Einheitlich und doch dezentral und modular: Die HPI Schul-Cloud als Infrastruktur für die Länder

Die HPI Schul-Cloud kann und sollte nach unserer Meinung durchaus als länderübergreifend nutzbare Plattform etabliert werden. Die erreichbaren Synergieeffekte und der in allen digitalen Infrastrukturen zu beobachtende Skaleneffekt sprechen eindeutig dafür. Durch das föderale deutsche Bildungssystem ergeben sich hierbei teilweise divergente Anforderungen, bedingt durch unterschiedliche Zielsetzungen, Gesetzeslagen und Bestandssysteme in den jeweiligen Ländern.

Es gilt also hinter einem ohnehin leicht anpassbaren Erscheinungsbild die individuellen Anforderungen der Länder zu berücksichtigen und zu realisieren. Neben neu bereitzustellenden Diensten und Modulen gilt es, bereits bestehende Lösungen, welche auch künftig genutzt werden sollen, in die Architektur zu integrieren.

Damit die HPI Schul-Cloud diesem Anspruch gerecht werden kann und länderübergreifend als einheitliche Applikation einsetzbar ist, muss ein architektonischer Ansatz gewählt werden, der es erlaubt, den unterschiedlichen Anforderungen leicht gerecht werden zu können. Erreicht wird dies durch moderne Softwarearchitekturen und einen modularen Aufbau des Systems. Die einzelnen Dienste werden dabei als Microservices bereitgestellt.

Microservices sind weitestgehend entkoppelte Dienste, welche über sprachunabhängige Schnittstellen (APIs) kommunizieren. Jeder Microservice erfüllt dabei eine bestimme Aufgabe, auf welche er spezialisiert und optimiert ist. In der Orchestrierung bilden sie dann die eigentliche Anwendung. Die Microservices laufen als isolierte Instanzen in Containern. Dies eröffnet dem Entwicklerteam eine große Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Progammiersprache, eingesetzter Datenbanken und nicht zuletzt des Betriebssystems, auf welchem der Service laufen soll. Allgemein sind Microservices leicht austauschbar, sodass eine Neuentwicklung einen bestehenden Service ersetzen kann, sofern er die gleichen Funktionalitäten bereitstellt. Die externen Abhängigkeiten beschränken sich also auf die definierte Schnittstelle. Dies bietet auch beim Deployment deutliche Vorteile, da der Deploymentprozess für jeden Microservice unabhängig laufen kann und damit schlanker und schneller ist. Dienste können einzeln skalieren und auf unterschiedlichen Rechnern oder Rechenzentren installiert werden.

So wird eine heterogene Struktur an Diensten ermöglicht. Während die Anwendung direkt für die Benutzer*innen erreichbar ist und bspw. Benachrichtigungen einheitlich versendet werden, stehen die einzelnen Dienste nicht für einen direkten Benutzerzugriff zur Verfügung, sondern sind nur in der HPI Schul-Cloud erreichbar.

Um bestehende Dienste in die HPI Schul-Cloud einbinden zu können, werden diese über einen Microservice bereitgestellt, welcher die Kommunikation mit der Applikation über die definierten Schnittstellen ermöglicht. Dieses Vorgehen erlaubt es, nicht nur bestehende Dienste elegant in die HPI Schul-Cloud einzubinden, sondern auch die länderspezifischen Anforderungen zu realisieren.

Nach dem gleichen Muster können auch Anwendungen eingebunden werden, die nicht nur über eine Schnittstelle kommunizieren, sondern auch grafische Interaktionsmöglichkeiten bieten. Hier ist dann eine möglichst nahtlose Integration anzustreben, welche eher auf Komponenten, statt auf Anwendungsebene erfolgt.

Wie weit sind wir auf dem Weg zur Infrastruktur?

Mit dem erfolgreichen Roll-out an nunmehr 100 Schulen hat die HPI Schul-Cloud gezeigt, dass zeitgemäßes Lernen sinnstiftend durch eine cloudbasierte Lerninfrastruktur unterstützt werden kann. Neben funktionalen Erweiterungen, welche im Rahmen und auf Grundlage des ko-innovativen Entwicklungsprozesses entwickelt werden, sind es vornehmlich drei Themenblöcke, die hier Aufmerksamkeit verdienen.

Integration

Unter dem verbindenden Charakter der HPI Schul-Cloud kann zum einen das Zusammenführen von Inhalt und Lernenden (durch den LernStore) verstanden werden. Aber auch auf der technischen Ebene sind Integrationen und Anbindungen an andere Systeme eine wesentliche Aufgabe des Projektes. Grundlage hierfür ist der gewählte Ansatz der Aufgabentrennung. Funktionen, die bereits zufriedenstellend durch existierende Anwendungen erfüllt werden, sollen als Dienst eingebunden werden. Dies betrifft auch Funktionen, die aufgrund von datenschutzrechtlichen Anforderungen nicht im pädagogischen Netz bereitgestellt werden dürfen. Dazu gehören Themen wie die Übernahme von Stundenplan oder Schülerdaten. So kann die HPI Schul-Cloud an ein zentrales Identitätsmanagement- System (IdM) angebunden werden. Dabei kann nicht nur ein „Single-Sign-On“ (SSO) gewährleistet werden, sondern in der HPI Schul-Cloud vorgenommene Manipulationen, beispielsweise das Hinzufügen von Lernern in Klassen- oder Schulübergreifende Arbeitsgruppen, können wiederum in einem IdM-System hinterlegt werden. Dies ermöglicht eine Verwendung der hinterlegten Daten auch in anderen angebunden Tools, beispielsweise einem Messenger. Je nach benötigter Integrationstiefe ist dabei eine Synchronisation via IdM-System ausreichend oder es muss eine zusätzliche direkte Synchronisation zwischen IdM-System und Drittanwendung stattfinden.

