高校智慧校园系统软件开发与实现

杨娇娇

（湖北国土资源职业学院 湖北 武汉 430090）

0 引言

智慧校园建设已经发展成为目前学校管理信息化建设的重要内容，是实现教育现代化的重要步骤。目前高校智慧校园建设还处在由多媒体化向数字化过渡的阶段，很多校园里教室的配置还处于“三机一幕”的“老三样”阶段，校园信息化的水平较低，呈现出“重硬件、轻软件”的特点。因此，智慧校园软件方面的投入变得越来越重要，以人为本、面向服务、信息互通、数据共享是智慧校园软件平台建设中深入人心的建设目标和理念。高校的校园系统大多有教学管理平台类系统、在线教学平台类系统、在线考核平台类系统、教学辅助平台类系统等四大类系统平台，用以满足整个教学管理和广大师生的校园生活的数字化。然而在各个系统的建设过程中，各个系统的技术路线不同，开放的接口不同，数据孤岛的现象严重，每个系统的数据整合交换、信息资源的融合展示等都存在不少的障碍，高校各个岗位对数据驱动的理解不尽相同，导致数据驱动的智慧校园从管理层面的支撑能力不强。因此需要建立数据共享中心平台，统一地进行数据的交换和集成，是数据分析利用展示的重要基础，建立数据清洗和整合平台对四大系统的数据进行清洗和整合，业务系统相互独立，互不影响，通过开放统一的数据接口提供经数据整合平台清洗后的数据给数据共享平台，建立用户管理和统一身份认证的平台，对各类应用系统提供统一的身份认证服务，提高智慧校园系统的安全性，通过对学校的用户进行统一的认证和授权，防止重复的资源消耗，并通过整合的门户网站，为各种用户配置个性化服务；通过建设基于共享数据中心的平台，把各个领域的数据整合起来，实现“智能”的信息化建设；以教师与学生角色为主线，开展全方位的人事、教学和学工工作；通过科研、设备资产、财务经费等综合性的咨询服务，提供主题导向、多维度的问卷调查及个人化的问卷调查。并综合运用数据进行分析，为领导做出科学的决策提供依据。

1 系统需求分析

1.1 数据共享中心平台

高校的数据由于是根据多个系统的不同规范来存储的，从各个系统获取的元数据并不具有唯一性和可操作性，因此在学院之间进行数据的交换和统计分析时，往往会出现一些冗余的数据。为了进一步的分析需要根据各自的截取信息规范地将其转化为有效的信息，这就造成了各学院间都缺少一系列基本的数据规范，很难建立起支撑决策的信息库；统一的数据规范，有助于各个学院的信息分享与统一，避免因数据不足而造成的冲突。数据共享中心平台分为共享更新数据子模块、分配更新权限子模块、访问获取数据子模块三大部分。共享更新数据子模块的主要功能是将各个不同的应用子系统的数据上传到校园云平台中，同时更新数据的状态；分配更新权限子模块的主要作用是指定对应的用户不同的数据共享和访问权限，保障数据的安全性；访问和获取数据子模块的主要作用是对已经授权的用户开放数据访问的权限，允许用户获取查询到的数据，可以通过下载到本地使用。

1.2 数据清洗整合平台

高校智慧校园系统需要经过数据仓储技术（extracttransform-load,ETL）[1]，抽取、转换、加载到数据共享中心平台，才能对统一的规范的数据进行分析和处理。数据清洗整合平台的作用即是对多个应用子系统里不同的存储标准的数据统一标准，处理掉脏数据。该平台的主要功能是根据教育部最新公布的资料规范，对各种不同的量纲资料进行标识、分类编码、含义、表达形式等各要素的标准化与统一，并形成标准的智慧校园共享数据仓库。数据仓库的主键最好是无意义的，统一由auto-increment 字段生成整形数据，不建议使用组合主键。若要达到唯一性限制的效果，不要创建unique index，必须显示创建普通索引和约束（pk 或uk），即先创建一个以约束名命名的普通索引，然后创建一个约束，用using index ...指定索引。当删除约束的时候，为了确保不影响到它，最好加上keep index 参数。主键的内容不建议被频繁地修改。外键约束一般不在数据库上创建，只表达一个逻辑的概念，由系统进行控制。当万不得已必须使用外健的话，必须在外健列创建索引。总之，数据清洗整合平台是智慧校园建设开发中的最基础的平台之一。

