基于企業架構方法論的智慧校園頂層設計

馮 翔 邱龍輝 吳永和

（1. 上海數字化教育裝備工程技術研究中心&國家新聞出版署出版融合發展（華東師大社）重點實驗室上海 200062；2. 華東師范大學教育信息技術系 上海 200062）

數字化校園是校園信息化的產物，其發展脈絡與各行業信息化發展脈絡保持著相當程度的一致。近年來，校園信息化的發展落后于其他行業信息化的發展，特別是在信息技術與學校業務高度融合方面還有待發展，因此《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》提出了“應用驅動……深度融合，引領創新”的工作方針以及“信息技術與教育融合發展的水平顯著提升”的建設目標。智慧校園就是在這樣的背景下發展起來的新一代校園服務體系，目前已經引起學界和產業界的廣泛關注。但是，智慧校園的建設是一個系統工程，也是一個具有非常明顯的擴展性、階梯性特點的工程，不能一蹴而就。智慧校園的全貌究竟如何，采用什么樣的技術體系，如何實施？本文從智慧校園的架構分析、關鍵技術、實踐模式以及值得借鑒的方法論等方面闡述智慧校園的特征及建設思路。

一、智慧校園的研究現狀

當前，智慧校園的理論研究側重于概念、特征和支撐技術界定。祝智庭等提出了智慧教育的理解圖式，認為全面感知學習情境及其社會關系是智慧教育的重要特征[1]，以位置感知、社會感知、學習活動感知等情境感知為基礎提供泛在、入境和群智特性的智慧學習體驗設計是智慧學習環境研究的重點[2]。而智慧校園恰恰是一類需要實現以上特征的廣義的學習環境。黃榮懷等從面向師生個性化服務的角度提出了智慧校園的特征，并提煉出情境感知與識別、學習分析、數字資源組織和共享等五大智慧校園的關鍵技術[3]。于長虹等認為由于在實踐層面還缺少整體上的構思和智慧性設計，因而造成了智慧校園智慧性體現不足，難以達到理想的促進教學變革和提高教學效果的目的，并基于以上思考提出了智慧校園智慧性設計的構成要素[4]。

智慧校園的工程研究從不同應用領域和層面展開。歐盟項目SMART CAMPUS通過開發相關應用和服務，已支持校園能源數據的實時采集和智能能源管理，并實現了人和建筑之間的雙向交互[5]。華為和銳捷網絡著眼于網絡互通和數據管理的智慧校園整體解決方案[6][7]。這些案例都從特定應用角度開展，對于整體的智慧校園建設的指導意義不夠，與前述的理論之間也沒有形成較好的螺旋演進效應。

智慧校園的總體設計也受到了許多研究者的關注，張龍磊提出智慧校園總體技術架構主要由業務應用層、平臺層、綜合網絡層、感知層（數據采集）四層組成[8]。陳平、劉臻與陳明選、徐旸從物聯網視角探討了智慧校園的架構[9][10]。王燕等提出了基于感知層、網絡層、數據層、應用層和服務層的智慧校園建設總體架構模型[11]。王永強、陳舵與高倩、王志軍提出了基于物聯網和云計算的智慧校園總體設計框架，即在物聯網的基礎上總體設計的框架結構可以分為自上而下模式的四層，包括綜合云管理平臺層、管理子系統層、云計算數據整合層、網絡層[12][13]。祝智庭、賀斌提出了智慧校園的標準，該標準從基礎支撐環境、數字化應用成效、數字資源建設、可持續發展機制與保障四個維度， 指導學校開展智慧校園的建設與應用。

二、智慧校園頂層設計分析

智慧校園的理論和實踐之間還缺乏具備企業（或稱為組織，下文統一使用“企業”一詞來表述）信息化思維的EA（Enterprise Architecture）設計，因為智慧校園的建設本質上是一類典型的企業信息化工程，其實施的關鍵在于明確智慧校園的愿景，優化業務流程，并以關鍵技術支撐實現，形成智慧系統設計與實施思維。在這方面，企業信息化領域已經形成了相對成熟的方法論和技術路線，如TOGAF（The Open Group Architecture Framework）、FEA（Federal Enterprise Architecture）、Zachman框架（Zachman Framework for Enterprise Architecture and Information Systems Architecture）、Gartner企業架構方法論[14]。本文借鑒企業信息化領域的架構設計方法論和描述技術，對智慧校園進行架構研究，采用TOGAF方法論中對應的Archimate架構模型來進行架構分析。

