基于企业架构方法论的智慧校园顶层设计

冯 翔 邱龙辉 吴永和

（1. 上海数字化教育装备工程技术研究中心&国家新闻出版署出版融合发展（华东师大社）重点实验室上海 200062；2. 华东师范大学教育信息技术系 上海 200062）

数字化校园是校园信息化的产物，其发展脉络与各行业信息化发展脉络保持着相当程度的一致。近年来，校园信息化的发展落后于其他行业信息化的发展，特别是在信息技术与学校业务高度融合方面还有待发展，因此《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》提出了“应用驱动……深度融合，引领创新”的工作方针以及“信息技术与教育融合发展的水平显著提升”的建设目标。智慧校园就是在这样的背景下发展起来的新一代校园服务体系，目前已经引起学界和产业界的广泛关注。但是，智慧校园的建设是一个系统工程，也是一个具有非常明显的扩展性、阶梯性特点的工程，不能一蹴而就。智慧校园的全貌究竟如何，采用什么样的技术体系，如何实施？本文从智慧校园的架构分析、关键技术、实践模式以及值得借鉴的方法论等方面阐述智慧校园的特征及建设思路。

一、智慧校园的研究现状

当前，智慧校园的理论研究侧重于概念、特征和支撑技术界定。祝智庭等提出了智慧教育的理解图式，认为全面感知学习情境及其社会关系是智慧教育的重要特征[1]，以位置感知、社会感知、学习活动感知等情境感知为基础提供泛在、入境和群智特性的智慧学习体验设计是智慧学习环境研究的重点[2]。而智慧校园恰恰是一类需要实现以上特征的广义的学习环境。黄荣怀等从面向师生个性化服务的角度提出了智慧校园的特征，并提炼出情境感知与识别、学习分析、数字资源组织和共享等五大智慧校园的关键技术[3]。于长虹等认为由于在实践层面还缺少整体上的构思和智慧性设计，因而造成了智慧校园智慧性体现不足，难以达到理想的促进教学变革和提高教学效果的目的，并基于以上思考提出了智慧校园智慧性设计的构成要素[4]。

智慧校园的工程研究从不同应用领域和层面展开。欧盟项目SMART CAMPUS通过开发相关应用和服务，已支持校园能源数据的实时采集和智能能源管理，并实现了人和建筑之间的双向交互[5]。华为和锐捷网络着眼于网络互通和数据管理的智慧校园整体解决方案[6][7]。这些案例都从特定应用角度开展，对于整体的智慧校园建设的指导意义不够，与前述的理论之间也没有形成较好的螺旋演进效应。

智慧校园的总体设计也受到了许多研究者的关注，张龙磊提出智慧校园总体技术架构主要由业务应用层、平台层、综合网络层、感知层（数据采集）四层组成[8]。陈平、刘臻与陈明选、徐旸从物联网视角探讨了智慧校园的架构[9][10]。王燕等提出了基于感知层、网络层、数据层、应用层和服务层的智慧校园建设总体架构模型[11]。王永强、陈舵与高倩、王志军提出了基于物联网和云计算的智慧校园总体设计框架，即在物联网的基础上总体设计的框架结构可以分为自上而下模式的四层，包括综合云管理平台层、管理子系统层、云计算数据整合层、网络层[12][13]。祝智庭、贺斌提出了智慧校园的标准，该标准从基础支撑环境、数字化应用成效、数字资源建设、可持续发展机制与保障四个维度， 指导学校开展智慧校园的建设与应用。

二、智慧校园顶层设计分析

智慧校园的理论和实践之间还缺乏具备企业（或称为组织，下文统一使用“企业”一词来表述）信息化思维的EA（Enterprise Architecture）设计，因为智慧校园的建设本质上是一类典型的企业信息化工程，其实施的关键在于明确智慧校园的愿景，优化业务流程，并以关键技术支撑实现，形成智慧系统设计与实施思维。在这方面，企业信息化领域已经形成了相对成熟的方法论和技术路线，如TOGAF（The Open Group Architecture Framework）、FEA（Federal Enterprise Architecture）、Zachman框架（Zachman Framework for Enterprise Architecture and Information Systems Architecture）、Gartner企业架构方法论[14]。本文借鉴企业信息化领域的架构设计方法论和描述技术，对智慧校园进行架构研究，采用TOGAF方法论中对应的Archimate架构模型来进行架构分析。

