中小學數字校園應用系統的集成研究*

楚云海　方海光　陳俊達　羅金萍

（首都師范大學 教育技術系，北京 100048）

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中小學數字校園應用系統的集成研究*

楚云海方海光［通訊作者］陳俊達羅金萍

（首都師范大學 教育技術系，北京 100048）

摘要：為解決中小學數字校園建設中的“信息孤島”問題，文章首先分析了多平臺間的數據存儲技術和多種數據交換模型，然后提出要采用基于SOA（Service-oriented Architecture）的數據交換模型與CAS（Central Authentication Service）、LRS（Learning Restore System）相結合的集成技術。文章構建了基于SOA的多平臺信息融通數字校園架構，并在中小學數字校園Eschool集成系統上解決了平臺間的數據交換、權限分配和角色轉換等實際問題。

關鍵詞：數字校園；系統集成；數據交換；SOA；CAS

引言

在建設數字校園“三通兩平臺”的過程中，由于校領導和老師分管不同的業務，不同職位、不同部門的老師以自身的業務需求為中心，各管理部門之間缺乏有效的溝通和組織協調機制［1］；數字校園的各個平臺隨著需求的變化不斷建立，但平臺建設技術標準滯后、缺少信息化的統一部署規劃和頂層設計，導致中小學數字校園多平臺的建設出現了“信息孤島”問題［2］。將不同信息平臺間的數據進行整合、構建數據共享交換機制、實現多個信息平臺的數據無縫交換和同步，是每個領域都需要解決的問題，也是當前教育領域內中小學數字校園信息化建設中亟待解決的問題。電力系統領域有用基于標準的數據交換技術來解決不同功能區域的數據交換問題，電子商務領域有用基于中間件技術來解決跨平臺的數據交互問題。教育領域的數字校園應用集成問題，若以普通高等院校信息化的實際情況為基準，可以采用一種松耦合的應用集成模型，通過CAS來實現校園所有應用用戶的認證過程［3］；若以高職院校的現實需求為依據，則可以采用SOA 與 ESB（企業服務總線）相結合的技術路線，去設計和實現數字校園公共基礎平臺［4］。本研究以目前中小學數字校園多平臺信息融通存儲交換的現實需求為依據，提出采用基于SOA的數據交換模型與CAS、LRS相結合的集成技術，來解決中小學數字校園建設中的“信息孤島”問題。

一　多平臺信息的融通存儲

從環境建設的角度看，中小學數字校園是為了有效支持學生學習，創新和轉變傳統的教學方式，以面向服務為基本理念，構建豐富的數字化資源、多種應用系統集成的、相關業務高度整合的校園信息化環境［5］。從工程建設的角度看，中小學數字校園是借助信息技術手段，實現從環境、資源到活動的數字化，從而起到提升教育教學質量和管理水平的作用［6］。從技術實現的角度看，中小學數字校園是一種依托現實校園而存在、以網絡為基礎的教育平臺，通過數字化環境的支持輔助完成校園中的各種活動［7］。從實際建設的進程來看，目前中小學數字校園的建設已到第四代，而在建設第四代中小學數字校園多平臺的過程中，由于數字校園建設的長期性，以及不同技術標準的制定，平臺之間的數據在整合時規范不一致［8］。此外，由于校園的多種業務需求，所涉及的數據標準也多種多樣，各種類型數據按照一定的順序排列組合就構成了信息。

顧名思義，信息融通指的是信息的融合串通，其實就是各種數據的融合和交換。因此，研究多平臺信息融通存儲問題，就是分析各種數據的存儲方法。數據按照其組織形式，可劃分為非結構化數據、半結構化數據與結構化數據等三種。根據現階段中小學數字校園的應用需求，暫不考慮非結構化數據和半結構化數據的存儲需求，而以結構化數據的存儲需求為主。由于中小學不同部門、不同職能的教師用戶的需求不同、各個平臺中建立的數據標準不同，故采用不同的數據庫系統來存儲管理，導致了異構數據的產生。

