大数据时代高校智慧校园建设中的“模块化功能”构建研究

◇ 龚晨，唐雷，向往 ◇

随着全球大数据时代的到来，高校的信息化建设也进入了大数据时代。当前，高校校园信息化建设正在向互联互通、数据共享、功能单元模块化的智能化智慧化方向发展。2018年，国家为推进建设教育现代化、统筹建设教育强国，陆续出台了《教育信息化2.0行动计划》《中国教育现代化2035》《智慧校园总体框架》等政策文件，积极推动“大数据+教育”的普及。同时，学校信息化建设与大数据技术相结合的智慧校园也已经成为智慧城市的重要组成部分，而智慧校园是教育信息化的实质性体现。在大数据时代，高校智慧校园的建设必须结合当下最前沿的软件设计理念，利用先进的信息化与大数据技术，在“模块化功能”的视角下，对学校面临的各类教学、科研、管理、学生服务、就业等问题进行分类，并整合重构，从学校宏观决策的角度出发进行顶层设计，按照不同类型的管理方式，对原本复杂的问题提出“模块式”解决方案，从而降低问题的复杂度。在高校智慧校园信息化建设过程中，采用“模块化功能”的设计模式和开发模式，将降低智慧校园的建设难度，有利于加快学校信息化建设进程。

一、大数据时代智慧校园建设框架的变化

2013年前后，各大城市普遍推开智慧城市的建设催生出智慧校园的概念，并逐渐被各学校接受。智慧校园的建设框架是：以各种具体的应用服务系统为载体，将教学、科研、管理及师生的校园生活进行充分融合；基于互联网，通过数据手段实现教育过程的可视化，将教育教学过程与信息化建设配套融合，建设信息化学校新形态（见图1）。在这个框架下，各学校开始了最初的智慧校园建设与探索，从硬件设施的网络环境到各类软件的应用，初步实现了教育信息化建设在教学和教务管理方面的应用。智慧校园更强调融合在智能感知技术、物联网技术、移动互联技术、大数据技术和云计算技术的支撑下，高校的物理校园和虚拟校园已经越来越不可分①蒋东兴，付小龙，袁芳，等：《大数据背景下的高校智慧校园建设探讨》，《华东师范大学学报》（自然科学版）2015年3月第S1期。。

图1 智慧校园示意图

随着信息技术的不断发展，教育、科技、社会领域发生了重大变革，大数据、智能化、互联网、云计算等技术应用已经逐渐深入到各行各业，对人们的日常学习、工作方式、教育方式产生了重大影响。各种新兴信息技术与高校教育、教学业务深度融合，高校教育已逐步走向“智慧教育”的新阶段，而高校智慧校园正是其发展方向②郭小光：《大数据技术在职业院校智慧校园建设中的应用》，《信息与电脑》2019年第24期。。在大数据背景下，高校的信息化建设面临更高的要求，智慧校园的框架体系目标也需要根据社会对教育事业的需求不断调整，更加重视“功能模块化”、“灵活配置”和“高效快速低成本”，要求智慧校园能展示学校大数据，按不同学校的管理模式提供灵活可选可配置的“功能单元”，由学校自己根据其特点定制化的进行“装配”，从而达到特色化的重构、整合智慧校园的目的。

信息技术与教育教学的相互融合是促进学校推进发展战略举措落地，推动学校各业务流程重构和变革的重要手段。前期的智慧校园框架体系已经不能满足高校在大数据时代的教育信息化建设要求。在学校层面，先期建设的信息化系统以支撑业务部门的各项工作逻辑为主，鲜有支撑管理的决策性功能单元存在，流程独立、数据孤岛的问题一直困扰和限制着传统框架下的智慧校园建设。在学生层面，传统的智慧校园建设框架已经稍显落后于大数据技术、云计算技术和移动5G技术，对于这些最新的信息化理论和技术来说，教育信息化的现代化建设和师生校园学习生活环境，都没有被纳入整体的系统设计之中。在校本大数据层面，数据孤岛的存在，使数据之间不能及时共享互通，造成数据丢失、数据归口不一、数据权威性解释不清、数据互不统一等问题，使得校本大数据的价值无法上升到管理层面，就更难为建设现代化的学校提供决策依据。因此，基于学校战略发展的思考，在智慧校园建设过程中，理清业务需求，明确建设方向，从顶层角度，以最新的软件设计模式——“功能模块化”对传统智慧校园进行重构升级，重新定义智慧校园框架体系（见图2），创新服务内容，夯实校本大数据中心，已经成为在“教育信息化行动2.0时代”学校信息化建设的主要方向之一。

