并不具有唯一性和可操作性，因此在學(xué)院之間進行數(shù)據(jù)的交換和統(tǒng)計分析時，往往會出現(xiàn)一些冗余的數(shù)據(jù)。為了進一步的分析需要根據(jù)各自的截取信息規(guī)范地將其轉(zhuǎn)化為有效的信息，這就造成了各學(xué)院間都缺少一系列基本的數(shù)據(jù)規(guī)范，很難建立起支撐決策的信息庫；統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范，有助于各個學(xué)院的信息分享與統(tǒng)一，避免因數(shù)據(jù)不足而造成的沖突。數(shù)據(jù)共享中心平臺分為共享更新數(shù)據(jù)子模塊、分配更新權(quán)限子模塊、訪問獲取數(shù)據(jù)子模塊三大部分。共享更新數(shù)據(jù)子模塊的主要功能是將各個不同的應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上傳到校園云平臺中，同時更新數(shù)據(jù)的狀態(tài)；分配更新權(quán)限子模塊的主要作用是指定對應(yīng)的用戶不同的數(shù)據(jù)共享和訪問權(quán)限，保障數(shù)據(jù)的安全性；訪問和獲取數(shù)據(jù)子模塊的主要作用是對已經(jīng)授權(quán)的用戶開放數(shù)據(jù)訪問的權(quán)限，允許用戶獲取查詢到的數(shù)據(jù)，可以通過下載到本地使用。

1.2 數(shù)據(jù)清洗整合平臺

高校智慧校園系統(tǒng)需要經(jīng)過數(shù)據(jù)倉儲技術(shù)（extracttransform-load,ETL）[1]，抽取、轉(zhuǎn)換、加載到數(shù)據(jù)共享中心平臺，才能對統(tǒng)一的規(guī)范的數(shù)據(jù)進行分析和處理。數(shù)據(jù)清洗整合平臺的作用即是對多個應(yīng)用子系統(tǒng)里不同的存儲標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，處理掉臟數(shù)據(jù)。該平臺的主要功能是根據(jù)教育部最新公布的資料規(guī)范，對各種不同的量綱資料進行標(biāo)識、分類編碼、含義、表達(dá)形式等各要素的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一，并形成標(biāo)準(zhǔn)的智慧校園共享數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫的主鍵最好是無意義的，統(tǒng)一由auto-increment 字段生成整形數(shù)據(jù)，不建議使用組合主鍵。若要達(dá)到唯一性限制的效果，不要創(chuàng)建unique index，必須顯示創(chuàng)建普通索引和約束（pk 或uk），即先創(chuàng)建一個以約束名命名的普通索引，然后創(chuàng)建一個約束，用using index ...指定索引。當(dāng)刪除約束的時候，為了確保不影響到它，最好加上keep index 參數(shù)。主鍵的內(nèi)容不建議被頻繁地修改。外鍵約束一般不在數(shù)據(jù)庫上創(chuàng)建，只表達(dá)一個邏輯的概念，由系統(tǒng)進行控制。當(dāng)萬不得已必須使用外健的話，必須在外健列創(chuàng)建索引?？傊瑪?shù)據(jù)清洗整合平臺是智慧校園建設(shè)開發(fā)中的最基礎(chǔ)的平臺之一。

1.3 統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺

統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺的作用是用戶在其中的某個系統(tǒng)中登錄后，可以直接進入其他系統(tǒng)，或者查看其他系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表單，無須在登錄界面登錄，或者使用驗證用戶名和密碼登錄，不用其他的系統(tǒng)進行驗證?？紤]到默認(rèn)的轉(zhuǎn)換、同步、認(rèn)證規(guī)則不能滿足所有需求，所以在此三個環(huán)節(jié)均設(shè)計有擴展點，可由具體的需求進行擴展，以實現(xiàn)更多功能。轉(zhuǎn)換器：擴展每個身份認(rèn)證條目到身份的轉(zhuǎn)換規(guī)則，比如更改某個屬性的轉(zhuǎn)換規(guī)則。同步器：擴展從身份認(rèn)證轉(zhuǎn)換后的身份寫入到系統(tǒng)中的過程中的規(guī)則，比如更改同步規(guī)則，強制覆蓋原有的同名用戶。認(rèn)證器：此選項供開發(fā)服務(wù)擴展身份認(rèn)證用戶的認(rèn)證規(guī)則，比如實現(xiàn)一些特殊的加密認(rèn)證方法。統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺主要進行統(tǒng)一身份權(quán)限管理，對新舊業(yè)務(wù)系統(tǒng)的認(rèn)證接口集成，統(tǒng)一管理在此平臺中，并可以靈活地擴展。

