基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺設(shè)計研究

謝俊仕

摘要：文章針對微服務(wù)架構(gòu)和常見的教學(xué)管理業(yè)務(wù)展開分析研究。圍繞基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺，從微服務(wù)的模塊化、高可用性、可擴展性、靈活性、易于維護等主要特點出發(fā)，結(jié)合教學(xué)計劃管理、教學(xué)運行管理、實踐教學(xué)與實驗管理、教學(xué)建設(shè)與質(zhì)量管理等常見的教學(xué)管理業(yè)務(wù)進行研究。重點從服務(wù)拆分、微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)入手展開研究和相關(guān)平臺的設(shè)計。以期簡化無紙化教學(xué)管理過程，豐富教學(xué)管理手段，提高教學(xué)質(zhì)量和管理效率，降低教學(xué)管理成本，為師生提供更好的教學(xué)環(huán)境和學(xué)習(xí)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：微服務(wù)架構(gòu)；教學(xué)管理；管理系統(tǒng)集成

中圖分類號：TP312 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）14-0056-04 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

隨著信息化技術(shù)在教學(xué)管理領(lǐng)域的不斷普及和發(fā)展，“一平臺一系統(tǒng)多場景”的微服務(wù)架構(gòu)[1]，以其模塊化、分布式、高可用性、靈活性等特點成為教學(xué)管理應(yīng)用程序開發(fā)的主流選擇之一。目前的教學(xué)管理系統(tǒng)存在著一些普遍性問題：缺少統(tǒng)一的互通標(biāo)準(zhǔn)，不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享困難；系統(tǒng)架構(gòu)固化、缺少靈活的迭代擴展機制，無法快速適應(yīng)改革變化的需要；缺乏數(shù)據(jù)分析和決策支持，不利于教學(xué)管理的科學(xué)化和規(guī)范化。

傳統(tǒng)的教學(xué)管理平臺存在較大局限性，已不能滿足現(xiàn)代教學(xué)管理的需求。因此，研究基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺，以滿足教學(xué)管理的需求，具有較大的實際意義。

1 微服務(wù)架構(gòu)的特點

微服務(wù)是一種新型軟件開發(fā)架構(gòu)和組織方法，其可根據(jù)教學(xué)管理業(yè)務(wù)拆分成一個一個松散耦合且可單獨部署的子服務(wù)。從技術(shù)角度看，微服務(wù)是由一個個靈活且相互獨立的業(yè)務(wù)單元構(gòu)成，業(yè)務(wù)單元之間既可以相互銜接配合工作，又能夠自行單獨啟動和關(guān)閉，每個服務(wù)都擁有各自的數(shù)據(jù)庫模塊。在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)松散耦合，在功能上表征為一個統(tǒng)一的界面風(fēng)格、訪問入口、安全管理、權(quán)限管理、日志和調(diào)度方式等的整體。

