區縣智慧云平臺：以數據推動教育發展

文 /劉建 徐妍

教育部發布《教育信息化2.0行動計劃》以來，各區（縣）在完成數字校園和教育資源公共服務平臺之后，再次啟動了智慧教育和智慧校園的規劃建設行動。

作為區級教科研機構，對全區學校進行了大規模的教育信息化方面的調研，下發了關于校園信息化和信息技術人員的兩份網絡問卷，并調閱部分學校的智慧校園建設方案。

問卷結果顯示，學校信息化建設和應用水平不均衡，總體表現為網絡基礎設施建設水平低、利用率低和管理能力低，教學工作大多依賴于免費的互聯網云應用。信息技術人員方面總體表現為配備不健全，網絡專業技術水平較低，對云計算、大數據、虛擬化等新技術不夠了解。

縱觀學校智慧校園方案，主要集中在校園多網融合、智能安防、創新型教室等物聯網使用和硬件系統配備上，設計思路依然是以功能為導向、系統簡單堆疊的方式，數據孤島現象依然存在。如何構建智慧校園的應用軟件體系、整合運用校園數據在眾多方案中鮮有提及。

學校個體勢單力薄，受限于人員、技術和經費，獨立建設智慧校園很難有大的發展。因此，我們提出了一個區、校兩級普遍認同的頂層設計思路，即建設區級智慧教育云平臺（以下簡稱“云平臺”），提供豐富的教學資源和教育應用軟件，服務于智慧校園，補充學校的短板，使得薄弱學校也可利用云平臺提供的空間和應用整合起自己的智慧平臺。

智慧教育云平臺方案

1.智慧教育的技術路線

對于“智慧教育”內涵的理解，我們認為，從信息技術角度來看，無論“智慧”還是“智能”，它的展現都需要利用數據去訓練、辨識、計算和分析。國內外的教育科研成果紛紛將“大數據”和“智慧”聯系在一起。教育大數據建設不僅要持續、動態匯聚海量數據，更要實現數據基礎上的教育“智慧”的創生[1]。教育大數據匯聚存儲了教育領域的信息資產,是發展“智慧教育”最重要的基礎,而數據挖掘和學習分析技術是連接教育大數據與智慧教育的橋梁[2]。

故此，我們將大數據作為云平臺建設的主要技術路線，開展教育教學業務分析，為管理決策和教科研提供數據支撐。

2.云平臺建設原則與目標

區級智慧教育云平臺服務于智慧校園，兩者共同構成一個密不可分的系統工程，分擔不同的建設、管理和使用任務。采用“肥中心、瘦學校”的“云+端”架構模式[3]。區級按照私有云模式承建數據中心和云平臺，達到國家三通兩平臺的基本要求，提供教學、管理、教研、科研和培訓等開放共享的應用系統，滿足基層學校的基本需求。學校智慧校園著力自身硬件建設及個性化發展，使用區級應用系統開展教學和管理工作，向數據中心匯聚各類應用數據，實現云平臺與智慧校園的有機融合。

云平臺需要一個具有高度整合、開放特性的系統框架，滿足應用整合和數據整合的要求，因而設定了四個基本目標。

（1）統一身份認證

云平臺應提供統一的實名賬戶管理中心，一人一號覆蓋全體師生，利用接口向各應用軟件提供用戶身份驗證和基礎數據的受限調用，保證個人隱私數據的安全。這是實現角色授權和應用數據關聯的基礎。

（2）應用市場

云平臺提供種類豐富的應用功能，以“應用市場”模式統一管理并向用戶展現，學校可按照智慧校園的規劃自主選用，既滿足學校共性需要，又滿足個性化發展需要。應用市場中使用統一賬戶并支持應用軟件單點登錄，不受限于單一廠商，可擴充、升級、撤銷和更替，支持公有云和私有云的混合架構方式。

（3）數據本地化存儲

教育信息分布在各種應用系統中，但是這些數據還無法共享，不能直接匯聚計算。設計者要有數據價值意識，提前規劃需要的主題，從各應用系統中抽取數據本地化存儲。這個模塊的任務有三個關鍵點，首先是統一的數據標準；其次是應用數據的抽取機制；最后是存儲模式設計。本地存儲的數據非指資源類，而是基礎數據和業務數據，以及各應用軟件中的用戶行為或日志數據。

（4）大數據分析與挖掘

區縣教育大數據應用主要是為教育決策服務，各類應用數據的整合分析能充分展現教育各層面的精準特性。這需要先明確各種主題需求，再為之提供單獨的分析與挖掘算法，這是一個高度定制化的任務模塊，覆蓋云平臺建設的整個生命周期。