1.3 统一身份认证平台

统一身份认证平台的作用是用户在其中的某个系统中登录后，可以直接进入其他系统，或者查看其他系统中的数据表单，无须在登录界面登录，或者使用验证用户名和密码登录，不用其他的系统进行验证。考虑到默认的转换、同步、认证规则不能满足所有需求，所以在此三个环节均设计有扩展点，可由具体的需求进行扩展，以实现更多功能。转换器：扩展每个身份认证条目到身份的转换规则，比如更改某个属性的转换规则。同步器：扩展从身份认证转换后的身份写入到系统中的过程中的规则，比如更改同步规则，强制覆盖原有的同名用户。认证器：此选项供开发服务扩展身份认证用户的认证规则，比如实现一些特殊的加密认证方法。统一身份认证平台主要进行统一身份权限管理，对新旧业务系统的认证接口集成，统一管理在此平台中，并可以灵活地扩展。

1.4 统一信息门户平台

统一信息门户平台本质上是面向校内外的信息服务网站，对社会公众和校内师生提供不同的信息服务，及时地发布高校的各类信息，另外可以提供相应的各类校园信息管理系统的快捷入口。每类用户的角色是多对多的关系，且自身可以对统一信息门户的不同快捷入口进行定制化的排序和起别名，十分的灵活，实现时需要针对这类灵活的需求做特殊的设计。

信息门户主要分为外部网站和内部个性化门户，主要有教学和学生培养的门户、科研的门户、人事管理的门户、资产管理的门户、财务管理的门户、行政事务管理的门户、党政事务管理的门户和服务资源管理的门户。

1.5 综合信息查询平台

综合信息查询平台内置的分析主题为课程质量整体监测主题和学业状态预警主题，其余的主题需要高校进一步使用数据共享中心平台开发，这两个主题都是面向学校负责教务管理层，课程质量整体监测是对课程及教学任务繁杂，学院领导难以对各院系教学任务、教学工作量、上课率以及线上课程质量整体监测，对于课程质量薄弱环节（学生、教师或课程本身）难以及时制定相关策略指导改进的分析主题；学业状态预警是从学生成绩、出勤、图书馆使用情况及超市消费情况出发，构建起全方位学业预警体系并梳理核心指标及分析维度，打通各系统数据建模，以专业、班级、学生及课程为维度，从学院整体角度对学生挂科情况进行整体分析、对比分析的主题。

2 系统软件架构

高校智慧校园系统的软件架构采用成熟度高的J2EE[2]的经典架构，数据共享中心、数据清洗整合、统一身份认证、统一信息门户和综合信息查询都是数据驱动模式下的数据应用层，其可以完成数据共享中心、数据清洗整合、统一身份认证、统一信息门户、信息查询实现数据驱动的高校信息化管理。数据服务层为数据应用层提供统一的数据服务，它们之间的接口使用统一的API 网关来提供数据服务，数据存储层为数据服务层提供统一的数据存储服务，数据存储主要分为键值对缓存和持久化存储，数据采集层为数据存储层提供统一的数据采集服务，数据采集的方式一部分是手工的导入、一部分来自各个应用系统的数据源，还有的是数据清洗平台设置好的按定制化的标准规约转换的硬件平台的数据。整个高校智慧校园系统软件的架构如图1所示。

