智慧教育大数据解决方案

智慧教育大数据解决方案系统建设目标提高全校师生信息素养通过数字化校园的建设，提高全校师生的信息素养，这是数字化校园建设的核心重点之一。改进教师的教学理念与教学模式，通过信息技术提升教学能力。培养学生信息技术使用与实践能力，促进学生拓宽学习能力及方式。锻炼管理人员信息化管理能力，用更有效的方法完成更高效的管理工作。将数字化服务应用到日常教学、管理与学生评价中教学、管理、评价、信息交流及学习是数字化校园的根本价值，所有设施及软件应用均以此为基础，并服务于学校管理者、教师、学生及家长。为学校建立整套日常教学、信息化管理、学生评价等相关的应用服务，打通一切信息壁垒，实现信息技术与教育、教学的高效整合。加强学校数字化设施建设及应用培训基础设施建设包含场地、网络、硬件及软件，是数字化校园的具体体现，也是最基本的要素要求。而应用培训是数字化校园是否有效应用的前提保障，通过应用培训可以让更多师生快速参与其中，提高信息技术能力与素养。提高校园安全与保障机制安全与保障是数字化校园的必要条件。安全分为两大部分，人身安全与信息安全。通过数字化校园的建设，一方面全方位保障师生在校人身安全及安全知识学习。另一方面通过制度、管理及网络技术全力保护学校用户相关数据，让数字化无障碍运行。总体架构设计系统设计原则市教育大数据的建设须坚持“先进性、实用性、开放性、标准化、可靠性、稳定性、可扩展性、易升级性、安全性、保密性、易维护性、可管理性”的设计原则。1、先进性：教育大数据建设采用先进的思想、成熟的技术与设计方法，符合当前潮流与未来发展趋势，以便跟上信息技术的发展，具有较强的生命力，具有长期使用价值。2、实用性：教育大数据建设的核心目的就是“应用”，须坚持实用的设计原则，紧紧围绕学校的实际需求。在能够满足学校数字化校园要求的前提下，以尽可能以少的投入，取得尽可能大的效益。3、开放性：教育大数据具有良好的开放性和兼容性。采用面向服务的公共管理平台，通过信息门户、统一身份认证和公共数据交换，整合、集成各类应用系统和各种信息资源，以尊重历史、满足现状、适应发展。4、标准化：教育大数据符合业界主流标准与规范，包括基础架构与各个应用系统，包括系统集成与数据整合，均遵循标准化原则，不依赖特定的网络、系统软件与硬件，能够部署并运行在各种主流的软硬件环境中。5、可靠性：教育大数据支撑着整个学校的日常管理、教学应用及学习工具，必须具有高可靠性、高容错性和强大的数据处理能力。使用成熟的热备份技术和集群技术，以确保不间断运行、确保局部出错不影响整体、确保快速响应。6、稳定性：教育大数据必须具有良好的稳定性，保证持续运行时间长、故障间隔大、无故障时间长。7、可扩展性：教育大数据必须具有良好的可扩展性，对于管理模式的变化、组织机构职能的调整、业务流程的改变等，能够通过规则引擎简便配置即可快速适应变化、满足需求。8、易升级性：教育大数据采用独创的版本控制机制与更新包技术，能够简便快捷地完成平台整体或部分的版本升级9、安全性：教育大数据涉及到学校各个职能部门的大量敏感数据，安全运行至关重要。必须构建全方位、多层次、完善的安全保障体系，通过安全制度建设和安全教育培训，在保证物理安全和网络安全的基础上，保证数据安全。根据基础架构及各个应用系统的设计要求，采取不同的安全策略与安全措施，保证系统安全。10、保密性：教育大数据通过身份认证、角色定义与权限分配，确保每个用户能且只能访问相应的信息资源与应用服务。11、易维护性：教育大数据的用户包括校领导、各个职能部门的管理人员、教师教辅人员和学生，必须坚持易维护的设计原则，确保结构清晰、界面友好、操作简单、维护方便。12、可管理性：教育大数据具有高可管理性，使得平台管理员和运行维护人员的管理简便快捷，降低运行维护费用。技术特点及总体架构采用自行研发的跨平台开发引擎，基于优秀的开源框架Coco2d-x，进行大量的底层修改和完善，专门针对数字校园建设的特点增加了许多基础解决方案与优化。基于基础云平台服务，可灵活部署后端服务，并视业务量增长情况平滑扩展；分离本地代码和资源，并使得工程大量脚本化，便于App快速迭代和升级；可以按区域、用户角色提供差异化升级服务。