Modularisierung und Verstetigung: Die HPI Schul-Cloud als Architektur

Die modulare Struktur und der Wille zur umfassenden Integration mit existierenden Diensten zeigt zum einen die technische Anschlussfähigkeit der HPI Schul-Cloud, ist vor allem aber Ausdruck der Überzeugung, dass die Zeit monolithischer Anwendungen vorbei ist.

Abseits technischer Integrationen ist es unser erklärtes Ziel, mit Konsortien mehrerer Bundesländer oder auch mit einzelnen Ländern Musterlösungen für eine nachhaltige und offene Cloud-Architektur zu entwickeln. Prototypisch ist hierfür unsere Kooperation mit der Niedersächsischen Bildungscloud, die technisch auf der HPI Schul-Cloud basiert, aber andere Schwerpunkte setzt und daher verschiedene Dienste zur Architektur hinzufügt.

Auch in anderen Bundesländern ist dies nicht nur denkbar, sondern hochgradig sinnvoll. Bundesländer mit etablierten Lösungen für Identitätsmanagement, Dateispeicher, Stundenplanverwaltung, Schulverwaltung, Messaging, u.v.m. nutzen diese selbstverständlich weiter. Zum einen, weil die HPI Schul-Cloud keine Spezialanwendung für bspw. Schulverwaltungsbereich sein will, zum anderen weil wir selbst im eigenen Kernbereich auf entsprechende Integrationen setzen, bspw. die Open Source Software RocketChat als Messenger.

Niedersächsische Bildungscloud

Auf der didacta Bildungsmesse 2018 in Hannover wurde die Kooperation mit der Niedersächsischen Bildungscloud (NBC) geschlossen. Eine Kooperation der beiden Cloud-Lösungen für Schule und Unterricht eignet sich aufgrund vieler Überschneidungen in den jeweiligen modular-skalierbaren Ansätzen. Weiterhin kann durch diesen modularen Aufbau der HPI Schul-Cloud-Architektur ebendiese leicht an geplante oder in Entwicklung befindliche Landeslösungen angeschlossen werden. Die Kooperation leistet einen logisch stringenten Beitrag zu Bundes- und Landesaktivitäten und bietet die Gelegenheit, schulübergreifende Cloud-Technologien bereits innerhalb der Erprobungsphase im Schulalltag agil weiterzuentwickeln und somit eine Lösung entstehen zu lassen, die langfristig sowohl landesübergreifend als auch länderspezifisch effizient eingesetzt werden kann.

Die Landesinitiative n-21 erprobt derzeit mit 45 Schulen die Einbindung der Niedersächsischen Bildungscloud in den Unterrichtsalltag. Die ausgewählten Schulen erstrecken sich über sämtliche Schulformen sowie zwei Studienseminare. Die Projektschulen stammen aus urbanen Zentren sowie ländlichen Regionen. Das gemeinsame Projekt gliedert sich in das Konzept der Medienkompetenz in Niedersachsen „Ziellinie 2020“ ein, welche das Lernen mit schülereigenen Geräten, dem „Bring Your Own Device“Ansatz vorschreibt. Insbesondere bietet sich die Chance, durch die Anbindung der niedersächsischen Projektschulen während der Erprobungsphase, eine bundeslandspezifische Plattform zu entwickeln und weitere Projektschulen neben den Gymnasien aus dem nationalen Excellence-Schulnetzwerk MINT-EC einzubeziehen.

Inhaltlich ergeben sich Anpassungen vor allem aus der Zielrichtung schulübergreifender Kollaboration, welche die Niedersächsische Bildungscloud ermöglichen soll. Hierfür haben wir in Kooperation mit n-21 e.V. die Teams-Funktion entwickelt. Diese ermöglicht es, Projektgruppen aus Nutzer*innen mehrerer Schulen sowie externe Partner zusammenzufassen und ihnen einen Raum zum gemeinsamen Arbeiten zu geben. Getestet wurde hierbei erstmals der Einsatz eines dedizierten Identitätsmanagement-System als Szenario für eine landesweite Nutzerverwaltung im hoheitlichen Betrieb.

Hinweise der Redaktion
Bildnachweis: HPI/K. Herschelmann
Sprachlicher Hinweis: Es sind stets Personen männlichen und weiblichen Geschlechts gleichermaßen gemeint; aus Gründen der einfacheren Lesbarkeit wird an dieser Stelle nur die männliche Form verwendet.