区域智慧教育大平台建设的思考与实践

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　　摘要：当前，我国教育信息化发展已从1.0迈向2.0，区域智慧教育大平台的建设是区域教育信息化2.0落地的重要基础。苏州高新区智慧教育时空云建设从强化顶层设计、优化中层规划、细化底层实现，理清整体思路、创新建设内容、打造苏高新范式，落实建设责任、不断融合创新、注重应用落地等方面入手，探索出具有苏州高新区特质的智慧教育新范式。
　　关键词：智慧教育;时空云;教育信息化
　　中图分类号：G40 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2019）12A-0025-05
　　近年来，随着科学技术的不断创新，智慧教育成为当代教育信息化发展的新趋向、新境界、新诉求。2018年8月，苏州市高新区正式开始了以智慧教育时空云平台为核心的智慧教育建设升级项目。通过一年多的探索与实践，一个具有苏州高新区特质的智慧教育新范式初见端倪。
　　一、强化顶层设计、优化中层规划、细化底层实践
　　（一）确立智慧教育时空云建设的基本理念与原则
　　《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》明确提出：要把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略，到2020年基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系。要充分利用优质资源和先进技术，整合现有资源，构建先进、高效、实用的数字化教育基础设施，推进数字化校园建设。要加强优质教育资源开发与应用，加强网络教学资源体系建设，建立开放灵活的教育资源公共服务平台，促进优质教育资源普及共享。要鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析问题和解决问题的能力。
　　随着国家《教育信息化2.0行动计划》《中国教育现代化2035》《加快推进教育现代化实施方案（2018-2022年）》等文件的推出，教育现代化的顶层设计和行动方案日渐清晰。我们在认真领会一系列纲领性文件精神的基础上，确立了苏州高新区智慧教育时空云的基本理念与建设原则，具体如下：
　　1.师生主体与学习为核相结合原则。围绕“一切为了师生，为了一切师生”的核心理念，强调以人为本的建设思路，培养学生核心素养，提高教育教学质量，提升数据治教水平。
　　2.承上启下与创新发展相结合原则。高新区智慧教育时空云建设应全面反思前期高新区教育信息化建设情况，系统分析周边区（市）智慧教育项目特征，在融合高新区教育现状、技术优势和产业优势的基础上创新发展。
　　3.自主建设与购买服务相结合原则。高新区智慧教育时空云建设既要重点建设一批体现高新区特色的，且应用性程度高的系统和栏目，提高平台黏性，又要走开放建设的道路。通过评估认证，引入在智慧教育领域成功的经验、做法，并通过政府购买的方式获取必要资源。
　　（二）确立智慧教育时空云建设总体目标
　　高新区智慧教育时空云服务对象广泛，涉及区域内所有教育主管部门、学校、教师、学生、家长和其他教育工作从业人员。因此，开展需求调研，以问题为导向，是智慧教育时空云建设的必由之路。
　　我们先后发放调查问卷1000多份，走访20多个学校和教育主管部门，召开数十次研讨会，广泛听取意见，征求用户需求。同时，我们还组织相关人员考察了區域外已建设或正在建设的教育类智慧教育平台，注重吸取已有的经验教训。我们深刻认识到，高新区在智慧教育时空云建设上，不能搭花架子，不能搞假名目，要注重实效，真正解决现实问题。
　　根据教育部《教育信息化2.0行动计划》文件精神，依照苏州市教育“十三五”规划总体目标和苏州市、高新区两级教育三年行动计划，我们确定了苏州高新区智慧教育时空云建设的总体目标。即通过两年左右的时间基本建成苏州高新区智慧教育创新体系，致力打造高新区教育新阶段，使之成为高新区教育数据支教、数据治校、数据助学基础性工程;师生资源共享、协同教育、教学创新的支撑平台;教育教学管理、家校沟通、信息共享的融合平台;安全校园、智慧校园、数字校园的服务平台。具体目标如下：
　　1.教育管理可视化。教育行政部门运用管理空间，通过全息地图、OA办公系统、各处（室）定制功能模块等，实现教育管理全息化、动态化、无纸化，同步实现教育教学质量监测数据化、可视化、智能化。