大數據平臺框架設計

為使各應用系統的教育數據可關聯、可整合、可分析，運用大數據和數據倉庫技術，采取分層設計方法構建了一種松耦合的大數據云平臺框架（圖1）。

圖1 松耦合大數據云平臺框架

（1）應用層

我們把各種應用系統和信息化工具統一抽象成“應用層”，不再區分應用的公有云、私有云及單機的部署差異。這一層作為數據采集源頭，從中抽取所需的數據子集，但并不直接運用到大數據分析中，而是經過規范化處理后保存到本地數據庫中。

（2）接口層

應用整合和數據抽取需要系統間調用機構信息、用戶身份及業務數據，出于安全的考慮，應用系統不允許外部直接操作底層數據庫，就需要單獨提供一個數據傳輸的通道。設計獨立的接口層，屏蔽各應用系統的部署方式、開發語言和數據庫的異構性，采用基于HTTP協議的Restful API技術標準開發通訊接口，編程調用返回JSON數據。接口由應用層各應用軟件分別實現。

（3）業務層

業務層完成兩個任務：一是完成數據的抓取、清洗、轉換和加載等調和數據的過程[4]，“行業標準元數據接口”由“中華人民共和國教育行業標準”和應用系統特定的元數據構成，為調和數據的功能模塊所調用；二是完成數據計算和結果呈現，“數據分析與挖掘模塊”為主題提供算法，“報表和視圖呈現模塊”將結果數據返回給前臺用戶。業務層功能模塊由定制開發的軟件實現，本地化部署。

（4）存儲層

存儲層的目標是匯聚存儲教育大數據，建立統一的區級數據中心。對照應用層各平臺所產生的數據類型和格式，分別設計主題生成數據集市，逐步建設完成數據倉庫。最終由傳統的數據庫軟件（如MySQL）提供物理存儲。

項目建設與實施

1.虛擬化數據中心

虛擬化數據中心已建設完成，使用了華為全套設備和軟件，配備11臺雙路服務器，全萬兆光纖數據通道，2臺獨立存儲設備提供120T存儲容量，安裝Fusion Compute云操作系統進行虛擬化運維，使用備份一體機按策略自動備份虛擬機和數據庫。

2.部署智慧教育云平臺

引進了一套“教育云平臺”軟件，按照國家三通兩平臺的要求開發，基礎數據與國家教育資源公共服務平臺連通。重要的是這套平臺提供了一個框架，能實現“統一身份認證”和“應用市場”兩個設計目標。

云平臺包含一個實名制用戶中心，通過“開放平臺”編程模式向應用系統提供系列接口（圖2），供統一身份驗證和基礎數據調用，能實現Web應用、Windows客戶端和手機App的對接。應用市場的管理功能除管理本區部署的應用軟件外，還可完成與上級平臺及應用的對接整合（圖3），用戶界面直觀易用，可單點登錄（圖4）。

圖2 開放平臺接口

圖3 應用市場管理界面

圖4 應用市場用戶界面

3.區級教育應用體系

綜合了區校兩級的共性需要，首批提供網絡閱卷系統、一對一教學、數字題庫、視文資源庫、網絡教研中心、辦公OA和課題管理等區級應用系統，正逐步完成與云平臺的對接，整合到應用市場，向學校開放共享。

4.大數據應用開發

面對種類繁多的教育應用系統，建設數據倉庫,開展大數據分析,需要定制開發，因此選定了“學業質量分析”作為首個定制的主題，以積累經驗。數據主要來自于：學籍管理系統、網絡閱卷系統、成績報表、中考數據報表和雙向細目表等，開展諸如小題、知識點和學科能力等方面指標分析。

經驗與反思

大數據智慧云平臺對應用整合和數據整合的要求很高，從規劃階段開始就應高度重視使用國家教育行業標準和各種接口的完備性與規范性，并貫徹始終。應用軟件在整合到應用市場前，至少提出三個技術要求：（1）按照云平臺提供的接口進行整合；（2）落實提取的數據內容，遵循現有的教育行業數據標準；（3）提供抽取數據的API接口。

云平臺雖然采用了松耦合的架構，對部署方式兼容性較好，但教育數據中諸多信息涉及個人和機構的隱私，如學生學籍、用戶身份、組織架構和公文數據等，涉及此類信息的應用系統都應部署在由教育主管機構所管理的數據中心，遵守國內隱私保護和信息安全方面的法律法規，禁止互聯網云應用調用和存儲，保密隱私數據。

云平臺服務于智慧校園，最終需要學校信息技術人員去部署、培訓和使用，他們的專業技術水平直接關乎平臺的整合能力和應用水平，培養和維系這樣一支骨干團隊應作為這個系統工程的一個重要項目來對待。