基于教育云的智慧校園系統(tǒng)構(gòu)建

蔣家傅　鐘勇　王玉龍　李宗培　黃美儀

【摘要】文章介紹了當(dāng)前關(guān)于“智慧校園”的研究與實施的現(xiàn)狀，以作者主持的廣東省佛山市禪城區(qū)“智慧校園”示范工程項目為例，闡述了“智慧校園”系統(tǒng)的內(nèi)涵與特征、系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊，并提出了運用先進(jìn)的教育理念和物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)信息技術(shù)構(gòu)建“智慧校園”系統(tǒng)的技術(shù)路線和實施方法，提供了“智慧校園”整體解決方案。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；云計算；智慧校園

【中圖分類號】G40-057

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1009-8097（2013）02-0109-06

一 研究緣起及項目背景

1 研究緣起

信息技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了教育觀念和教學(xué)方式的變革。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，隨時隨地的師生互動、無處不在的個性化學(xué)習(xí)、智能化的教學(xué)管理和學(xué)習(xí)過程跟蹤評價、一體化的教育資源與技術(shù)服務(wù)、家校互通的學(xué)習(xí)社區(qū)、師生共同成長的校園文化等新型“智慧校園”教學(xué)管理模式已展現(xiàn)在人們面前。關(guān)于“智慧校園”的研究已成為當(dāng)前教育信息化領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

自從IBM提出“智慧地球”概念后，國內(nèi)外不少學(xué)者提“智慧校園”的概念和解決方案。在國外，具有代表性的實施案例有韓國與馬來西亞。韓國教育科學(xué)技術(shù)部于2011年6月向總統(tǒng)府遞交了《通往人才大國之路：推進(jìn)智能教育戰(zhàn)略》提案，并于同年10月發(fā)布了《推進(jìn)智能教育戰(zhàn)略施行計劃》，提出五大戰(zhàn)略舉措：（1）數(shù)字化教材的開發(fā)與應(yīng)用；（2）在線學(xué)習(xí)常態(tài)化與在線評價體系的構(gòu)建；（3）營造教育資源用于公共目的的環(huán)境與加強(qiáng)信息通訊倫理教育；（4）加強(qiáng)教師的智能教育實踐能力；（5）構(gòu)筑基于云計算技術(shù)的教育服務(wù)基石。馬來西亞政府為促進(jìn)教育系統(tǒng)的整體性變革于2006年提出的一項宏偉工程——“智能學(xué)校”（Smart School）計劃，到2010年，馬來西亞所有的中小學(xué)都將轉(zhuǎn)型為智能學(xué)校。智能學(xué)校實施計劃有四項目標(biāo)：提供個人全方位的發(fā)展；注重智能、情緒與身體的發(fā)展；培育科技的素養(yǎng)能力及建立教育民主化制度。在國內(nèi)，有學(xué)者對“智慧校園”的概念提出了不同的解讀。黃榮懷等認(rèn)為，“智慧校園”是一種智慧的學(xué)習(xí)環(huán)境。還有學(xué)者認(rèn)為，“智慧校園”是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的校園應(yīng)用。在實施方面，南京郵電大學(xué)于2010年實施了基于物聯(lián)網(wǎng)的“智慧校園”建設(shè)方案，浙江大學(xué)、西南大學(xué)、成都大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等幾十所高校正在籌劃、實施智慧校園建設(shè)；中國電信等移動互聯(lián)網(wǎng)運營商實施了基于e卡通的“智慧校園”解決方案。目前“智慧校園”解決方案還處于探索階段，在技術(shù)方面，沒有建立統(tǒng)一的“智慧校園”的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)規(guī)范；在應(yīng)用方面：物聯(lián)網(wǎng)和云計算等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用處于初級階段，技術(shù)、業(yè)務(wù)、資源、信息、數(shù)據(jù)與用戶服務(wù)的融合度不夠，沒有從如何利用信息技術(shù)支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)，如何支持師生互動與快速準(zhǔn)確反饋，如何支持教師教學(xué)決策等方面提出有效的解決方案。

本文以作者主持的佛山市禪城區(qū)“智慧校園”示范工程項目為例，闡述如何采用先進(jìn)的教育理念和物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)信息技術(shù)構(gòu)建“智慧校園”系統(tǒng)，探討“智慧校園”系統(tǒng)的基本特征、系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊、技術(shù)路線和實施方法等整體解決方案。

2 項目背景

佛山市禪城區(qū)“智慧校園”示范工程是禪城區(qū)人民政府于2010年9月啟動、2012年5月正式上線運行的“四化融合、智慧佛山”首批重點示范項目。本項目分別選擇高中（佛山三中）、初中（汾江中學(xué)）、小學(xué)（佛山實驗學(xué)校和南莊中心小學(xué)）四所不同類型的學(xué)校，建立禪城區(qū)“智慧校園”示范工程試點學(xué)校和示范系統(tǒng)。