（一）智慧校園架構愿景

智慧校園的根本需求領域包括智慧教學服務以及支持智慧學習服務的校園系統。智慧校園是一個涵蓋數字學習環境、物理學習環境的綜合學習環境，它需要提供智慧學習的支持。同時，作為一個系統，為了更好地支持智慧學習活動，它還需要具有自我治理能力。從支持智慧學習的角度看，智慧校園需要提供高度情境化、個性化、智能化的學習服務，其領域范疇包括學習平臺、教學管理、學籍管理、智慧教室等。而從校園自我治理的角度看，智慧校園自身需要具有確保校園物理世界和數字世界穩定、有序、安全、綠色運行的能力，其領域范疇包括校園文化、校園安保、車輛管理、資產管理、能源與水電管理等。

智慧校園的特征可以從技術特征和人文特征兩個方面來概括。祝智庭等提出智慧教育的顯著特征包括位置感知、情境感知、社會感知、互操作性、無縫連接、適應性、泛在性、全程記錄、自然交互、深度參與等，這些特征進一步劃分為智慧校園的技術特征和技術能力，并歸納為情境感知、精準決策、個性服務、優化結果。而這些技術能力支撐起來的用戶體驗就是智慧校園的人文特征，即智慧校園提供這樣的服務：在大多數情況下，用戶不需要顯性地向其提出服務需求，但系統卻能夠在合適的時空情境、合適的社會情境以及合適的個人心智情境下主動滿足用戶的需求，其中的用戶包括教學領域的用戶和校園治理領域的用戶，而這就是智慧校園架構設計的愿景目標。

（二）基于EA的智慧校園分析

通常，人們用框圖分層法來表示一個系統，如智慧校園總體框架[15]。大量學術研究中也采用框圖架構[16][17]。盡管框圖法在簡化系統表達方面頗為有效，對于向非軟件領域的用戶表達軟件系統具有較好的效果，但對于大型信息化工程，其語義信息不足，難以合理和完備表達，支持嚴謹分析的能力不足。本文借助EA方法論和技術手段進行架構分析和建模，采用Archimate[18]架構描述語言對業務層、應用層以及技術層形成的層次架構視圖進行建模，分析其架構現狀，并提出新的架構目標。為便于分析和闡述，本文對校園系統進行了一定的抽象，如將學習分析等服務納入決策支持服務中，將統一權限相關的能力納入用戶感知中。

1. 當前數字化校園的架構抽象：架構金字塔中的As-Is

企業架構分析中需要分析架構的當前現狀，即As-Is。對于當前的數字化校園，本文抽象出如圖1所示的架構視圖。該架構視圖采用Archimate架構模型描述，其主要特征是各類服務流程的實現都需要人的參與。而根據前文分析的愿景，在智慧校園中，系統將極大地把人從流程和決策中解放出來。

圖1 抽象的數字化校園分層架構模型

2. 智慧校園架構目標：架構金字塔中的To-Be

根據上文的分析，從數字化校園到智慧校園的轉化需要重新進行架構設計，新的架構中將引入新的處理流程和基礎設施，重新規劃服務流程和應用系統，減少人員的直接參與和操作，提高用戶體驗，如圖2所示。從業務的角度分析，智慧校園服務由用戶感知過程、情境計算過程和智能決策過程來實現，相對于數字化校園架構模型，此業務流程提高了系統智能處理的能力，降低了對用戶和服務人員的依賴；這些流程通過應用服務接口使用應用系統的功能；應用系統實現了用戶登錄服務、用戶情境服務、決策支持服務等關鍵服務；應用系統需要使用技術基礎設施；技術基礎設施包含數據服務器、數據存儲及分析集群、業務服務器、校園物聯網服務器以及將其融合貫通起來的SDN網絡系統。

