以應用案例驅動智慧校園建設的探索與實踐

陳國勝，張輝宜，劉 明

(1.安徽工業大學 計算機科學與技術學院，安徽 馬鞍山 243032；2.安徽工業大學 信息化處，安徽 馬鞍山 243032)

大數據、新一代人工智能、物聯網等新興技術已逐漸滲透到教育領域并對其產生革命性的影響。2018年出臺的《智慧校園總體框架》，進一步明確了智慧校園的構成要素和“四層兩翼”的總體架構。2019年2月中共中央、國務院印發了《中國教育現代化2035》,進一步明確了加快信息化時代教育變革的任務和目標。信息技術的發展、應用為“互聯網+教育”提供了有利的條件和環境。

謝幼如等通過分析14份智慧校園建設規范標準，發現智慧校園建設原則中，“融合創新”與“應用驅動”所占比例最大， 分別為85.71%與57.14%，其次分別是“統籌規劃”、“特色發展”和“以人為本”，所占比例分別為35.71%、 35.71%與14.28%，可見以信息技術應用促進教育教學融合創新將成為智慧校園建設的新規范。本文基于高校核心業務應用需求，提出智慧校園應用建設基礎框架，遵循“融合創新”“應用驅動”為主的建設原則，探索適合智慧校園發展的應用服務模式，通過教學管理、學生管理、行政管理等應用案例，為學校各部門的信息化應用提供參考，以應用案例形式驅動智慧校園持續、健康發展。

一、智慧校園應用建設面臨的問題

當前，國內高校信息化基本都處在智慧校園建設階段，但很多建設效果不理想，還都在摸索階段，還需要在方法上進一步創新、內容上進一步完善、應用上進一步深入，使之最終符合《教育信息化2.0行動計劃》的總體要求。冀翠萍、周南平、劉革平、宋蘇軒等對當前智慧校園建設存在的困境和問題進行了較為全面的分析和總結。智慧校園應用建設面臨的問題主要有以下幾方面：

一是高校信息化建設存在分批、多頭建設管理的問題，導致多個系統之間數據標準不統一，從而導致數據無法互識、互通、共享。業務數據被人為私有化，業務部門對數據的“使用權”變為“所有權”，導致信息化建設初期的“信息孤島”變成“數據孤島”。即使部分業務數據共享到數據中心，但由于業務人員不知如何利用共享數據為師生提供個性化服務，校園各應用要素又相對封閉，業務數據還是囿于系統內部，很難打破數據與教學、科研、管理與服務之間的緊耦合關系。

二是業務系統無法實現跨部門的業務協作。校內應用相互割裂，各校園應用都限于完成自身的業務流程閉環，而相互之間沒有交集，各應用之間的融合度不高，難以形成覆蓋學校教學、科研、管理和服務等各項活動并產生整體聯動的信息化應用環境。信息技術與教育教學存在“兩張皮”現象，對高校治理能力、決策支持體系的支撐作用不足。這些現狀使得高校信息化建設仍舊停留在傳統模式里。

三是智慧校園建設缺乏與教學、科研、管理和服務等學校活動的深度融合，難以實現《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》和《教育信息化十年發展規劃(2011-2020 年)》提出的要求和目標。很多高校組織結構和管理體制不能很好地適應這種新的形勢，信息化建設缺乏整體規劃和頂層設計，信息化建設基本就是信息化一個部門的事，無法形成“全校一盤棋”局面。有的高校雖然制定有“信息化建設規劃”，但也大部分都束之高閣，缺乏落實執行、評價問責環節，信息化建設缺乏科學性和長效性。

二、智慧校園應用建設基礎框架構建

(一)基于微服務的數據倉庫框架

微服務具有服務隔離、功能獨立、職責單一、獨立部署、輕量級通信等特點。本文將數據分為三種類型，即權威數據、非權威數據、非結構化數據，如表1所示。業務系統產生的原始數據和經過業務管理者審定的數據稱為權威數據，形成共享數據中心。由流程引擎、表單服務等得到的數據稱為非權威數據，形成應用數據中心。申報材料、歸檔文件等數據稱為非結構化數據。在提供微服務時，可以同時從共享數據中心和應用數據中心讀取數據，但前者數據不可修改(見圖1)。

表1 三種數據的比較

圖1 基于微服務的數據倉庫框架

以往校園信息服務平臺的數據采集大多由部門管理者和用戶被動完成。本框架則體現出“全員主動參與”智慧校園建設的新理念，也滿足了“讓數據多跑路，讓師生少跑路”的現代辦公模式要求。

(二)基于微應用開發的大數據平臺框架構建

大數據開發框架在技術層面采用自頂向下分層架構設計，共分為四層：數據應用層、數據管理層、數據存儲/計算層、數據采集層，滿足未來需要具備的完整功能體系，平臺整體框架如圖2所示。

圖2 基于微應用開發的大數據平臺框架

1.數據采集層。具備多業務、多技術接口的數據采集和轉換能力，具備按照應用場景進行業務數據采集，互聯網數據抓取，機器數據采集能力，可分布式部署，具備靈活的擴展能力，是大數據平臺的基礎。支持對Oracle、SqlServer、MySQL、PostgreSQL等關系型數據庫的集成。支持對HDFS分布式文件系統數據源的集成。支持對MongoDB文檔型數據源的集成。技術上可以支持對現有業務系統的數據接口對接采集。支持對任意源設備、任意格式的日志數據格式化。