禪城區(qū)在教育信息化環(huán)境建設(shè)、教育資源建設(shè)、教師教育技術(shù)能力培訓(xùn)和教育信息化推廣應(yīng)用方面具有良好的基礎(chǔ)，是“廣東省推進(jìn)教育現(xiàn)代化先進(jìn)區(qū)”，四所“智慧校園”示范工程學(xué)校具有較高的教育信息化建設(shè)與應(yīng)用水平。但由于信息技術(shù)發(fā)展等歷史原因，項目實施前，禪城區(qū)教育信息化建設(shè)面臨的主要挑戰(zhàn)在于：

（1）“信息孤島”現(xiàn)象。各個學(xué)校的信息化應(yīng)用系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)規(guī)范不一致，缺乏甚至沒有數(shù)據(jù)共享關(guān)系和交換途徑，形成“信息孤島”；

（2）信息系統(tǒng)的綜合服務(wù)能力弱，難以實施綜合業(yè)務(wù)流程和綜合查詢與決策支持；

（3）教育資源存儲分散，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同統(tǒng)一，資源共享困難、檢索低效，教育資源的數(shù)量和質(zhì)量難以滿足日常教學(xué)需要；

（4）信息化建設(shè)對提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)校管理效率的有效支持不夠。

因此，禪城區(qū)教育信息化建設(shè)需要一個統(tǒng)一的平臺，統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范來整合各類信息，實現(xiàn)校園內(nèi)各個信息管理系統(tǒng)的無縫連接。本項目的實施，著重在解決以上問題方面進(jìn)行探索。

二 智慧校園的內(nèi)涵與特征

“智慧”（wisdom）一詞是指對事物能迅速、靈活、正確地理解和解決的能力。“智慧”是一個相對概念，并不局限于人類，任何物體組成的體系都有智慧，只是高低不同。IBM提出的智慧系統(tǒng)特征是3I：即能夠更透徹的感知和度量（Instrumented），更全面的互聯(lián)互通（Interconnected），更深入的智能化（Intelligent）。

關(guān)于“智慧校園”的特征，國內(nèi)一些學(xué)者提出了不同的解讀。黃榮懷等認(rèn)為，智慧校園（Smart Campus）應(yīng)具有以下五個特征：（1）環(huán)境全面感知；（2）網(wǎng)絡(luò)無縫互通；（3）海量數(shù)據(jù)支撐；（4）開放學(xué)習(xí)環(huán)境；（5）師生個性服務(wù)。宗平等人認(rèn)為，“智慧校園”的核心特征主要在三個方面：一是為廣大師生提供一個全面的智能感知環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺，提供基于角色的個性化定制服務(wù)；二是將基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息服務(wù)融入學(xué)校的各個應(yīng)用與服務(wù)領(lǐng)域，實現(xiàn)互聯(lián)和協(xié)作；三是通過智能感知環(huán)境和綜合信息服務(wù)平臺，為學(xué)校與外部世界提供一個相互交流和相互感知的接口。筆者認(rèn)為，“智慧校園”是信息技術(shù)高度融合、信息化應(yīng)用深度整合、信息終端廣泛感知的信息化校園。“智慧校園”系統(tǒng)兼有技術(shù)、教育和文化等多重屬性，具有如下9大特征：

（1）融合的網(wǎng)絡(luò)與技術(shù)環(huán)境。實現(xiàn)校園有線網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳感網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)的融合和多種信息化應(yīng)用系統(tǒng)的融合，形成一體化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境；

（2）廣泛感知的信息終端。為廣大師生提供一個全面的智能感知環(huán)境；

（3）快速、綜合的業(yè)務(wù)處理服務(wù)。能夠?qū)虒W(xué)、科研、管理的各種業(yè)務(wù)、信息、數(shù)據(jù)按照基于流程的方式進(jìn)行快速、綜合處理，為廣大師生提供一個全面綜合業(yè)務(wù)處理與服務(wù)平臺；

（4）智能的管理與決策支持。具有架構(gòu)科學(xué)合理、低耗高效運轉(zhuǎn)的學(xué)校智能化管理與決策支持系統(tǒng)，能夠?qū)W(xué)校的人、財、物、活動、事件和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行感知、識別、跟蹤、判斷、處理、評價與提示指引；

（5）個性化的信息服務(wù)。能提供基于角色的個性化信息定制服務(wù)；

（6）泛在的自主學(xué)習(xí)環(huán)境。通過實施有線和無線網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，借助移動學(xué)習(xí)終端和教育云服務(wù)平臺，任何時間可以在學(xué)校任何地點在線學(xué)習(xí)、互動交流和輔導(dǎo)答疑。實現(xiàn)教育無處不在，學(xué)習(xí)隨時隨地；

