虛擬項目化實訓系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊 征，王 利，華 衛(wèi)

(瀘州職業(yè)技術(shù)學院 信息工程系，四川 瀘州 646005)

在高職教育教學改革中，基于工作過程的項目化教學法是目前教學改革研究與實踐的一個熱點；而實現(xiàn)真實工作情景在教學過程中的仿真再現(xiàn)，是項目化教學實施過程中的一個關(guān)鍵問題。虛擬化信息技術(shù)為解決這個問題提供了一種新的手段。采用虛擬化技術(shù)模擬和仿真企業(yè)生產(chǎn)崗位情景，培養(yǎng)學生的專業(yè)技能和職業(yè)素質(zhì)，是提高學生綜合能力的有效途徑[1]。利用虛擬化技術(shù)建立一個仿真真實工作過程的項目化實訓系統(tǒng)，可以為項目化教學的開展提供一個教學平臺。

1 虛擬項目化實訓系統(tǒng)的研究背景

1.1 建設基于生產(chǎn)環(huán)境的實訓系統(tǒng)

在學校中建立真實的生產(chǎn)系統(tǒng)作為實訓平臺，是基于工作過程的項目化教學最早采用的方法[2]。這種實現(xiàn)方法的優(yōu)點在于實訓系統(tǒng)與真實的生產(chǎn)系統(tǒng)是一致的，生產(chǎn)場景可以真實地映射到實訓工作流程中。由于利用了現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境，無需另行搭建專門的實訓環(huán)境，可以節(jié)省成本。這種做法的缺陷在于：

(1) 生產(chǎn)環(huán)境下的實訓系統(tǒng)是有生產(chǎn)任務的，因此，實訓項目中的一些自主性或者有潛在破壞性結(jié)果的工作環(huán)節(jié)將無法實施；

(2) 在生產(chǎn)環(huán)境下的實訓系統(tǒng)中進行實訓情景的設計與實施是比較困難的，因為生產(chǎn)的運行狀態(tài)會對實訓情景的實現(xiàn)作出諸多限制；

(3) 學校內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境下的實訓系統(tǒng)的容量有限，如果參加實訓項目的學生人數(shù)過多，則每個人的平均訓練時間會大幅度減少。

1.2 建設專用的項目化實訓系統(tǒng)

通過對真實工作過程的抽象與簡化，可以在實驗實訓室環(huán)境中搭建項目化實訓系統(tǒng)。這樣的實訓系統(tǒng)通常是為某個真實工作崗位的工作流程而設計的，例如：企業(yè)資源計劃(enterprise resource plan，ERP)實訓室、客戶關(guān)系管理(customer relationship management，CRM)實訓室、服務器管理實訓室等。這種實現(xiàn)方法的優(yōu)點在于能夠提供足夠多的實訓工位，能夠?qū)崿F(xiàn)對崗位工作流程的模擬，能夠讓學生進行自主實訓。這種實現(xiàn)方法的缺陷在于：

(1) 針對不同的工種設置專業(yè)的項目化實訓室，這些實訓室的硬件系統(tǒng)構(gòu)成是相似甚至相同的，存在重復建設和浪費；

(2) 實訓系統(tǒng)的軟硬件購置成本高，如果只能適應單一工種的項目實訓，則其利用率低；

(3) 在這種實訓系統(tǒng)中重現(xiàn)實際工作中的場景需要比較繁瑣的配置，運行效率低。

1.3 虛擬化技術(shù)在實踐教學中的應用與進展

虛擬化技術(shù)能夠在一個物理計算機平臺上虛擬出一個或者多個虛擬的計算機系統(tǒng)，即虛擬機。虛擬機具有很多物理計算機所不具備的特殊功能，如硬件無關(guān)、可復制、以文件方式保存、以快照方式保存狀態(tài)等[3]。虛擬化技術(shù)在實驗實訓領(lǐng)域的應用主要有以下幾個方面。

(1) 基于計算機硬件的實驗實訓環(huán)境設計，這些實訓項目需要有硬件系統(tǒng)支持，且實訓操作可能帶有一定的破壞性[4]。

(2) 基于復雜網(wǎng)絡的虛擬化實訓系統(tǒng)的應用。虛擬機不僅能夠提供虛擬的計算機系統(tǒng)，還能夠提供虛擬機網(wǎng)絡，可以在同一物理計算機系統(tǒng)上構(gòu)建出多臺虛擬計算機，構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡系統(tǒng)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)與真實網(wǎng)絡相同的運行流程。這一特性為實現(xiàn)網(wǎng)絡技術(shù)實驗實訓提供了條件[5-6]。同時，虛擬機還可以同諸如GNS3、ENSP等網(wǎng)絡設備模擬器軟件結(jié)合，在同一物理計算機平臺上構(gòu)建復雜網(wǎng)絡實驗環(huán)境[7-8]。

(3) 基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡安全實驗環(huán)境。通過虛擬機和虛擬網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡攻防、入侵檢測、主機加固等安全技術(shù)的實踐訓練[9]。