2.數據存儲/計算層。實現海量業務數據的集中清洗、存儲、管理，支撐決策層集中掌握校園整體運行情況。提供MapReduce、Spark、Storm等多種計算框架，離線計算、內存計算和流式計算并存，滿足高吞吐、大數據量和低時延實時處理等多方面的數據計算要求。

3.數據管理層。具有豐富的原子能力和組裝能力，供場景/應用層靈活調用，是大數據基礎平臺的核心的業務數據處理模塊，具體包括用戶管理、開發管理、數據接口定義及管理、數據接口訪問控制等功能、數據接口使用展示、數據查看和導出等。各類數據中均會涉及到大量隱私信息，因此，數據管理還需具備數據安全和隱私保護功能。

4.數據應用層。具有直接與用戶交互的所有功能，是系統的使用界面和視圖，可快速靈活定制，滿足各種校園使用場景和人員的需要，并具備統一門戶和綜合展示功能，包括多維度大學生學業預警、師生畫像、精準督教、貧困生認定等大數據分析微應用模塊，直接服務廣大師生及學校管理決策層。

三、智慧校園建設應用案例實踐

(一)教學材料在線填報與歸檔

教學材料反映學校教學過程的規范程度，是高校教學水平和教學質量的體現，是各類評估、認證專家必查的資料。學校為了給專家留下好印象，在評估、認證中取得好成績，往往不斷要求教師檢查已歸檔多年的教學材料，不斷進行查漏補缺，反而造成資料遺失，得不償失。

針對以上問題，采用了基于業務流程的教學材料數字化自動歸檔方案，實現了從教學日歷、實驗進程、教學過程聽課評價、試卷送審、課程小結等整個教學過程教學材料填報與歸檔，并提供綜合查詢功能，避免了因審核簽字缺失或不及時、教學材料丟失等問題，教師不再為各種評估、認證檢查重復準備教學材料。不僅完善了教學資料檔案的規范管理，也為教學質量監控提供了支撐。保留了歷史資料，可對課程教學材料進行全面有效管理，便于追溯檢查。通過對聽課評價的查詢統計，實時了解教師的教學情況，便于過程監督。

(二)多維度大學生實時學業預警

吳暾華選取學生考勤指數、“宅”指數、學習指數、成績指數以及家境等五個可能影響學業的指標，通過SVM算法預測學生的學習狀態。劉博鵬遴選了與學習成績關聯的學生行為和個人屬性以及課程之間的關聯規則，通過SVM算法預測學習狀態不佳的學生。本案例通過讀取學生歷史成績數據、當前選課數據、課堂考勤數據、網絡認證數據，并通過大數據分析平臺獲取其上網日志數據，對學生的學習狀況進行多維度在線實時預警，實現精準督學，可以實現單個類型預警,亦可實現綜合預警，并將預警結果實時推送給輔導員、班主任以及指導教師，便于有針對性地做好學生管理工作。預警框架如圖3所示。

圖3 多維度大學生實時學業預警框架

選課門數預警：根據學生當前應該選課門數，對實際選課門數不足以及不合格門數進行預警。

課堂考勤預警：根據學校規定，學生單門課程無故曠課3次將取消考試資格，意味著這門課程肯定不合格。因此，通過實時讀取課堂考勤數據，當單門課程曠課兩次時將對該生課堂考勤進行強烈預警。

歷史成績預警：通過讀取學生已學完的課程歷史成績，分析出不合格課程及其與達到合格線的差距，幫助學生采取針對性措施完成學業(拿到畢業證)。

學分績預警：根據學校規定，平均學分績達到70才能獲得學士學位。預警系統讀取學生已學完的課程歷史成績，計算出學分績，幫助學生采取針對性措施完成學業(拿到學位證)。

上網時長預警：通過對校園網日志系統和多運營商統一認證平臺的上網日志大數據分析，計算出學生的上網時長，將這個時長與班級平均時長進行比較，實現沉迷網絡實時預警。

上網偏好預警：根據預先設置的游戲、購物、視頻、論壇等偏好網站，結合上網時長，當學生將上網時長的60%(可變)用于某個偏好網站時，認為學生對此網站存在偏好傾向，從而進行預警。如果將偏好網站設置為學習網站和文獻資料學習網站，則可判斷該生當前的學習情況。

學業綜合預警：對上述幾種維度的預警賦予一定的權值，則可實現學業綜合預警。

(三) 物資采購審核與材料歸檔

物資采購過程周期長、審批部門多，過程資料管理非常繁瑣，在驗收、報帳過程中經常出現找不到審批依據等情況。針對此問題，采用基于微服務流程架構，將學校原本線下復雜的物資采購業務流程數字化、網絡化，實現了在線申報、在線審批，避免了教職工在學校相關部門之間跑路簽字現象。既提高了部門主動服務意識，又保證了資料的完整，也為資產使用效率分析提供了條件。業務流程如圖4所示。

圖4 物資采購審核與材料歸檔業務流程

四、結語

智慧校園建設非一朝一夕之功，需要深入地研究高校信息化的規律和理論，重視體制保障、強調融合創新、突出區域特色，堅持“以用戶為中心”的建設理念，并持之以恒地進行探索與實踐。智慧校園建設過程中，應用需求是推動智慧校園不斷發展的核心力量，無論是IT 建設內容還是服務呈現形式，均需要密切關注用戶體驗，以滿足用戶的實際需要為目標。應充分做好校園用戶的需求調研，找準真實需求和現實問題，從“管理為本”轉向“服務為本”，并以此為據確定智慧校園的建設規劃和內容。