（7）智慧的課堂。具有滿足師生個性化教與學(xué)需求，實現(xiàn)自主探究、互動教學(xué)、協(xié)同學(xué)習(xí)等多種教學(xué)模式，并能對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行動態(tài)跟蹤與評價的智慧課堂；

（8）充分共享、靈活配置的教學(xué)資源平臺。建有教育云服務(wù)平臺，能實現(xiàn)教育資源的按需動態(tài)分配和技術(shù)服務(wù)的充分共享。具有統(tǒng)一的教育資源建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和存儲規(guī)范，能實現(xiàn)教育資源的高效檢索和智能匯聚。能提供海量的優(yōu)質(zhì)教育資源，并與教學(xué)系統(tǒng)無縫對接，滿足教學(xué)需求；

（9）蘊(yùn)含教育智慧的學(xué)習(xí)社區(qū)。具有家校互通的溝通平臺和學(xué)習(xí)社區(qū)，教師、學(xué)生、家長能夠及時互動，分享教育經(jīng)驗與智慧。能整合各種社會力量，共同促進(jìn)學(xué)生快速健康成長。

三 智慧校園系統(tǒng)架構(gòu)

佛山市禪城區(qū)“智慧校園”系統(tǒng)的構(gòu)建是在現(xiàn)有校園網(wǎng)和學(xué)校教育信息化設(shè)施及應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用RFID等傳感技術(shù)組建校園物聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建校園移動學(xué)習(xí)網(wǎng)，實現(xiàn)對校園內(nèi)的人（教師、學(xué)生、管理者、家長及其他人員）、財（學(xué)校經(jīng)費、個人消費等）、物（教學(xué)大樓、圖書館、教室、實驗室和教學(xué)設(shè)備等）和信息（教學(xué)資源、教學(xué)管理信息、學(xué)校公共管理信息、活動信息等）進(jìn)行識別、傳輸、存儲、處理和控制，為師生提供智能化的管理和個性化的信息服務(wù)。

“智慧校園”系統(tǒng)平臺采用面向服務(wù)的多層架構(gòu)模式（SOA），將學(xué)校的資源、數(shù)據(jù)、信息和業(yè)務(wù)流程，按照基于服務(wù)的方式整合起來，使平臺具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、擴(kuò)充性、維護(hù)性和易用性。平臺總體架構(gòu)如下圖1所示：

智慧校園系統(tǒng)架構(gòu)包括4大體系4個支撐平臺和8個應(yīng)用系統(tǒng)。

4 大體系包括標(biāo)準(zhǔn)體系、安全體系、云平臺監(jiān)控體系和教育云服務(wù)體系。

1 標(biāo)準(zhǔn)體系

基于教育云的智慧校園標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有統(tǒng)一規(guī)范。云計算本身就缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在云平臺上運行的應(yīng)用系統(tǒng)又千差萬別，難以有統(tǒng)一的資源管理、資源發(fā)布、資源應(yīng)用。因此，本系統(tǒng)平臺的構(gòu)建首先需要建立一套標(biāo)準(zhǔn)體系。

智慧校園系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)分三個層次：信息編碼與數(shù)據(jù)交換，軟件開發(fā)與集成；硬件環(huán)境；在線應(yīng)用。包括：

（1）建立完整的信息編碼與數(shù)據(jù)規(guī)范體系。采用國際通用標(biāo)準(zhǔn)和中國教育信息化標(biāo)準(zhǔn)委員會的制訂的學(xué)習(xí)技術(shù)系統(tǒng)《體系架構(gòu)與參考模型（CELTS-1）》和《教育資源建設(shè)規(guī)范CELTS-41》等10個標(biāo)準(zhǔn)以及《智慧校園示范學(xué)校自定義信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》多種代碼體系相互補(bǔ)充，代碼分層定義，方便用戶分級選擇輸入信息，同時支持代碼擴(kuò)充、自定義和更新。

（2）軟件開發(fā)采用《GB/T19001ISO 9001在軟件開發(fā)、供應(yīng)和維護(hù)中的使用指南》、《計算機(jī)軟件產(chǎn)品開發(fā)文件編制指南（GB/T 8567-1988）》和《角色訪問控制標(biāo)準(zhǔn)ANSI INCITS359-2004》等國際與國家標(biāo)準(zhǔn)。

（3）智慧校園硬件設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)。采用中國教育技術(shù)協(xié)會技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的《多媒體教學(xué)環(huán)境工程建設(shè)規(guī)范》。