圖2 抽象的智慧校園分層架構模型

三、支撐智慧校園架構的關鍵技術

要實現智慧校園技術特征和人文特征，需要整合多種技術進行數據采集、數據分析，了解校園中數字世界、物理世界以及人的世界中發生的事情，根據情況對這些事情進行決策，然后提供適當的服務。此服務為用戶提供這樣的用戶體驗：用戶感覺有一個良師益友在他需要的時候時刻幫助、提醒他。本文綜合前人研究基礎，總結提煉出了三個層面的關鍵技術，即網絡基礎設施層面、數據基礎設施層面、智能應用支撐層面。

（一）網絡基礎設施層面

1. 軟件定義網絡 （Software Defined Network,SDN）

智慧校園網絡的挑戰在于需要具有極強的適應能力。為滿足各類應用需求，智慧校園網絡需要對園區中的各種數據路由進行按需配置，為異地接入進行實時數據路由，對網絡進行虛擬化等。由于傳統網絡設備的封閉性，在網絡建設完成后，要滿足這些業務需求的門檻很高。

SDN的提出為上述類似網絡問題提供了解決方案。SDN是由美國斯坦福大學 Clean Slate 研究組提出的一種新型網絡創新架構，其核心技術OpenFlow 將網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現網絡流量的靈活控制，為核心網絡及應用的創新提供良好的平臺[19]。

2. 物聯網

諸多論文闡述了物聯網是智慧校園的關鍵技術[20][21][22]，這是因為物聯網解決了一類關鍵數據的獲取及設備的控制問題。物聯網有眾多的定義[23],不論其定義如何，其要點都在于通過傳感器設備和可識別標簽將物理實體相互連接，將物理實體同數字世界聯通，實現物理世界和數字世界的高效信息交互。在智慧校園中，物聯網具有廣闊的應用前景，比如可以采用RFID或者二維碼實現校園文化的傳播應用。

（二）數據基礎設施層面

1. 云計算技術

在智慧校園中，無論從物理設備架構還是軟件架構來看，云計算技術始終是一個基礎性的技術。它不僅能夠以相對較低的預算架構出有利于智慧校園的基礎設施，還能從應用模式角度賦予智慧校園應用生機[24]。云計算技術可以整合高校硬件設施，實現高校間資源的互相開放。同時，云計算技術強大的調度整合資源能力能夠構建虛擬化教學資源與管理服務平臺，打破地域限制與高校間信息數據孤島問題，真正做到資源共享，促進教育公平。

2. 教育大數據

大數據引起了科技界對科學研究方法論的重新審視，正在引發科學研究思維與方法的一場革命，是未來科技及經濟社會發展的重大戰略領域。在教育領域，教育管理和教學中的操作帶有相當部分的主觀成分，這導致教育領域缺乏嚴謹的數據作為科學支撐，給教育決策和教學活動的進步帶來了極大的障礙。基于教育大數據的數據驅動的教育技術為解決這類問題提供了思路，已成為世界教育發展的主流趨勢。

3. 學習分析

學習分析是優質教育服務不可或缺的部分，是教育服務產業的核心支撐。祝智庭等認為學習分析是智慧教育的科學力量[25]。結合大數據技術與學習分析技術研究智能數字化教育服務支撐平臺可以解決當今教育信息化面臨的多種問題，如教育大數據存儲與分析的問題，進而為教師、學生、決策者、研究者、供應商以及教育信息系統提供各種服務。這樣的支撐平臺將為智慧學習環境提供增強的感知能力，從而提供智能、個性化的學習服務；為教育科研工作和產業發展提供開放服務；有利于促進學習分析數據模型規范的形成。

（三）智能應用支撐層面

1. 情境感知技術

目前普遍認可的情境定義是德伊（Dey）提出的，認為情境是指任何可以用來刻畫實體情形特征的信息，實體可以是人、位置、與用戶和應用交互相關的物理的或虛擬的對象，包括用戶和應用本身[26]。而情境感知是指一個系統利用情境為用戶的任務或活動提供相關的信息或服務[27]。在智慧學習環境中，情境信息包含位置、社會化狀態、學習活動、學習目標等。情境感知在智能空間、環繞計算、普適計算、個性化推薦和學習領域具有重要地位，是提高用戶體驗的重要技術[28]。