　　2.教学过程数据化。广大教师运用教学空间，获取海量备课资源、研训资料、开展课堂教学和针对性辅导，实现分层作业和教学效果的实时数据分析。
　　3.学习模式创新化。广大学生运用学习空间，通过学科地图开展自主创新学习、课堂辅助学习、课后精准训练提升，实现同步学情分析，实时掌握学习动态。
　　4.社会教育系统化。广大社会公民运用社会空间，浏览海量社会教育资源，实现个人定制的碎片化学习，共享数字图书资源，关注教育发展动态。
　　5.家庭教育网络化。广大家长运用家长空间，远程接受家庭教育，实现家校沟通，关注教育发展动态。
　　（三）确立智慧教育时空云建设技术路径
　　我们充分发挥落户苏州高新区的大院大所的技术优势、资源优势、人才优势，实现既相互借鉴、为我所用，又创造创新、特色发展。地图学家、中科院地理所周成虎院士，系统研究学科地图与全息地图10余年，拥有一系列发明专利和软件著作权。苏州高新区智慧教育时空云建设大胆采用了周成虎院士的学科地图与全息地图理论与技术。
　　教育大数据的全面化采集与深度挖掘分析，是区域教育大平台建设的技术难点。与传统教育数据相比，教育大数据的采集具有更强的实时性、连贯性、全面性和自然性，分析处理更加复杂和多样，应用更加多元、深入。多年来，我们采集的教育数据主要以管理类、结构化、结果性的数据为主，这些数据具有易测量、显性化等特点。而随着大数据时代的到来，教育大数据的全面化采集与深度挖掘分析就变得越来越重要。我们认为，常规的结构化教育，大数据依旧重要，但非结构化数据将越来越占据主导地位。教育数据采集的重心应向非结构化的、过程性的数据逐步转变。此类数据有难测量、隐性化等特点。因此，我们采用了非结构化的数据库管理系统，即面向服务的大数据分析平台的关键技术（如图1）。 　　二、理清整体思路，创新建设内容，打造苏高新模式
　　（一）总体描述
　　苏州高新区智慧教育时空云总体上可概括为“一个中心、两幅地图、三大系统、四层模块、五大空间”，即：苏州高新区区域教育大数据中心，苏州高新区教育全息地图、学科地图，区域教育地图系统、统一认证系统、教育质量监控系统，核心模块、基础模块、装备模块、应用模块，学习空间、教学空间、管理空间、家长空间、社会空间，可简称“12345工程”，旨在创建多模态、多元素、多表达的智慧教育“苏州高新模式”（如图2）。通过集成与整合，分别打造若干个平行空间，形成集教育行政部门、科研机构、学校，教师、学生、家长，教学、研训、学习等功能于一体的“人人通”云平台。各类空间包含众多应用功能窗口，相对独立、相互协同构成整体，各类空间之间可以有条件（认证授权）穿越。
　　（二）部分模块说明
　　1.高新区教育大数据中心。大数据中心建设旨在打通应用平台的数据壁垒，建立数据标准，减少信息孤岛，提供大规模的内容管理与服务，上下层应用的数据接口，使各种信息在区域范围内实现共享，并对上一级机构进行数据传输及上报。主要做法是构建统一的数据标准、元数据管理及统一的数据服务与共享机制，规范数据的描述和存储，减少数据的冗余和不一致性，改变原始数据传递的交换流程和方式，实现各应用系统之间数据的统一规范与管理。
　　2.学科地图系统。学科地图，是基于数学法则，运用符号系统与计算机图形技术和图像处理技术，整体表达学科知识“体系、结构、关系、应用”和学科“核心素养”与“知识来源、知识泛媒体存量、知识查询可视化管理”而绘制的图形，传递学科知识与核心素养的分布规律、发展态势与应用价值。
　　主要做法是通过数据分析和新算法把学科知识结构、人脑神经元网络结构、地图空间结构和人的认知结构融合一起，并让知识流动起来，产生知识流。学科地图是学习的工具、记忆的工具、思维发展的工具、知识管理的工具、创新的工具。
　　3.教育全息地图。教育全息地图力图实现教育信息的全视角、全要素、全表达。全视角，即制图者、讲解者和使用者视角，地图内、外的观察视角。全要素，指几何信息、地理要素信息、地理综合体信息、声光电磁物理信息、泛在信息。全表达，指社会全信息，包括时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景等。
　　4.平行空间集成。平行空间集成旨在统一规划各类不同用户的业务流程，解决用户同一行为在不同页面之间跳转的问题，包括学习空间、教学空间、管理空间、家长空间、社会空间等。主要做法是结合现有的技术和软硬件环境，同时运用经过验证的创新技术，实现不同空间的功能不交叉、相对独立，保证用户同一类操作行为不跳转，提升用户体验。