2 安全體系

智慧校園安全體系建立了包括操作系統(tǒng)級安全、網(wǎng)絡(luò)級安全和應(yīng)用級安全三層安全體系。

（1）操作系統(tǒng)級安全。在操作系統(tǒng)級，平臺使用最新的主流Linux操作系統(tǒng)，啟用Linux的內(nèi)核防火墻和身份認(rèn)證機(jī)制保障操作系統(tǒng)的安全，基于心跳（Heart Beat）技術(shù)檢測系統(tǒng)的崩潰并盡可能自動恢復(fù)。如果安全服務(wù)系統(tǒng)沒有收到某一計算節(jié)點的定時心跳數(shù)據(jù)流，則說明該節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了故障，此時重新啟動該節(jié)點，如果不成功就將該節(jié)點排除在計算之外。

（2）網(wǎng)絡(luò)級安全。在網(wǎng)絡(luò)級，平臺使用下列手段保證平臺的網(wǎng)絡(luò)傳輸安全：使用硬件防火墻保障整個云平臺的安全。為了防止教育云平臺系統(tǒng)被非法侵入，在前端計算機(jī)安裝雙網(wǎng)卡將內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)隔離開。在系統(tǒng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中使用在Internet上沒有實際意義的內(nèi)部IP地址，并用IP偽裝（IP Masquerading）和IP端口轉(zhuǎn)送（IP Port Forward）技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換。為了防止云平臺與用戶之間網(wǎng)絡(luò)通信的被竊取，教育云平臺采用了基于SSL安全協(xié)議的擴(kuò)展HTTP協(xié)議HTTPS。

（3）應(yīng)用級安全。在應(yīng)用級，平臺使用下列手段保證平臺的應(yīng)用安全：①可信的單點登錄（SSO）。單點登錄是解決門戶系統(tǒng)安全認(rèn)證問題的一種理想和有效的認(rèn)證策略，我們采用的CAS（Central Authentication Service）是Yale大學(xué)發(fā)起的一個開源項目，作為智慧校園平臺的一個安全而又簡單的SSO安全實現(xiàn)。②云平臺權(quán)限控制。為了防止非授權(quán)用戶的非法入侵和授權(quán)用戶的越權(quán)使用，教育云平臺進(jìn)行各種級別的權(quán)限控制，并具備審核功能，自動記錄用戶訪問的情況和操作過程，以備日后查詢。

系統(tǒng)開發(fā)中，由于不同身份的用戶其業(yè)務(wù)處理邏輯不同，如果單獨為每類用戶開發(fā)與之工作相對應(yīng)的應(yīng)用程序，無疑將十分復(fù)雜，也不利于以后的維護(hù)工作。為控制系統(tǒng)信息的閱讀范圍和業(yè)務(wù)辦理權(quán)限，系統(tǒng)將用戶劃分為不同的角色，不同的用戶角色具有不同的系統(tǒng)操作權(quán)限和查詢權(quán)限，通過權(quán)限控制為不同身份的用戶賦予與之身份對應(yīng)的各項操作，屏蔽不能執(zhí)行的操作調(diào)用，以此實現(xiàn)分工負(fù)責(zé)。系統(tǒng)用戶按照其職務(wù)、業(yè)務(wù)類別、管轄區(qū)域，被授予不同的操作權(quán)限。操作權(quán)限包括數(shù)據(jù)庫（表）操作限制、業(yè)務(wù)模塊操作限制、地理范圍限制、數(shù)據(jù)讀寫操作的限制等。平臺采用專業(yè)的用戶細(xì)分，針對教育系統(tǒng)的獨特性，研發(fā)出一套專業(yè)的用戶系統(tǒng)，將用戶根據(jù)教育部門，學(xué)校，地區(qū)，身份，角色，崗位，職位，科目，年級，班級等分類歸檔，并賦予不同功能和權(quán)限，同時，云教育的用戶將終身有效。

系統(tǒng)也采用嚴(yán)格的權(quán)限和隱私設(shè)置，用戶可為自己發(fā)布的內(nèi)容和上傳的資料快速設(shè)置或詳細(xì)設(shè)置讀寫權(quán)限。詳細(xì)設(shè)置可將權(quán)限賦予指定地區(qū)、身份、年級等細(xì)分用戶和指定好友等。同時還為用戶提供私密保護(hù)，設(shè)置為私密的信息，除了用戶本人，其他任何人包括平臺管理員也無法查看到該信息，最大程度地保護(hù)了用戶的隱私。

3 云平臺監(jiān)控體系

云平臺監(jiān)控體系建立了包括教育云平臺訪問量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、用戶數(shù)統(tǒng)計分析、功能模塊訪問統(tǒng)計分析、用戶使用習(xí)慣統(tǒng)計分析、用戶在線時間統(tǒng)計分析、流量統(tǒng)計分析等完整的平臺使用監(jiān)控策略。

4 教育云服務(wù)體系

教育云服務(wù)體系以教育資源共享為核心形成多層次的服務(wù)體系：

（1）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a service）

平臺以服務(wù)的形式提供虛擬硬件資源和服務(wù)器租用等，使教育相關(guān)部門無需購買服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備，只需通過互聯(lián)網(wǎng)租賃即可搭建自己的應(yīng)用系統(tǒng)。

