基于网络的智慧校园及其应用系统架构探析

2013-04-25张武威黄宇星

三明学院学报 2013年2期

张武威，黄宇星

（1.三明学院现代教育技术中心，福建三明 365004；2.福建师范大学教育科学与技术学院，福建福州 350007）

随着移动网、云计算、虚拟化和物联网等新型技术在教育信息化建设中的应用，2010年以来，浙江大学、南京邮电大学等高校在原有数字校园建设的基础上，率先提出了智慧校园建设规划，并开展了卓有成效的建设与应用，推动了我国教育信息化建设从数字校园建设阶段迈向智慧校园建设阶段。同时，也促进了我国教育信息化建设的理念发生了巨大变革。

纵观我国教育信息化建设与发展的历程，经历了网络化、数字化、信息化和智能型等四个阶段，而智慧校园建设是我国教育信息化建设处在信息化和智能型建设阶段时提出的，以适应信息时代创新型人才培养目标和科学化管理目标的需求。所谓智慧校园，是指利用现代信息技术手段来改变校园信息化应用的交互方式，并提高校园信息化应用交互的准确性、灵活性和响应速度，促进人与校园信息系统的高度融合，从而实现校园学习、工作、生活、管理和服务智能化，以提升学校总体运行的效益。智慧校园建设的核心理念就是将抽象的智慧校园建设的概念模型转化为当前学校信息化建设工作的实际，它不单是数字校园建设内容的深化和技术层面的提升，更重要的是对学校信息化建设认知程度的提高。目前，教育信息化建设存在的主要问题是：面对多用户角色、多样性需求、多种工具和程序、多种应用平台，以及面对着信息孤岛、多种数据源等问题，我们应该如何去建设复杂的教育信息化系统工程，来应对当今教育对信息化不断发展与变化的需求？目前，我国对智慧校园建设的研究尚未深入，还没有完全认识到智慧校园系统建设内在复杂的本质特征。因此，我们首先应该从智慧校园建设的逻辑起点来寻找智慧校园系统设计的思维，从可持性发展的观点来寻找问题解决的办法，以此来架构一个超越时空的、具有适应能力的虚拟大学，为新时期提升人才培养水平，提供一个节约型的、高效的信息化服务环境。

1 基于网络的智慧校园建设的逻辑起点

在数字校园建设阶段，学校信息化建设的基本理念是以“技术取向”为核心，关注应用系统的整体架构，在一定程度上解决了应用系统的数据采集、处理和服务，但没有真正对学校应用系统的核心业务流程和数据进行梳理和优化，无法全方位地为学校教学（科研）、管理（服务）等方面提供综合的信息服务。在智慧校园建设阶段，学校信息化建设的基本理念是将“技术取向”与“人本取向”完美地结合起来，关注应用系统的集成架构，采用“硬件集群、数据集中、应用集成”的方法，全方位地为学校提供智能化的综合信息服务。

智慧校园建设是在架构学校教学与管理服务的支撑体系上，提出了一种与当今学校教学模式与管理模式相适应的校园信息化系统建设的概念模型。通过对智慧校园建设的分析，笔者认为，智慧校园建设的逻辑起点是适应创新型的教学模式和科学化的管理模式，它们既是智慧校园建设理论体系的最高层次，同时也是智慧校园建设检验的标准，它是一种两重的逻辑起点论，两重关系相互依存、相互作用、共同演化。

逻辑起点一：适应创新型的教学模式。智慧校园建设要适应学校创新型的教学模式。创新型教学模式是一个极其复杂的教学要素优化组合形式，它是一种通过学生自主探索学习和实践活动，去发现科学规律、掌握问题解决的办法，以提高学生创新思维能力的新型教学模式。因此，智慧校园建设需要建立起一种高效的、智能化的学习环境，即高效地实现学生随时随地的、任意的群组学习，以及满足学校实时的教学、科研和活动效果评估，实时的校园信息发布等智能化的学习环境，为广大学生实现创新型学习目标提供高效的信息化应用服务。