1.4 統(tǒng)一信息門戶平臺

統(tǒng)一信息門戶平臺本質(zhì)上是面向校內(nèi)外的信息服務(wù)網(wǎng)站，對社會公眾和校內(nèi)師生提供不同的信息服務(wù)，及時地發(fā)布高校的各類信息，另外可以提供相應(yīng)的各類校園信息管理系統(tǒng)的快捷入口。每類用戶的角色是多對多的關(guān)系，且自身可以對統(tǒng)一信息門戶的不同快捷入口進行定制化的排序和起別名，十分的靈活，實現(xiàn)時需要針對這類靈活的需求做特殊的設(shè)計。

信息門戶主要分為外部網(wǎng)站和內(nèi)部個性化門戶，主要有教學(xué)和學(xué)生培養(yǎng)的門戶、科研的門戶、人事管理的門戶、資產(chǎn)管理的門戶、財務(wù)管理的門戶、行政事務(wù)管理的門戶、黨政事務(wù)管理的門戶和服務(wù)資源管理的門戶。

1.5 綜合信息查詢平臺

綜合信息查詢平臺內(nèi)置的分析主題為課程質(zhì)量整體監(jiān)測主題和學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)警主題，其余的主題需要高校進一步使用數(shù)據(jù)共享中心平臺開發(fā)，這兩個主題都是面向?qū)W校負(fù)責(zé)教務(wù)管理層，課程質(zhì)量整體監(jiān)測是對課程及教學(xué)任務(wù)繁雜，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)難以對各院系教學(xué)任務(wù)、教學(xué)工作量、上課率以及線上課程質(zhì)量整體監(jiān)測，對于課程質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)（學(xué)生、教師或課程本身）難以及時制定相關(guān)策略指導(dǎo)改進的分析主題；學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)警是從學(xué)生成績、出勤、圖書館使用情況及超市消費情況出發(fā)，構(gòu)建起全方位學(xué)業(yè)預(yù)警體系并梳理核心指標(biāo)及分析維度，打通各系統(tǒng)數(shù)據(jù)建模，以專業(yè)、班級、學(xué)生及課程為維度，從學(xué)院整體角度對學(xué)生掛科情況進行整體分析、對比分析的主題。

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

高校智慧校園系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用成熟度高的J2EE[2]的經(jīng)典架構(gòu)，數(shù)據(jù)共享中心、數(shù)據(jù)清洗整合、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一信息門戶和綜合信息查詢都是數(shù)據(jù)驅(qū)動模式下的數(shù)據(jù)應(yīng)用層，其可以完成數(shù)據(jù)共享中心、數(shù)據(jù)清洗整合、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一信息門戶、信息查詢實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的高校信息化管理。數(shù)據(jù)服務(wù)層為數(shù)據(jù)應(yīng)用層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，它們之間的接口使用統(tǒng)一的API 網(wǎng)關(guān)來提供數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)存儲層為數(shù)據(jù)服務(wù)層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，數(shù)據(jù)存儲主要分為鍵值對緩存和持久化存儲，數(shù)據(jù)采集層為數(shù)據(jù)存儲層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集服務(wù)，數(shù)據(jù)采集的方式一部分是手工的導(dǎo)入、一部分來自各個應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，還有的是數(shù)據(jù)清洗平臺設(shè)置好的按定制化的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約轉(zhuǎn)換的硬件平臺的數(shù)據(jù)。整個高校智慧校園系統(tǒng)軟件的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高校智慧校園系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

從圖1中可以看出，系統(tǒng)的每一層間都使用相對成熟的技術(shù)棧，數(shù)據(jù)采集層使用的是TCP/UDP、HTTP/HTTPS為數(shù)據(jù)存儲層提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)層使用的是J2EE 中的JDBC[3]接口從數(shù)據(jù)存儲層中獲取結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務(wù)層采用Spring Cloud Gateway 和Nginx 作用統(tǒng)一的API網(wǎng)關(guān)為數(shù)據(jù)應(yīng)用層提供Rest、JSON、Websocket 類的格式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)應(yīng)用層利用這些數(shù)據(jù)可以在PC、大屏和移動端展示各類信息，并提供數(shù)據(jù)共享中心、數(shù)據(jù)清洗整合、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一信息門戶和綜合信息查詢的數(shù)據(jù)應(yīng)用。整個架構(gòu)分層處理軟件從數(shù)據(jù)到展示的每個階段各自互不影響，做到了較高的靈活性和擴展性。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