（2）平臺即服務(wù)（Platform as a service）

平臺能提供完善的平臺即服務(wù)功能，包括云應(yīng)用支撐服務(wù)、云系統(tǒng)支撐服務(wù)和智慧校園云服務(wù)總線。平臺通過提供二次開發(fā)接口、教育軟件定制接口等功能以及開放式的支撐服務(wù)功能，提供完善的應(yīng)用服務(wù)引擎和應(yīng)用編程接口，用戶能通過應(yīng)用服務(wù)引擎，構(gòu)建相應(yīng)的教學(xué)應(yīng)用。

（3）軟件即服務(wù)（software as a service）

智慧校園服務(wù)平臺的用戶和客戶端軟件均能通過標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器來使用云平臺上的各類在線服務(wù)，用戶不必另行購買軟件，平臺能提供完善的軟件即服務(wù)功能。

本平臺通過集成三個層次的服務(wù)，能全方位滿足各級學(xué)校各類服務(wù)的需要。4個支撐平臺包括云平臺基礎(chǔ)設(shè)施支撐平臺、云系統(tǒng)支撐服務(wù)平臺、智慧校園服務(wù)總線和云應(yīng)用支撐服務(wù)平臺。

①云平臺基礎(chǔ)設(shè)施支支撐平臺。包括底層的服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)倉庫集群、云存儲和監(jiān)控系統(tǒng)。該平臺為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的應(yīng)用基礎(chǔ)支撐平臺。

②云系統(tǒng)支撐服務(wù)平臺。通過系統(tǒng)中間件和應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)支撐。云系統(tǒng)支撐層能提供業(yè)務(wù)功能模塊與云平臺層的連接，包括單點登陸、統(tǒng)一用戶授權(quán)、統(tǒng)一消息服務(wù)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換服務(wù)、工作流服務(wù)、信息門戶服務(wù)、統(tǒng)一搜索服務(wù)、統(tǒng)一信息發(fā)布服務(wù)等云支撐服務(wù)。

③智慧校園云服務(wù)總線。這是各類學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)融合和交換中心，包括數(shù)據(jù)融合、重組、加工、管理、變換和集成，服務(wù)感知、消息感知、事件感知、任務(wù)調(diào)度、服務(wù)編排和調(diào)度、服務(wù)QoS、數(shù)字證書等功能。

④云應(yīng)用支撐服務(wù)平臺。該平臺形成用戶的基本信息數(shù)據(jù)、教育資源數(shù)據(jù)、師生成長檔案，并提供數(shù)據(jù)分析和挖掘、教育資源共享等；

8個應(yīng)用系統(tǒng)分布在教育在線應(yīng)用服務(wù)層，能提供各類在線教育軟件服務(wù)，包括智慧校園管理系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)、移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)、數(shù)字化實驗系統(tǒng)、教育資源庫、智慧系統(tǒng)文化、家校通系統(tǒng)、數(shù)字圖書館系統(tǒng)等八大在線服務(wù)系統(tǒng)。

四 實施方法與技術(shù)路線

1 總體實施策略

“智慧校園”示范工程建設(shè)起點高、時間緊、技術(shù)難度大，本項目通過創(chuàng)新的政產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，采用“以政府主導(dǎo)、以產(chǎn)學(xué)研為依托、以應(yīng)用為驅(qū)動、示范引領(lǐng)、逐步推廣”的實施策略，邊研發(fā)邊建設(shè)，由教育主管部門、本地高校和相關(guān)專業(yè)公司多方合作，組成佛山市禪城區(qū)“智慧校園”示范工程課題組，充分利用教育主管部門和示范學(xué)校的項目組織管理優(yōu)勢、需求分析優(yōu)勢、教學(xué)資源建設(shè)和推廣應(yīng)用優(yōu)勢，高校的系統(tǒng)設(shè)計與研發(fā)優(yōu)勢，企業(yè)的資金、產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)優(yōu)勢，實現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)合作。這種創(chuàng)新的機(jī)制和項目推進(jìn)策略，有利于實施“起點高、時間緊、技術(shù)難度大”的項目，為其他示范工程項目的建設(shè)探索可供借鑒的模式。

2 系統(tǒng)開發(fā)方法

“智慧校園”項目采用的開發(fā)方法是基于RUP的迭代開發(fā)方法，RUP是一個面向?qū)ο笄一诰W(wǎng)絡(luò)的程序開發(fā)方法。由于本項目的實施尚無成功經(jīng)驗可循，系統(tǒng)龐大，且涉及眾多新技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)難度大。在軟件開發(fā)的早期階段無法全面準(zhǔn)確地明確用戶需求，確定詳細(xì)技術(shù)路線。而迭代式開發(fā)允許在每次迭代過程中需求可能有變化，通過不斷細(xì)化來加深對問題的理解。迭代開發(fā)可有效降低項目風(fēng)險。本項目開發(fā)依據(jù)迭代開發(fā)方法的核心理念和操作模式，實施過程按“調(diào)研-需求分析-原型構(gòu)建-系統(tǒng)開發(fā)-測試-適用評-示范應(yīng)用-深化應(yīng)用-總結(jié)推”廣9個階段進(jìn)行。

