基于操作系统思想的智慧校园架构设计

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　　摘   要：为推动教育信息化发展，高校不断推进智慧校园建设。基于不同理念和理解，各学校智慧校园建设的模式、架构差异较大。文章根据操作系统在计算机系统中的地位和作用，借鉴操作系统的思想，提出了智慧校园的一种新型简易架构，并说明了架构中重要的模块及其相互关系。
　　关键词：智慧校园;架构;智慧校园操作系统
　　中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2020）05-0082-04
　　一、引言
　　国家站在教育现代化的高度强力推进教育信息化的建设。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》强调“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视”，并把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略。《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》《教育信息化2.0行动计划》等文件中反复提及的教育信息化核心理念就是“现代信息技术与教育的全面深度融合”。教育的一种实体组织“高校”一般通过“智慧校园”建设来推进教育信息化，高校智慧校园成为教育信息化的有机载体之一[1]。
　　二、智慧校园的内涵
　　1.智慧校园概念
　　“智慧校园”的概念来自于“智慧地球”。[2]从本世纪初开始有学者提出“智慧校园”的概念和设计[3]，智慧校园很快被学界和高校界接受。智慧校园作为数字校园发展的趋势[2]，理论研究和建设实践快速发展，但在其概念和内涵上并未有明确的统一定义。对智慧校园的认识往往会受信息技术的热点、研究者的学科背景和实践者的工作重点等影响较大。
　　不同学者提出了智慧校园建设的不同视角：有的基于网络、物联网、移动互联网、云网络、云计算、教育云、大数据等信息技术来构建智慧校园;有的从智慧教育、智慧学习等服务理念来构建智慧校园;有的遵从“互联网+”、SOA（面向服务）等建设思想来构建智慧校园。一个普遍的认识就是智慧校园作为数字校园的更高阶段，在技术层面有共同和继承之处，关键在于“与数字校园主要注重管理信息化相比，智慧校园更加重视信息技术与人才培养、科学研究和社会服务的深度融合”，“在智慧校园建设阶段，高校信息化由管理信息化发展为业务全面信息化”[4]。综合来看智慧校园建设就是以实现信息技术与教育教学的深度融合为目标，以信息化软硬件基础设施和基础能力建设为重点，逐步实现校园全业务信息化的过程。
　　2.智慧校园模型
　　基于不同的思想认识和技术侧重，大家也分别提出了对应的智慧校园的体系架构，形成常见的“几横几纵”的架构模型。在横向上因为划分标准和粒度不同，模型有细微差异，但常见的划分为5层，分别是感知层、网络层、数据层、应用层、服务层[5];在纵向上一般为运维与安全体系和信息标准与规范体系。
　　3.智慧校园困境
　　虽然大家对智慧校园的架构做了分层，但是学校在具体建设时由于学校现实基础、建设理念和商业化产品成熟度等原因建设路径差异很大，相对来讲信息化建设职能部门更偏重基础设施和应用系统建设。在基础设施方面有校园有线及无线网络、物联网、机房数据中心、智慧教室等。在应用系统建设方面根据业务职能部门的要求，建设管理信息系统（Management Information System，MIS）。为更好地服务用户，也会在MIS系统的基础上建设服务性系统或应用。应客观地看到，应用系统往往根据其内部业务要求进行建设，对外部逻辑关系没有做很好的划分和协同，系统内部内聚度高，而系统之间关联度低，导致了常被提及的数据层面的信息孤岛问题，在业务层面也是各自为阵，不能通过业务协同解决用户的信息化需求。为部分解决信息孤岛和数据互通的问題，各高校纷纷建设了三大平台，即门户、统一身份认证、共享数据库。但是智慧校园中新建系统难、共享共用少、用户体验差、基本能力弱等问题始终存在。近年来高校以“数据”为核心来构建智慧校园，围绕数据的产生、治理、流动、共享、开放、标准来完善基础设施并利用大数据的理念重构管理服务应用系统。数据固然是智慧校园体系的核心内容之一，但数据质量的改善和流动并不能带动应用系统质量的整体提升。高校中可用、能用、好用的系统依然很少，能相互协同并渗透到各项业务和工作的更少。
　　智慧校园建设是系统工程，如何进一步整合资源、理顺各层逻辑关系，对各部分的组成进行整体设计，更细粒度地描述技术元素所包含的技术细节和实现思路 [4]，提升智慧校园的基本能力和公共能力并建立相应的规范和标准，成为需要重点考虑的问题。针对现有智慧校园建设中的层与层之间脱节、系统与系统之间分割的情况，根据笔者实践，参照操作系统（Operating System，OS）的特性，可基于操作系统的思想来设计智慧校园。