（一）智慧校园架构愿景

智慧校园的根本需求领域包括智慧教学服务以及支持智慧学习服务的校园系统。智慧校园是一个涵盖数字学习环境、物理学习环境的综合学习环境，它需要提供智慧学习的支持。同时，作为一个系统，为了更好地支持智慧学习活动，它还需要具有自我治理能力。从支持智慧学习的角度看，智慧校园需要提供高度情境化、个性化、智能化的学习服务，其领域范畴包括学习平台、教学管理、学籍管理、智慧教室等。而从校园自我治理的角度看，智慧校园自身需要具有确保校园物理世界和数字世界稳定、有序、安全、绿色运行的能力，其领域范畴包括校园文化、校园安保、车辆管理、资产管理、能源与水电管理等。

智慧校园的特征可以从技术特征和人文特征两个方面来概括。祝智庭等提出智慧教育的显著特征包括位置感知、情境感知、社会感知、互操作性、无缝连接、适应性、泛在性、全程记录、自然交互、深度参与等，这些特征进一步划分为智慧校园的技术特征和技术能力，并归纳为情境感知、精准决策、个性服务、优化结果。而这些技术能力支撑起来的用户体验就是智慧校园的人文特征，即智慧校园提供这样的服务：在大多数情况下，用户不需要显性地向其提出服务需求，但系统却能够在合适的时空情境、合适的社会情境以及合适的个人心智情境下主动满足用户的需求，其中的用户包括教学领域的用户和校园治理领域的用户，而这就是智慧校园架构设计的愿景目标。

（二）基于EA的智慧校园分析

通常，人们用框图分层法来表示一个系统，如智慧校园总体框架[15]。大量学术研究中也采用框图架构[16][17]。尽管框图法在简化系统表达方面颇为有效，对于向非软件领域的用户表达软件系统具有较好的效果，但对于大型信息化工程，其语义信息不足，难以合理和完备表达，支持严谨分析的能力不足。本文借助EA方法论和技术手段进行架构分析和建模，采用Archimate[18]架构描述语言对业务层、应用层以及技术层形成的层次架构视图进行建模，分析其架构现状，并提出新的架构目标。为便于分析和阐述，本文对校园系统进行了一定的抽象，如将学习分析等服务纳入决策支持服务中，将统一权限相关的能力纳入用户感知中。

1. 当前数字化校园的架构抽象：架构金字塔中的As-Is

企业架构分析中需要分析架构的当前现状，即As-Is。对于当前的数字化校园，本文抽象出如图1所示的架构视图。该架构视图采用Archimate架构模型描述，其主要特征是各类服务流程的实现都需要人的参与。而根据前文分析的愿景，在智慧校园中，系统将极大地把人从流程和决策中解放出来。

图1 抽象的数字化校园分层架构模型

2. 智慧校园架构目标：架构金字塔中的To-Be

根据上文的分析，从数字化校园到智慧校园的转化需要重新进行架构设计，新的架构中将引入新的处理流程和基础设施，重新规划服务流程和应用系统，减少人员的直接参与和操作，提高用户体验，如图2所示。从业务的角度分析，智慧校园服务由用户感知过程、情境计算过程和智能决策过程来实现，相对于数字化校园架构模型，此业务流程提高了系统智能处理的能力，降低了对用户和服务人员的依赖；这些流程通过应用服务接口使用应用系统的功能；应用系统实现了用户登录服务、用户情境服务、决策支持服务等关键服务；应用系统需要使用技术基础设施；技术基础设施包含数据服务器、数据存储及分析集群、业务服务器、校园物联网服务器以及将其融合贯通起来的SDN网络系统。

