中小学数字校园应用系统的集成研究*

楚云海　方海光　陈俊达　罗金萍

（首都师范大学 教育技术系，北京 100048）



中小学数字校园应用系统的集成研究*

楚云海方海光［通讯作者］陈俊达罗金萍

（首都师范大学 教育技术系，北京 100048）

摘要：为解决中小学数字校园建设中的“信息孤岛”问题，文章首先分析了多平台间的数据存储技术和多种数据交换模型，然后提出要采用基于SOA（Service-oriented Architecture）的数据交换模型与CAS（Central Authentication Service）、LRS（Learning Restore System）相结合的集成技术。文章构建了基于SOA的多平台信息融通数字校园架构，并在中小学数字校园Eschool集成系统上解决了平台间的数据交换、权限分配和角色转换等实际问题。

关键词：数字校园；系统集成；数据交换；SOA；CAS

引言

在建设数字校园“三通两平台”的过程中，由于校领导和老师分管不同的业务，不同职位、不同部门的老师以自身的业务需求为中心，各管理部门之间缺乏有效的沟通和组织协调机制［1］；数字校园的各个平台随着需求的变化不断建立，但平台建设技术标准滞后、缺少信息化的统一部署规划和顶层设计，导致中小学数字校园多平台的建设出现了“信息孤岛”问题［2］。将不同信息平台间的数据进行整合、构建数据共享交换机制、实现多个信息平台的数据无缝交换和同步，是每个领域都需要解决的问题，也是当前教育领域内中小学数字校园信息化建设中亟待解决的问题。电力系统领域有用基于标准的数据交换技术来解决不同功能区域的数据交换问题，电子商务领域有用基于中间件技术来解决跨平台的数据交互问题。教育领域的数字校园应用集成问题，若以普通高等院校信息化的实际情况为基准，可以采用一种松耦合的应用集成模型，通过CAS来实现校园所有应用用户的认证过程［3］；若以高职院校的现实需求为依据，则可以采用SOA 与 ESB（企业服务总线）相结合的技术路线，去设计和实现数字校园公共基础平台［4］。本研究以目前中小学数字校园多平台信息融通存储交换的现实需求为依据，提出采用基于SOA的数据交换模型与CAS、LRS相结合的集成技术，来解决中小学数字校园建设中的“信息孤岛”问题。

一　多平台信息的融通存储

从环境建设的角度看，中小学数字校园是为了有效支持学生学习，创新和转变传统的教学方式，以面向服务为基本理念，构建丰富的数字化资源、多种应用系统集成的、相关业务高度整合的校园信息化环境［5］。从工程建设的角度看，中小学数字校园是借助信息技术手段，实现从环境、资源到活动的数字化，从而起到提升教育教学质量和管理水平的作用［6］。从技术实现的角度看，中小学数字校园是一种依托现实校园而存在、以网络为基础的教育平台，通过数字化环境的支持辅助完成校园中的各种活动［7］。从实际建设的进程来看，目前中小学数字校园的建设已到第四代，而在建设第四代中小学数字校园多平台的过程中，由于数字校园建设的长期性，以及不同技术标准的制定，平台之间的数据在整合时规范不一致［8］。此外，由于校园的多种业务需求，所涉及的数据标准也多种多样，各种类型数据按照一定的顺序排列组合就构成了信息。

顾名思义，信息融通指的是信息的融合串通，其实就是各种数据的融合和交换。因此，研究多平台信息融通存储问题，就是分析各种数据的存储方法。数据按照其组织形式，可划分为非结构化数据、半结构化数据与结构化数据等三种。根据现阶段中小学数字校园的应用需求，暂不考虑非结构化数据和半结构化数据的存储需求，而以结构化数据的存储需求为主。由于中小学不同部门、不同职能的教师用户的需求不同、各个平台中建立的数据标准不同，故采用不同的数据库系统来存储管理，导致了异构数据的产生。

