试议数字化基于“云+”方式数字化校园公共服务平台设计

论文导读：
[摘要] 目前,各地在数字化校园公共服务平台建设中,普遍采用完全集中式和完全分布式两种模式。针对这两种模式的缺点,文章在分析联邦模式、混合云模式的基础上提出了基于“云+”模式的数字化校园公共服务平台的建设方案。该方案包括核心平台与平台两个部分,其中核心平台是公共服务平台的基础,它基于云计算并采用面向服务的思想进行构建;而平台则在学校端进行建设,为本校基础数据的存储和关键应用提供支撑,满足个性化扩展应用的要求。通过这种模式,可以建设出分布与集中相结合,具有高可用性、高可靠性的数字化校园公共服务平台。
[关键词] 云计算; “云+”模式; 数字化校园; 公共服务平台
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一、引 言
数字化校园是以网络为基础,利用先进的信息化手段和工具对学校与教学、教研、管理有关的所有信息资源进行全面的数字化,在传统校园基础上构建一个数字空间,以拓展现实校园的时间和空间维度,扩展传统校园的功能,提升传统校园的运行效率。对于数字化校园建设,从建设思路和方法来说,各地长期以来普遍采用完全分布式和完全集中式两种建设模式。完全分布式模式,是由各个学校独立进行数字化校园建设,优点是各种系统与数据完全按照本地需求进行建设,可以充分满足学校个性化需求,为教师和学生提供数据与服务,系统扩展方便;而完全集中式模式,是由省或市级教育主管部门统一建设面向区域的数字化校园公共服务平台,并在平台上部署各种教学软件、学习软件、管理软件和相关资源,所有的数据集中存储,优点是统一管理方便,区域共享程度高,尤其是基于云计算构建的集中式公共服务平台,具有运营高效、成本低、可扩展和学校使用方便等显著优点。这两种模式对数字化校园的发展发挥了一定的促进作用,然而,在数字化校园的软、硬件平台建设中也都存在一定程度的弊端,其中完全分布式部署模式易产生信息孤岛、重复建设严重、资源共享困难、增加维护和升级成本,以及会导致各地硬件资源利用率低下、造成资源浪费等问题;[3]而完全集中式模式对于信息交换必须具备网络条件,因此存在灵活性差等问题,更重要的是,各学校存在个性化需求,该模式不能满足所有学校的个性化服务的需要。
因此,如何在有效的成本投资下最大程度地满足教育对海量数据和服务的需求,既要方便统一管理,实现区域共享,也要满足各学校的个性化需求,成为数字化校园建设的首要问题。显而易见,具备两种模式优点的方案是我们期望的解决方案,“集中+分布”就是这样一种可行的解决方案。通过对“集中+分布”具体建设方案的对比分析,本文提出的基于“云+”模式的数字化校园公共服务平台建设方案更符合数字化校园的当前实际情况以及未来发展的需要。基于该方案建设的公共服务平台包括核心平台和平台两部分,其中核心平台是公共服务平台的基础,它基于云计算并采用面向服务的思想进行构建,为区域内各类用户及平台提供教育信息化核心服务支撑;而平台则在学校端建设和部署,主要进行本地基础数据的存储和关键应用的支撑,保持学校的自治性,满足高可用性及个性化扩展应用的要求。通过“云+”模式,一方面,可以减轻对中心平台集中认证及日常教学、管理等访问压力,避免网络及硬件故障导致学校各应用系统无法使用的情况;另一方面,也可以支持学校的个性化服务需求、降低维护成本等。

二、“集中+分布”建设方案

从应用角度看,数字化校园是为了满足教学信息化、教师能力提高信息化以及管理信息化等三方面应用。一些基本的教学应用系统(如学科教学平台等)、基本的教师能力提高支撑软件(如互动教研系统等)以及基本的管理系统(如教育行政管理平台等)应通过“集中”建设与管理,这样可以达到降低建设成本、运营高效、扩展与维护方便、数据共享程度高的目的;而对于学校端个性化管理系统,包括校园安全应用(软件等)、一卡通应用、其他拓展应用(如食堂管理软件等)以及个性化资源则需要“分布”建设,达到满足学校个性化应用的目的。因此,“集中+分布”建设模式可以满足实际数字化校园建设的需要。
典型的“集中+分布”实现形式为联邦模式与混合云模式,下面对这两种模式进行介绍与分析。