图2 抽象的智慧校园分层架构模型

三、支撑智慧校园架构的关键技术

要实现智慧校园技术特征和人文特征，需要整合多种技术进行数据采集、数据分析，了解校园中数字世界、物理世界以及人的世界中发生的事情，根据情况对这些事情进行决策，然后提供适当的服务。此服务为用户提供这样的用户体验：用户感觉有一个良师益友在他需要的时候时刻帮助、提醒他。本文综合前人研究基础，总结提炼出了三个层面的关键技术，即网络基础设施层面、数据基础设施层面、智能应用支撑层面。

（一）网络基础设施层面

1. 软件定义网络 （Software Defined Network,SDN）

智慧校园网络的挑战在于需要具有极强的适应能力。为满足各类应用需求，智慧校园网络需要对园区中的各种数据路由进行按需配置，为异地接入进行实时数据路由，对网络进行虚拟化等。由于传统网络设备的封闭性，在网络建设完成后，要满足这些业务需求的门槛很高。

SDN的提出为上述类似网络问题提供了解决方案。SDN是由美国斯坦福大学 Clean Slate 研究组提出的一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow 将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供良好的平台[19]。

2. 物联网

诸多论文阐述了物联网是智慧校园的关键技术[20][21][22]，这是因为物联网解决了一类关键数据的获取及设备的控制问题。物联网有众多的定义[23],不论其定义如何，其要点都在于通过传感器设备和可识别标签将物理实体相互连接，将物理实体同数字世界联通，实现物理世界和数字世界的高效信息交互。在智慧校园中，物联网具有广阔的应用前景，比如可以采用RFID或者二维码实现校园文化的传播应用。

（二）数据基础设施层面

1. 云计算技术

在智慧校园中，无论从物理设备架构还是软件架构来看，云计算技术始终是一个基础性的技术。它不仅能够以相对较低的预算架构出有利于智慧校园的基础设施，还能从应用模式角度赋予智慧校园应用生机[24]。云计算技术可以整合高校硬件设施，实现高校间资源的互相开放。同时，云计算技术强大的调度整合资源能力能够构建虚拟化教学资源与管理服务平台，打破地域限制与高校间信息数据孤岛问题，真正做到资源共享，促进教育公平。

2. 教育大数据

大数据引起了科技界对科学研究方法论的重新审视，正在引发科学研究思维与方法的一场革命，是未来科技及经济社会发展的重大战略领域。在教育领域，教育管理和教学中的操作带有相当部分的主观成分，这导致教育领域缺乏严谨的数据作为科学支撑，给教育决策和教学活动的进步带来了极大的障碍。基于教育大数据的数据驱动的教育技术为解决这类问题提供了思路，已成为世界教育发展的主流趋势。

3. 学习分析

学习分析是优质教育服务不可或缺的部分，是教育服务产业的核心支撑。祝智庭等认为学习分析是智慧教育的科学力量[25]。结合大数据技术与学习分析技术研究智能数字化教育服务支撑平台可以解决当今教育信息化面临的多种问题，如教育大数据存储与分析的问题，进而为教师、学生、决策者、研究者、供应商以及教育信息系统提供各种服务。这样的支撑平台将为智慧学习环境提供增强的感知能力，从而提供智能、个性化的学习服务；为教育科研工作和产业发展提供开放服务；有利于促进学习分析数据模型规范的形成。

（三）智能应用支撑层面

1. 情境感知技术

目前普遍认可的情境定义是德伊（Dey）提出的，认为情境是指任何可以用来刻画实体情形特征的信息，实体可以是人、位置、与用户和应用交互相关的物理的或虚拟的对象，包括用户和应用本身[26]。而情境感知是指一个系统利用情境为用户的任务或活动提供相关的信息或服务[27]。在智慧学习环境中，情境信息包含位置、社会化状态、学习活动、学习目标等。情境感知在智能空间、环绕计算、普适计算、个性化推荐和学习领域具有重要地位，是提高用户体验的重要技术[28]。