在中小学数字校园缺乏统筹规划、统一部署与顶层设计的情况下，不同时期采用不同技术路线开发的平台各自独立。对用户的身份认证方式、教师角色分配、用户权限管理以及文件传输协议等方面的设计各不相同，使得中小学数字校园多平台中的数据面临着两个问题：一是多平台之间进行异构数据的融通问题，要让数据能够在多个平台之间流动；二是异构数据的可用性与易用性问题，要让用户可以便捷、轻松地通过有效的操作来处理多平台中的存储数据。

二　多平台信息的交换模型

1 中小学数字校园多平台拓扑结构

为了解决中小学数字校园多平台异构数据的融通问题，本研究引入了数据交换理论。数据交换是实现信息融通的一种方式。通过这种数据交换的方法，实现中小学数字校园多平台间的数据互操作、数据共享、业务协同，是解决现今教育领域“信息孤岛”问题的有效途径。数据交换模型有很多种，具体模型的选择取决于数字校园多平台的拓扑结构。中小学数字校园多平台拓扑结构，可归纳为以下三类：

（1）总线型结构。该结构采取统一的通信标准、处理标准、联系标准和语义语法标准的方式，可以省去中间件的控制，使多个平台之间直接进行信息交换。

（2）星型结构。该结构以一个中间件为平台中央连接点，各个应用平台都直接与中间件相连。该结构的数据交换策略由中间件来控制，任意两个平台之间的交流都必须经过中间件的审核和传送。

（3）树型结构。该结构的连接形式像一颗倒立的树，顶端是核心的中间件，平台可以通过核心中间件和节点中间件进行连接；顶端以下连有分支，但不形成闭合的回路。树型结构的平台是分布式的，容错率较高，稳定性强，一个分支和分支中间件节点的故障不会影响其它分支的数据交换。因此，该结构是现今中小学数字校园多平台建设应采用的平台拓扑结构。

2 中小学数字校园多平台的数据交换模型

到目前为止，对于数据交换模型的研究，还没有一个统一的理论体系与实践方式。以信息技术的发展历程为依据，本研究将数据交换模型分为以下三类：

（1）基于标准的数据交换模型

基于标准的数据交换模型应用于传统点对点连接的架构，实现简单、基本的信息融通交换功能。如基于EDI（Electronic Data Interchange，电子数据交换）标准的模型系统的多个平台开发要从定制专门的数据格式开始，遵守统一制定的通讯协议，符合标准的数据处理接口，但这种模型的平台扩展性较差。

（2）基于中间件的数据交换模型

中间件是一个软件管理系统，通过这个自身独立的系统，各个信息管理平台互相传递、共享数据，实现资源和通讯的互联。中间件用来制定和控制平台之间的数据交换策略，对平台之间传送的数据进行审核。这种模型采用了面向对象技术的形式，使得系统扩展性增强，降低了自身的开发复杂度。还有一个问题是不同中间件之间的互联操作，由于数据传输耦合度较紧密，数据之间的通讯不用设置严格的格式，但需要设置统一的通讯协议。

（3）基于SOA的数据交换模型

在基于SOA的数据交换模型中，由于SOA是一种面向服务的体系架构，可以把不同应用平台中不同功能的数据转换成服务。平台双方要交换数据时，先把数据转换为服务，并通过对这些服务定义良好的接口来实现信息融通功能，信息融通的双方既是服务的提供者，又是服务的消费者。

以上三种数据交换模型的优势与劣势，可以通过数据耦合度、平台互操作性、平台扩展性、开发复杂度、部署成本、拓扑结构等六个维度来进行对比，如表1所示。

表1　三种数据交换模型对比

通过比较、分析，可以发现相对于标准模型和中间件模型，基于SOA的数据交换模型的数据耦合度更松散、平台扩展性和互操作性更好、开发复杂度较低、部署成本较低，因此它更适合分布式的、容错率较高的树型多平台拓扑结构。这种模型良好的伸缩性、扩展性、松散耦合性和低成本等特点，便于更加有效地支持数字校园多平台的建设。