(一)联邦模式

联邦模式是在集成各应用系统,提供统一、透明的全局操作时,仍保持各应用系统局部应用的高度自治。[4]集成框架通过集成应用对中心虚拟数据库进行构造与操作,利用数据映射技术映射到各应用系统,并通过数据库与通信接口将应用系统数据“集成”至中心虚拟数据库。实现“物理分布,逻辑集中”的层级式数据管理模式。
所谓“物理分布”就是联邦成员的数据仍然分布在各地;“逻辑集中”就是通过建立虚拟数据中心,为用户提供透明的数据管理服务。[5]IBM的WSII(WebSphere Information Integrator)采用了联邦技术,其联邦数据库的体系结构如图1所示。它通过DB2数据库系统建立中心虚拟数据库,联邦服务器通过包装器与数据源进行通信,具有良好的扩展性。
由于当前各学校在数字化校园建设中普遍采用资源库的模式进行建设,一些地区也建设了一些面向区域的公共服务平台,结果导致区域内数据源具有多重性、异构性和分散性。通过联邦模式,将应用系统数据“集成”至中心虚拟数据,提供统一、透明的全局操作,从而解决分布式存在的问题,实现数据共享,高度兼容。此外,该模式掩盖了底层数据源的差异、特质和实现(具有透明性和异构性),不影响现有数据源的本地操作(具有自治性)。

(二)混合云模式

Google前首席执行官Eric Sc源于：标准论文www.7ctime.com
hmidt在2006年搜索引擎大会上首次提出了“云计算”的概念,迅速受到IT企业、学术界和政府的广泛关注。美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)将云计算定义为:[7]云计算是一种能够通过网络以普遍的、便捷的、按需付费的方式获取计算资源(包括网络、服务器、存储、应用和服务等)并提高其可用性的模式,这些资源来自一个共享的、可配置的资源池,能够以最省力和无人干预的方式获取和释放。云模式由5个基本特征、3种服务模式和4种部署模式组成。
混合云(Hybrid Cloud)是云计算的部署模式之一。NIST对混合云的解释为:[8]云基础设施是由两种或以上的不用云基础设施(私有云、社区云或公有云)组成,每种云仍然保持独立实体,但用标准的或专有的技术将它们绑在一起,使数据和应用程序具有可移植性。混合云的架构如图2所示。
采用混合云模式,在区域中心建设公有云,并在公有云上部署面向区域应用的教学系统、教师能力提高软件以及教育管理软件,满足学校教研培训、教育管理以及部分教育教学的需要;而在学校端建设私有云,进行学校本地教育教学、教育管理以及教学资源的建设,满足实际教学需要。此外,采用混合云模式可以通过对数据和应用程序的移植,来处理突发负载,满足其它目的的弹性需求(如,灾难恢复),以保证本地数据和服务的安全。
以上两种建设模式为数字化校园建设提供了可选的解决方案,但各自也存在一些问题:
(1)对于联邦模式,它只是对数据集成这个较大问题的部分解决方案。而对应用程序和数据的集成、一些较高级别的问题(如数据质量、术论文导读：
语方面的差异与用何方式组合信息的业务规则)还没有完全解决。[11]此外,该模式对于如何为用户提供上层各种服务并未涉及,这样就使得利用该种模式构建的公共服务平台并不能提供快速、便捷的网络服务,不能最大程度地满足学校对大量数据和个性化服务的要求。
(2)而采用混合云模式,面临公有云与私有云之间的云互联、云间数据迁移困难;而且公有云和私有云之间的通讯建立在Internet之上,通迅安全和畅通也是面临的重要问题;另外,也是最主要的,在各学校建立私有云面临技术门槛高、维护更加困难等问题。这些原因导致采用混合云模式建设数字化校园公共服务平台困难重重。

