数字校园２．０的软硬件架构及系统设计

邵　山

摘 要：目前，数字校园已成为我国高校乃至中小学信息化建设的重点，为真正达到教学与科研数字化、管理信息化、校园无界化，实现高质、高效的师生数字化生活体验的建设目标，本文从数字校园的概念模型出发，探讨了数字校园2.0的软硬件架构及其应用系统的设计与建设。

关键词：数字校园 软硬件架构 系统设计

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1673-8454（2009）05-0021-04

信息技术在学校教学和管理的应用已成为当今教育领域发展的必由之路。随着我国现代教育技术水平的不断提高，各种先进的教学媒体和技术手段已广泛融入到学校的日常教学和管理中。数字校园已成为我国高校乃至中小学信息化建设的重点。目前，数字校园的建设已逐步迈向数字校园2.0时代。

一、数字校园2.0

数字校园概念最早是由美国麻省理工学院在上世纪70年代提出的。1998年1月31日，美国前副总统戈尔（AL GORE）在美国加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球：二十一世纪认识地球的方式（The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century）”的演讲，最先提出“数字地球”的概念。随后“数字校园2.0”的概念也逐步形成。我国较早定义数字校园概念的是北大、清华，以及洪恩等一些IT企业。

北京大学对数字校园的定义是：利用计算机技术、网络技术、通讯技术对学校教学科研和生活服务有关的信息资源进行全面的数字化；并用科学规范的管理对这些信息资源进行整合和集成，以构成统一的用户管理、统一的资源管理和统一的权限控制；把学校建设成面向校园内，也面向社会的一个超越时间、超越空间的虚拟大学。

清华大学沈培华教授为数字校园下的定义是：以网络为基础，利用先进的信息化手段和工具，实现从环境(包括设备、教室等)、资源(如图书、讲义、课件等)到活动(包括教学、管理、服务、办公等)的全部数字化，在传统校园的基础上，构建一个数字空间，拓展现实校园的时间和空间维度，提升传统校园的效率，扩展传统校园的功能，最终实现教育过程的全面信息化，从而达到提高教学质量、科研和管理水平的目的。[1]

新一代数字校园2.0则在原定义的基础上涵盖了三大特点：第一，以用户为核心组织信息资源与服务；第二，以信息资源的开发、共享、利用为目标建设信息系统；第三，以构建与现实校园有机衔接的数字空间为重心。[2]由此可以看出，数字校园2.0应该是面向教师、学生和社会，运用现代信息技术以及各类专业化数字设备，实现学校信息资源的优化配置，形成一个与信息社会同步发展、满足教学、科研和管理需求的数字化学习环境和数字化教学、管理模式。数字校园2.0的概念包含了理念、技术、设备、人员和应用等各种要素的校园智能化系统。建设目标是：教学与科研数字化、管理信息化、校园无界化，实现高质、高效的师生数字化生活体验。

二、数字校园的系统架构

1.数字校园概念模型

数字校园是基于高速计算机多媒体网络的虚拟教学环境，是现实校园空间的延伸和扩展。其系统架构可以形象地表示为一个同心圆形式的层次结构，概念模型如图1所示，共分为五层：

第一层为网络基础层，是数字校园2.0的硬件平台，为所有的应用服务提供可靠的高速数字链路，可存储和传输数据、语音、图像等各种信息。

第二层为基本服务层，是数字校园2.0应用软件基础服务平台，可为具体应用提供网络服务功能，如：网络身份认证、Web服务、邮件服务、FTP服务、流媒体服务等，由专门的服务器和系统软件实现。

第三层为应用层，包含学校内部各种业务应用系统，是数字校园2.0功能的具体实现，由网络教学平台、数字化图书馆、教务信息管理、办公自动化、智能广播、安防监控等分系统组成。

第四层为扩展层，主要是在应用层各系统的基础上扩展信息服务功能，是数字校园高层次应用，如数据挖掘、教学质量评估、决策支持等。

最外层为个性化门户，它是数字校园的总入口，各类用户通过门户进入数字校园，可以获得与其身份相对应的个性化信息与服务。

2.数字校园系统组成

从数字校园的弱电系统建设的具体实施过程来说，一般可划分以下功能子系统：

（１）综合布线系统：符合国际标准，综合了语音、数据、图像和控制信号，具有灵活性、可扩充性和易维护性的，且结构化、模块化的统一布线；

（2）计算机网络系统：各种网络信息服务（WWW、Email、FTP、流媒体），运行网络教学平台、教务与后勤MIS（管理信息系统）、OA（办公自动化）、数字图书馆等应用软件；