如下图所示——完整的业务架构设计方案依赖于详细的需求与数据模型，采用成熟的分布式网格架构、标准的开放认证规范，结合云服务的计算、存储以及带宽资源支持，完成高可用性、安全性以及弹性扩展能力的架构方案。A、水平分层在大中型互联网后台业务系统的设计中，水平分层是比较标准的规范，其特点是各层之间的依赖关系都是从上往下，上层的服务依赖下层，下层的服务不会依赖上层，构建了一种简单直接的依赖关系。接口层主要实现与Web页面、移动客户端的接口交互，定义统一的接口规范，平台最核心的三个接口分别是认证(包括第三方认证)、用户数据访问以及管理。服务层主要把中心的核心业务模块化，提高代码复用度，简化数据关联，从而降低开发难度，提高整个系统的可维护性和迭代升级能力。数据层主要是各种业务数据的存储，首要的设计原则依然是数据分离，存储方式则与数据属性有关，比如结构化或非结构化，持久化或非持久化。B、垂直方向垂直方向实际上给出了水平分层中各分层功能实现所需的各种技术。接口层实现需要负载均衡和网站技术，为了支撑大规模的用户访问流量，CDN技术也是必不可少。在网站技术中，全站HTTPS对于用户数据的安全性是非常关键的。C、服务层技术架构是整个架构的技术核心ICE框架提供了基础的网络通讯、对象网格以及RPC访问能力；PAXOS算法可以进一步提高服务对象的动态分布能力；增强的AMQP消息队列(RabbitMQ)提供异步消息发布和持久化能力。Lucene、Kafka和Hadoop则分别提供了全站信息搜索，高性能日志处理和大数据分析能力。在数据层，分布式缓存技术可以大幅度降低SQL关系数据库的访问压力，NoSQL和分布式文件系统则提供了对大规模非结构化数据存储的支持。D、监控平台所有服务系统一定会存在故障的可能性，监控平台可以提前预测和发现潜在的故障点，对于系统的平稳运行是非常重要的。分布式监控组件采用对业务系统透明的低侵入方式，利用接口框架、服务框架提供的切入点采集和汇总日志，供监控平台进行分析。E、云服务云服务在IT成本方面的优势已经是毋容置疑的事实，据公开资料，云服务可以把传统IOE(IBM/Oracle/EMC)架构的成本降低70%左右。云服务还可以提供更专业的CDN、带宽管理、网络安全等方面的技术支持。在云服务的弹性支撑能力之上构建系统结构，可以专注于业务本身，不太需要关注资源方面的限制。经过较长时间测评，我们最终选定使用阿里云服务作为IaaS服务商。F、安全规范安全规范分为以下几个方面展开:传输安全：作为整个教育系统的核心，用户中心建议采用全站HTTPS，即所有接口均只支持HTTPS协议以保证传输数据无法被窃取。实施全站HTTPS需要云服务商的大力配合，包括HTTPS证书服务和支持证书的CDN服务，这样可以在保证安全的前提下，提高系统的响应速度和吞吐量。令牌安全：令牌被分类两类，一类是用户在用户中心登录后分配给用户的登录令牌，该令牌可以与设备绑定，拥有较长的有效期，允许在客户端缓存作为自动登录使用的凭据。这样用户在启动客户端时不需要频繁输入用户名和密码，可以提升用户体验。另一类为第三方应用用临时代码换取的访问令牌，该令牌与应用和设备绑定，有效期较短，访问令牌无法用于登录，只能用来访问用户数据。数据安全：通过模块化开发，可以减少需要数据库访问权限的开发人员，降低数据库泄露的风险。如果对安全有更高的要求，可以组织混合云，即将数据库等关键服务放在内部机房，把公共服务放在云机房，混合云需要专线联接公有云和内部机房，成本稍高。某些隐私数据，比如用户手机号、住址、身份证等，可以在数据库中加密存储，防止隐私数据泄露。硬件部署所有硬件、线路设计、安装点、保护设备均以安全、绿色环保、可回收、实用性强、无尖锐突起等为根本原则，让全校师生及家长均可放心使用。其中将学校不同区域进行功能及设备划分，更合理的分配硬件及网络资源，让学校在使用过程中更便捷、更贴心。