逻辑起点二：适应科学化的管理模式。智慧校园建设要适应学校科学化的管理模式。科学化管理模式是一个极其复杂的管理要素优化组织形式，它是一种管理任务代理化、自动化，管理过程规范化、精细化和个性化的新型管理模式。因此，智慧校园建设需要建立起一种高效的、智能化的管理环境，即高效地实现教务管理、校务管理、科研管理、教学资源管理、后勤与服务管理的全面整合与优化，达到校内外信息资源共享、信息集中控制及信息增值服务的目的，为实现科学化管理目标提供可靠的信息化应用服务。

2 基于网络的智慧校园建设的目标

智慧校园建设是个复杂的系统工程，如果不从智慧校园建设逻辑起点和系统的角度研究智慧校园建设，则难于从学校工作任务或工作性质的角度，理解和把握智慧校园建设的目标。我们对智慧校园建设逻辑起点的假设，决定了智慧校园建设的目标是一种开放、动态的概念性规划设计目标，必须根据学校的经验积累、价值选择和价值预设进行确定。笔者认为，智慧校园建设的总体目标是将学校系统中人的因素（包括教师、学生和管理者）、设备设施的因素（包括财产、物质）和环境的因素（包括学校内、外部环境）等，在信息化背景下有机地结合起来，集成学校具有学习（适应）能力的校园信息化系统。

基于网络的智慧校园建设，不仅仅要建设多种网络、多种业务平台或者整合各类信息资源等，更重要的是建设基于网络的、具有一定智能化（即感知信息）的教学与管理系统，使学校能够广泛收集和深入分析学校教学与管理各种数据（信息）资源，以获取全面的洞察力来解决学校特定的教学与管理问题。因此，智慧校园建设目标是利用现代信息技术手段，架构智能化的学习（教学）系统与智能化的管理（服务）系统，同时，还要根据发展与变化，生成新的智慧校园建设目标。

目标一：架构智能化的学习（教学）系统。智慧校园建设是以适应创新型学习模式为逻辑起点，并与学校远景发展的人才培养目标—创新型人才培养目标相适应，重点建设覆盖全校教学系统、教务管理等综合教学信息化系统，为学校智能化学习系统的架构，提供综合信息服务。

目标二：架构智能化的管理（服务）系统。智慧校园建设是以适应科学化管理模式为逻辑起点，并与学校所倡导的管理目标——科学化管理目标相适应，重点建设覆盖全校服务流程、业务流程等综合管理信息化系统，为学校智能化管理系统的架构，提供综合信息服务。

3 基于网络的智慧校园建设的内容

基于网络的智慧校园建设的内容，是以网络融合为基础，以数据融合为核心，以服务融合为目的，在学校原有各种应用系统建设的基础上，以开放、动态的应用系统集成架构为主体，以新型技术嵌入应用为辅助，推动学校信息化建设面向服务转型。

基于网络的智慧校园建设内容的总体架构，它是在信息标准体系和安全维护体系的支撑下，自上而下可分为统一门户服务、服务融合、数据融合和网络融合四个层面，从而将分散、异构的应用系统（应用平台和信息资源）进行融合，将学校网络、数据和服务整合成统一的、一体化的校园信息化应用系统[1]。并利用先进的信息技术手段，如云计算技术、物联网技术、移动互联网技术、数据挖掘技术、人工智能技术等，进一步将校园信息化应用系统，构建一个统一的，支持信息访问、传递以及协作（协同）的智能化教学系统与智能化管理系统，如图 1所示。

图1 智慧校园建设内容的总体架构

3.1 网络、数据和服务融合

（1）网络融合：智慧校园建设的基础是网络融合。即将校园内的各个应用网络，如校园网、Internet、通信网、移动网（3G和4G，WLAN和LTE技术等）整合在一起，实施统一的管理、维护与控制，综合利用各种网络接入手段，提供各个应用系统网络开放的标准接口，将各种通信功能嵌入到各种应用系统中去，为基于网络的智慧校园系统建设，提供既有多样化网络应用又有统一通信管理的校园通信服务保障。

