高校智慧校園系統軟件開發與實現

楊嬌嬌

（湖北國土資源職業學院 湖北 武漢 430090）

0 引言

智慧校園建設已經發展成為目前學校管理信息化建設的重要內容，是實現教育現代化的重要步驟。目前高校智慧校園建設還處在由多媒體化向數字化過渡的階段，很多校園里教室的配置還處于“三機一幕”的“老三樣”階段，校園信息化的水平較低，呈現出“重硬件、輕軟件”的特點。因此，智慧校園軟件方面的投入變得越來越重要，以人為本、面向服務、信息互通、數據共享是智慧校園軟件平臺建設中深入人心的建設目標和理念。高校的校園系統大多有教學管理平臺類系統、在線教學平臺類系統、在線考核平臺類系統、教學輔助平臺類系統等四大類系統平臺，用以滿足整個教學管理和廣大師生的校園生活的數字化。然而在各個系統的建設過程中，各個系統的技術路線不同，開放的接口不同，數據孤島的現象嚴重，每個系統的數據整合交換、信息資源的融合展示等都存在不少的障礙，高校各個崗位對數據驅動的理解不盡相同，導致數據驅動的智慧校園從管理層面的支撐能力不強。因此需要建立數據共享中心平臺，統一地進行數據的交換和集成，是數據分析利用展示的重要基礎，建立數據清洗和整合平臺對四大系統的數據進行清洗和整合，業務系統相互獨立，互不影響，通過開放統一的數據接口提供經數據整合平臺清洗后的數據給數據共享平臺，建立用戶管理和統一身份認證的平臺，對各類應用系統提供統一的身份認證服務，提高智慧校園系統的安全性，通過對學校的用戶進行統一的認證和授權，防止重復的資源消耗，并通過整合的門戶網站，為各種用戶配置個性化服務；通過建設基于共享數據中心的平臺，把各個領域的數據整合起來，實現“智能”的信息化建設；以教師與學生角色為主線，開展全方位的人事、教學和學工工作；通過科研、設備資產、財務經費等綜合性的咨詢服務，提供主題導向、多維度的問卷調查及個人化的問卷調查。并綜合運用數據進行分析，為領導做出科學的決策提供依據。

1 系統需求分析

1.1 數據共享中心平臺

高校的數據由于是根據多個系統的不同規范來存儲的，從各個系統獲取的元數據并不具有唯一性和可操作性，因此在學院之間進行數據的交換和統計分析時，往往會出現一些冗余的數據。為了進一步的分析需要根據各自的截取信息規范地將其轉化為有效的信息，這就造成了各學院間都缺少一系列基本的數據規范，很難建立起支撐決策的信息庫；統一的數據規范，有助于各個學院的信息分享與統一，避免因數據不足而造成的沖突。數據共享中心平臺分為共享更新數據子模塊、分配更新權限子模塊、訪問獲取數據子模塊三大部分。共享更新數據子模塊的主要功能是將各個不同的應用子系統的數據上傳到校園云平臺中，同時更新數據的狀態；分配更新權限子模塊的主要作用是指定對應的用戶不同的數據共享和訪問權限，保障數據的安全性；訪問和獲取數據子模塊的主要作用是對已經授權的用戶開放數據訪問的權限，允許用戶獲取查詢到的數據，可以通過下載到本地使用。

1.2 數據清洗整合平臺

高校智慧校園系統需要經過數據倉儲技術（extracttransform-load,ETL）[1]，抽取、轉換、加載到數據共享中心平臺，才能對統一的規范的數據進行分析和處理。數據清洗整合平臺的作用即是對多個應用子系統里不同的存儲標準的數據統一標準，處理掉臟數據。該平臺的主要功能是根據教育部最新公布的資料規范，對各種不同的量綱資料進行標識、分類編碼、含義、表達形式等各要素的標準化與統一，并形成標準的智慧校園共享數據倉庫。數據倉庫的主鍵最好是無意義的，統一由auto-increment 字段生成整形數據，不建議使用組合主鍵。若要達到唯一性限制的效果，不要創建unique index，必須顯示創建普通索引和約束（pk 或uk），即先創建一個以約束名命名的普通索引，然后創建一個約束，用using index ...指定索引。當刪除約束的時候，為了確保不影響到它，最好加上keep index 參數。主鍵的內容不建議被頻繁地修改。外鍵約束一般不在數據庫上創建，只表達一個邏輯的概念，由系統進行控制。當萬不得已必須使用外健的話，必須在外健列創建索引。總之，數據清洗整合平臺是智慧校園建設開發中的最基礎的平臺之一。