　　5.教学质量监测与学情分析。包括区域教学质量动态变化图、对象化的学科素养分析图、针对性的学业基础诊断图谱。
　　6.教育资源共享库。引进广泛认可的专业院校教学资源，征集区内课堂教学优质资源，支撑区内名师资源共享;建设全区图书资源管理平台，支持各学校下载图书借阅管理客户端。
　　（三）平台架构
　　1.总体架构
　　苏州高新区智慧教育时空云平台系统采用微服务架构进行集中部署，并依据面向服务的思想与分层体系结构的原则进行设计。总体包括访问层、服务提供层、服务支撑层、平台支撑层、数据存储层、云计算基础设施层、标准规范体系以及安全与综合管理体系等部分，其实现架构如图3所示。
　　2.技术规范
　　①系统标准。系统设计必须遵循国家相关法律、法规，参照国家信息化建设标准，遵循教育信息化建设相關技术标准，尤其是计算机信息系统安全的有关标准、要求。主要包括：GB/T 11457-2006信息技术、软件工程术语，GB8566-88 计算机软件开发规范，GB/T 8566-2007 信息技术软件生存周期过程，GB/T 15532-2008 计算机软件测试规范，GB/T 8566-2007 信息技术软件生存周期过程，GB/T 20918-2007 信息技术软件生存周期过程风险管理，GB/T 12504-1990 计算机软件质量保证计划规范，GB/T 12505-1990计算机软件配置管理计划规范，GB/T 8567-2006 计算机软件文档编制规范。
　　②软件开发。采用目前主流的软件开发语言，保证系统具有开放的体系与接口，采用基于J2EE规范的总体技术路线，具有跨平台性，支持Unix、Linux和Windows操作系统，支持Oracle、DB2、MySQL、SQL server等主流数据库。系统整体体系结构采用B/S结构的三层/多层架构。主要客户端为浏览器形式，支持360、谷歌、火狐、猎豹、IE8＼IE9＼IE10＼IE edge、Safari等多种浏览器，并支持各种手机端的浏览器。次要形式为手机、平台电脑APP形式，要求支持IOS和Android客户端。
　　③系统架构与连续性问题。系统架构和标准体系建设必须为未来的建设打下坚实的基础，要求能够集成现有的系统，能够扩充新建的系统，在软、硬件的建设上都能够保持可持续的发展。在系统设计、新系统开发和业务系统集成整个流程中，要求尽量减少各应用系统在技术上的相互依赖，确保任一个应用系统（或功能模块）在未来发生变化（减少、增加和变更）时，能够快速方便地进行功能模块组合或二次开发。提供可靠的数据或消息传输，确保消息传输的最简化连接方式，如支持ActiveMQ，Redis，ZeroMQ等标准消息中间件。支持灵活和开放的协议支持，包括HTTP/HTTPS、JMS、FTP/FILE、SOCKET、POP3/SMTP、SOAP/HTTP、SOAP/JMS、COBRA等。支持Web 2.0，支持REST调用模式。
　　3.性能要求
　　①使用方便，界面直观简洁。②系统按照高可用、高性能、高迸发的特性进行构建，满足百万级用户在线，万级用户迸发。③系统性能稳定，并具有保证系统和数据安全的可靠机制。正常环境下要求应用系统页面响应时间不超过2秒，业务明细查询时间不超过3秒，统计汇总查询不超过5秒。系统正常使用后，应用系统bug最长排除时间不超过24小时。④系统应具有可扩展性，系统数据存储满足TB级空间大小，数据保存时间20年以上。 　　4.安全要求
　　①保证应用系统7×24小时正常运行。②保证数据的完整性与一致性，如果是长事务数据，可进行断点恢复和数据的完整性检验。提供对系统运行故障（例如断电或死机）所导致的数据不一致性的恢复和补偿措施。③提供相应数据备份恢复功能，制定合理的备份策略。④操作日记。记录对业务模块的操作。软件自动对业务操作人员的软件使用信息进行记录（包括用户名、操作模块、进入时间、退出时间、使用的计算机名称等），从而健全对整个系统的监督、监察措施，并在出现意外时，可以作为参考依据之一。
　　三、落实建设责任，不断融合创新，注重应用落地
　　（一）健全组织，明确职责