(三)“云+”模式

本文采用集中结合分布的分级部署方式来建设数字化校园公共服务平台,提出了基于“云+”模式的数字化校园公共服务平台解决方案,如图3所示。“云”指的是在公共服务中心采用云计算技术建设面向区域应用的教育云,它是公共服务平台的核心平台,使得基础物理服务器、基础数据资源和基础应用系统集中;而“”指的是在区域内各学校端建设的平台,学校端通过可以下载基本教学、管理系统框架,以及同步基础数据,并允许进行个性化数据资源以及个性化应用系统建设,保持学校一定的自治性。

1. 核心平台

核心平台是数字化校园公共服务平台的基础,它基于云计算并采用面向服务的思想进行构建,为区域内各类用户及平台提供教育信息化核心服务支撑。核心平台主要建设基础数据库、教育管理信息化支撑、教学信息化支撑、教师能力提高信息化支撑等方面应用。通过核心平台可以为用户提供安全、快速、便捷的数据存储和网络教育服务。

2. 平台

在学校端通过平台,进行本校基础数据的存储和关键应用的支撑,满足全校教学信息化、管理信息化的高可用性及个性化扩展应用的要求。主要建设个性化管理软件(如个人安全定位、、一卡通等软件)、资源管理客户端及教学平台核心框架软件。平台又包括两种,分别为框架与数据交换。其中框架负责从中心平台下载教学平台核心框架、基础应用系统框架、基础管理系统框架;而数据交换负责与核心平台数据交换中心下载并同步本校基础数据,形成与该校有关的映像副本并存储到本地。

3. 核心平台与平台之间的关系

传统的全集中式的数字化校园公共服务平台建设模式会导致数据混乱以及缺少特色应用。因此,采用集中结合分布的分级模式建设核心平台和平台,由核心平台提供统一的、标摘自：硕士论文开题报告www.7ctime.com
准化的、可共享的应用服务;而通过平台提供个性化、需要实时运行的应用服务。两者共同组成一个可用性强、性能稳定、既满足统一规范又不缺少个性化应用的数字化校园公共服务平台,为各类用户提供全方位的教育信息化应用服务支撑。核心平台与平台之间的关系如图4所示。
本文提出的“云+”模式不涉及公私云之间的云互联、云间数据迁移,以及在学校端建立私有云面临的技术门槛高、维护困难等问题。在网络畅通的情况下,学校可以使用公共云平台的数据和服务,并通过框架获取应用程序框架,通过数据交换与中心平台同步数据和资源,保持与公共云平台的统一。学校端具有本地基础数据、相关应用程序框架以及本地个性化服务。因此,学校端即使不能与公共云平台通讯时,也能保证本地教育教学和管理的需要。避免由于网络及硬件故障导致无法认证,造成学校各应用系统无法使用的情况。