（３）校园一卡通系统：统一身份认证、消费现金结算；

（４）多媒体教学系统：多媒体课堂教学、双向教学；

（５）校园智能广播系统：教学区与生活区分区广播、背景音乐、外语听力训练；

（６）安防监控系统：校园安全防护；

（７）语音电话系统：校内语音通讯、家校通；

（８）大屏显示系统：公共信息发布。

各子系统间各自独立又相互关联，共同实现数字校园的各种业务应用。

3.数字校园从1.0到2.0

数字校园2.0与1.0相比，系统的硬件建设并未发生根本的变化，主要是在应用层面上发生的转变。数字校园服务的对象、目的和方法更加明确，更加符合Web2.0的思想。因此，数字校园2.0的设计与建设重点在于其中的应用系统间的相互关联与数据共享。

三、数字校园2.0的系统设计

1.系统功能整体性考虑

数字校园的建设包含大量的计算机硬件设备和各种应用软件。这些设备和软件所组成的应用系统（如一卡通系统、教务管理信息系统）大多是自成一体，独立运作。但在数字校园2.0的总体框架下不应是条块分割的多个系统的简单叠加与组合，而应是一个高度集成，各系统相互关联、相互协同的有机整体。要实现这一目标，必须对系统功能的实现进行统一的整体考虑。以硬件系统的互联为基础，以满足师生具体日常工作学习的业务应用需求为目的，实现各系统的数据共享和功能整合。这主要通过子系统间数据接口的标准化和中间件技术来实现，完整的系统结构如图2所示。

2.系统数据统一性考虑

要实现数字校园2.0智能化系统的各种功能的协同工作，有机结合，首先要求数据具备统一性，只有规范了统一的数据结构、数据格式和接口标准，各系统间才能在需要时方便地进行数据交换和共享。目前，在系统功能的实现上，一般的做法是各个子系统由多个供应商分别设计施工，最后由集成商统一协调实现。可以想象，这种做法独立地看各子系统，都能基本达到应用功能需求，子系统供应商也可根据学校的具体情况不断更新和升级自己的系统，但他们不会也不可能考虑到本系统与其他系统的数据交换和数据共享，最多也只能做一些数据导入、导出工作，系统间基本处于各自为政的状态。在当今教育教学理念不断更新的今天，这种现状亟待改变。从学校应用的角度考虑，在建立完善的、性能优良的校园计算机网络硬件平台的同时，也应该在学校教学、教务、管理、办公、后勤、服务等所有应用中建立和使用统一的数据平台。其具体的设计思想是：利用一卡通已有的安全性较高的卡务数据库，建立校园内的所有人员（包括教师、学生、教务、管理人员、后勤服务人员等）的身份认证数据库，运用轻量级目录访问协议（LDAP）实现数字校园的统一身份认证，对其他应用系统软件的用户管理功能模块进行简单的修改或二次开发，与校园一卡通数据库挂接。[3] 将一卡通的应用从一般意义上的后勤消费、考勤、门禁拓展到教务、办公、学籍、教学、考试等学校日常的各个领域中去，真正实现“一卡在手，走遍校园”。同时，整合教务管理数据库、教学资源数据库、办公信息数据库、网络管理数据库，建立学校统一的数据中心，各系统数据集中管理，并根据需要建立相关联接，保证应用系统间的数据共享和同步。这个设计方案从技术上讲有一定难度，实现起来也比原来分系统独立设计复杂许多，但为学校教育现代化建设带来的将是质的飞越，对于提高学校教学质量和管理水平，进一步完善教育体系起到决定性的作用。

3．系统易用性考虑

完善的数字校园2.0智能化系统将为学校师生建立起一个数字化的工作学习环境，涵盖了学校各种日常事务，因此，为师生提供方便易用的操作方法是必须重视的问题，具体可归结为：

