区县智慧云平台：以数据推动教育发展

文 /刘建 徐妍

教育部发布《教育信息化2.0行动计划》以来，各区（县）在完成数字校园和教育资源公共服务平台之后，再次启动了智慧教育和智慧校园的规划建设行动。

作为区级教科研机构，对全区学校进行了大规模的教育信息化方面的调研，下发了关于校园信息化和信息技术人员的两份网络问卷，并调阅部分学校的智慧校园建设方案。

问卷结果显示，学校信息化建设和应用水平不均衡，总体表现为网络基础设施建设水平低、利用率低和管理能力低，教学工作大多依赖于免费的互联网云应用。信息技术人员方面总体表现为配备不健全，网络专业技术水平较低，对云计算、大数据、虚拟化等新技术不够了解。

纵观学校智慧校园方案，主要集中在校园多网融合、智能安防、创新型教室等物联网使用和硬件系统配备上，设计思路依然是以功能为导向、系统简单堆叠的方式，数据孤岛现象依然存在。如何构建智慧校园的应用软件体系、整合运用校园数据在众多方案中鲜有提及。

学校个体势单力薄，受限于人员、技术和经费，独立建设智慧校园很难有大的发展。因此，我们提出了一个区、校两级普遍认同的顶层设计思路，即建设区级智慧教育云平台（以下简称“云平台”），提供丰富的教学资源和教育应用软件，服务于智慧校园，补充学校的短板，使得薄弱学校也可利用云平台提供的空间和应用整合起自己的智慧平台。

智慧教育云平台方案

1.智慧教育的技术路线

对于“智慧教育”内涵的理解，我们认为，从信息技术角度来看，无论“智慧”还是“智能”，它的展现都需要利用数据去训练、辨识、计算和分析。国内外的教育科研成果纷纷将“大数据”和“智慧”联系在一起。教育大数据建设不仅要持续、动态汇聚海量数据，更要实现数据基础上的教育“智慧”的创生[1]。教育大数据汇聚存储了教育领域的信息资产,是发展“智慧教育”最重要的基础,而数据挖掘和学习分析技术是连接教育大数据与智慧教育的桥梁[2]。

故此，我们将大数据作为云平台建设的主要技术路线，开展教育教学业务分析，为管理决策和教科研提供数据支撑。

2.云平台建设原则与目标

区级智慧教育云平台服务于智慧校园，两者共同构成一个密不可分的系统工程，分担不同的建设、管理和使用任务。采用“肥中心、瘦学校”的“云+端”架构模式[3]。区级按照私有云模式承建数据中心和云平台，达到国家三通两平台的基本要求，提供教学、管理、教研、科研和培训等开放共享的应用系统，满足基层学校的基本需求。学校智慧校园着力自身硬件建设及个性化发展，使用区级应用系统开展教学和管理工作，向数据中心汇聚各类应用数据，实现云平台与智慧校园的有机融合。

云平台需要一个具有高度整合、开放特性的系统框架，满足应用整合和数据整合的要求，因而设定了四个基本目标。

（1）统一身份认证

云平台应提供统一的实名账户管理中心，一人一号覆盖全体师生，利用接口向各应用软件提供用户身份验证和基础数据的受限调用，保证个人隐私数据的安全。这是实现角色授权和应用数据关联的基础。

（2）应用市场

云平台提供种类丰富的应用功能，以“应用市场”模式统一管理并向用户展现，学校可按照智慧校园的规划自主选用，既满足学校共性需要，又满足个性化发展需要。应用市场中使用统一账户并支持应用软件单点登录，不受限于单一厂商，可扩充、升级、撤销和更替，支持公有云和私有云的混合架构方式。

（3）数据本地化存储

教育信息分布在各种应用系统中，但是这些数据还无法共享，不能直接汇聚计算。设计者要有数据价值意识，提前规划需要的主题，从各应用系统中抽取数据本地化存储。这个模块的任务有三个关键点，首先是统一的数据标准；其次是应用数据的抽取机制；最后是存储模式设计。本地存储的数据非指资源类，而是基础数据和业务数据，以及各应用软件中的用户行为或日志数据。

（4）大数据分析与挖掘

区县教育大数据应用主要是为教育决策服务，各类应用数据的整合分析能充分展现教育各层面的精准特性。这需要先明确各种主题需求，再为之提供单独的分析与挖掘算法，这是一个高度定制化的任务模块，覆盖云平台建设的整个生命周期。

