基于CDL架構智慧實訓實現方式探索與實踐
——以信息安全與管理專業為例

李愛生

（上海市行政管理學校，上海 201803）

1 研究背景

實訓教學[1,4]是我國當代職業教育重要的組成部分，是培養學生職業技能的重要手段。2019年6月11日，教育部發布《關于職業院校專業人才培養方案制訂與實施工作的指導意見》，提出了以下兩點意見：（1）推進信息技術與教學有機融合。就是要全面提升教師信息技術應用能力，推動大數據[3]、人工智能[6]、虛擬現實等現代信息技術在教育教學中的廣泛應用，加快建設智能化教學支持環境，建設能夠滿足多樣化需求的課程資源，創新服務供給模式，服務學生終身學習。（2）改進學習過程管理與評價。就是要加大過程考核、健全多元化考核評價體系，完善學習過程監測、評價與反饋機制，強化實習、實訓、畢業設計（論文）等實踐性教學環節的全過程管理與考核評價。

可以看出，未來職業教學信息化發展重點已經發生變化，重在利用新一代信息技術提升信息化教學能力，解決實訓教學中遇到的種種問題，圍繞如何加強教學實訓過程管控和實訓數據采集，建立基于過程性的評價方式。這對現有實訓教學提出了更高要求，現有實訓手段已經無法滿足，需要采用更先進的信息化手段，建立智慧實訓方式。

2 目前職業教育信息技術類專業實訓教學存在的問題分析

為解決現階段職業教育實訓教學中客觀存在的一些問題，2019年開始筆者以學校信息安全與管理專業中高職貫通高水平專業建設為契機，把實訓教學質量提升作為中高職貫通高水平專業建設的重要內容，對實訓教學問題進行了深入的研究，歸納總結如下：

第一是實訓資源問題。隨著近幾年大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術在市場得到大規模的應用，這方面的人才顯得格外急缺。由于學校的課程體系相對滯后，實訓課程還是基于原有技術開發的，內容老舊，無法滿足培養新技術人才的要求。即使學校購置了先進的實訓設備，能夠滿足新技術的實訓功能要求，但缺乏與實訓設備配套的教學課程，導致在教學中，理論無法與實踐相結合。

第二是實訓過程問題。在實訓中，因實訓環境操作復雜，學生往往無法對設備進行有序地操作，會遇到各種難題。由于老師精力有限，不能做到對每個學生進行有效的指導，一旦學生遇到問題得不到解決，操作就無法繼續下去，也無法將遇到的問題記錄下來，請老師及時給予反饋，會導致整個實訓教學效率低下，這就是我們常說的“進不去、看不見、動不了、難再現”的問題。

第三是實訓評價問題。現階段全國職業教育正在積極考慮開展過程性評價的改革，但是還沒有更加科學的手段支撐。要徹底改變過去以期中、期末成績作為學生最終課程考核成績這種對于技能型人才培養不科學、不客觀的評價方式，過程性評價方式急需納入到職業教育學生技能考核體系中，基于全過程學習的記錄與分析，建立日常實訓效能評估手段，建立實訓過程數據記錄環境和理實一體化考核環境。

第四是實訓管理問題。目前大多數職業學校都為需要實訓的課程配備了相關的實訓教學軟硬件，因每門課程的情況不同，購買的軟硬件所采用的工作環境、體系結構、編程語言、開發方法等也各不相同。各專業的實驗教學建設大都自成體系，形成了“信息孤島”，最終導致實訓軟件缺乏統一管理、系統操作模式不統一、無法支持相應課程實訓的擴展、不同軟件不能運行在同一服務器上、實訓數據無法共享等問題。

3 智慧實訓實現途徑

智慧實訓[1]是對實訓過程全程監控，對實訓操作智能指導，對實訓效能[2]科學評估，對實訓教學及時反饋，從而建立過程性評價方式，最終建立崗位能力模型，能有效指導學生就業的一種智能化實訓方式。

智慧實訓依托三種途徑，分三個層面來實現，云基礎數據中心為智能化軟件系統運行提供環境，智能化軟件系統為科學化課程體系提供呈現方式。如圖1所示。

圖1 智慧實訓實現途徑

首先建立科學化課程體系。實現智慧實訓首先要考慮建立合理的數據結構，這里的數據結構指實訓任務的效能值，合理的實訓結構能有效反映技能達標情況。合理的數據結構來源于合理的實訓課程內容，因此實現智慧實訓首要任務就是建立科學化的課程體系，這是實現智慧實訓的途徑之一。而科學化的課程體系需要以企業崗位能力為導向，參照國家課程標準、企業崗位標準和行業認證標準建立。