（1）建立以一卡通为核心的身份认证和电子钱包系统，确保校园内一人一卡，自动完成各应用系统间的数据传递和同步，所有系统共用一个认证。

（2）学校内网、外网、专网互联互通，充分发挥网络优势，让学校师生不管是在校内还是校外，都能方便地利用网络工作和学习。

（3）应用系统尽可能以B/S方式开发，客户端无需安装，只需用标准的网络浏览器即可访问。

（4）应用系统用户界面可进行个性设置，用户可根据自己的实际需要和喜好自定义画面内容、组织结构和主题。

4．系统安全性考虑

当人类步入信息社会、网络社会的时候，校园也必将成为整个信息社会的一部分，校园中用于教学、管理、学习的计算机也成为局域网、Internet网的一部分，在享受网络带给我们的诸多便捷的同时，一些令人头痛的病毒、黑客攻击和不健康内容也随之而来。建立起一套完整的网络安全防护体系，保证学校应用系统安全稳定运行，确保其中与教学管理相关的信息和与师生切身利益相关的金融信息不被外界非法访问和黑客攻击是整个系统设计的重中之重。不管是硬件选型、软件规划还是各应用业务的联接和数据传输，都应充分考虑系统安全防范措施。在保证应用功能实现和网络速度的基础上，通过加装防火墙、设置代理和路由规则、实时监测网络数据包、包过滤、根据应用功能合理划分虚拟子网、用户分级权限管理、SSL认证、数据实时备份等一系列手段，最大限度建立一道道防线，确保学校重点部门应用系统的运行安全和数据安全。具体的思路和措施是：

（1）校园与Internet网通过防火墙隔离，确保从外部无法访问校内核心服务器物理地址。

（2）师生从校园网内部经代理或路由访问Internet，通过实时监测数据包，过滤不良信息，并完成计费功能。

（3）为学校教务管理和办公等专用系统设立独立子网，由交换机软件设置相应的路由规则，可在其他子网内有限地访问该子网信息，确保学校日常教学工作正常进行。

（4）与现金结算有关的一卡通独立组网，为实现一卡通数据与其他系统的共享，采用磁盘阵列实时双机镜像备份数据，并设定严格的读写权限。网络结构如图3所示。

5．系统易维护性考虑

数字校园2.0是一个结构功能复杂的、具有较高技术含量、多种软硬件综合在一起的庞大工程。其设计施工都必须由专业的技术人员来完成。但一旦建成投入运行后，将主要由本校的教师来对其进行管理和维护。因此在系统总体设计时，从最基本的技术选型、布线设计、设备选择、软件配置等方面都应以方便管理和维护为标准，努力做到：

（1）设备选型应本着标准化、通用性好、简单化、便于互换的原则。

（2）系统结构设计具有较高的灵活性，在一定程度上便于学校今后扩充调整。

（3）网络管线设计安装除满足当前需求外，还应考虑以后功能扩展，留有一定的余量。

（4）系统稳定性高、容错性好，具有较强的适应性。

（5）可自动生成运行日志，并对重要数据进行定期备份。

四、数字校园2.0的建设

数字校园2.0的建设不仅是IT企业的任务，更是学校本身发展的需要和责任。学校的师生员工才是数字校园2.0建设和使用的主体。数字校园2.0的信息资源建设与完善需要师生广泛参与。从这个意义上来说，数字校园2.0的建设可形象地概括为“修路”、“设卡”、“买车”、“备货”、“培训驾驶员”、“定规矩”六个工程。

“路”就是校园网络系统，它是校园的基础设施，包括结构化综合布线、服务器和终端机、内外连接设备（如交换机和路由器等）和系统软件平台的选择和建设。

“卡”就是校园网安全防护与身份识别机制，主要包括网络安全、病毒防范、系统应用权限和个人身份验证等方面功能，以此保证整个校园数字化系统的安全、稳定和有序的工作。

“车”就是运行在校园网系统上的应用系统，主要包括教务MIS系统、办公自动化、网络多媒体教学、师-生交流平台、信息服务、资源库、后勤保障及校园安防等。

“货”就是应用系统上的基础数据，如学生信息、教师信息、课程信息、管理信息、多媒体课件、电子图书、音视频素材等教育教学信息。

“驾驶员”就是校园信息系统的使用人员，这些人员可分为四类：学校领导、专业技术人员、师生和其他使用人员。

“规矩”就是新型数字化教育模式下的学校管理、培训、评估和激励机制。

“路”、“卡”、“车”的建设在前面已做了较详细的论述。“货”则是在数字校园2.0的长期运行过程中，需要使用主体——“驾驶员”不断添加和完善的。这也就进一步说明，转变“驾驶员”的思想观念、培养其信息技术能力同样对数字校园2.0的建设起着非常关键的作用。而如何激发广大师生的积极性、提高他们的参与度，使数字校园2.0系统安全高效运行，真正发挥其在现代教育教学中的优势作用，相关的政策法规和评估激励机制将是重要的保证。

参考文献：

[1]沈培华.数字校园[J].信息系统工程，2002(8).

[2]王左利.数字校园2.0时代来临[J].中国教育网络，2008(4).

[3]罗进良.基于LDAP的数字校园统一身份认证系统的实现[J].中国医学教育技术，2008(1).