智慧校园网络融合的最终目的就是实现统一通信（unified communications，简称UC）[2]，为创新型学习目标的实现提供移动网学习或泛在网学习的网络通信条件，学生只要应用无线网络和智能终端机（如 Windows Mobile，Ipad，Symbian，Gphone，Iphone 等），即可实现超越时空的学习，同时也为实现科学化管理目标提供了即时的通信服务。

（2）数据融合：智慧校园建设的核心是数据融合。数据融合包括身份标识数据、应用数据、感知信息等的融合，以及数据存储、中间件以及支撑软件的融合，为智慧校园建设提供综合信息集成应用能力。数据融合平台（即数据中心）的作用是整合数据资源，统一信息管理，提供信息服务。

智慧校园建设的数据融合，首先是能够更好地为学校架构教学资源共享体系，为学生提供全面感知不同的教学资源；其次，是为学校实现数据交换与数据共享，为学校科学化管理提供综合数据共享与信息服务，即提供基于人的数据、流程管理的数据以及面向环境设备设施的数据，为校园分析与辅助系统建设提供可靠的数据处理、分析问题和辅助决策的能力。

（3）服务融合：智慧校园建设的目的是服务融合。服务融合是智慧校园建设的主要内容和形式之一，它是在学校建设相对完整的应用系统的基础上，通过学校应用系统以“服务流程”、“业务流程”和“综合信息服务”为核心的服务集成架构，为智慧校园建设提供综合服务集成应用能力。

智慧校园建设服务融合的目的，就是为各种业务互通和数据共享，提高学校各种应用系统的服务能力与运营管理能力。

3.2 云计算和物联网技术应用

智慧校园建设的理念，首先要从传统应用系统相对分立的建设思维，向以更加灵活和智能化的应用系统建设思维转变。目前，随着云计算技术和物联网技术的广泛应用，为智慧校园智能化教学系统与管理系统建设创造了条件。

（1）云计算技术应用：云计算技术在智慧校园建设中的应用，是应用云计算核心技术—虚拟化技术（硬件集群）存储架构和虚拟化服务平台架构，整合和优化校园网各种应用系统的网络、数据和服务管理，提高智慧校园建设的利用率、安全性和可靠性[3]，如图2所示。其中SaaS（software as a service）层为用户提供通过应用和管理软硬件设备；PaaS（platform as a service）层为用户提供支持应用从创建到运行整个生命周期所需的各种软硬件资源和工具，服务供应用商提供的是经过集成（或封装）的服务管理平台；IaaS（infrastructure as a service）层为用户提供基于虚拟化服务器和存储等硬件资源[4]。

首先，云计算技术能够为智慧校园创新服务器存储系统的架构，通过虚拟化方式整合服务器存储系统，将各种数据资源融合到资源池中，打破传统“一台服务器一个应用程序”的架构，以更加灵活的方式调配各种不同的、多种应用系统存储架构的需求，以提高数据资源存储的利用率和管理效率；其次，云计算技术能够为智慧校园创新管理、服务平台的架构，以云计算服务管理平台融合校内各种应用平台，包括教学管理平台、资源管理平台和校务管理平台等，以灵活的方式适应学校各种应用系统架构，并以动态、实时的方式响应各种业务需求。

（2）物联网技术应用：物联网技术既是传感网、因特网与移动通信网“三网”高效融合的产物，又是信息系统与物理系统高效融合的产物(又称信息物理融合系统)，通过网络设备以及信息传感设备实现信息传输、协同与处理，从而全方位、智能化地实现学校系统各要素之间的信息交换、信息共享和信息服务。物联网是叠加在互联网上的一层通信网络，典型的物联网是由三大部分组成，即RFID系统、中间件Savant系统和Internet系统[5]，如图3所示。

图2 智慧校园云计算技术应用的架构

图3 智慧校园物联网技术应用的架构

第一，智慧校园可以利用物联网技术架构的学习系统，实现教学信息的实时反馈和教学设备的智能控制，即通过RFID标签和校园智能卡系统相结合，教师和管理者可利用物联网系统，对学生的学习情况进行自动跟踪、管理、控制和评价，实现学校教学资源利用和教学管理智能化。基于物联网技术的学习系统与其他各种网络学习系统相比较，具有更加开放和多视角的特征，学生可以依托物联网强大的物质和信息资源交互优势，进行探究、协作等创新型学习。