在中小學數字校園缺乏統籌規劃、統一部署與頂層設計的情況下，不同時期采用不同技術路線開發的平臺各自獨立。對用戶的身份認證方式、教師角色分配、用戶權限管理以及文件傳輸協議等方面的設計各不相同，使得中小學數字校園多平臺中的數據面臨著兩個問題：一是多平臺之間進行異構數據的融通問題，要讓數據能夠在多個平臺之間流動；二是異構數據的可用性與易用性問題，要讓用戶可以便捷、輕松地通過有效的操作來處理多平臺中的存儲數據。

二　多平臺信息的交換模型

1 中小學數字校園多平臺拓撲結構

為了解決中小學數字校園多平臺異構數據的融通問題，本研究引入了數據交換理論。數據交換是實現信息融通的一種方式。通過這種數據交換的方法，實現中小學數字校園多平臺間的數據互操作、數據共享、業務協同，是解決現今教育領域“信息孤島”問題的有效途徑。數據交換模型有很多種，具體模型的選擇取決于數字校園多平臺的拓撲結構。中小學數字校園多平臺拓撲結構，可歸納為以下三類：

（1）總線型結構。該結構采取統一的通信標準、處理標準、聯系標準和語義語法標準的方式，可以省去中間件的控制，使多個平臺之間直接進行信息交換。

（2）星型結構。該結構以一個中間件為平臺中央連接點，各個應用平臺都直接與中間件相連。該結構的數據交換策略由中間件來控制，任意兩個平臺之間的交流都必須經過中間件的審核和傳送。

（3）樹型結構。該結構的連接形式像一顆倒立的樹，頂端是核心的中間件，平臺可以通過核心中間件和節點中間件進行連接；頂端以下連有分支，但不形成閉合的回路。樹型結構的平臺是分布式的，容錯率較高，穩定性強，一個分支和分支中間件節點的故障不會影響其它分支的數據交換。因此，該結構是現今中小學數字校園多平臺建設應采用的平臺拓撲結構。

2 中小學數字校園多平臺的數據交換模型

到目前為止，對于數據交換模型的研究，還沒有一個統一的理論體系與實踐方式。以信息技術的發展歷程為依據，本研究將數據交換模型分為以下三類：

（1）基于標準的數據交換模型

基于標準的數據交換模型應用于傳統點對點連接的架構，實現簡單、基本的信息融通交換功能。如基于EDI（Electronic Data Interchange，電子數據交換）標準的模型系統的多個平臺開發要從定制專門的數據格式開始，遵守統一制定的通訊協議，符合標準的數據處理接口，但這種模型的平臺擴展性較差。

（2）基于中間件的數據交換模型

中間件是一個軟件管理系統，通過這個自身獨立的系統，各個信息管理平臺互相傳遞、共享數據，實現資源和通訊的互聯。中間件用來制定和控制平臺之間的數據交換策略，對平臺之間傳送的數據進行審核。這種模型采用了面向對象技術的形式，使得系統擴展性增強，降低了自身的開發復雜度。還有一個問題是不同中間件之間的互聯操作，由于數據傳輸耦合度較緊密，數據之間的通訊不用設置嚴格的格式，但需要設置統一的通訊協議。

（3）基于SOA的數據交換模型

在基于SOA的數據交換模型中，由于SOA是一種面向服務的體系架構，可以把不同應用平臺中不同功能的數據轉換成服務。平臺雙方要交換數據時，先把數據轉換為服務，并通過對這些服務定義良好的接口來實現信息融通功能，信息融通的雙方既是服務的提供者，又是服務的消費者。

以上三種數據交換模型的優勢與劣勢，可以通過數據耦合度、平臺互操作性、平臺擴展性、開發復雜度、部署成本、拓撲結構等六個維度來進行對比，如表1所示。

表1　三種數據交換模型對比

通過比較、分析，可以發現相對于標準模型和中間件模型，基于SOA的數據交換模型的數據耦合度更松散、平臺擴展性和互操作性更好、開發復雜度較低、部署成本較低，因此它更適合分布式的、容錯率較高的樹型多平臺拓撲結構。這種模型良好的伸縮性、擴展性、松散耦合性和低成本等特點，便于更加有效地支持數字校園多平臺的建設。

