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教育行业云平台如何合理设计?

来源:

中国教育网络

  开展教育行业云平台建设,对于一个区域(省或区县)或是一所学校,都是一项极为重要的教育信息化建设工作。通过构建教育行业云平台,可以规范区域或学校的教育信息化系统建设,形成围绕教育行业的更为完善的信息化体系,并进一步提升教育信息化建设的应用实效。然而, 教育行业云平台的建设,不能单纯地只从技术角度来思考系统的建设。教育行业云平台不是一般意义上的云计算技术平台。除了计算资源、存储资源、公共技术组件和数据平台组件等通用性的云计算资源之外,教育行业云平台的构造更应体现在教育应用资源的服务提供上。把相关的教育应用支撑服务、教育数据资源供给和教育业务逻辑构成,合理有效地融入到教育行业云平台的建设方案之中,才能真正打造出符合教育行业特征并满足教育应用业务需求的教育行业云平台。而这正是作为教育行业云平台的重要组成部分--PaaS 层,其在设计构造与具体实现上,所应体现出的建设核心理念。

教育行业云平台的总体架构

  单从云计算平台的技术架构来看,教育行业云平台的总体构成与其他行业的云平台类似,一样也可以由 IaaS 层(云平台基础设施层)、PaaS 层(云平台组件层) 和 SaaS 层(云平台应用层)构成。其中, IaaS 层主要是利用以 Hypervisor 技术为核心的虚拟化平台软件(如 VMware ESXi、Microsoft Hyper-V、Citrix XenServer、Huawei FusionSphere 等),统一管理和调度物理主机(裸机)的 CPU、内存、存储、网络等 IT 基础设施资源,并负责向教育行业云上层平台提供基础资源服务。而PaaS 层则包含了能够为行业应用提供服务的众多组件。在这些组件中,负责为教育应用业务系统提供公用服务的公共业务组件和教育业务组件,以及负责为教育业务提供数据服务的数据服务组件,则是教育行业云平台 PaaS 层最为核心、最为重要的内容构成。对于 SaaS 层而言,其上主要是部署和运行各类教育应用业务系统, 而 PaaS 层的公共服务资源则为 SaaS 层上的教育应用业务系统的正常运行,提供了不可或缺的服务与保障。


图1 教育行业云平台架构

  图1所示的教育行业云平台的分层架构体系,体现了通用型行业云平台的设计和建设理念,与其他行业云平台具有很大的相似性。但是,从教育行业对建设云平台的愿景目标和应用需求来看,这种分层架构体系的相似性,并不代表教育行业云平台各层的设计构造与功能实现,会等同于其他的行业云平台。教育行业云平台的建设设计,应考虑如何将更多能够提供教育应用服务的相关组件纳入其中,进而体现出云计算资源在支持教育教学应用业务上的服务和支撑作用,尤其是对于处在云平台中间位置的 PaaS 层的设计与构造, 更是如此。所以,从某种意义上讲,PaaS 层的设计与构造是否合理,将直接影响教育行业云平台建成后的实际应用成效。

PaaS 层服务功能的具体组成

  1.基础性公用服务

  首先,来看一个应用实例。当任何一个教育应用业务系统(如学生综合素质评价系统、教学质量分析系统等)想要为本业务系统增加用户时,可以通过调用负责用户管理的应用业务系统来选定新增管理用户,并通过调用负责权限设置的应用业务系统为新增的用户定义系统操作权限。而这两个被调用的应用业务系统分别是组织机构及用户管理系统和角色权限设置管理系统。前者是专门管理中小学校和各类教育机构信息的业务系统,同时兼备了对归属于不同教育单位的师生及各类教育工作人员信息的管理功能。而后者主要负责为各类注册教育应用业务系统的用户(教师、学生和教育工作人员),配置操作权限。

  由此,我们可以看到,针对各类教育应用业务系统而言,诸如组织机构及用户管理、角色权限设置,以及教育应用注册、用户登录认证、统一消息管理等各类基础性系统功能,都属于各种教育应用业务系统可复用共享的基础功能。而最重要的是, 这些基础功能又都是每个业务系统不可或缺的用例,将这些具有共性的系统用例进行泛化、分离并纳入PaaS层的体系构成之中,则可以形成被调用的公共业务组件, 进而为 SaaS 层的各类教育应用业务系统提供统一的基础性公用服务。例如,通过构建单点登录认证(SSO)业务组件,并与各个教育应用业务系统对接,就可以为教育用户登录不同的系统,提供统一身份认证服务。如此,既可以规范各类应用业务系统的设计与开发,又可以简化各类应用业务系统的功能实现构成。