3 主要實現(xiàn)技術(shù)

（1）開發(fā)環(huán)境和工具。以Linux作為底層操作系統(tǒng)，使用JAVA語言作為主要的開發(fā)語言，開發(fā)環(huán)境為JDK1.6+和eclipse3.7，完全滿足J2EE和servlet2.4+的開發(fā)規(guī)范，web容器使用tomcat7.0。整個平臺基于SOA方式，采用Apache的CXF作為數(shù)據(jù)的整合和共享方式，智慧校園各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通都是通過該方式實現(xiàn)；該方式獨立于操作系統(tǒng)和開發(fā)語言，可靈活部署，兼容性和性能優(yōu)越。

（2）單點登錄。平臺的各個系統(tǒng)之間的登錄整合以Yale CAS（Central Authentication Service，中央認(rèn)證服務(wù)器）方式實現(xiàn)。Yale CAS是耶魯大學(xué)的一個開源項目，Yale cas是目前項目中用到最多的SSO整合方案，該方案提供一種標(biāo)準(zhǔn)的用戶認(rèn)證服務(wù)，實現(xiàn)了單點登錄功能。

（3）Web部署。Web部署使用前端服務(wù)器加后端服務(wù)器的耦合方式實現(xiàn)，前端使用高性能的Nginx，后端則使用標(biāo)準(zhǔn)的serlvet容器Tomcat實現(xiàn)，Nginx專為性能優(yōu)化而開發(fā)，它支持內(nèi)核Poll模型，能經(jīng)受高負(fù)載的考驗，有報告表明能支持高達(dá)50，000個并發(fā)連接數(shù)，這樣的搭配可以很好的解決性能和應(yīng)用的兼容性問題。使用Nginx按照調(diào)度規(guī)則實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)頁面的分離，為了提高訪問性能，以Nginx的ip哈希方式實現(xiàn)了應(yīng)用的負(fù)載均衡。

（4）工作流引擎。使用/BOSS成熟的JBPM工作流引擎作為解決方案，JBPM是一個開源的、純JAVA的、輕量級的支持多種可執(zhí)行流程語言的工作流程管理（BPM）工作流引擎。

（5）數(shù)據(jù)存儲。使用分布式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql Cluster作為關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲，使用分布式的Hadoop作為非關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲解決方案。

（6）云平臺虛擬化。采用Linux的KVM解決方案，KVM虛擬化平臺是linux內(nèi)核原生的組成部分，它使用Linux自身的調(diào)度器進(jìn)行管理，所以相對于其他虛擬化平臺其核心源碼很少，速度更快更穩(wěn)定。

（7）網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化方法。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和傳輸方面主要使用gzip壓縮技術(shù)、瀏覽器緩存技術(shù)、服務(wù)端動靜態(tài)分離的處理技術(shù)和服務(wù)端緩存技術(shù)；

五 智慧校園示范應(yīng)用系統(tǒng)

智慧校園示范系統(tǒng)基于教育云平臺構(gòu)建，包括智慧校園管理系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)、移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)、數(shù)字化實驗系統(tǒng)、教育資源平臺、智慧校園文化系統(tǒng)、家校通系統(tǒng)和數(shù)字圖書館系統(tǒng)。

1 教育云平臺

教育云平臺是智慧校園的底層支撐。采用先進(jìn)的虛擬化技術(shù)，通過租用世紀(jì)互聯(lián)的硬件服務(wù)，構(gòu)建了禪城區(qū)全新的、動態(tài)擴(kuò)展的、分布式存儲教育數(shù)據(jù)中心。教育云平臺建立了統(tǒng)一的單點登錄系統(tǒng)，實現(xiàn)了用戶界面整合、業(yè)務(wù)流程整合和系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合，為禪城區(qū)所有學(xué)校師生提供了統(tǒng)一用戶授權(quán)、統(tǒng)一信息服務(wù)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換服務(wù)、工作流服務(wù)、電子表單服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲與計算服務(wù)、教學(xué)資源共享服務(wù)等硬件、軟件和應(yīng)用服務(wù)，避免了重復(fù)建設(shè)，大大提高了資源與技術(shù)服務(wù)的利用率。