2. 智慧学习对象

智慧学习对象的首要目标是实现数字化学习资源在语义层面上的表达、发现、重组以及用户行为的数据采集，为服务主动学习的个性化学习资源的自动生成提供技术基础，其关键点有三个。第一，将学习资源演进为智能体方法。本质上，资源一旦满足某种需求就将被人为检索和使用，因此，需要研究一种将教育资源的需求信息、功能信息等作为资源功能的描述，通过这样的描述，结合统一资源定位系统（Uniform Resource Locator, URL）可以将该资源在网络上刻画出来。第二，学习资源智能体相互发现、获取与聚合的机制。这是一种软件框架模型，通过这个模型，网络上的教育资源软件构件将被聚合起来，从而实现更深层次的语义共享。第三，智慧学习对象对用户行为数据的获取技术。为每个智慧学习对象赋予数据采集功能。

3. 智能学习服务

智能学习服务是未来发展的方向，其实现依赖于教育大数据、学习分析技术、情境感知技术以及智慧学习对象技术和人工智能技术，其特点有三个。第一，个性化的按需服务。它要求学习环境、学习资源能时刻跟踪学习者的行为数据、偏好数据、学习绩效数据，并对这些数据进行准实时乃至最终实现实时分析。第二，根据不同的情境，提供不同的服务。在情景知识库的支撑下，进行语义推理，从而为其提供人性化的服务，其最高目标是机器提供能与人比拟的服务效果。第三，根据不同的设备，提供一致的、高度优化的学习体验。

四、智慧校园设计与实施思维

智慧校园的建设必须抓住核心，按需稳步推进，必须有一个基础性的、可扩展的、稳定的数据与网络平台。在这个平台之上，学校可以根据需求，逐步开发出数据驱动的各种应用。因此，在所有上述关键技术中，数据相关的技术处于核心地位，而软件定义网络相关技术是数据通道的关键一环。

（一）数据驱动

整个智慧校园的核心是数据，通过对数据感知、采集、存储与持续分析，可以了解整个校园任意时刻发生的事情，并提供相应的解决方案。根据校园建设的不同方面，数据驱动包括三部分。第一，数据驱动的运维支持。典型场景是水、能源管理。第二，数据驱动教学。学生和教师时刻了解学习状态，系统根据状态随时进行教学干预，提供合适的学习路径、学习资源。第三，数据驱动的教务管理。

（二）网络自定义

基于SDN和OpenFlow建立起来的网络可以构造“网络操作系统”，网络维护者能够像开发Windows软件一样，根据网络建设、部署和业务需求开发不同的“网络操作应用”，从而提高适应性，为满足智慧校园的多种复杂业务需求提供支撑。

（三）应用扁平化

数据驱动的智慧校园建设还体现在数据从“竖井”式向“扁平”式的转变。业务驱动的应用开发通常导致软件和硬件的“竖井”化。数据的分离化，导致数据价值的利用有限，导致应用开发的孤立。在智慧校园中，由于数据处于核心地位，数据服务类似于海洋，我们只需要按照业务应用需求，开发相应的应用服务，就能够充分发挥数据的作用。

五、结束语

智慧校园的建设是一个系统工程，其规划实施与企业架构具有极大的相似性。本文采用TOGAF企业架构方法论中的Archimate企业架构模型来对智慧校园进行抽象分析，是一种新的思路和尝试。我们希望通过引入企业架构分析领域内多年的研究成果为智慧校园的设计规划提供坚实的基础。Archimate架构模型拥有诸多视图，可以在企业架构分析中根据利益相关者需求进行多层次、多维度的设计，包括数据治理规划的设计。受篇幅限制，本文只采用了分层模型来进行最抽象的表达，未来将根据实际情况逐步将抽象模型不断细化，不断具体化。