三　基于SOA的多平臺信息融通數字校園架構

多平臺數字校園信息融通要實現異構數據的存儲和數據交換這兩個基本功能。其中，異構數據的存儲涉及統一身份認證、權限管理、角色分配、傳輸協議和數據標準等問題，對此可以采用基于CAS協議的統一身份認證系統和LRS學習記錄系統來解決這一問題。至于數據交換，由于樹型的多平臺結構設計和面向服務的數據交換模型的諸多優點，信息融通存儲和交換系統采用基于SOA的數據交換模型。根據面向服務的設計理念，本研究設計了基于SOA的多平臺信息融通數字校園架構，如圖1所示。中小學數字校園中的數據分為用戶數據和學習數據兩大類。其中，用戶數據涉及權限管理、角色分配、傳輸協議和數據標準四個關鍵要素，學習數據涉及學習單、學習活動、學習記錄和學習經驗四個關鍵要素。

數字校園所有用戶數據的融通、存儲和交換，都由基于 CAS的統一身份認證系統來實現。CAS本身就是一種傳輸協議，師生用戶在CAS Client端登錄平臺應用時，通過客戶端傳遞到CAS Server端的票據來統一認證用戶，票據在CAS的數據庫中進行用戶信息匹配，給匹配成功的用戶分配動態權限，進而實現多個平臺權限的管理。根據權限認證的結果，再通過各個應用平臺內部進行角色分配，每個平臺內用戶的權限可能相同也可能不同，這個主要依靠各個平臺內部的數據庫來進行角色分配，各個平臺間的用戶數據交換由Web Services集成引擎來實現。

圖1　基于SOA的多平臺信息融通數字校園架構

數字校園學習數據的融通、存儲和交換，由LRS學習記錄系統來實現。學習者通過登錄數字校園內的教學平臺網頁或者訪問其它學習終端頁面進行學習，發生學習活動，產生學習過程數據（包括學習單數據，個人學習記錄、學習活動數據和反饋的學習經驗）。這些學習數據與學習記錄系統進行交互，實現學習數據的存儲功能，當需要提取學習數據時，通過LRS來完成數據交換功能。

按照學校的業務功能，中小學數字校園多平臺應用可劃分為四個子平臺：教師教學平臺、教師培訓平臺、教務辦公平臺和德育文化社區。其中，教師教學平臺提供教師教和學生學的數字化環境，可供師生進行課程公告、學習探討、作業交流和課外拓展等學習活動；教師培訓平臺向老師提供教學指導培訓和教學科研方面的幫助，支持教師專業素養和信息技術能力的提升；教務辦公平臺向學校校長、主任、老師們的日常數字化辦公提供支持，有個人辦公模塊、公告管理模塊、信息交流模塊和會議管理模塊等；德育文化社區則是供學校教師、學生、家長進行交流、探討與學習的地方，包括學校的文化資源建設和家校互動等版塊。

四　基于SOA的多平臺信息融通Eschool案例

樹型結構的中小學數字校園Eschool多平臺系統的實現采用了基于SOA的數據交換模型和LRS學習記錄系統，并且為了解決用戶統一身份認證問題，引入了基于CAS協議的單點登錄技術。Eschool的建立提高了中小學的教育教學、教師培訓、辦公處理和文化社區的信息化水平，加深了中小學校園的數字化環境建設程度，正逐步向第四代數字校園進軍。