2 教育資源平臺

教育資源平臺是七個子系統(tǒng)的接入口。通過整合全區(qū)各類學(xué)校的教學(xué)資源、建立了涵蓋中小學(xué)各學(xué)科的素材庫、課件庫、教案庫、電子教材庫、試題庫、名師講堂庫、同步視頻課堂庫等優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，實現(xiàn)了跨校共享。教育資源平臺具有良好的用戶體驗。支持教學(xué)資源的智能管理、智能檢索和智能匯聚，用戶可以對資源進(jìn)行訂閱與推薦，可以設(shè)定資源的訪問、下載的權(quán)限，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。支持動態(tài)生成作業(yè)和試題，并具有作業(yè)發(fā)布、作答、批改、查詢、修改、刪除和統(tǒng)計分析功能；支持動態(tài)組卷，具有試卷發(fā)布、作答、批改、查詢、修改、刪除和統(tǒng)計分析功能。

3 智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)以先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了校園進(jìn)出人員身份管理、考勤管理、學(xué)校資產(chǎn)監(jiān)控與數(shù)據(jù)泄密管理、辦公管理、教學(xué)活動管理、教學(xué)設(shè)備管理、教務(wù)管理和安防管理智能化。智能管理系統(tǒng)提供智慧校園各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的單點登錄接口和用戶管理配置。辦公管理系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校管理架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程定制開發(fā)，包括公文管理、個人事務(wù)管理和統(tǒng)計查詢系統(tǒng)。實現(xiàn)了辦公業(yè)務(wù)全流程的跟蹤管理、統(tǒng)計查詢和輔助決策。教學(xué)活動管理系統(tǒng)提供各類校園活動申請、安排，跟蹤和查詢等功能。教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)提供設(shè)備申購、入庫、報損、借用、領(lǐng)用、維修管理、賬物卡管理、重要設(shè)備跟蹤管理和統(tǒng)計、查詢等功能。教務(wù)管理系統(tǒng)提供智能化的教學(xué)排課、成績錄入、教務(wù)信息發(fā)布、查詢、教學(xué)評價、成績統(tǒng)計分析等功能。

4 智能教學(xué)系統(tǒng)

智能教學(xué)系統(tǒng)依托教學(xué)資源平臺，為教師編寫教案、制作課件、批改作業(yè)和輔導(dǎo)答疑提供智能化服務(wù)。包括智能備課系統(tǒng)、互動課堂系統(tǒng)、輔導(dǎo)答疑系統(tǒng)、電子作業(yè)系統(tǒng)和綜合評價系統(tǒng)五部分。

智能備課系統(tǒng)提供了基于教學(xué)流程選擇、備課資源智能匯聚、輕松編輯素材、快速制作教案、自動生成教學(xué)網(wǎng)站的智能備課功能。讓老師備課像寫博客一樣輕松省力。

互動課堂系統(tǒng)由教師電腦、電子白板、短焦投影、實物展臺、錄播系統(tǒng)、電子書包、無線網(wǎng)絡(luò)和智能講課系統(tǒng)組成，為老師開展互動教學(xué)提供了先進(jìn)的教學(xué)環(huán)境。利用智能講課系統(tǒng)，老師可以按備課的教學(xué)流程在電子白板上點播素材、任意調(diào)整播放窗口、任意書寫，既像寫黑板一樣輕松自如，又能隨時保存。在課堂練習(xí)環(huán)節(jié)，老師通過電子白板把題目發(fā)給學(xué)生，學(xué)生利用電子書包接收、作答，提交答案，老師可以在白板上看到每個學(xué)生的答題結(jié)果，及時、精確地掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。課堂練習(xí)的結(jié)果可以保存在課堂學(xué)習(xí)檔案。學(xué)生利用電子書包按照老師控制的課堂活動進(jìn)度自主學(xué)習(xí)、練習(xí)、提問和作筆記等。

課堂錄播系統(tǒng)可以將教師的授課過程自動錄制成視頻，供學(xué)生課后復(fù)習(xí)，也可以實現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)課堂”。

輔導(dǎo)答疑系統(tǒng)直接建立了老師和學(xué)生之間的信息交流。

電子作業(yè)系統(tǒng)提供了覆蓋各個年級各學(xué)科的作業(yè)庫和試題庫，具有作業(yè)布置、提醒、作答、批改、統(tǒng)計分析功能和自動組卷、智能評分功能。

綜合評價系統(tǒng)提供了學(xué)生平時成績、課程作業(yè)、考試統(tǒng)計分析等信息，為老師教學(xué)決策提供了重要依據(jù)。

5 移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)

移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要電子書包、手機(jī)等移動學(xué)習(xí)終端為載體，基于統(tǒng)一的教育資源平臺支持，實現(xiàn)任何時間、任何地點的個性化學(xué)習(xí)。移動學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠為移動學(xué)習(xí)終端有效地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容并且提供教師與學(xué)習(xí)者之間的雙向交流，具有提供隨時隨地地學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)情境的功能。主要包括：電子教材閱讀、課堂筆記、課件下載和信息訂閱、教學(xué)視頻點播、作業(yè)下載和提交、輔導(dǎo)答疑、考勤信息和成績查詢、學(xué)習(xí)工具等。