图1 高校智慧校园系统软件架构图

从图1中可以看出，系统的每一层间都使用相对成熟的技术栈，数据采集层使用的是TCP/UDP、HTTP/HTTPS为数据存储层提供数据，数据服务层使用的是J2EE 中的JDBC[3]接口从数据存储层中获取结构化的数据，数据服务层采用Spring Cloud Gateway 和Nginx 作用统一的API网关为数据应用层提供Rest、JSON、Websocket 类的格式数据，数据应用层利用这些数据可以在PC、大屏和移动端展示各类信息，并提供数据共享中心、数据清洗整合、统一身份认证、统一信息门户和综合信息查询的数据应用。整个架构分层处理软件从数据到展示的每个阶段各自互不影响，做到了较高的灵活性和扩展性。

3 系统实现

数据共享中心平台由共享更新数据、分配更新权限、访问获取数据三大子模块组成。共享更新数据模块开发采用WebService[4]标准，为信息采集提供标准的接口，支持xml 三方系统的导入，分配更新权限使用RBAC[5]的模式简单地分配用户的权限，其中关键的表的设计如图2所示。

图2 权限表设计结构图

访问获取数据子模块比较简单，如果授权通过将利用Shiro 的两个相关的java 注解@RequiresRoles 和@RequiresPermissions 使当前用户具有访问的权限。

数据清洗整合平台主要使用Oracle Data Integrator作为清洗整合各个应用系统的数据，它可以支持几乎所有的RDBMS 关系型数据库的数据清洗并提供web service 接口和系统的其他的模块数据的接入传输。

统一身份认证平台由认证管理、权限管理子模块组成。统一身份管理和统一身份认证是相辅相成的子模块，可以视为一个模块，使用Shiro 框架做统一身份管理和统一身份认证，各个应用系统均需要重写各个业务系统的身份认证的方法，即重写AuthenticatingRealm 中的方法doGetAuthenticationInfo，满足单点登录；统一权限管理也是使用Shiro 框架，重写AuthorizingRealm 中的方法doGetAuthorizationInfo 对各个用户进行细粒度的授权。

统一信息门户平台使用SSL 协议、虚拟网关等提高数据传输的安全性，每个用户的VPN 都可以访问统一的信息门户的校内网，由于使用J2EE 的成熟架构，用户可以使用任何支持html5 的终端设备访问内外网的资源。

综合信息查询平台内置的主题为课程质量整体监测和学业状态预警主题，课程质量整体监测以院系、专业、课程、教师为维度，构建教学任务课程安排的核心指标：上课率、教学工作量、学生实习情况及线上课程质量分子主题展示，实现课堂教学质量全面监测。主要的分析表有教学班一览表、学员队一览表、教研室一览表、教师一览表、专业一览表、分级班一览表、教室利用率、教师上课情况、学员上课情况、每日教学运行分析、调课情况、必修选修实践技能选修课质量分析、到课率等。学业状态预警从学院层面全局监控学生学业挂科，对比不同专业、不同班级、学生及课程挂科数据，分析原因，及时决策，提升学生学业质量，主要的分析表有课程考勤一览表、学员考勤一览表、学员教师出勤一览表、学员单项成绩分析、学员课程达标率、学员强弱项分析、学员成绩排名分布、学员平时成绩对比分析、学员理论成绩对比分析等。

4 结语

综上所述，目前高校信息化建设大多为单系统分散建设，缺少互联机制，不能进行集中管理，已跟不上高校教学、管理过程中的实际需求，系统平台的开放程度较低，按需提供多样化的服务能力不足，因此有必要建设一个新型的智慧校园系统，以满足高校信息化建设的需要，本文研究设计采用成熟度高的J2EE经典架构的数据共享中心、数据清洗整合、统一身份认证、统一信息门户和综合信息查询融合的高校智慧校园系统，整合和优化各种高校资源，实现了数据规范化、标准化和数据可共享，能够帮助学校管理层全方位掌控教务教学各环节运行状况，通过数据洞察，帮助制定教师评价、学生学业预警等相关决策，从而帮助提升办学能力及教学质量输出，教学管理水平效率和信息化水平得到提升。