三　基于SOA的多平台信息融通数字校园架构

多平台数字校园信息融通要实现异构数据的存储和数据交换这两个基本功能。其中，异构数据的存储涉及统一身份认证、权限管理、角色分配、传输协议和数据标准等问题，对此可以采用基于CAS协议的统一身份认证系统和LRS学习记录系统来解决这一问题。至于数据交换，由于树型的多平台结构设计和面向服务的数据交换模型的诸多优点，信息融通存储和交换系统采用基于SOA的数据交换模型。根据面向服务的设计理念，本研究设计了基于SOA的多平台信息融通数字校园架构，如图1所示。中小学数字校园中的数据分为用户数据和学习数据两大类。其中，用户数据涉及权限管理、角色分配、传输协议和数据标准四个关键要素，学习数据涉及学习单、学习活动、学习记录和学习经验四个关键要素。

数字校园所有用户数据的融通、存储和交换，都由基于 CAS的统一身份认证系统来实现。CAS本身就是一种传输协议，师生用户在CAS Client端登录平台应用时，通过客户端传递到CAS Server端的票据来统一认证用户，票据在CAS的数据库中进行用户信息匹配，给匹配成功的用户分配动态权限，进而实现多个平台权限的管理。根据权限认证的结果，再通过各个应用平台内部进行角色分配，每个平台内用户的权限可能相同也可能不同，这个主要依靠各个平台内部的数据库来进行角色分配，各个平台间的用户数据交换由Web Services集成引擎来实现。

图1　基于SOA的多平台信息融通数字校园架构

数字校园学习数据的融通、存储和交换，由LRS学习记录系统来实现。学习者通过登录数字校园内的教学平台网页或者访问其它学习终端页面进行学习，发生学习活动，产生学习过程数据（包括学习单数据，个人学习记录、学习活动数据和反馈的学习经验）。这些学习数据与学习记录系统进行交互，实现学习数据的存储功能，当需要提取学习数据时，通过LRS来完成数据交换功能。

按照学校的业务功能，中小学数字校园多平台应用可划分为四个子平台：教师教学平台、教师培训平台、教务办公平台和德育文化社区。其中，教师教学平台提供教师教和学生学的数字化环境，可供师生进行课程公告、学习探讨、作业交流和课外拓展等学习活动；教师培训平台向老师提供教学指导培训和教学科研方面的帮助，支持教师专业素养和信息技术能力的提升；教务办公平台向学校校长、主任、老师们的日常数字化办公提供支持，有个人办公模块、公告管理模块、信息交流模块和会议管理模块等；德育文化社区则是供学校教师、学生、家长进行交流、探讨与学习的地方，包括学校的文化资源建设和家校互动等版块。

四　基于SOA的多平台信息融通Eschool案例

树型结构的中小学数字校园Eschool多平台系统的实现采用了基于SOA的数据交换模型和LRS学习记录系统，并且为了解决用户统一身份认证问题，引入了基于CAS协议的单点登录技术。Eschool的建立提高了中小学的教育教学、教师培训、办公处理和文化社区的信息化水平，加深了中小学校园的数字化环境建设程度，正逐步向第四代数字校园进军。

Eschool的访问流程如图2所示，用户登录平台时统一访问的是CAS Client，通过各个平台的客户端传递票据给CAS Server服务端，然后访问LDAP数据库，匹配用户信息来对用户进行身份认证。对于非认证用户，客户端会提示其登录错误，然后返回到登录页面；认证通过的用户则进行动态授权，并通过Web Services集成引擎进行各平台间的数据传递和交互。当用户的授权信息传递到平台内部的数据库时，进行平台内的角色分配，这种方法便于控制用户在各个平台中的权限设置。如果用户要从教师教学平台切换到教务办公平台，这时候CAS的动态授权机制会收到票据信息，就会重新对该用户授权；新授予的权限会传递到教务办公平台的内部数据库，然后教务办公平台会对该用户进行角色分配。由此可见，当用户切换到教务平台时，用户被平台分配的角色已经发生了改变。通过这种动态的授权机制，可以解决平台间切换的角色转换问题和权限管理问题。当用户在教学管理平台或其他平台上登录并发生学习活动时，产生的学习信息由LRS学习记录系统来提取、存取。如果用户跳转到其它平台需要用到之前产生的学习信息，就由LRS学习记录系统提供学习数据，完成数据交换。