目前，虛擬化技術(shù)在計算機專業(yè)實驗實訓教學中應用得比較多，主要的應用是基于虛擬化技術(shù)的特性來搭建實驗環(huán)境。可以通過深入挖掘虛擬機技術(shù)的應用潛力，拓寬其可用的專業(yè)領(lǐng)域，加深應用的深度。

2 基于虛擬化技術(shù)的項目化實訓系統(tǒng)設計

2.1 虛擬項目化實訓系統(tǒng)的構(gòu)建

基于工作過程的項目化課程開發(fā)包括3個步驟：(1)工作任務與職業(yè)能力分析；(2)項目化課程的設計；(3)教學情境的設計[10]。項目化實訓系統(tǒng)是工作情境再現(xiàn)和課程實踐實施的載體，是項目化課程開發(fā)中的一個重要部分。

項目化實訓系統(tǒng)的設計應遵循以下原則：

(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)或者模擬實現(xiàn)工作過程中的各個操作步驟；

(2) 能夠?qū)崿F(xiàn)工作場景的再現(xiàn)和工作狀態(tài)、工作結(jié)果的保存；

(3) 能夠提供多種使用方式以適應不同的教學模式。

虛擬項目化實訓系統(tǒng)由物理硬件層、支撐軟件層、虛擬場景層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物理硬件層：虛擬化實訓系統(tǒng)的硬件平臺可以采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡實訓室的硬件平臺，主要包括教學服務器、學生實訓計算機和局域網(wǎng)絡。

支撐軟件層：服務器端的支撐軟件由Web服務器軟件構(gòu)成，將實訓項目以Web服務的方式發(fā)布在網(wǎng)絡上，既可用于課堂實訓的教學模式，也可以用于學生自主實訓的教學模式。學生端的支撐軟件由虛擬機管理軟件構(gòu)成，通過在學生實訓計算機上安裝虛擬機管理器軟件，創(chuàng)建實訓系統(tǒng)的虛擬機模板和虛擬網(wǎng)絡模版。

圖1 虛擬項目化實訓系統(tǒng)架構(gòu)圖

虛擬工作場景：虛擬工作場景是對實訓工作流程中的工作場景的虛擬化實現(xiàn)。學生能夠在虛擬工作場景中完成與真實工作場景中相同或者相似的工作任務。虛擬工作場景可以用虛擬機快照[11]的方式保存在宿主計算機上，通過加載快照的方式實現(xiàn)場景的搭建和狀態(tài)還原。

2.2 利用虛擬機快照實現(xiàn)項目情景的快速切換

虛擬機快照技術(shù)能夠在物理計算機上快速切換虛擬機系統(tǒng)的運行狀態(tài)。利用虛擬機快照的技術(shù)特性，可以將工作過程中某時刻的運行場景保存為虛擬機快照；多臺虛擬機之間的快照相配合，可以構(gòu)成整個工作流程的運行場景(見圖2)。利用虛擬機快照功能可以實現(xiàn)實訓場景的快速部署和變換，滿足不同實訓項目的需要。學生也可以利用虛擬機快照自行搭建不同實訓場景，實現(xiàn)自主學習。學生實訓操作的結(jié)果也可用虛擬機快照的方式保存在宿主計算機中。

圖2 使用快照映射工作場景

2.3 虛擬項目化實訓系統(tǒng)的運行流程

基于工作過程的項目化實訓工作流程包括：項目任務的分解、工作情景的建立、實訓操作、操作結(jié)果的檢驗等。在虛擬項目化實訓系統(tǒng)中開展項目化實訓的過程參見圖3。

圖3 實訓系統(tǒng)的工作流程圖

3 基于VMware Workstation實現(xiàn)虛擬化實訓系統(tǒng)

3.1 物理硬件層

利用現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡實訓室的硬件環(huán)境作為虛擬化實訓室的物理硬件平臺，主要配置如下：

(1) 教學服務器1臺：CPU為Xeon X5660，頻率2.8 GHz；8 GB DDR3內(nèi)存；4塊容量為192 GB的SCSI硬盤；4塊1 Gbit/s網(wǎng)卡；

(2) 學生實訓計算機40套：CPU為Intel Core 2 i3-3240；4 GB內(nèi)存；1塊容量為500 GB的SATA硬盤； 1塊1 Gbit/s網(wǎng)卡；

(3) 內(nèi)部局域網(wǎng)絡1套：100 Mbit/s快速以太網(wǎng)。

3.2 支撐軟件層

在教學服務器上安裝Web服務器軟件和數(shù)據(jù)庫服務器軟件，將實訓項目制作成Web應用程序發(fā)布到Web服務器上。利用AJAX等Web開發(fā)技術(shù)，為Web應用程序提供良好的交互功能，實現(xiàn)實訓項目的發(fā)布、結(jié)果保存以及成績評定等。