1.3 統一身份認證平臺

統一身份認證平臺的作用是用戶在其中的某個系統中登錄后，可以直接進入其他系統，或者查看其他系統中的數據表單，無須在登錄界面登錄，或者使用驗證用戶名和密碼登錄，不用其他的系統進行驗證。考慮到默認的轉換、同步、認證規則不能滿足所有需求，所以在此三個環節均設計有擴展點，可由具體的需求進行擴展，以實現更多功能。轉換器：擴展每個身份認證條目到身份的轉換規則，比如更改某個屬性的轉換規則。同步器：擴展從身份認證轉換后的身份寫入到系統中的過程中的規則，比如更改同步規則，強制覆蓋原有的同名用戶。認證器：此選項供開發服務擴展身份認證用戶的認證規則，比如實現一些特殊的加密認證方法。統一身份認證平臺主要進行統一身份權限管理，對新舊業務系統的認證接口集成，統一管理在此平臺中，并可以靈活地擴展。

1.4 統一信息門戶平臺

統一信息門戶平臺本質上是面向校內外的信息服務網站，對社會公眾和校內師生提供不同的信息服務，及時地發布高校的各類信息，另外可以提供相應的各類校園信息管理系統的快捷入口。每類用戶的角色是多對多的關系，且自身可以對統一信息門戶的不同快捷入口進行定制化的排序和起別名，十分的靈活，實現時需要針對這類靈活的需求做特殊的設計。

信息門戶主要分為外部網站和內部個性化門戶，主要有教學和學生培養的門戶、科研的門戶、人事管理的門戶、資產管理的門戶、財務管理的門戶、行政事務管理的門戶、黨政事務管理的門戶和服務資源管理的門戶。

1.5 綜合信息查詢平臺

綜合信息查詢平臺內置的分析主題為課程質量整體監測主題和學業狀態預警主題，其余的主題需要高校進一步使用數據共享中心平臺開發，這兩個主題都是面向學校負責教務管理層，課程質量整體監測是對課程及教學任務繁雜，學院領導難以對各院系教學任務、教學工作量、上課率以及線上課程質量整體監測，對于課程質量薄弱環節（學生、教師或課程本身）難以及時制定相關策略指導改進的分析主題；學業狀態預警是從學生成績、出勤、圖書館使用情況及超市消費情況出發，構建起全方位學業預警體系并梳理核心指標及分析維度，打通各系統數據建模，以專業、班級、學生及課程為維度，從學院整體角度對學生掛科情況進行整體分析、對比分析的主題。

2 系統軟件架構

高校智慧校園系統的軟件架構采用成熟度高的J2EE[2]的經典架構，數據共享中心、數據清洗整合、統一身份認證、統一信息門戶和綜合信息查詢都是數據驅動模式下的數據應用層，其可以完成數據共享中心、數據清洗整合、統一身份認證、統一信息門戶、信息查詢實現數據驅動的高校信息化管理。數據服務層為數據應用層提供統一的數據服務，它們之間的接口使用統一的API 網關來提供數據服務，數據存儲層為數據服務層提供統一的數據存儲服務，數據存儲主要分為鍵值對緩存和持久化存儲，數據采集層為數據存儲層提供統一的數據采集服務，數據采集的方式一部分是手工的導入、一部分來自各個應用系統的數據源，還有的是數據清洗平臺設置好的按定制化的標準規約轉換的硬件平臺的數據。整個高校智慧校園系統軟件的架構如圖1所示。