　　三、操作系统思想
　　1.操作系统特征
　　计算机系统由硬件和软件组成。操作系统是在计算机硬件越来越复杂和更强大之后，为了更好地管理和使用硬件资源而出现的。我们知道，用户如果要通过计算机系统做某项工作，则应该准备好硬件电脑，在电脑上安装操作系统，基于操作系统环境利用编程语言等工具软件开发应用系统，用户通过应用系统实现需要的功能，只是这些软硬件并不总是需要用户自行生产。所以操作系统是计算机系统中的一个系统软件，管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，合理地组织计算机工作流程，提供强大和可扩展的环境，为其他软件提供支持，并作为人机界面方便用户使用计算机[6-7]。操作系统作用主要表现在：一是作为计算机资源的管理员，方便用户或应用系统共享资源;二是通过用户接口为用户提供服务，方便用户使用计算机系统;三是为计算机系统的功能扩展提供支撑平台，易于追加新服务和功能而不影响原有服务和功能[6]。百度百科定义：操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，同时也是计算机系统的内核与基石。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面[8]。 　　2.操作系统思想
　　据此，计算机系统架构体系大致分为三层：硬件层、操作系统层、应用系统层。操作系统是位于硬件之上、应用系统之下的系统软件，可以帮助应用系统高效地利用硬件资源，是用户与硬件之间的接口。操作系统提供图形用户界面给用户，提供系统调用接口给应用系统。图1为计算机系统层次结构图。
　　
　　
　　
　　 忽略操作系统的具体功能，操作系统思想的基本特征就是对整个系统进行合理分层，可分为资源层、操作系统层和应用层，每一层都为上一层提供基本能力，重复性的功能集中到操作系统层。操作系统层通过其自身能力在用户层和资源层之间提供用户界面，方便用户使用软硬件资源;同时也为应用系统的开发提供必要的公共组件，应用系统在开发程序的时候不必重复建设各系统都可共用的部分，只需聚焦自身的业务功能;还以接口对接、资源呈现形式等确定使用或开发的规范和标准。
　　四、基于操作系统思想的智慧校园架构
　　1.智慧校园架构
　　基于操作系统思想的智慧校园架构可分为三层，分别是资源层、校园OS层、应用系统层，如图2所示。
　　资源层：包括校园基础网络（含有线网和无线网）、机房数据中心、物联网、智慧教室、智能设备及终端等一切具有实体化硬件性质的信息化相关资源。硬件资源具有物理空间载体、计算、存储、感知、网络传输、人机交互等功能，是智慧校园的基石，是其他各层的基础，可以协助完成人和物的数字化、虚拟化，完成数据的存储、传输、共享，完成信息或业务的计算、加工、处理，完成信息化服务的提供与交互等。硬件资源的丰富性和能力决定了智慧校园的整体性能。
　　校园OS层：首先要为用户提供可视化使用智慧校园各项功能和资源的接口，即图形用户界面。其次要为应用系统建设提供系统调用接口，系统调用接口就是把常用的智慧校园公共功能封装成公共组件或公共系统，完成重复性工作的集中化，应用系统在建设时对已经提供的公共组件或公共系统的功能不再重复开发，直接通过应用程序编程接口（API）调用。通过用户交互方式、接口对接规范等确定智慧校园的建设标准。
　　应用系统层：包括智慧校园中所有的应用系统。传统上一般根据服务的对象划分为管理系统和服务系统，并把两者对立起来。其实不管是校园管理者还是普通师生都是各种系统的使用者，从这个角度来说，所有系统都是为了完成某一项功能的应用系统。应用系统利用操作系统层的能力并根据相关标准进行开发，系统之间也按照规范进行功能协同，并以统一形式提供给用户使用。应用系统也包含开发应用系统的编程语言、开发框架等工具类系统。
　　2.智慧校园操作系统
　　在基于操作系统思想的智慧校园设计中，智慧校园操作系统是整个智慧校园体系的核心和关键。智慧校园操作系统应该重点做好如下几个方面。
　　一是校园信息门户。信息门户是将各种信息资源进行整合，通过单一的入口，为用户提供访问各种应用和信息的服务[9]。校园信息门户就是校园OS图形用户界面，用户以校园信息门户为入口使用智慧校园一切软硬件资源。用户所用资源主要有三类：一是应用类，信息门户应允许用系统将链接URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位符）和程序图标按照一定的方式集成在界面中，便于用户访问;二是文字信息类，在校园应用中有大量资讯类信息，信息门户也需要将多源的文字信息按照统一方式组织起来供用户订阅和阅读;三是消息类，用户在使用资源和服务过程中产生的过程性、结果性消息统一反馈给用户。