大数据平台框架设计

为使各应用系统的教育数据可关联、可整合、可分析，运用大数据和数据仓库技术，采取分层设计方法构建了一种松耦合的大数据云平台框架（图1）。

图1 松耦合大数据云平台框架

（1）应用层

我们把各种应用系统和信息化工具统一抽象成“应用层”，不再区分应用的公有云、私有云及单机的部署差异。这一层作为数据采集源头，从中抽取所需的数据子集，但并不直接运用到大数据分析中，而是经过规范化处理后保存到本地数据库中。

（2）接口层

应用整合和数据抽取需要系统间调用机构信息、用户身份及业务数据，出于安全的考虑，应用系统不允许外部直接操作底层数据库，就需要单独提供一个数据传输的通道。设计独立的接口层，屏蔽各应用系统的部署方式、开发语言和数据库的异构性，采用基于HTTP协议的Restful API技术标准开发通讯接口，编程调用返回JSON数据。接口由应用层各应用软件分别实现。

（3）业务层

业务层完成两个任务：一是完成数据的抓取、清洗、转换和加载等调和数据的过程[4]，“行业标准元数据接口”由“中华人民共和国教育行业标准”和应用系统特定的元数据构成，为调和数据的功能模块所调用；二是完成数据计算和结果呈现，“数据分析与挖掘模块”为主题提供算法，“报表和视图呈现模块”将结果数据返回给前台用户。业务层功能模块由定制开发的软件实现，本地化部署。

（4）存储层

存储层的目标是汇聚存储教育大数据，建立统一的区级数据中心。对照应用层各平台所产生的数据类型和格式，分别设计主题生成数据集市，逐步建设完成数据仓库。最终由传统的数据库软件（如MySQL）提供物理存储。

项目建设与实施

1.虚拟化数据中心

虚拟化数据中心已建设完成，使用了华为全套设备和软件，配备11台双路服务器，全万兆光纤数据通道，2台独立存储设备提供120T存储容量，安装Fusion Compute云操作系统进行虚拟化运维，使用备份一体机按策略自动备份虚拟机和数据库。

2.部署智慧教育云平台

引进了一套“教育云平台”软件，按照国家三通两平台的要求开发，基础数据与国家教育资源公共服务平台连通。重要的是这套平台提供了一个框架，能实现“统一身份认证”和“应用市场”两个设计目标。

云平台包含一个实名制用户中心，通过“开放平台”编程模式向应用系统提供系列接口（图2），供统一身份验证和基础数据调用，能实现Web应用、Windows客户端和手机App的对接。应用市场的管理功能除管理本区部署的应用软件外，还可完成与上级平台及应用的对接整合（图3），用户界面直观易用，可单点登录（图4）。

图2 开放平台接口

图3 应用市场管理界面

图4 应用市场用户界面

3.区级教育应用体系

综合了区校两级的共性需要，首批提供网络阅卷系统、一对一教学、数字题库、视文资源库、网络教研中心、办公OA和课题管理等区级应用系统，正逐步完成与云平台的对接，整合到应用市场，向学校开放共享。

4.大数据应用开发

面对种类繁多的教育应用系统，建设数据仓库,开展大数据分析,需要定制开发，因此选定了“学业质量分析”作为首个定制的主题，以积累经验。数据主要来自于：学籍管理系统、网络阅卷系统、成绩报表、中考数据报表和双向细目表等，开展诸如小题、知识点和学科能力等方面指标分析。

经验与反思

大数据智慧云平台对应用整合和数据整合的要求很高，从规划阶段开始就应高度重视使用国家教育行业标准和各种接口的完备性与规范性，并贯彻始终。应用软件在整合到应用市场前，至少提出三个技术要求：（1）按照云平台提供的接口进行整合；（2）落实提取的数据内容，遵循现有的教育行业数据标准；（3）提供抽取数据的API接口。

云平台虽然采用了松耦合的架构，对部署方式兼容性较好，但教育数据中诸多信息涉及个人和机构的隐私，如学生学籍、用户身份、组织架构和公文数据等，涉及此类信息的应用系统都应部署在由教育主管机构所管理的数据中心，遵守国内隐私保护和信息安全方面的法律法规，禁止互联网云应用调用和存储，保密隐私数据。

云平台服务于智慧校园，最终需要学校信息技术人员去部署、培训和使用，他们的专业技术水平直接关乎平台的整合能力和应用水平，培养和维系这样一支骨干团队应作为这个系统工程的一个重要项目来对待。