其次建立智能化軟件系統。具備了合理的數據結構，或者說有了科學的課程體系之后，就是要對學生的實訓進行過程化監控、指導、評估，對實訓數據進行采集。這需要依托智能化軟件系統，通過人工智能技術與實訓教學相結合，運用AI技術實現智能化管控實訓過程，實現教學全過程智能化監控與指導。過程管控是智慧實訓的核心，需要依靠專門的AI引擎完成，AI引擎為學生實訓提供操作識別、幫助提示、自動評分等智能支持，從而量化學生實訓結果。

建立技能能力評價體系是智慧實訓的核心意義之一。數據采集是服務于過程性評價體系建立的，建立評價體系首先需要數據，然后依據采集到的數據建立崗位能力模型，利用大數據分析技術，匹配企業崗位能力模型，對學生的實訓數據進行建模。這必須依托智能化軟件系統完成。

最后建立云基礎數據中心。課程資源運行、軟件系統支撐、數據存儲等都需要計算和存儲資源，傳統的孤島式計算和存儲方式會導致教學效率低下、數據存儲隔離，利用虛擬化技術構建云數據中心，為課程資源存儲及運行、實訓大數據存儲和分析、智能化軟件運行提供高效、安全、可靠的硬件環境，是實現智慧實訓的基本保障。

4 CDL智慧實訓架構設計

結合以上對智慧實訓實現方式[5]的探討，我們把智慧實訓實現的主要任務分為三種，一是構建科學化課程體系，二是構建智能化軟件系統，三是部署云基礎數據中心。基于智慧實訓的需求，我們在實踐探索中總結提煉出一種新型智慧實訓創新架構，課程定義實訓室（Course Defined Laboratory，簡稱CDL）。該架構分為三層：應用層、控制層、設施層，下層為上層提供服務，如圖2所示。CDL智慧實訓創新架構功能實現如表1所示。

圖2 CDL智慧實訓創新架構

表1 CDL智慧實訓創新架構功能實現

智慧實訓需要用一種載體呈現在教學中，實訓室是最為直接和有效的方式。基于CDL 智慧實訓創新架構建設的CDL 智慧實訓平臺總體架構分為三層：云數據中心層、統一平臺層、課程資源層，下層為上層提供服務，具體如圖3所示。

圖3 CDL智慧實訓平臺總體架構

云數據中心層對應CDL架構的設施層，位于整個架構的最底層，由硬件資源、虛擬資源組成。硬件資源包括承載虛擬資源池的資源服務器、網絡設備及調試控制器。

統一平臺層對應CDL架構的控制層，為整個實訓平臺提供管理、控制、決策、內容發布等功能。在這一層，AI引擎主要實現對學生實訓進行智能化指導和分析功能，火狐引擎實現對實訓環境鏡像的加載、虛擬機的管理及提供相關程序接口功能。同時在這一層，實現對教師、學生、管理員三個角色定義及功能分配。發布中心主要實現課程發布、更新、系統升級和許可激活等功能。

課程資源層對應CDL 架構的應用層，為在CDL 架構上構建信息技術類課程資源，如計算機網絡、信息安全、軟件開發、大數據、云計算等方面的課程資源。

5 CDL智慧實訓實踐案例分析

在中高職貫通高水平專業建設期間，為了提升信息安全與管理專業實訓教學質量，在現有網絡安全實訓室基礎上，開發了CDL智慧實訓系統平臺，作為實訓課程資源中心、一體化考試中心、競技訓練中心、考證指導中心及網絡設備管理中心。以崗位能力為導向，對課程體系進行重構，開發了包含網絡安全、系統服務安全、web應用安全、安全攻防等方面的多門信息安全相關實訓課程資源。通過CDL智慧實訓系統平臺可實現根據實訓課程內容無感知地調用實訓室網絡機架中的任意一臺或多臺設備。云計算資源池可存儲課程的鏡像環境，為所有課程的運行提供硬件資源。我校中高職貫通信息安全與管理專業CDL智慧實訓系統平臺具體部署如圖4所示。