运维方案方案说明免费7×24小时电话技术支持，具备完备措施方案，防止网络病毒、黑客入侵及系统稳定性方面有良好的保障措施；保障项目出现重大问题时及时响应和解决，处理时限见下表：故障等级故障定义处理时限软件故障1、非业务高峰期，平台服务不能正常使用，以及其它故障2、业务高峰期，平台服务在部分区县不能使用3、业务高峰期，平台服务完全中断超过20分钟20分钟至8个小时内硬件故意为学校配备预备硬件，可随时安装替换。如预备硬件不能使用或无预备硬件，立刻邮寄并指导安装使用。学校无法解决硬件故意，如专人上门进行安装调试。20分钟及7天项目管理架构由公司董事会直接领导本项目，项目经理直接入董事长负责，向董事长汇报相关项目的进度与发展情况。各区县经理负责与区县教育局建立互动交流组，大家随时交流意见。项目经理及时汇报相关数据，包括活跃、资源使用、学习数据、教学数据等。运营团队职位负责事项汇报对象人数项目经理负责项目整体进度与发展公司董事会1人区县经理服务区县项目经理1人/区县客服解答用户问题项目经理8人运营线上、线下及广告项目经理16人产品应用及功能研发项目经理36人主要软件功能管理平台管理平台由教职员工、班级、学生、权限及设备等管理体系及数据统计构成，是数字化校园的基础。应用功能如下——功能名称功能描述学校管理包含教职员工管理、权限管理、教研群组管理、教务管理等应用功能构成，全方位满足学校各项数字化管理要求。班级管理包含创建班级、学生管理、家长管理、入班审核等一系列与班级管理相关的各项功能，全方位满足教师日常教学管理要求。设备管理包含设备管理、设备控制平台、设备报修、数据存储等相关功能，满足学校相关数字化设备管理、报修与查询需求。成绩管理支持老师通过表格上传记录学生的考试成绩，学生和家长可方便查阅自己或孩子的考试成绩。支持学生考试成绩分析及对比，包括曲线图、班级排名、年级排名等功能。素质评价支持学校自建素质评价体系与评价内容；支持学生、家长及教师填写评语；支持自动汇总统计；支持数据下载。数据统计数字化校园的各项统计功能，包教师应用使用数据、学习应用使用数据、教师统计、学生统计、家长统计、数字化设备使用等。学校管理员可时时查阅相关汇总数据，软件应用与设备状态一目了然。应用平台应用平台包括教育、教学及学习应用，是数字化校园应用的核心重点，应用功能如下——网络备课功能名称功能描述单独备课为教师提供相关软件工具，可将不同内容组合成备课，包括教案、文档、视频、音频等。集体备课由管理员创建集体备课目标、制作人员及相关要求，由各科教师共同协助完成集体备课。共享中心单独备课与集体备课均可放置到共享中心，由管理员或创作者设置共享范围。其他所有与备课相关的素材等均可创建共享目录。网络教学功能名称功能描述活动平台支持学校管理员及教师创建教师课件、教研及学生在线活动，可在线提交作品，支持图片、音频、视频、文档等多种形式。支持推荐或挑选优秀作品、赠送红花等操作。支持教研活动作品关联教材。校本资源库支持创建校本资源库，由学校管理员进行审核、管理。教师可丰富校本资源库相关内容。学情分析支持学生各类学习、课堂测评、课后练习等数据分析与汇总，自动生成学习报表，帮助教师了解课堂教学情况与学生学习情况。学习/通知支持发布各类班级通知及课后学习内容，支持语文、数学、英语、科学、物理、化学等多门学科。提供即时语音测评打分功能，帮助学生矫正英语发音。提供300万道各科在线试题，方便教师快速组卷。提供免费短信一键提醒功能。提供错题分析功能。少儿编程一站式编程教育服务云平台。包含活动赛事、编程大冒险、蜜蜂编程学院三大板块。基于美国麻省理工开发的Scratch3.0编程工具。提供学校开设少儿编程课的解决方案，包括教材+教案+视频+PPT+直播+教师培训等相关内容，方便老师进行双师教学。课程分为初级、中级、高级三个阶段，跨学科（数学、英语、语文等）知识涵盖，真正做到学科融合。通过教师教学引导和实践操作，可训练学生的逻辑思维能力，并提升学生的综合素质。直播中心提供在线直播，可用于课堂直播、网络家长会、在线教学研讨、直播会议等不同用途。网络教研功能名称功能描述教研群组提供学校自建、管理教研群组功能，支持发送文字、语音、文档、视频等不同内容。提供群组网盘，方便教师共享或协同设计电子教案、成果分享、资源存储。