數(shù)據(jù)共享中心平臺由共享更新數(shù)據(jù)、分配更新權(quán)限、訪問獲取數(shù)據(jù)三大子模塊組成。共享更新數(shù)據(jù)模塊開發(fā)采用WebService[4]標(biāo)準(zhǔn)，為信息采集提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，支持xml 三方系統(tǒng)的導(dǎo)入，分配更新權(quán)限使用RBAC[5]的模式簡單地分配用戶的權(quán)限，其中關(guān)鍵的表的設(shè)計如圖2所示。

圖2 權(quán)限表設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

訪問獲取數(shù)據(jù)子模塊比較簡單，如果授權(quán)通過將利用Shiro 的兩個相關(guān)的java 注解@RequiresRoles 和@RequiresPermissions 使當(dāng)前用戶具有訪問的權(quán)限。

數(shù)據(jù)清洗整合平臺主要使用Oracle Data Integrator作為清洗整合各個應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它可以支持幾乎所有的RDBMS 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)清洗并提供web service 接口和系統(tǒng)的其他的模塊數(shù)據(jù)的接入傳輸。

統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺由認(rèn)證管理、權(quán)限管理子模塊組成。統(tǒng)一身份管理和統(tǒng)一身份認(rèn)證是相輔相成的子模塊，可以視為一個模塊，使用Shiro 框架做統(tǒng)一身份管理和統(tǒng)一身份認(rèn)證，各個應(yīng)用系統(tǒng)均需要重寫各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的身份認(rèn)證的方法，即重寫AuthenticatingRealm 中的方法doGetAuthenticationInfo，滿足單點登錄；統(tǒng)一權(quán)限管理也是使用Shiro 框架，重寫AuthorizingRealm 中的方法doGetAuthorizationInfo 對各個用戶進行細(xì)粒度的授權(quán)。

統(tǒng)一信息門戶平臺使用SSL 協(xié)議、虛擬網(wǎng)關(guān)等提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕總€用戶的VPN 都可以訪問統(tǒng)一的信息門戶的校內(nèi)網(wǎng)，由于使用J2EE 的成熟架構(gòu)，用戶可以使用任何支持html5 的終端設(shè)備訪問內(nèi)外網(wǎng)的資源。

綜合信息查詢平臺內(nèi)置的主題為課程質(zhì)量整體監(jiān)測和學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)警主題，課程質(zhì)量整體監(jiān)測以院系、專業(yè)、課程、教師為維度，構(gòu)建教學(xué)任務(wù)課程安排的核心指標(biāo)：上課率、教學(xué)工作量、學(xué)生實習(xí)情況及線上課程質(zhì)量分子主題展示，實現(xiàn)課堂教學(xué)質(zhì)量全面監(jiān)測。主要的分析表有教學(xué)班一覽表、學(xué)員隊一覽表、教研室一覽表、教師一覽表、專業(yè)一覽表、分級班一覽表、教室利用率、教師上課情況、學(xué)員上課情況、每日教學(xué)運行分析、調(diào)課情況、必修選修實踐技能選修課質(zhì)量分析、到課率等。學(xué)業(yè)狀態(tài)預(yù)警從學(xué)院層面全局監(jiān)控學(xué)生學(xué)業(yè)掛科，對比不同專業(yè)、不同班級、學(xué)生及課程掛科數(shù)據(jù)，分析原因，及時決策，提升學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量，主要的分析表有課程考勤一覽表、學(xué)員考勤一覽表、學(xué)員教師出勤一覽表、學(xué)員單項成績分析、學(xué)員課程達(dá)標(biāo)率、學(xué)員強弱項分析、學(xué)員成績排名分布、學(xué)員平時成績對比分析、學(xué)員理論成績對比分析等。

4 結(jié)語

綜上所述，目前高校信息化建設(shè)大多為單系統(tǒng)分散建設(shè)，缺少互聯(lián)機制，不能進行集中管理，已跟不上高校教學(xué)、管理過程中的實際需求，系統(tǒng)平臺的開放程度較低，按需提供多樣化的服務(wù)能力不足，因此有必要建設(shè)一個新型的智慧校園系統(tǒng)，以滿足高校信息化建設(shè)的需要，本文研究設(shè)計采用成熟度高的J2EE經(jīng)典架構(gòu)的數(shù)據(jù)共享中心、數(shù)據(jù)清洗整合、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一信息門戶和綜合信息查詢?nèi)诤系母咝Ｖ腔坌@系統(tǒng)，整合和優(yōu)化各種高校資源，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)可共享，能夠幫助學(xué)校管理層全方位掌控教務(wù)教學(xué)各環(huán)節(jié)運行狀況，通過數(shù)據(jù)洞察，幫助制定教師評價、學(xué)生學(xué)業(yè)預(yù)警等相關(guān)決策，從而幫助提升辦學(xué)能力及教學(xué)質(zhì)量輸出，教學(xué)管理水平效率和信息化水平得到提升。