6 數(shù)字化實驗系統(tǒng)

數(shù)字化實驗系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)、實驗教學(xué)平臺和多媒體互動投影系統(tǒng)組成。實現(xiàn)了從實驗數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和生成輸出全過程數(shù)字化。為學(xué)校師生創(chuàng)設(shè)了開放、協(xié)作的科學(xué)探究實驗環(huán)境。系統(tǒng)還具有實驗教學(xué)管理、實驗設(shè)備管理、實驗室開放管理和實驗成績管理功能，并與智慧校園其他子系統(tǒng)無縫對接。

7 家校通系統(tǒng)

家校通系統(tǒng)實現(xiàn)了家校溝通無障礙。老師和家長之間，可以直接使用家校通系統(tǒng)互動交流。譬如學(xué)校向家長報告學(xué)生在校情況，發(fā)布通知，布置作業(yè)，家長查詢學(xué)校的規(guī)章制度、課程安排，或與老師一起切磋教育心得等，十分便捷。

8 智慧校園文化系統(tǒng)

智慧校園文化系統(tǒng)包括校園多媒體信息發(fā)布系統(tǒng)、虛擬校園交互式演示系統(tǒng)和智慧學(xué)習(xí)社區(qū)三部分組成。智慧校園多媒體信息發(fā)布系統(tǒng)以數(shù)字化方式展示學(xué)校形象與文化特色。即在學(xué)校主要場所與主要通道，應(yīng)用電子顯示屏展示校園文化特色、辦學(xué)理念、校園動態(tài)信息、教學(xué)活動信息、樓層、場所導(dǎo)覽信息、宣傳表彰、通知公告等。虛擬校園交互式演示系統(tǒng)通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)逼真再現(xiàn)校園的地形地貌、建筑物、綠化、運動設(shè)施及場地等，并可以在校園主頁以各種方式進(jìn)行導(dǎo)覽，展示學(xué)校形象；與智慧校園共用同一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，讓管理者隨時隨地直觀地了解學(xué)校的資產(chǎn)情況，實現(xiàn)資產(chǎn)管理，還可輔助實現(xiàn)消防安全管理；智慧學(xué)習(xí)社區(qū)整合了博客、QQ等多種功能，為學(xué)生、教師和家長提供了一個便捷交流互動的平臺，包括智慧講壇、創(chuàng)意樂園、智慧活動、名師支招、智慧之星等，為廣大教師交流教學(xué)經(jīng)驗，分享教學(xué)智慧，為學(xué)生分享學(xué)習(xí)心得，開展科技創(chuàng)新活動提供有效的支持。

9 數(shù)字圖書館系統(tǒng)

數(shù)字圖書館系統(tǒng)是為了適應(yīng)圖書館未來的發(fā)展要求，滿足示范學(xué)校對館藏資源充分共享、高效管理等方面的實際需求構(gòu)建的。本系統(tǒng)包含了目前圖書館管理業(yè)務(wù)的每個環(huán)節(jié)，具備系統(tǒng)圖書采訪、圖書編目、圖書流通、期刊管理、公共查詢、系統(tǒng)管理等功能，并與本區(qū)e卡通系統(tǒng)無縫對接，實現(xiàn)成員館館藏資源的互借、互還和互通。

六 結(jié)束語

“智慧校園”示范工程項目的實施，為解決禪城區(qū)教育信息化面臨的挑戰(zhàn)，解決當(dāng)前基礎(chǔ)教育信息化所面臨的突出與共性問題進(jìn)行了創(chuàng)新性探索。在學(xué)校管理方面，打破目前數(shù)字校園的“信息孤島”，實現(xiàn)了信息管理一體化和智能化；在教學(xué)資源方面，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各學(xué)校軟硬件資源的動態(tài)均衡配置、充分共享；在教學(xué)應(yīng)用方面，充分利用信息技術(shù)支持師生多樣化、個性化的教與學(xué)需求，讓教學(xué)更輕松、學(xué)習(xí)更自主、互動更及時、協(xié)作更方便、評價更準(zhǔn)確；在學(xué)習(xí)社區(qū)和校園文化方面，構(gòu)建了學(xué)校、家庭、社會互通的平安、綠色學(xué)習(xí)社區(qū)，整合了各種教育力量，共同促進(jìn)學(xué)生健康、快速成長。

隨著“智慧校園”系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將給全區(qū)基礎(chǔ)教育帶來一系列的變革和創(chuàng)新，為推動學(xué)校提高管理效率和決策水平、大面積提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教育公平發(fā)揮重要的作用。并為國內(nèi)實施同類項目提供有益借鑒。

編輯：小西