微服務(wù)架構(gòu)的核心要點是通過對服務(wù)的拆分和組件劃分，將業(yè)務(wù)功能分解到各個離散的服務(wù)中以實現(xiàn)對解決方案的解耦。再圍繞業(yè)務(wù)領(lǐng)域組件來創(chuàng)建可獨立地進行開發(fā)、管理和迭代的具體應(yīng)用。在分散的組件中使用云架構(gòu)和平臺式部署、管理和服務(wù)功能，使產(chǎn)品交付變得更加簡單[2]。主要特點包括：1） 單一性：微服務(wù)架構(gòu)中的每個服務(wù)，都是含有業(yè)務(wù)邏輯的獨立單元。它符合高內(nèi)聚、低耦合的原則，各個單元只需關(guān)注自己的業(yè)務(wù)邏輯即可。2） 輕量級通信：微服務(wù)的使用輕量級通信機制，賦予每個微服務(wù)有足夠的獨立性，擺脫技術(shù)的限制。通信過程不依賴具體的語言和平臺。 3） 獨立性：微服務(wù)架構(gòu)不僅業(yè)務(wù)獨立，其部署過程也獨立。業(yè)務(wù)之間高度解耦，當(dāng)需要發(fā)送變化時，只需要對當(dāng)前業(yè)務(wù)做出改變，就可以完成相關(guān)業(yè)務(wù)功能的開發(fā)、測試，實現(xiàn)更快更輕松的部署。4） 進程隔離：在微服務(wù)架構(gòu)中，由于應(yīng)用程序不是由單一的服務(wù)組成，為了保護進程之間互不干擾，不同的服務(wù)單元非常容易被部署到不同的主機上，實現(xiàn)微服務(wù)架構(gòu)的高度自治和高度隔離。5） 技術(shù)多樣性：微服務(wù)架構(gòu)中，對不同的業(yè)務(wù)特征，可以選擇最合適的技術(shù)棧和平臺去針對性地解決具體業(yè)務(wù)問題，避免了在單塊架構(gòu)中不得不采用統(tǒng)一的技術(shù)方案去解決所有問題的情況。6） 易維護：業(yè)務(wù)單元的獨立性和部署的獨立性，決定了它可以單獨升級和維護，提高了應(yīng)用程序的可維護性。

2 基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺建設(shè)目標(biāo)

近幾年，隨著各大院校信息化建設(shè)的推進，校內(nèi)機構(gòu)、院（部）業(yè)務(wù)辦理效能得到了提高，但是依然存在“各自為營”的問題，各類信息化系統(tǒng)主要圍繞滿足本單位的業(yè)務(wù)需要，各個部門及各個系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)協(xié)同能力較弱，無法滿足業(yè)務(wù)整合、提質(zhì)增效的目的。

基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺建設(shè)的總體目標(biāo)以角色管理（包括學(xué)生、教師和管理人員）為中心，在滿足學(xué)校教學(xué)發(fā)展的同時、又能促進提高服務(wù)水平和管理水平、提升教學(xué)信息化的綜合系統(tǒng)平臺。平臺能夠?qū)I(yè)務(wù)需求快速響應(yīng)，使各方面使用者能圓滿完成各項業(yè)務(wù)。本平臺的建設(shè)目標(biāo)主要包括：

1） 構(gòu)建高效快捷的電子化交流平臺，從傳統(tǒng)的人人、人機交流向數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流進行轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)智能化教學(xué)管理，從而提高學(xué)校教學(xué)的管理效率和信息化水平。

2） 根據(jù)平臺的所提供服務(wù)流，能滿足學(xué)校的教學(xué)改革需求，不需要再重構(gòu)平臺框架。進一步建立符合本校教育理念的課程體系和人才培養(yǎng)方案、課程排選優(yōu)化方案、頂崗實習(xí)實訓(xùn)、畢業(yè)審查策略。

3） 構(gòu)建安全穩(wěn)定的用戶管理體系，靈活實現(xiàn)各管理部門與各教學(xué)部門之間的協(xié)同辦公，致力于減輕管理人員的工作負(fù)擔(dān)，提高辦公效率。

4） 依靠微服務(wù)技術(shù)等先進技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)范化、流程化和信息化的人才培養(yǎng)方案，可靈活適應(yīng)各類招生、實習(xí)實訓(xùn)、專業(yè)分流等教學(xué)改革的需求。

5） 構(gòu)建穩(wěn)定安全的信息化教學(xué)的高效優(yōu)質(zhì)服務(wù)體系，為教師的放心教、學(xué)生的開心學(xué)以及管理員的輕松管提供“一站式”的教學(xué)服務(wù)環(huán)境。

6） 構(gòu)建統(tǒng)一、安全、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中心庫，可自由設(shè)計并提供各類所需的分析數(shù)據(jù)，方便各級管理人員進行教學(xué)決策。