圖4 CDL智慧實訓實踐部署

我校CDL智慧實訓系統平臺的硬件設備集中部署在中心機房中，所有實訓設備機架及智慧實訓系統平臺都與核心交換機相連接。CDL智慧實訓系統平臺是智慧實訓的核心，提供教學資源C/S 和B/S 兩種模式的接口，學生和教師可以通過客戶端或遠程方式登錄到智慧實訓系統平臺進行學習，也可通過智慧實訓系統平臺實現指定機架的遠程接入，從而使用機架中的設備進行實訓。

智慧實訓系統平臺通過調試控制器可對傳統網絡機架設備及服務器資源進行智能化管控和調度。學生登錄平臺后，可對機架上的任意一臺設備進行控制。同時平臺可通過內置的火狐引擎，對掛載服務器中的虛擬化資源進行靈活分配和回收。

在智慧實訓系統平臺裝載了相應實訓課程的軟件包后，學生進入該課程的任務引領式實訓模式，開始任意實訓任務的練習，平臺通過數據接口讀取課程實訓軟件包中獲取的學生實訓過程數據，根據學生在任務練習中的操作細節，結合一定的加權數學模型，得出該學生在本次任務實訓中的任務完成度及綜合值。

在智慧實訓系統平臺裝載了相應實訓課程的軟件包后，學生進入該課程的項目式教學實訓模式，開始任意實訓項目案例的練習。平臺通過數據接口讀取課程實訓軟件包中獲取的學生項目實訓數據，結合一定的數學模型，科學、準確、客觀地評價該學生每個綜合項目的實訓能力水平。

教師通過智慧實訓系統平臺可及時掌握每位學生的實訓動態，學生是否在積極地練習、是否按時完成實訓內容、過程是否順利、完成的質量等都能夠準確地掌握，可以此為依據對學生進行有針對性的監督和考核，督促學生不斷提升自己的技能水平。

教師通過智慧實訓系統平臺可查看學生對某一實訓任務的整體完成情況，對學生普遍掌握較差的實訓任務，教師可著重進行講解，有針對性地改進教學內容及側重點，提高教學質量。

通過智慧實訓系統平臺，對學生實訓軌跡的全程記錄和跟蹤，對學生學習過程中的數據進行采集并存于系統數據庫中，首先通過對采集到的數據進行描述性分析，將學生的完成進度、完成情況、基礎得分等信息以可視化的形式展現給管理員和教師。再利用人工智能模型，對學生的歷史情況加以分析，梳理學生的學習情況、學習態度等信息，再次以可視化的形式展現給管理員和教師。利用大數據分析學生的歷史數據，分析學生當前項目的完成情況、學習態度等信息，將學生在實訓過程中的每一個操作細節都納入到技能評價的考量范疇，使得對學生實訓能力和水平的評價更為科學、準確、客觀。

把收集到的學生學習過程、學習成果的數據進行人工智能建模，匹配已知的崗位能力模型，對學生進行整體能力的評估，再以可視化的形式將學生的個人崗位能力特點展現給管理員和教師，生成對應的崗位能力分析報告，既可用作教學內部的分析探討，也可用作學生未來就業的崗位能力鑒定書，如圖5、圖6所示。

圖5 可視化崗位技能能力模型

圖6 學生崗位指導鑒定書

本專業CDL智慧實訓系統平臺可滿足多種信息技術類課程教學場景，除了滿足日常課程實訓教學外，教師可對學生進行理實一體化考試，所有課程實訓結束后，教師可安排學生考取對應的職業資格認證，學生通過考證指導實訓功能進行專項模擬考試和逐項練習。對于參加技能競賽的學生，可以進行針對性的訓練，智慧實訓系統提供正確答案和自動評分功能，可提升競技訓練效率。學校可以把智慧實訓系統部署為公有云，為本校的師生提供專有的云端服務，學生可以在任何網絡觸及的地方進行遠程在線云端實訓。

6 結語

CDL 智慧實訓系統平臺建設是本專業對智慧實訓實現方式的探索及踐行，在很大程度上解決了目前實訓教學工作中遇到的一些難題，為本專業實訓教學找到了過程指導與評估實現方式，幫助我校打造以現有實訓室環境為載體、以學生為主體、以大數據為支撐的科學化一體化教學體系，多維度、多方面對實訓效能進行科學化評價，為我校信息安全與管理專業中高職貫通高水平專業建設的教學資源建設及教學改革起到了重要的作用，把本專業的實訓教學提升到了一個更高的水平。