2. 智慧學習對象

智慧學習對象的首要目標是實現數字化學習資源在語義層面上的表達、發現、重組以及用戶行為的數據采集，為服務主動學習的個性化學習資源的自動生成提供技術基礎，其關鍵點有三個。第一，將學習資源演進為智能體方法。本質上，資源一旦滿足某種需求就將被人為檢索和使用，因此，需要研究一種將教育資源的需求信息、功能信息等作為資源功能的描述，通過這樣的描述，結合統一資源定位系統（Uniform Resource Locator, URL）可以將該資源在網絡上刻畫出來。第二，學習資源智能體相互發現、獲取與聚合的機制。這是一種軟件框架模型，通過這個模型，網絡上的教育資源軟件構件將被聚合起來，從而實現更深層次的語義共享。第三，智慧學習對象對用戶行為數據的獲取技術。為每個智慧學習對象賦予數據采集功能。

3. 智能學習服務

智能學習服務是未來發展的方向，其實現依賴于教育大數據、學習分析技術、情境感知技術以及智慧學習對象技術和人工智能技術，其特點有三個。第一，個性化的按需服務。它要求學習環境、學習資源能時刻跟蹤學習者的行為數據、偏好數據、學習績效數據，并對這些數據進行準實時乃至最終實現實時分析。第二，根據不同的情境，提供不同的服務。在情景知識庫的支撐下，進行語義推理，從而為其提供人性化的服務，其最高目標是機器提供能與人比擬的服務效果。第三，根據不同的設備，提供一致的、高度優化的學習體驗。

四、智慧校園設計與實施思維

智慧校園的建設必須抓住核心，按需穩步推進，必須有一個基礎性的、可擴展的、穩定的數據與網絡平臺。在這個平臺之上，學校可以根據需求，逐步開發出數據驅動的各種應用。因此，在所有上述關鍵技術中，數據相關的技術處于核心地位，而軟件定義網絡相關技術是數據通道的關鍵一環。

（一）數據驅動

整個智慧校園的核心是數據，通過對數據感知、采集、存儲與持續分析，可以了解整個校園任意時刻發生的事情，并提供相應的解決方案。根據校園建設的不同方面，數據驅動包括三部分。第一，數據驅動的運維支持。典型場景是水、能源管理。第二，數據驅動教學。學生和教師時刻了解學習狀態，系統根據狀態隨時進行教學干預，提供合適的學習路徑、學習資源。第三，數據驅動的教務管理。

（二）網絡自定義

基于SDN和OpenFlow建立起來的網絡可以構造“網絡操作系統”，網絡維護者能夠像開發Windows軟件一樣，根據網絡建設、部署和業務需求開發不同的“網絡操作應用”，從而提高適應性，為滿足智慧校園的多種復雜業務需求提供支撐。

（三）應用扁平化

數據驅動的智慧校園建設還體現在數據從“豎井”式向“扁平”式的轉變。業務驅動的應用開發通常導致軟件和硬件的“豎井”化。數據的分離化，導致數據價值的利用有限，導致應用開發的孤立。在智慧校園中，由于數據處于核心地位，數據服務類似于海洋，我們只需要按照業務應用需求，開發相應的應用服務，就能夠充分發揮數據的作用。

五、結束語

智慧校園的建設是一個系統工程，其規劃實施與企業架構具有極大的相似性。本文采用TOGAF企業架構方法論中的Archimate企業架構模型來對智慧校園進行抽象分析，是一種新的思路和嘗試。我們希望通過引入企業架構分析領域內多年的研究成果為智慧校園的設計規劃提供堅實的基礎。Archimate架構模型擁有諸多視圖，可以在企業架構分析中根據利益相關者需求進行多層次、多維度的設計，包括數據治理規劃的設計。受篇幅限制，本文只采用了分層模型來進行最抽象的表達，未來將根據實際情況逐步將抽象模型不斷細化，不斷具體化。