3 教學(xué)平臺的框架設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 服務(wù)拆分

設(shè)計微服務(wù)平臺，需要將具體業(yè)務(wù)進行拆分[3]，根據(jù)需要對業(yè)務(wù)進行細(xì)節(jié)化分類，合理的服務(wù)細(xì)節(jié)拆分可以提高系統(tǒng)的獨立性與可拓展性。本文研究的基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺系統(tǒng)按照教務(wù)處現(xiàn)有的各項業(yè)務(wù)進行分類，首先圍繞教、學(xué)、管、測、評、服六大模塊進行縱向劃分，再以教師、學(xué)生、管理人員三條主線的活動軌跡進行橫向細(xì)分。

整個教學(xué)環(huán)節(jié)，按照各項業(yè)務(wù)劃分，具體可劃分如表 1所示。

3.2 微服務(wù)平臺架構(gòu)設(shè)計

以跨業(yè)務(wù)域的管理平臺為支撐[4]，通過統(tǒng)一的一站式辦事大廳門戶，推動服務(wù)事項“網(wǎng)上辦、掌上辦、指尖辦” [5]，支持PC、智能手機、電腦、自助服務(wù)終端等。提升工作效率和教學(xué)管理水平，貫徹“讓數(shù)據(jù)多跑路，讓師生少跑路”的服務(wù)理念。將拆分后的服務(wù)進行抽象化建模，得出的教務(wù)系統(tǒng)框架如圖1所示。

基于現(xiàn)實可行的設(shè)計理念，提供靈活、便捷的管理功能，可適應(yīng)學(xué)校教學(xué)管理、教學(xué)改革的要求，如：學(xué)分制改革、分級教學(xué)改革、院系二級管理改革。可為學(xué)生、教師、教學(xué)秘書及管理人員提供簡便、快捷的網(wǎng)絡(luò)化信息化教學(xué)服務(wù)；系統(tǒng)可實現(xiàn)本科、專科等不同層次學(xué)生的管理，可實現(xiàn)普通全日制學(xué)生、留學(xué)生、交流生等多類型的學(xué)生管理，并適應(yīng)多校區(qū)的管理模式；系統(tǒng)可適應(yīng)學(xué)年制、學(xué)分制以及學(xué)年/學(xué)分混合制的管理需要。

系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能基于模塊化的思路構(gòu)建[6]，主要包括：基礎(chǔ)資源服務(wù)、系統(tǒng)管理、人才培養(yǎng)方案、課程管理、排課服務(wù)、日常運行服務(wù)、選課服務(wù)、學(xué)籍服務(wù)、考務(wù)服務(wù)、等級考試服務(wù)、成績服務(wù)、畢業(yè)審核服務(wù)、教學(xué)評價服務(wù)、學(xué)生服務(wù)、教師服務(wù)、移動教務(wù)服務(wù)等。

3.3 主要技術(shù)內(nèi)容

目前業(yè)界比較成熟的微服務(wù)框架有Netflix、Spring Cloud 和阿里的Dubbo 等，本平臺采用SpringCloud微服務(wù)框架[7]，Spring Cloud是基于SpringBoot的一套實現(xiàn)微服務(wù)的框架，它提供了開發(fā)微服務(wù)所需的組件，跟SpringBoot一起使用開發(fā)微服務(wù)框架的云服務(wù)會變得更方便。本系統(tǒng)的框架設(shè)計構(gòu)思如表2 所示。

3.4 通信安全協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)通信可能會受到網(wǎng)絡(luò)延遲和錯誤的影響以及安全性問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)時間和可靠性下降。本平臺引入兩項關(guān)鍵技術(shù)：一是輕量級的通信協(xié)議REST，它不產(chǎn)生新的協(xié)議，更容易被接受，它讓應(yīng)用之間的協(xié)同工作更加便利；二是開放的授權(quán)協(xié)議Oauth。大型教務(wù)管理平臺的跨平臺、跨應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)通信十分頻繁，數(shù)據(jù)之間頻繁共享調(diào)用會導(dǎo)致數(shù)據(jù)安全的不穩(wěn)定。數(shù)據(jù)通信的安全授權(quán)顯得尤為重要，要確保共享數(shù)據(jù)的安全可靠，就要杜絕未經(jīng)授權(quán)的數(shù)據(jù)被訪問。針對跨平臺的應(yīng)用之間授權(quán)而設(shè)計的框架協(xié)議Oauth為用戶資源的授權(quán)提供了一個安全的、開放而又簡易的標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 總體性能指標(biāo)