Eschool的訪問流程如圖2所示，用戶登錄平臺時統一訪問的是CAS Client，通過各個平臺的客戶端傳遞票據給CAS Server服務端，然后訪問LDAP數據庫，匹配用戶信息來對用戶進行身份認證。對于非認證用戶，客戶端會提示其登錄錯誤，然后返回到登錄頁面；認證通過的用戶則進行動態授權，并通過Web Services集成引擎進行各平臺間的數據傳遞和交互。當用戶的授權信息傳遞到平臺內部的數據庫時，進行平臺內的角色分配，這種方法便于控制用戶在各個平臺中的權限設置。如果用戶要從教師教學平臺切換到教務辦公平臺，這時候CAS的動態授權機制會收到票據信息，就會重新對該用戶授權；新授予的權限會傳遞到教務辦公平臺的內部數據庫，然后教務辦公平臺會對該用戶進行角色分配。由此可見，當用戶切換到教務平臺時，用戶被平臺分配的角色已經發生了改變。通過這種動態的授權機制，可以解決平臺間切換的角色轉換問題和權限管理問題。當用戶在教學管理平臺或其他平臺上登錄并發生學習活動時，產生的學習信息由LRS學習記錄系統來提取、存取。如果用戶跳轉到其它平臺需要用到之前產生的學習信息，就由LRS學習記錄系統提供學習數據，完成數據交換。

圖2　Eschool的訪問流程

圖3　Eschool多平臺系統業務模型

Eschool多平臺系統業務模型如圖3所示，應用平臺包括教師教學平臺、教務辦公平臺、教師培訓平臺和德育文化社區。每個應用平臺又包含具體的功能模塊，來滿足學校領導、教師和學生的教學、辦公、科研和素質提升等需求。Eschool系統部分平臺的實現頁面如圖4～圖7所示；圖8為CAS統一認證登錄原理部分代碼，圖9為平臺客戶端CAS實現部分代碼。

圖4　統一門戶

圖5　教務辦公平臺

圖6　教育教學平臺

圖7　德育文化社區

圖8　登錄原理

圖9　客戶端實現

五 結束語

本研究從中小學數字校園信息融通存儲數據交換面臨的現狀出發，以面向服務的概念為基礎，采用CAS和LRS相結合的集成技術，設計了基于SOA的多平臺信息融通數字校園架構。本研究采用面向服務的Web Services技術，把統一身份認證功能模塊和各個應用平臺內的服務模塊封裝成Web Services，對用戶提供服務接口，方便用戶進行跨平臺的服務調用，平臺中產生的學習數據通過LRS進行提取存儲和交換。同時，把中小學各個平臺內的應用看成是一個個由數據組成的服務集成，通過這些服務集成體，把虛擬情景的校園和現實的校園進行無縫對接，實現了中小學數字校園應用系統的高度集成和相關業務的高度整合，并且具有良好的拓展性，在教師教與學生學、教師教研、校園管理和校園服務等方面均提供了更好的支持。

參考文獻

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編輯：小米

Research on the Integration of Digital Campus Application System in Primary and Secondary School

CHU Yun-haiFANG Hai-guang［Corresponding Author］CHEN Jun-daLUO Jin-ping

（Department of Educational Technology， Capital Normal University， Beijing， China 100048）

Abstract：In order to solve the “information island” problem of digital campus construction in primary and middle schools， this paper firstly analyzed the multi-platform data storage technology and data exchange model， then proposed to adopt the integrated technology that combined data exchange model based on SOA （Service-oriented Architecture），CAS （Central Authentication Service）， and LRS （Learning Restore System）. This paper constructed a digital campus architecture with multi-platform information circulation based on SOA， and solved the practical problems of data exchange， access assignment and role transfer in the Eschool integrated system of digital campus.

Keywords：digital campus； system integration； data exchange； SOA； CAS

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2016）05—0089—06 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.05.014

*基金項目：本文受2015年度北京市屬高等學校青年拔尖人才培育計劃項目“信息技術支持下的個性化學習環境優化研究”（項目編號：CIT&TCD201504076）資助。

作者簡介：楚云海，在讀碩士，研究方向為教育信息化績效技術，郵箱為chu.yunhai@163.com 。

收稿日期：2015年8月25日