图2 模块化智慧校园框架

二、当前高校智慧校园建设过程中存在的问题

（一）智慧校园技术核心未能凸显

智慧校园技术核心如学习情景识别与环境感知技术、虚拟化场景等技术，未能在推进教育现代化信息化过程中凸显其技术核心地位。2010年以来，随着国家推进信息化建设，和智慧城市的建设，信息化政务服务建设已经逐渐发展起来，并被大众所熟知，但教育信息化建设却相对滞后，部分学校在推进教育信息化建设进程中把控不到位、建设积极性不高、投入也相对较少。与社保查询、个税服务、机动车违法查询办理等信息化政务服务所不同，智慧校园是一种能够对教学行为提供支持的开放性教学环境与舒适性生活环境①范存礼：《互联网+背景下的智慧校园建设探索与实践》，《中国建设教育》2019年第5期。。而事实上，教育信息化建设是将现代化的信息技术手段应用到教育的全过程、全领域的一种方式，它将极大提高教育教学的效率和质量，消除教学管理手段和信息传递过程中的阻碍。然而，部分学校依然习惯性的使用传统手段和传统的思维方式，致使教学资源缺乏共享空间，在教育教学过程中，教育信息资源使用率降低，极大制约了学校的发展。

（二）智慧校园设计中未能体现教育不断发展的新需求

智慧校园软件设计的理念未能引入教育事业的发展对教育信息化建设的新需求，如继续教育、培训、社会服务、校企联合办学等尚未纳入综合设计中或涉及面较少。学校信息化建设的集中体现是智慧校园，作为智慧城市建设的重要体现之一，智慧校园是国家在推行教育强国过程中发展起来的一个新兴的信息化技术产业，其主要面向的对象就是将软件设计和开发过程中的前沿技术和最新理念应用到学校的教育教学过程中，从信息化建设的层面助力教育强国的建设。因此，智慧校园作为高校的软硬件建设的综合体，其顶层设计必须契合国家教育事业最新的发展方向，即要求在智慧校园的设计中，设计者必须以最新技术和理念进行软件的构建和后期的开发。

（三）智慧校园整体兼容性不强

智慧校园是学校内部各软件、硬件信息化建设的集中统一体，这要求其整体性和兼容性必须在技术层面上充分体现。传统的智慧校园框架体系，虽然也应用了当时较为先进的技术，但是这些技术本身存在互不兼容，迭代不清，甚至是相互排斥的问题。这就导致在用户应用的层面，组成智慧校园的软硬件常常因某一个“点”或某些“工作逻辑”无法将工作结果进行共享，部分业务甚至需要人工将两个本身就相关联的工作逻辑间的结果互传，这极大的降低了智慧校园的用户体验满意度和实用性，导致工作效率降低，甚至出现差错，使得传统的智慧校园未能发挥其真正的应用价值，智慧校园的整体性更无从谈起。

（四）智慧校园对决策支持作用不明显

智慧校园在设计过程中，往往更加注重解决某些具体的工作业务问题，而鲜少有统筹宏观的横向互联互通设计理念，没有将大数据的概念和决策分析的实际需求纳入智慧校园的总体目标设计中，设计时的出发点相对较狭小，设计目标没有囊括到相关联的各个横向部门及其业务逻辑。如果发生突发性事件，智慧校园应将警报信息直接传送到安全防护中心，在校园内部所有监控屏幕上直接推送，帮助学校管控工作的实施①王丽娜：《基于大数据背景下智慧校园的可视化管理信息系统研究》，《计算机产品与流通》2019年第8期。。在数据管理层面，各个部门的数据来源不一、解释不一，也无法相互联通相互印证，加之数据本身存在的时效性，使得数据的价值没有得到有效利用和挖掘，从而在具体的应用软件上就表现成为突出的“数据孤岛”问题。

三、“模块化功能”在高校智慧校园建设中应用探索

高校智慧校园的顶层设计应该以学校层面的宏观决策为出发点，对接智慧城市的设计理念，以软件设计的最新模块化思想为导向，提出新颖的概念。智慧校园在建设过程中不仅是模块化的设计，还应将模块化的技术应用到开发过程中，形成不同的“功能单元”。同时，不同技术之间、不同体系之间、新旧设计框架之间的相互融合及更新迭代，都应在统一的技术指标和框架体系下完成，软件“功能模块化”的设计方式和开发方式都更加契合智慧校园在《教育信息化2.0行动计划》指导下的建设。

（一）高校智慧校园的“模块化功能”设计

智慧校园的产品更新迭代速度极快，对智慧校园应用层面业务系统带来了不利影响：一个工作逻辑业务系统可能会同时有较多人在使用，一个业务系统糅合了多个第三方公司的程序设计思想，并且设计风格不同、设计理念迥异，这些差异性会导致系统的功能性下降、维护时间增加、新建工作逻辑的成本增加和周期变长。而“功能模块化”就是按照某种特性将高校各类工作过程分解成数个事先定义好边界的“功能单元”，可以根据特定的需求以“搭积木”的方式组装，满足学校不同时间对不同业务的要求，同时，附带有对应的功能单元文档说明，从而在学校维护层面减少软件的复杂性并增加软件二次开发的灵活性（见图3）。软件平台是根据学校的需求来进行编辑设置，以满足学校的信息化管理，并让学校的日常工作更加有条理②王丽娜：《基于大数据背景下智慧校园的可视化管理信息系统研究》，《计算机产品与流通》2019年第8期。③王甜：《基于物联网技术的智慧校园总体建设模块设计》，《现代电子技术》2020年第16期。。