圖1 高校智慧校園系統軟件架構圖

從圖1中可以看出，系統的每一層間都使用相對成熟的技術棧，數據采集層使用的是TCP/UDP、HTTP/HTTPS為數據存儲層提供數據，數據服務層使用的是J2EE 中的JDBC[3]接口從數據存儲層中獲取結構化的數據，數據服務層采用Spring Cloud Gateway 和Nginx 作用統一的API網關為數據應用層提供Rest、JSON、Websocket 類的格式數據，數據應用層利用這些數據可以在PC、大屏和移動端展示各類信息，并提供數據共享中心、數據清洗整合、統一身份認證、統一信息門戶和綜合信息查詢的數據應用。整個架構分層處理軟件從數據到展示的每個階段各自互不影響，做到了較高的靈活性和擴展性。

3 系統實現

數據共享中心平臺由共享更新數據、分配更新權限、訪問獲取數據三大子模塊組成。共享更新數據模塊開發采用WebService[4]標準，為信息采集提供標準的接口，支持xml 三方系統的導入，分配更新權限使用RBAC[5]的模式簡單地分配用戶的權限，其中關鍵的表的設計如圖2所示。

圖2 權限表設計結構圖

訪問獲取數據子模塊比較簡單，如果授權通過將利用Shiro 的兩個相關的java 注解@RequiresRoles 和@RequiresPermissions 使當前用戶具有訪問的權限。

數據清洗整合平臺主要使用Oracle Data Integrator作為清洗整合各個應用系統的數據，它可以支持幾乎所有的RDBMS 關系型數據庫的數據清洗并提供web service 接口和系統的其他的模塊數據的接入傳輸。

統一身份認證平臺由認證管理、權限管理子模塊組成。統一身份管理和統一身份認證是相輔相成的子模塊，可以視為一個模塊，使用Shiro 框架做統一身份管理和統一身份認證，各個應用系統均需要重寫各個業務系統的身份認證的方法，即重寫AuthenticatingRealm 中的方法doGetAuthenticationInfo，滿足單點登錄；統一權限管理也是使用Shiro 框架，重寫AuthorizingRealm 中的方法doGetAuthorizationInfo 對各個用戶進行細粒度的授權。

統一信息門戶平臺使用SSL 協議、虛擬網關等提高數據傳輸的安全性，每個用戶的VPN 都可以訪問統一的信息門戶的校內網，由于使用J2EE 的成熟架構，用戶可以使用任何支持html5 的終端設備訪問內外網的資源。

綜合信息查詢平臺內置的主題為課程質量整體監測和學業狀態預警主題，課程質量整體監測以院系、專業、課程、教師為維度，構建教學任務課程安排的核心指標：上課率、教學工作量、學生實習情況及線上課程質量分子主題展示，實現課堂教學質量全面監測。主要的分析表有教學班一覽表、學員隊一覽表、教研室一覽表、教師一覽表、專業一覽表、分級班一覽表、教室利用率、教師上課情況、學員上課情況、每日教學運行分析、調課情況、必修選修實踐技能選修課質量分析、到課率等。學業狀態預警從學院層面全局監控學生學業掛科，對比不同專業、不同班級、學生及課程掛科數據，分析原因，及時決策，提升學生學業質量，主要的分析表有課程考勤一覽表、學員考勤一覽表、學員教師出勤一覽表、學員單項成績分析、學員課程達標率、學員強弱項分析、學員成績排名分布、學員平時成績對比分析、學員理論成績對比分析等。

4 結語

綜上所述，目前高校信息化建設大多為單系統分散建設，缺少互聯機制，不能進行集中管理，已跟不上高校教學、管理過程中的實際需求，系統平臺的開放程度較低，按需提供多樣化的服務能力不足，因此有必要建設一個新型的智慧校園系統，以滿足高校信息化建設的需要，本文研究設計采用成熟度高的J2EE經典架構的數據共享中心、數據清洗整合、統一身份認證、統一信息門戶和綜合信息查詢融合的高校智慧校園系統，整合和優化各種高校資源，實現了數據規范化、標準化和數據可共享，能夠幫助學校管理層全方位掌控教務教學各環節運行狀況，通過數據洞察，幫助制定教師評價、學生學業預警等相關決策，從而幫助提升辦學能力及教學質量輸出，教學管理水平效率和信息化水平得到提升。