平臺的性能指標(biāo)參數(shù)必須包含易擴展性、可靠性、安全性和易維護性[8]。

1） 易擴展性：包括服務(wù)器的運算和存儲容量的擴展能力；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展能力等，可以滿足文件系統(tǒng)的日益增長、數(shù)據(jù)庫訪問調(diào)用、數(shù)據(jù)流處理等要求。

2） 可靠性：首先因各角色使用本平臺的時間不確定的原因，本平臺系統(tǒng)須確保連續(xù)不間斷地正常工作，應(yīng)用軟件中的任何一個模塊進行更新、加載時，不能影響業(yè)務(wù)運轉(zhuǎn)和服務(wù)。其次該系統(tǒng)須具有容災(zāi)備份的功能，發(fā)生嚴(yán)重的軟件或硬件障礙時，系統(tǒng)應(yīng)具有快速恢復(fù)能力。

3） 安全性：一是隨著國家網(wǎng)絡(luò)安全的升級，本系統(tǒng)應(yīng)提供嚴(yán)格的安全保密措施，以確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資源的安全。特別是對用戶數(shù)據(jù)更應(yīng)嚴(yán)格保密，有條件的情況下要實行物理隔離，防止用戶數(shù)據(jù)泄密、丟失和被非法修改；二是要采用角色分級管理，即不同的使用者具有不同的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限和操作權(quán)限，其次系統(tǒng)管理員可以對各使用者的權(quán)限進行配置。

4） 易維護性：軟件方面，任何一個功能模塊或組件都可以單獨升級，并應(yīng)該盡量實現(xiàn)“在線升級”，即不能影響當(dāng)前用戶的使用；硬件方面，能盡量支持“熱操作”；擁有完整的維護手冊，在運行過程中所發(fā)生的任何錯誤都應(yīng)該有明確的錯誤編號，通過編號能在維護手冊中查到相應(yīng)錯誤處理方法與步驟。

本平臺的各項性能指標(biāo)規(guī)劃如表3所示。

4 總結(jié)

對高校而言，信息化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型是為了更好適應(yīng)學(xué)校的教學(xué)、服務(wù)和管理的要求，基于微服務(wù)架構(gòu)的教學(xué)管理平臺的建設(shè)，通過數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)從傳統(tǒng)教育向智慧教育轉(zhuǎn)變，圍繞教、學(xué)、管、測、評、服等六個方面，打造安全穩(wěn)定和高效可靠的創(chuàng)新型智慧教學(xué)環(huán)境，將學(xué)校各相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、匯聚、分析、服務(wù)，實現(xiàn)學(xué)校優(yōu)質(zhì)教學(xué)。

新時期應(yīng)聚焦數(shù)字化改革，撬動學(xué)校教學(xué)制度的改革，構(gòu)建高水平整體“智治”體系，打造集約高效、安全可靠的智能化教學(xué)服務(wù)平臺，提升數(shù)字資源配置效率，為學(xué)校數(shù)字化改革提供支撐，助力推動學(xué)校智慧化治理。通過該平臺的建設(shè)以期實現(xiàn)學(xué)校的教學(xué)環(huán)境與教學(xué)資源相融合，推動智慧教學(xué)、智能治理的持續(xù)創(chuàng)新。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目： 廈門軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院2023 年度校級科研課題：基于微服務(wù)化技術(shù)的教學(xué)管理平臺分析研究（項目編號：RYN2023003）