第二，智慧校园可以利用物联网技术架构的管理系统，通过无线传感器网络WSN、RFID、二维码、视频监控等感知技术和设备等组建校园物联网，实现对校园人、财、物信息的识别、传输、存储、处理和控制，实现学校信息管理和信息服务智能化。基于物联网技术的管理系统与其他各种网络管理系统相比较，具有更加开放和智能化的管理特征，为学校管理者提供一个全面智能感知的应用环境，并提供基于角色的个性化定制服务。

4 基于网络的智慧校园应用系统集成架构

基于网络的智慧校园建设的主旨，是突破传统各种应用系统的数据与信息资源相互独立、封闭的局面，对各种应用系统进行有效的整合与集成（包括应用集成、信息或数据集成、服务集成），以灵活的集成架构模式，为学校建设智能化的学习与管理系统提供一个集成化环境。基于网络的智慧校园应用系统的集成架构，包括综合应用集成、综合信息集成和综合服务集成架构。

4.1 智慧校园综合应用集成架构

智慧校园应用系统的综合应用集成架构，是为综合信息集成架构提供底层服务的，智慧校园每一个应用系统（包括各种应用子系统或每一个应用模块或组件），基本上都与学校系统的某一“维”职能或业务相关联，因此，智慧校园是由一个N维巨大的基于网络的应用系统组织架构。智慧校园综合应用集成架构，就是按照学校的运行机制和管理机制，将各种应用系统集成起来，构成一个统一的综合应用系统平台，为智慧校园上层应用建设提供基础服务、标准接口和标准数据。

智慧校园综合应用集成模式是运用“1+N”模式进行的，具体表现为1个综合应用系统平台与N个应用系统或应用子系统集成。如校园“一卡通”综合应用系统平台，是由1个“一卡通”综合应用系统和N个“一卡通”管理应用系统或管理应用子系统集成的。

4.2 智慧校园综合信息集成架构

智慧校园应用系统的综合信息集成架构，是为综合服务集成架构提供底层服务的，它是在各种业务应用需求的驱动下，面对着学校应用系统存在着相对分散应用和管理的问题，从全局的高度分析学校系统内部的相互关系和相互作用，将各种应用系统以松散耦合的方式集成起来，构成一个统一的综合信息服务平台，并建立统一的信息标准与接口规范，以及建立统一的资源访问形式，为用户提供个性化的综合信息服务，以达到智慧校园建设数据融合和服务融合的架构目标。

智慧校园综合信息集成模式是应用 “1+3+N”模式进行的，具体表现为1个综合信息服务平台(即智慧校园平台)，3个统一应用系统 (即统一身份认证系统、统一信息门户系统、统一数据资源中心)与N个业务应用系统集成，具体是以接入层（统一信息门户）、信息服务层（统一身份认证服务，服务管理中心）、应用支撑层（应用管理中心）和资源管理层（数据管理中心或资源管理中心）进行架构展现智慧校园应用系统的信息集成模式[6]，如图4所示。

图4 智慧校园平台信息集成的架构

4.3 智慧校园综合服务集成架构

智慧校园应用系统的综合应用集成和综合信息集成架构，是为智慧校园综合服务集成提供底层服务的，面对着学校多种服务流程、业务流程和信息服务，智慧校园建设可按照学校服务流程的便捷性，将其各种相关联的应用系统通过服务集成模式，形成更高一级的适应性主体—综合服务平台，通过各种综合服务平台的架构，不断完善应用系统组织体系结构，以提高应用系统适应学校环境的运行能力。目前，基于网络的智慧校园应用系统“服务集成”架构，可按照学校的服务流程、业务流程和综合信息服务为核心进行架构。