  各类教育应用业务系统调用公共业务组件,复用共享 PaaS 层提供的基础性公用服务,在教育行业云平台上实现了教育应用的集成。同时,也进一步促使教育行业云平台的体系结构更为紧凑、更加完整、更趋合理。

  2.业务类公用服务

  PaaS层除了为上层教育应用业务系统提供基础性、通用类公用服务外,还必须提供与教育行业业务相关的业务类公用服务。这类公用服务以教育业务组件的形式,被相关教育应用业务系统复用共享。教育业务组件可以由教学质量测评服务组件、教育评价管理服务组件和教育字典服务组件等构成。

  其中,教学质量测评服务组件是指根据教育统计与测评理论,基于常模参照系构建的各种计算分析工具。这些计算分析工具以教育业务组件的形式,为利用考试成绩开展学科教学质量测评分析的教研应用业务系统,提供专门的计算分析服务并返回教学质量的测评结果。而教育评价管理服务组件是一种依据学生综合素质评价模型、教师职业能力发展评估模型等面向主题的教育评价模型所构建的教育评价引擎。它同样也是以教育组件的形式,为上层教育应用业务系统提供评价服务,支持相关教育评价活动的开展,形成学生综合素质发展水平(学生画像)和教师职业能力发展水平(教师画像)等方面的评价信息。至于教育数据字典服务组件,就是利用在PaaS层内搭建的数据字典管理系统, 为上层教育应用业务系统提供教育数据分类代码的查询与获取服务。由此,可以有效地确保业务系统能够及时更新相关数据字段的取值。教育数据字典服务组件的使用可以促使教育应用业务系统的开发建设,在遵循教育数据标准方面更趋规范。

  PaaS层教育业务组件所提供的业务类公用服务,与具体的教育业务相关,并能面向应用为教育应用业务系统提供专门的服务资源和支撑保障。这充分说明PaaS 层所提供业务类公用服务,与具体的教育应用业务场景是相互融合的。

  3.数据服务

  通过搭建的数据交换平台,基于建立的数据交换机制,为各类教育应用业务系统和数据请求者传递所需的教育数据信息,这是一项非常重要的数据服务,是教育行业云平台PaaS层提供公用服务的一种重要形式。当然,通过数据交换还可以不断地从外部采集获取数据,用以丰富更新留存于PaaS层内的各类教育数据信息,从而更好地驱动教育云平台数据中心构成的日臻完善,并更好地为教育应用提供全方位的数据服务。类似于公共业务组件, 数据交换服务也以组件的形式,即数据服务组件的形式,供应用业务系统和使用者调用。

  但是,数据交换并不是 PaaS 层提供数据服务的唯一形式。更为重要的是,数据服务还应该体现在满足教育用户对教育数据应用的需求上。即利用各类教育数据开展数据统计分析和数据挖掘分析,为包括教师、教研人员和教育行政管理者在内的各类教育用户,提供专业的数据服务。支持学情分析、教育评价、教学质量监测等一系列教学研究工作的开展,并为实施教育管理和规划教育发展,提供决策依据。这种基于数据分析的公用服务,其具体的构成为围绕教育主题搭建数据仓库,开展数据挖掘分析支持教育管理决策,通过数据可视化展示分析教育业务状况。其实,教育云平台提供的这种教育数据分析与展示服务,就是一种独立于教育应用但又服务于教育应用的公用数据服务。图2所示的是一个关于某区教育局利用搭建的教育行业云平台,开展区域内学生学业水平与体质健康关联性数据挖掘分析的实例。对于形成的分析结果,采用了数据可视化技术(工具),以图形展示的方式直观呈现,向教师和教学管理者清晰地传递了隐藏在两类教育业务数据背后的知识信息,进而为他们制定教育改革措施,促进学生全面发展,提供了科学的决策依据。而这正是教育行业云平台 PaaS 层,在面向教育行业应用时所体现出来的数据服务的形式。