　　智慧教育时空云建设是一项新生事物，研究与实践尚处于初级阶段，其复杂性对实施进程的影响不可忽视，必须进行提前部署、靠前指挥。一是建设之初就成立智慧教育时空云建设领导小组，明确责任人，并协调好各承建单位，共同推进项目建设;二是积极争取上级和相关职能部门在项目规划立项、数据支撑、资金支出等各方面的支持;三是做好智慧教育时空云建设宣传工作，统一思想认识，明确建设内容与目标;四是建立由项目监理、承建方、建設方共同参与的联席会议制度，定期研讨解决项目建设中的问题，确保项目按质按量按时进行。
　　（二）继承发展，融合创新
　　教育时空云的建设以苏州高新区多年来教育信息化发展的基础为起点，以新的理念、新的模式、新的技术为支撑，依托落户苏州高新区的大院大所，走开放式发展路径。教育时空云本质上是要为苏州高新区提供了一个行之有效的智慧教育解决方案。从目前实施的初步效果看，该方案具有三大创新，一是首创学科地图;二是创新应用教育全息地图;三是切入学科素养的学情大数据分析落地方案。
　　（三）边建边用，以用促建
　　苏州高新区智慧教育时空云建设的又一个特点是从“用”出发，边建边用、以用促建，真正把“用”落到实处。苏州高新区智慧教育时空云在建设的过程中，始终把用户需要放在功能设计的首位，把用户体验作为优化功能实现的主要指南。为此，在智慧教育时空云平台正式上线运行前，我们先行在多所中小学进行试点工作，特别对多项新技术的运用进行进一步验证，不断革新，积累经验，以期在更大范围推广。同时，在“用”的过程中，进一步发现智慧教育时空云建设中存在问题，实现以用促建，进而把推广工作做活做细做实。
　　苏州高新区智慧教育时空云建设自启动以来，得到了高新区广大师生和学生家长的大力支持及社会各界的关注，取得了阶段性成果。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。苏州高新区智慧教育时空云还远未到见规模、见成效的阶段，仍须加倍努力、负重前行。
　　（在本文撰写过程中，中科地理科学与技术研究院从卫兵研究员提供了大量相关资料，在此表示衷心感谢！）
　　责任编辑：颜莹
　　Reflection on and Practice of Constructing Regional Smart Education Platform
　　ZHANG Bihua
　　（Suzhou Center for Hi-Tech Zone Education， Suzhou 215163， China）
　　 Abstract： Currently， the development of educational informatization in China has changed from 1.0 to 2.0， and construction of regional smart education platform is the important foundation for implementing regional education informatization 2.0. Construction of time-space clouds of smart education in Suzhou High-Tech Zone has strengthened the top-level design， optimized the middle-level planning， and refined the underlying implementation. Meanwhile， we have clarified the overall thinking， created the contents of construction， and forged the new paradigm. Moreover， we have implemented construction responsibilities， constantly integrated and innovated， and accentuated application， having explored a new paradigm of smart education with Suzhou Hi-Tech Zone characteristics.
　　 Key words： smart education; time-space cloud; education informatization
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