图2　Eschool的访问流程

图3　Eschool多平台系统业务模型

Eschool多平台系统业务模型如图3所示，应用平台包括教师教学平台、教务办公平台、教师培训平台和德育文化社区。每个应用平台又包含具体的功能模块，来满足学校领导、教师和学生的教学、办公、科研和素质提升等需求。Eschool系统部分平台的实现页面如图4～图7所示；图8为CAS统一认证登录原理部分代码，图9为平台客户端CAS实现部分代码。

图4　统一门户

图5　教务办公平台

图6　教育教学平台

图7　德育文化社区

图8　登录原理

图9　客户端实现

五 结束语

本研究从中小学数字校园信息融通存储数据交换面临的现状出发，以面向服务的概念为基础，采用CAS和LRS相结合的集成技术，设计了基于SOA的多平台信息融通数字校园架构。本研究采用面向服务的Web Services技术，把统一身份认证功能模块和各个应用平台内的服务模块封装成Web Services，对用户提供服务接口，方便用户进行跨平台的服务调用，平台中产生的学习数据通过LRS进行提取存储和交换。同时，把中小学各个平台内的应用看成是一个个由数据组成的服务集成，通过这些服务集成体，把虚拟情景的校园和现实的校园进行无缝对接，实现了中小学数字校园应用系统的高度集成和相关业务的高度整合，并且具有良好的拓展性，在教师教与学生学、教师教研、校园管理和校园服务等方面均提供了更好的支持。

参考文献

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［2］杨现民.区域智慧教育综合服务平台建设及关键问题探讨［J］.现代远程教育研究，2015，（1）：72-81.

［3］艾飞，邹杜.数字校园应用集成平台的研究和实现［J］.计算机应用与软件，2010，（7）：37-39.

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［5］黄荣怀，张进宝，胡永斌，等.智慧校园：数字校园发展的必然趋势［J］.开放教育研究，2012，（4）：12-17.

［6］蒋笃运，张豪锋，王萍，等.教育信息化若干重大问题研究［M］.北京：科学出版社，2008：85-87.

［7］蔡苏，黄荣怀.服务是数字校园新的需求［J］.中小学信息技术教育，2009，（11）：59-60.

［8］董艳，李玉顺，王珏，等.中小学数字化校园建设现状及未来发展——全国中小学数字化校园学术交流会（NCDS-K12）综述［J］.中国电化教育，2011，（7）：26-32.

编辑：小米

Research on the Integration of Digital Campus Application System in Primary and Secondary School

CHU Yun-haiFANG Hai-guang［Corresponding Author］CHEN Jun-daLUO Jin-ping

（Department of Educational Technology， Capital Normal University， Beijing， China 100048）

Abstract：In order to solve the “information island” problem of digital campus construction in primary and middle schools， this paper firstly analyzed the multi-platform data storage technology and data exchange model， then proposed to adopt the integrated technology that combined data exchange model based on SOA （Service-oriented Architecture），CAS （Central Authentication Service）， and LRS （Learning Restore System）. This paper constructed a digital campus architecture with multi-platform information circulation based on SOA， and solved the practical problems of data exchange， access assignment and role transfer in the Eschool integrated system of digital campus.

Keywords：digital campus； system integration； data exchange； SOA； CAS

【中图分类号】G40-057

【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2016）05—0089—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.05.014

*基金项目：本文受2015年度北京市属高等学校青年拔尖人才培育计划项目“信息技术支持下的个性化学习环境优化研究”（项目编号：CIT&TCD201504076）资助。

作者简介：楚云海，在读硕士，研究方向为教育信息化绩效技术，邮箱为chu.yunhai@163.com 。

收稿日期：2015年8月25日