三、基于“云+”模式的数字化

校园公共服务平台设计
下面对基于“云+”模式的数字化校园公共服务平台的教育云核心平台、学校端平台以及两者之间的通信模式进行详细的介绍。

(一)教育云核心平台设计

1. 核心平台设计

核心平台基于云计算技术并采用面向服务的思想,通过虚拟化管理软件,建设教育云服务,为区域各类用户提供教育信息化支撑。核心平台主要包括基础数据库、基础支撑平台、基本应用系统和拓展应用系统等四个方面内容:
(1)基础数据库
基础数据库建设是整个区域数据库体系的核心,是公共服务平台建设的基础。一方面,它提供人员、组织机构、角色权限、学籍等基础数据支撑,向各个教育应用系统提供一致的数据接口,方便各系统共享基本人员信息,确保教育信息化的持续深化发展;另一方面,它记录了核心业务的业务数据,为教育决策管理提供统计分析支撑。因此,从基础支撑、业务应用、公共服务与行政决策的角度进行分层分类设计与建设。
(2)基础支撑平台
基础支撑平台为整个公共服务平台建设提供关键支撑,包括统一门户中心、统一身份认证中心、统一数据中心。各种应用通过基础支撑平台可以方便、快速地构建个性化服务;通过多级互信方式,实现与区域内各学校互信认证,实现单点登录、数据的交换与共享,有效地解决信息孤岛问题和标准不统一的问题,使教与学信息化、教师能力提高信息化及管理信息化等各类应用集成为一个整体。(3)基本应用系统
基本应用系统主要建立面向各类用户个性化应用、集成及展示的框架。支撑教师、学生和教育行政人员的个性化服务应用,为后期业务系统增加及功能扩展打下坚实基础。基本应用系统设计具体包括教工个人管理系统、学生个人管理系统、教育行政管理系统及基本信息公共查询系统。
源于：论文封面格式www.7ctime.com
(4)拓展应用系统
拓展应用系统是在基本应用系统的基础上,对管理信息化、教学信息化、教师能力提高等三个方面进行全方位业务支撑。
①管理信息化支撑方面:管理信息化应用支撑类软件主要为行政、考试、教务、人事、校产等管理工作提供全方位支撑,包括教育行政管理平台、教育信息管理系统等。
②教学信息化支撑方面:教学信息化应用支撑类软件主要从支撑平台和资源两方面提供教学过程和教学内容支撑,具体包括学科教学平台、数字化教学资源及共建共享管理平台、网络阅卷系统等。此外,也为学校教学平台及资源终端提供共享的资源信息。
③教师能力提高支撑方面:教师能力提高支撑软件主要为教师综合素质提高及教学方法创新提供信息化支撑,满足区域内教师教研培训需要。包括教师远程培训系统、异地互动教研系统等。

2. 核心平台教育云服务支撑技术架构

结合云计算技术的体系结构,我们提出了中心平台教育云服务支撑技术架构,包括七层,如图5所示。此外,还包括教育信息化标准与规范体系以及安全与综合管理体系。
(1)门户层。该层为教育系统各类用户提供统一的信息服务入口,以及提供门户信息的统一发布及各类应用的统一接入。
(2)个性化服务层。该层依据用户的具体身份(如学生、教师、家长和行政人员)提供相应的服务,支持个性化内容及页面风格等服务的。
(3)服务提供层。该层主要包括教育信息化应用和管理信息化应用两个部分,提供教学服务、教研服务、学习服务、管理服务以及其他服务等。
(4)服务支撑层。该层主要包括数据管理、流程控制、安全控制、缓存控制、报表生成、信息检索等组件,提供公共服务及各类业务系统服务。具体实现数据缓存构建、存取、管理机制、建设数据操作队列管理等。
(5)平台支撑层。该层是由统一认证中心、统一数据中心等形成的一个应用支撑体系。
(6)数据存储层。该层为基础数据存储及各类业务存储提供关系型数据库及文件等信息存储。
论文导读：,能够进行身份认证及数据交换等应用的无缝连接,满足各学校教学信息化、管理信息化的高可用性及个性化扩展应用的要求。张光明.以校园数字化建设推进宁波教育信息化的策略与实践.中国电化教育,2011,(4):39~42.吴仕云.3G通信网络环境下校园信息化创新模式应用研究.电化教育研究,2011,(6):60~6

3.王晓静,冉从

　(7)基础设施层。该层又划分为物理资源和资源池层,其中物理资源包括服务器、存储器和网络设施等;而资源池层主要是采用虚拟化技术对物理资源进行管理,形成多个资源池,如计算资源池、存储资源池和网络资源池等,为上层各类应用系统提供计算、数据存储和基础网络等虚拟资源。
教育信息化标准与规范体系包括总体标准、信息资源标准、应用标准、接口标准、基础设施标准和管理标准等;而信息安全与综合管理体系包括物理安全、网络安全、应用安全和安全制度等。
总的来说,通过这种多层次的、灵活的体系结构,支持基础设施的移除和扩展,服务的移除和扩展,方便开发人员各种教育应用并添加到云平台中,为区域内各类用户提供满足实际需要的、便捷的服务,进而达到充分满足教育信息化建设不断发展的需要。