在學生實訓計算機上安裝VMware Workstation虛擬機管理軟件，建立虛擬機管理控制臺[12]。利用VMware Workstation在宿主計算機上創(chuàng)建虛擬機模板和虛擬網(wǎng)絡模板。利用這些虛擬機和虛擬網(wǎng)絡的模板可以建立實訓項目中所需要的虛擬硬件環(huán)境。

3.3 虛擬場景層

每一個實訓課程包含若干實訓項目，每一個實訓項目由若干個虛擬場景來組成，這樣形成了一個實訓場景的樹形結(jié)構(gòu)。在用VMware Workstation創(chuàng)建的每一個虛擬機模板上，可以創(chuàng)建一個運行狀態(tài)快照的樹形結(jié)構(gòu)，所有虛擬機的快照形成一個樹林結(jié)構(gòu)。因此，每個實訓項目的虛擬場景對應虛擬機模板中一個虛擬機的某個快照，形成一個映射關(guān)系。在實訓操作的過程中，通過加載快照來建立整個項目的虛擬場景。

3.4 實訓系統(tǒng)的部署與更新

實訓系統(tǒng)的部署分為服務器端部署和學生實訓計算機部署兩部分。服務器端需要部署Web服務器軟件和發(fā)布教學Web應用程序;學生實訓計算機需要部署VMware Workstation軟件，并創(chuàng)建虛擬機模板和保存虛擬機快照。學生實訓計算機的軟硬件配置是相同的，因此可以使用網(wǎng)絡化部署工具以克隆方式進行批量部署[13]。

4 系統(tǒng)的應用模式

虛擬項目化實訓系統(tǒng)以3種不同的模式來使用，分別是教師主導實訓模式、學生自主實訓模式和實訓考核模式。

(1) 教師主導實訓模式。在教師主導實訓的教學模式下，教師需要完成實訓項目計劃的制訂和實訓場景的設計，并將實訓項目的相關(guān)信息發(fā)布在教學服務器上，供學生下載和使用。實訓場景由指導教師創(chuàng)建并以虛擬機快照文件的方式保存在學生實訓計算機上。實訓實施過程的各個環(huán)節(jié)都處于指導教師的控制之下，指導教師可以對學生實訓的操作過程和操作結(jié)果進行有效監(jiān)控和指導。

(2) 學生自主實訓模式。學生可以利用在實訓計算機上創(chuàng)建的虛擬機模板、虛擬網(wǎng)絡模板、已有的虛擬工作場景快照，自主地按需搭建虛擬工作環(huán)境。在這種模式下，學生可以利用虛擬項目化實訓系統(tǒng)實施自主創(chuàng)新的實訓項目，鍛煉與培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力。

(3) 實訓考核模式。在考核模式下，教師將完成考核項目的設計與考核操作情景的制定。考核項目將以交互的方式發(fā)布在教學服務器上供學生下載與使用。考核場景將以虛擬機快照文件的方式部署到學生實訓計算機上。學生通過加載場景快照來搭建考核工作場景，并在此場景下完成實訓考核所要求的操作。考核結(jié)果可以用電子文檔方式提交到教學服務器存檔和批閱，也可以將操作結(jié)果以快照的方式存儲在學生實訓計算機上，以本地或者遠程的方式進行檢查。

5 虛擬項目化實訓系統(tǒng)應用效果的評價

虛擬項目化實訓系統(tǒng)可以應用到與信息技術(shù)有關(guān)的不同專業(yè)的課程教學中。為了驗證其教學使用效果，選擇了計算機專業(yè)的服務器管理技術(shù)、網(wǎng)絡安全技術(shù)、ERP系統(tǒng)應用3門課程，使用虛擬項目化實訓系統(tǒng)實施項目化教學。通過3個學期教學實踐，對應用效果進行了2方面的調(diào)查：

(1) 對學生進行了虛擬項目實訓系統(tǒng)的應用效果的問卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖4所示；

圖4 學生問卷調(diào)查結(jié)果分析

(2) 對課程考核結(jié)果進行了對比分析，以服務器管理技術(shù)課程的8項典型工作場景技能考核結(jié)果為例進行了分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 服務器管理技術(shù)課程的考核結(jié)果分析

結(jié)果表明，虛擬項目化實訓系統(tǒng)有利于學生實踐技能的掌握，教學效果比過去有了明顯的改善。

6 總結(jié)與展望

利用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)的項目化實訓系統(tǒng)，為高職院校涉及信息技術(shù)的課程實施項目化教學提供了一種新的教學工具和教學手段。虛擬項目化實訓系統(tǒng)能夠利用現(xiàn)有實訓室的硬件平臺來實現(xiàn)，以節(jié)省硬件投資、充分發(fā)揮硬件系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)所提供的虛擬工作情景能夠根據(jù)不同課程的需要靈活創(chuàng)建與組合，具有真實性強、內(nèi)容豐富、使用靈活、實驗手段多樣的特點。教學實踐表明，虛擬化項目實訓系統(tǒng)能夠很好地滿足高職院校項目化教學的需求，教學效果良好。

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