班级网盘提供班级网盘，方便老师存储与班级相同的各类学习资料、教学内容及班级动态。课堂教学功能名称功能描述课堂工具包括点名、分组、倒计时、红花奖励、板书同步等一系列辅助课堂教学的相关功能应用。电子教材提供小学、初中的语文、数学、英语、信息技术、科学等相关科目的电子教材，包含人教、苏教、北师、冀教等不同版本。课本点读提供小学、初中的语文、数学、英语、音乐等科目的课本点读功能。课堂测评提供课堂测评、随堂练的及时反馈功能，支持答题器、学生平板、电脑等不同设备。考勤支持入班考勤功能，自动汇总统计数据。打卡支持教师创建不同教育、教学目标打卡，如早起、晨读、背课文、背单词、礼貌用语等。教学资源功能名称功能描述资源中心提供各学科超过180万件各类教育、教学资源，包括教案、课件、试卷、试题、PPT、图片素材、音频、视频等。可收藏、评分、引用、下载及同步给学生等功能。微课中心提供各学科超过15万节微课，包含课堂教学、试题讲解、知识点解析等不同内容。电子图书提供小学至高中各类电子图书，包括课内、文学、历史、科学、人文、传记等。学生学习功能名称功能描述趣味学堂多版本教材同步练习游戏，玩家可通过不断闯关学习每一课的同步知识，在线试题数量120万题。游戏通过等级、同班学生排行、完成度、连对等机制激发孩子学习热情。通过智能化运算机制，按学生目前学习能力自动匹配相应难度的试题，由低到高。华夏诗魂通过闯关学习不同的诗词，内含小学至高中阶段所需要学习的所有诗词，另外还囊括各类著名的唐诗、宋词3455首。成语攻擂通过闯关学习小学至高中阶段所有成语，除课本以外，还包含2554个成语，闯关难度由低到高，让玩家不仅学习成语本身，还包括成语的出处、释义及相关人物及故事。速算森林学习内容包含小学阶段所有计算类知识点，玩家通过闯关提醒自己的速算能力。老师还可以自由发布速算作业及组织班级竞赛。华夏汉字包含小学、初中、高中阶段所有课本上的生字与其他不常用汉字，共计1200个汉字。难度由低到高，让玩家在闯关中不断学习汉字的拼音、字和义。安全平台安全平台包含两大部分，第一部分是平安校园，包含入校考勤、打卡、GPS定位、红外监控、视频监控等。第二部分是数据安全，包含个人信息、应用信息及相关数据。应用功能如下——功能名称功能描述考勤打卡支持学生、老师入校考勤打卡，无需手动刷卡，进入校门即可完成考勤打卡。自动汇总统计信息。平安校园采用高精度、夜视红外摄像，安放到学校校门及重要公共区域，支持人脸自动拍照记录、红外感应记录等。全方位保障全校师生人身安全。数据保护学校所有信息，包括个人用户信息、软件使用数据、教育教学资源、微课视频等均保存于阿里云服务器，与阿里云合作，提供国内最安全的信息保护措施。校园支付支持移动支付、预存支付、刷卡支付等多种方式。学校收款支持校服、午餐预定等校内收费项目，让家长通过支付宝或微信支付，免除学生带现金及手动统计。信息平台信息平台包含两个部分，第一个部分是校内信息展示与发布，包括学校数字信息墙、数字班牌。第二个部分是移动端信息展示与发布，包括即时沟通、校园风采、发布通告、调查问卷等。应用功能如下——功能名称功能描述乐信即时沟通应用，与微信类似，可实现家校沟通、学生交流、教师交流、发送资料等一系列功能。校园采风学校自主创建学校移动门户，主要以展示为主，展示学校的风采、学生活动、优秀教师等。可发表学校新闻、资讯、教研、教育、通知等。支持学生、家长及老师投稿，学校管理员审核通过后，可向全校老师、家长及学生展示。支持评论、回复、点赞、收藏与分享。通告支持向学校、班级或群组发送通告，支持附加各类附件，如图片、音频、视频及文档。支持阅读者留言、回复等功能。发布者可时时查看通告发布结果，包括阅读人数、留言、回复等信息。调查问卷支持向学校、班级或群组发送调查问卷，支持单选、多选。统计结果包括填写人数、选项百分比。老师可用于收集意见、选项调查、投票等多种用途。应用解决方案智慧教育、数字校园解决方案基于阿里云平台服务，所有硬件、线路设计、安装点、保护设备均以安全、绿色环保、可回收、实用性强、无尖锐突起等为根本原则，让全校师生及家长均可放心使用。