(二)学校端平台设计

平台主要包括框架和数据交换,运行在学校端的服务器上,与核心平台进行互信认证及资源共享,从核心平台下载软件框架,同步基础数据,共同组成高可用、可扩展的教育信息化公共服务平台。学校端平台总体支撑技术架构如图6所示,主要支撑以下四个方面内容:
(1)基础数据库方面:学校通过数据交换与核心平台基础数据库同步本校基础数据,形成与该校有关的映像副本并存储到本地,为学校运行自有个性化软件提供必要条件。
(2)基础支撑平台方面:既实现学校内部认证,也与中心统一认证平台实现互信联盟认证,实现区域内认证统一,避免由于区域中心平台网络及设备原因导致学校用户无法登录,造成学校应用系统无法使用的情况。
(3)管理信息化支撑方面:学校自主研发或外购系统运行在本地,主要包括校园安全应用(个人安全定位、等软件)、一卡通应用及其它拓展应用(如图书管理、食堂管理等软件)等。
(4)教学信息化支撑方面:包括教学平台核心框架(教学平台、备课平台等软件)及教学资源管理客户端。这样可以减少带宽压力,保障教师实时授课及备课使用效率。学校通过框架从中心平台下载基本应用系统框架、教学系统框架、关系系统框架,通过数据交换下载教学资源并存储在本地,同时学校保留个性化教学资源。

(三)云与之间的通信

本文采用移动技术,实现学校端平台从中心平台下载教学平台核心框架、教学资源,进行基础数据的同步、以及上传相关文件等。采用移动可以屏蔽中心平台、平台两端平台及协议之间的差异,节约网络带宽,确保在分布式环境中数据传送安全可靠。通信模型如图7所示。
学校平台(框架与数据交换)与教育云中心平台之间的通信有多种方式,具体包括消息传递、RPC(Remote Procedure Call,远程过程调用)、RMI(Remote Method Invocation,远程方法调用)和ACL(Agent Communication Language,通信语言)等。根据通信对象的不同,移动的通信方式可分为以下几种:
(1)移动与服务通信:该通信方式实质是移动和移动服务环境之间的通信。服务提供服务,移动请求服务,是一种典型的客户/服务器模式。如移动向中心平台数据服务请求同步服务。该类通信方式可以采用RPC或RMI的通信机制。
(2)移动之间通信:这是对等(P2P)的通信方式,通信双方的地位是平等的。为了完成特定的任务,如协作求解,移动系统必须提供同步和异步通信机制。
(3)ACL:ACL定义了与服务设施间协商过程的语法和语义。是实现移动与移动执行环境、以及移动与移动之间通信的高级方式。目前常用的通信语言有KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)和FIPA(Foundation of Intelligent Physical Agent)。
四、结束语
云计算将是未来网络教育的基本环境与平台。为了解决当前数字化校园公共服务平台建设中所存在的问题,本文通过对联邦模式以及混合云模式两种建设模式的分析,提出了基于“云+”模式的数字化校园公共服务平台建设方案。
通过“云+”模式,使得分布与集中相结合,构建具有高可用、高可靠、多级部署的数字化校园公共服务平台。这样可以实现各级各类学校、教育管理机构基础信息存储管理、统计分析、决策支持,能够进行身份认证及数据交换等应用的无缝连接,满足各学校教学信息化、管理信息化的高可用性及个性化扩展应用的要求。
[参考文献]
张光明.以校园数字化建设推进宁波教育信息化的策略与实践[J].中国电化教育,2011,(4):39~42.
吴仕云.3G 通信网络环境下校园信息化创新模式应用研究[J].电化教育研究,2011,(6):60~63.
[3] 王晓静,冉从林,梅龙宝.基于Web2.0 校园信息资源共享平台的设计与实现[J]. 现代教育技术,2009,19(3):112~114.
[4] [5] 郑伟,徐宝祥.联邦式资源管理模型研究[J].情报杂志,2010,29(4):178~180.
[6] [9] Laura Haas, Eileen Lin. IBM 联邦数据库技术[EB/OL]./developerworks/cn/data/library/techarticles/0203haas/02
03haas.html.
[7] Peter Mell,Timothy Grance. The NIST Definition of Cloud Computing.[EB/OL].csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-145/SP800-14

5.pdf.

[8] 周洪波. 云计算:技术、应用、标准和商业模式[M].北京:电子工业出版社,2011.