4.3.1 以“服务流程”为核心的服务集成

智慧校园应用系统以服务流程为核心的集成模式，需根据学校服务流程的需求，及学校管理服务流程的相对稳定性，灵活地、非线性地重组各种应用系统或各项应用子系统，突破传统应用系统管理服务相对独立和封闭的状态，将学生、教师及财物管理、服务等应用系统，以服务供应链的模式架构服务流程，满足学校个性化信息服务的需求。如金智公司为架构的“三条主线”服务集成模式。

第一条主线：以“学生全生命周期服务链”架构的学生综合服务平台，该平台能够提供学生全生命周期服务，涵盖学生整个学习、生活的全生命周期，为学生从入学至毕业离校各个环节提供全方位、一体化、一站式的信息服务。

第二条主线：以“教师知识服务供应链”架构的教学综合服务平台，该平台能够提供完整的教师知识供应服务，教师只要登录该平台，即可获得一站式、个性化的服务。

第三条主线：以“智能管理服务供应链”架构的管理综合服务平台，是通过人、财、物三条主线智能管理服务供应链，为管理者提供决策支持功能。

4.3.2 以“业务流程”为核心的服务集成

智慧校园应用系统以业务流程为核心的集成模式，可根据学校业务流程的需求，灵活地选取、重组各种应用系统或各项应用子系统，建立适应学校实际工作的业务流程，并实现学校各种系统应用个性定制服务。如构建大学资源计划、校园ERP系统、数字化学习中心、综合服务系统平台等以业务流程为核心的服务集成模式。

（1）大学资源计划：大学资源计划（university resource planning，简称URP）系统是大学信息应用系统与信息资源的总集成，以实现大学运作中资源的统一规划与管理。它是从全局的高度分析大学教学与教务管理的内部关系，通过建立统一的信息标准，提供规范标准的平台接口，将大学的各种信息应用系统与信息资源以松散耦合的方式集成起来，实现信息的共享与交换，并以统一的形象提供大学教学与教务管理应用系统个性化服务。

大学资源计划是采用松散耦合的体系结构“1+1+N”模式进行的，具体表现为：一个基础平台（用户管理、身份论证、应用管理、权限管理、数据交换、信息发布等）、一个门户（应用聚集展现、个人桌面定制、单点登录漫游）和N个应用系统（信息管理系统，i-office系统，数字图书馆，网络教学，网络服务）服务集成，为大学决策、计划、管理、运作、以及评估等提供全方位及系统化的管理平台。

（2）校园ERP系统：校园ERP系统（enterprise resource planning）是利用企业资源计划组件化、服务化的集成思想，站在全校的角度对学校业务流程完整设计，对学校应用系统进行全局总体规划，并对全校核心业务流程进行梳理和再造，架构以业务流程为核心的、统一的综合管理平台，从而为学校提高核心竞争力提供IT手段。如金智公司为架构的教育校园ERP系统，包括应用支撑平台（身份管理平台、信息门户平台、公共数据管理平台）、综合管理子系统（学生综合管理、教务综合管理、教师综合管理）、综合服务子系统（学生综合服务、教师综合服务、家长综合服务）、数据决策分析平台等。

（3）数字化学习中心：数字化学习中心（center for e-learning）是以课程为核心的教学资源集成模式，为学校师生提供教学多门课程展示平台、教学资源库、网络互动教学（学习）平台、评价分析系统、辅助工具包，以及提供网络应用与服务环境，并为学校进行课程资源交流和共享提供条件。数字化学习中心还必须与统一信息门户系统、公共数据平台、统一身份认证系统、教务系统等应用系统（平台）进行集成，全方位地架构学校课程学习综合教学服务平台。

4.3.3 以“综合信息服务”为核心的服务集成

智慧校园应用系统综合信息服务集成，是实现跨部门业务协同和服务一体化的、重要的综合信息服务平台架构。如校园一卡通系统是集手机通信服务、校园一卡通刷卡消费、身份认证、信息查询等综合信息服务集成；校园支付通系统为校园提供在线支付解决方案，帮助学校搭建统一的校级支付平台，可集中处理校园各类支付业务；移动校园系统作为传统校园信息化建设在智能终端应用的延伸，旨在满足校园移动信息服务的需求，为学校师生和管理者实时提供各类信息服务、实时提供在线协同办公及日常业务处理。