其中将学校不同区域进行功能及设备划分，更合理的分配硬件及网络资源，让学校在使用过程中更便捷、更贴心。智慧课堂运用云计算、大数据等先进技术，以智慧课堂为核心，依托课堂及时测评、人人通平台教与学应用与分析系统及相应设备等，为教育管理机构、学校、教师、学生、家长提供服务，实现教育技术与教学应用的深度融合。硬件可支持答题器、平板电脑等不同设备。以大数据为重点，收集课堂测评、课堂教学成果、教师课前教学准备、学生课后练习等相关数据，构建教学分析、教学资源运用、教学模式优化、学生学习能力等多种大数据分析模型，为教师、学校提供优化教学方法与手段的数据依据。构建更加智慧的现代化课堂。数字班牌数字班牌，是智慧校园建设最重要的组成部分之一，即提升了校园的整体形象，又充分展现了校园风采，丰富了校园生活，也成了学校和班级，教师和学生，及家长和学生之间的互动媒介之一。每个教室配置一个前端显示屏或触摸屏，安装在教室门口或教室内，用来显示班级信息，当前课程信息，班级活动信息以及学校的通知信息。信息内容为文字、图片、多媒体内容等，为学生和老师提供新颖的师生交流及校园服务平台。平安校园通过无线阅读器、考勤机及软件构成平安校园解决方案，可以进行入校考勤、请假、家长提醒、数据自动汇总等。支持红外夜视高清摄像1080P，24小时监控，全部采用室外摄像机，符合IP66级防水设计，可靠性高，支持防盗报警提示。少儿编程课一站式编程教育服务云平台。包含活动赛事、编程大冒险、蜜蜂编程学院三大板块。基于美国麻省理工开发的Scratch3.0编程工具。提供学校开设少儿编程课的解决方案，包括教材+教案+视频+PPT+直播+教师培训等相关内容，方便老师进行双师教学。课程分为初级、中级、高级三个阶段，跨学科（数学、英语、语文等）知识涵盖，真正做到学科融合。通过教师教学引导和实践操作，可训练学生的逻辑思维能力，并提升学生的综合素质。语文拓展学习以统编语文教材的单元双主题（人文主题、语用主题）编排体系为依据，合理提高学生的阅读时长、能力与水平，并通过与语文教材知识点相匹配的特点，加深学生对课文的理解力与拓展学习能力。改革语文教学思路与模式，淡化抠字咬文的传统语文教学模式，让学生在大量阅读、合作学习及数据反馈中，提升学生学习语文的能力。素质与兴趣培养以大数据为基础，通过各类兴趣活动、素质评价、才艺展示及系统引导，营造一个以素质提升、才艺兴趣培养的网络环境。每周发布一次兴趣活动，如绘画、手工、模仿、乐器等不同类型的主题活动。每学期进行两次素质评价，通过数据收集与汇总，向老师、家长及学校汇报相关的结果。每天鼓励学生上传自己的才艺作品，通过班级同学、老师、其他学校学生的互动鼓励及虚拟奖励机制，激发孩子展示自己的才艺。大数据收集基础行为数据采用一个平台策略，所有功能与应用全集中在平台中。教育工作者、学校领导、老师、学生及家长共同使用一个软件，减轻用户使用负担，不需要切换软件或更换设备。从用户行为数据收集看来，目前远远领先于科大讯飞，仅在华为手机中，下载安装量达5000多万次，而科大讯飞的悦作业仅142万次，上次更新APP需要追溯到9个月以前。收集用户基础数据包含：登录时间、位置、IP地址、MAC地址、机型、系统版本、使用时长、功能点、互动交互、家校沟通、交流文本、使用轨迹。教学数据教师教学包含课前、课中、课后，通过资源中心、备课、微课、班级活动、班级网盘、课堂工具使用、电子课本、板书、课堂奖励、课后作业、评语、班级空间内容及活跃量等相关数据，建立老师教学相关数据模型。从而通过数据模型去发现有更多价值的东西，如如何帮助老师提高信息素养、改善教学方法、提高教学效率、实施个性化教学等等。学习数据学生学习数据收集主要包含：课堂学习记录与成果、课堂测评结果、课后作业数据、自主学习数据、考试成绩统计等。除日常学校教学、学习以外，还收集学生对艺术、才艺、表演、诗词、逻辑运算、社交等不同学习数据与能力。从而可以有更多维度去发现学生的优点、薄弱点、学习能力等相关数据。大数据模型大数据分为数据收集、整理及汇总三大部分——数据收集：包含行为事件、业务数据、操作数据、应用数据、逻辑处理数据等。数据整理：包含数据粒度、数