　　随着手机等智能移动终端的普及，校园信息门户除了桌面版外还需要支持移动版。可以采用H5技术实现多终端适配，并在后端管理上实现一体化，一次设置或配置不同终端同时生效，避免重复设置，确保用户体验的一致性。
　　二是统一账号。账号是生物用户在智慧校园虚拟世界中的数字化表达，是身份标识号码。以前账号都是各应用系统自行生成并管理维护，也导致了系统之间无法互通与协同。校园OS应提供一套本校范围内的账号生成、管理规则，所有应用系统的账号必须是统一账号的子集，账号在各系统中通用。校园OS同时可根据CAS、OAuth2.0等协议提供用户授权、统一身份认证、单点登录等功能。
　　三是公共组件和公共系统。在传统智慧校园建设过程中，由于缺乏操作系统层的支撑，每一个应用系统必须独立开发所有需要用到的功能，在保持其独立性和完整性的同时，会重复建设一些功能，如通知公告、消息、日程、支付等。这些重复建设的功能在不同系统中的界面、交互、后台管理、性能等各不相同，差异很大，不管是后端管理还是前端用户使用都非常复杂。可按照“大平台、小应用”模式将各应用系统中的共性功能剥离出来，建设独立的公共组件和公共系统，并纳入智慧校园操作系统层管理。公共组件和公共系统是操作系统的基本能力，通过API接口的方式供应用系统调用。这样操作系统和应用系统各自分工，在功能层面适度解耦，减化了应用系统的功能，降低了应用系统的复杂度，提升了应用系统的稳定性和可靠性，公共组件和公共系统更新升级或替换时应用系统也无需跟着变动。
　　在智慧校园范围内，公共组件和公共系统一般可包含但不限于数据治理、数据交换、组织机构、统一账号、统一认证、统一支付、统一日程、统一消息、积分聚合、天气预报、活动签到、流程引擎、物联感知等。
　　四是系统对接和内容组织标准。智慧校园应用系统的建设责任单位各不相同，应用场景千差万别，系统开发承建单位能力参差不齐，必须要确定系统对接、内容组织的统一标准。根据统一标准各系统功能模块才能与公共组件互通，各系统之间才能相互配合，完成智慧校园中各种业务需求，并按照统一的模式与用户交互，使用户体检最佳。要强制各应用系统不得重复开发校园OS已有的公共组件，在接口对接或功能协同时必须遵循已有规范和标准，尽可能减少不必要的个性化定制。
　　五是网络安全防护。在网络安全越来越重要的当下，校园OS可按照第三级等级保护的要求，在网络接入、数据中心出口、流量监测、数据库防护、系统代码检测、漏洞扫描、病毒扫杀等方面，通过规范的系统技术架构和完备的网络安全设施设备为各应用系统提供基本和通用的网络安全防护和保护。
　　五、结束语
　　基于操作系统思想的智慧校园架构层次清晰、内容分工明确，易于建设，其对应用系统做了适度解耦，避免了重复建设，也确立了建设标准，智慧校园的框架和基本能力大幅提升，系统性能也更加稳健。但是智慧校园建设是一项长期性的系统工程，除了在技术层面不断优化提升，还应该进一步整合硬件资源、操作系统、应用系统、建设单位、合作伙伴、用户等，打造以智慧校园OS为核心的智慧校园生态。良好的智慧校园生态才能确保智慧校园持续迭代优化，为用户创造更多的信息化价值。
　　参考文献：
　　[1]李有增，周全，钊剑.关于高校智慧校园建设的若干思考[J].中国电化教育，2018（1）：112-117.
　　[2]黄荣怀，张进宝，胡永斌，杨俊锋.智慧校园：数字校园发展的必然趋势[J].开放教育研究，2012（4）：12-17.
　　[3]宗平，朱洪波，黄刚，许建真.智慧校园设計方法的研究[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2010（4）：4-5.
　　[4]蒋东兴，付小龙，袁芳，蒋磊宏.高校智慧校园技术参考模型设计[J].中国电化教育，2016（9）：108-114.
　　[5]王燕.智慧校园建设总体架构模型及典型应用分析[J].中国电化教育，2014（9）：88-92.
　　[6]张尧学，史美林.计算机操作系统教程（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2000：1-2.
　　[7]苏庆刚.操作系统原理与应用教程[M].上海：上海交通大学出版社，2012：1-2.
　　[8]百度百科.操作系统[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/操作系统/192.
　　[9]王猛.关于高校信息门户建设的技术与方案探析[J].上海金融学院学报，2005（6）：64-67.
　　（编辑：王晓明）
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