图2  PaaS 层数据服务实例

  由此,我们看到无论是数据交换,还是数据分析展示,PaaS层的这种为教育应用提供数据服务的功能,在推进教育数据整合与应用方面,发挥了积极的作用。

PaaS 层服务功能的技术实现

  1.公用服务的技术实现方法

  当我们开发了服务于教育应用业务系统的公共业务组件和教育业务组件之后,所面临的问题就是如何部署这些公共业务组件,才能有利于 SaaS 层教育应用业务系统对它们进行快速、高效地访问,进而实现 PaaS 层基于业务组件的公用服务功能。而对于数据服务而言,也同样面临着如何有效地部署数据服务组件,以实现快捷、高效地提供数据交换服务的问题。

  对此,我们可以借鉴微服务架构(Microservices Architecture)技术,在教育云平台的 PaaS 层独立开发部署各类公共业务组件、教育业务组件和数据服务组件,并基于轻量级 API 方式(如 HTTP RESTful API),允许以Web 应用模式运行的 SaaS 层各类教育应用业务系统,进行直接调用。同时,也可以通过搭建 API 网关(API Gateway)聚合位于 PaaS 层的各类公用服务和数据服务组件,形成统一的服务入口,以应对来自外部的包括桌面浏览器应用、移动端应用在内的各型客户端,以及第三方应用对公用服务和教育数据服务的访问请求(如图 3 所示)。


图3  PaaS层服务组件部署与调用实现方法

  当然,对于公共业务组件和教育业务组件的部署还可以结合引用容器虚拟化技术。如图1所示,我们可以选型利用相关的容器管理技术工具(如Kubernetes)来创建和部署应用容器(Container),并将公共业务组件和教育业务组件的相关应用程序及其依赖打包后移植到应用容器之中,实现相互隔离。由此,可以有效地实现基于微服务架构技术降低系统间耦合度的目的,进而更加有利于公共业务组件和教育业务组件,在后续应用中的升级与改造。

  2.教育数据服务的技术实现

  数据服务功能的实现,首先在于教育数据中心的建立。利用ETL数据仓库工具我们可以从教育应用业务系统中抽取各类教育业务数据,并通过清洗、转换、加载等一系列的加工处理过程,搭建起面向学生、教师、学校、课程、评价等的各类教育主题数据仓库,进而在 PaaS 层中建立起教育数据中心。之后,面向教育应用,并结合教育测评分析理论,建立数据分析模型。然后再利用数据统计分析、数据挖掘、数据可视化等各种数据处理工具,对汇聚于数据中心的教育数据,开展统计分析、挖掘研究。进而将发现的与教育教学相关的新的知识信息,直观有效地展示给教育用户。

  然而,这种针对教育数据的分析与展示,就是 PaaS 层面向教育应用的数据服务功能体现。它在指导教师改进教学方法、有效实施学生个性化教学、助力教学业务部门监控学校教学质量,以及为教育行政管理部门制定教育发展规划提供决策依据方面,发挥着积极而重要的作用。由此可以看到,数据仓库工具、数据挖掘分析工具乃至数据可视化工具,均是 PaaS 层必不可少的组成内容,这些数据处理工具我们也可以将其统称为数据服务组件。

  开展教育行业云平台建设时,需要重点关注PaaS 层的建设。这是因为PaaS 层对教育应用业务的支撑和服务作用,是实现开展教育行业云平台建设以满足教育应用需求的关键所在。PaaS 层的设计构造与功能实现,应当体现出教育行业云平台有别于其他行业云平台特有的教育行业属性。除了提供基础性公用服务的公共服务组件之外,PaaS 还要提供各种业务类公用服务的教育业务组件,和提供教育数据服务的数据服务组件。采用微服务架构技术部署和发布公共业务组件和教育业务组件,是PaaS 层面向教育应用,提供公用服务的技术实现途径。而选型数据仓库工具和数据分析展示工具作为数据服务组件,则又是实现PaaS 层为教育应用提供数据服务的技术实现手段。PaaS 层的设计与构造,应当清晰地体现出教育行业云平台所应具备的, 教育应用集成、教育数据整合及教育服务融合的鲜明特征。

  来源:《中国教育网络》杂志(10月刊)
  作者:孙庆(上海市教育委员会信息中心)
  责编:朴艺娜

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