图3 功能单元层级递进

以JAVA程序设计为例，一般来说，模块化后的各种“功能单元”都可以单独运行、维护且相互之间留有互通的接口和参数，学校的维护人员只需要阅读软件使用说明，即可用“搭积木”的方式将各种“功能单元”拼接，而软件模块内部的代码细节则只对专业管理人员开放。这就极大降低了代码开发时间成本，增强了模块的场景适应能力。

在MVC的设计模式中，如果不能做到细致的模块化，就会导致系统设计膨胀得非常巨大，最终造成无法维护，停止运行。早期软件在不停打补丁修正漏洞时，最终选择了逐步停止较老的版本，更新迭代到最新版本运行，以避免软件系统过大导致的系统崩溃、宕机等故障。

（二）智慧校园的“模块化功能”开发

传统智慧校园设计的大规模产品结构开发周期长，维护难，重复性工作让开发公司和学校信息管理员工作量非常大，严重制约了学校信息化的技术创新能力，难以满足学校新的信息化需求。“模块化功能”的智慧设计模式要对学校业务结构化梳理和沉淀，并在设计过程中进行智慧应用，支持学校业务在各个场景的单元模块化、智能化设计，快速响应学校需求，减少开发时间。

如何来对智慧校园进行“功能模块化”呢？通过归类和抽象学校宏观层面的业务逻辑后，进行开发维护，可以对不同的模块进行联系划分，对不同功能模块、区域的调用关系进行明确的定义，同时按照程序开发规范，对程序对应的调用关系进行文档说明。具体来说，可以从以下步骤着手，以学校统一门户网站的建设为例。

第一，模块化设计学校统一门户网站，明确需要解决的任务，对问题进行归类和抽象，制定框架总图和设计各个“积木”。在此阶段，主要完成概要设计，做好门户网站的总体框架，确定软件的结构以及各组成成分，为各部门的子网站、子模块预留位置。在具体技术细节层面，要完成详细设计，确定模块内部的算法和数据结构，产生描述各模块程序过程的详细文档并提供各类接口和标准。

第二，对统一门户网站的各个子网站分解和细化，分成若干个子模块，每个子模块只完成部分完整功能，并且可以通过函数来实现，再按照软件工程的思想逐步细化成较小问题，进行程序开发。按照软件工程分解事务的具体分解过程：如果f(p1)＞f(p2)，那么R(p1)＞R(p2)，得出结论E。p1和p2是对两个具体事务的抽象表述，R(X)由具体事务复杂度决定，结论E是完成X业务工作所需要的工作量。在软件开发的过程中，功能单元越小，开发成本越低，但是在系统集成时，成本随着系统的庞大程度和复杂程度线性升高（见图4）。如何在学校设计层面以最小成本确定“功能单元”，并保证单元的最佳性能，是智慧校园顶层设计时设计者主要考虑的问题之一。在学校统一门户网站的建设中，各职能部门可按照总体框架和规范文档的要求，分别对自己的子网站、子模块进一步提出详细的需求，开发者按照详细需求对这些功能模块和单元进行编码开发，形成单个的“积木”。

图4 系统复杂度和开发成本线性关系

第三，统一门户网站的各个“积木”完成后，就进入了“组装”过程，技术层面上体现为主框架集成整合各个单元模块，单元模块的整合不分先后，这为学校的整体信息化建设给予了极大的自由度。各子网站、子模块整合完成后，即形成统一的对外门户网站。通过学校层面的任务分解，明确各个“功能单元”之间的逻辑调用关系，在开发中，使用函数和参数传递来完成这一步骤（见图5）。

图5 函数调用功能单元

在调用过程中，还必须考虑到各“功能单元”之间最优调用方式，即由顶层模块依次调用下层单元，直到每个下层单元执行完毕并返回结果。如图所示的调用为顶层模块-＞A-＞B。即顶层的函数调用下层模块的函数A、B、和其他功能单元，如果单元A被阻塞，继续函数B。一般而言，建立一个独立进程的主函数作为程序的入口，对其它各单元函数调用，也可以手动编写一个exit出口程序再退出。主函数尽量做到简洁，将具体的代码细节封装。在此基础上，将智慧校园不同的“功能单元”统一调用，功能模块就有了唯一固定的入口，从而很好地解决了模块之间的连接性问题，使其在总体应用层面上体现出“功能单元”组装成“功能模块”，进而形成某些特定的流程和业务系统，在宏观用户层面上形成智慧校园，解决学校信息化建设中的具体问题。

结语

综上所述，当前高校智慧校园建设过程中出现的数据孤岛、系统臃肿、难以维护等问题，可通过使用“功能模块化”的软件设计，整合学校各类业务功能和信息化资源，提升建设效率，使得智慧校园建设更加灵活、快速、高效的服务于学校的信息化发展。在《教育信息化2.0行动计划》的新形势下，高校的信息化建设也必须跟上步伐，依靠“功能模块化”的软件设计思路构建新一代智慧校园平台，从信息技术层面助力学校发展，为学校全面提升管理水平起到强有力的推动作用。