虛擬化技術在高職院校實踐教學中的應用分析

付天馳

遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112008

隨著我國對技術型人才的需求日益高漲以及對技術型人才資源培養的重視，高職院校學生數量逐年遞增，這就使在有限的教學資源下，學生個人教學資源面臨缺失，其中實踐教學資源匱乏問題最為突出。實踐教學的開展需要充足的設備、地點、空間、人力等資源共同支持，任一方面的缺失都會使實踐教學成效大打折扣，而實踐教學又是高職教學必不可少的重要環節，為此解決實踐教學資源不足的問題迫在眉睫。隨著現代化科學技術迅猛發展，為高職院校實踐教學找到了一個新的方向，即高職院校可以嘗試將現代化技術融入到教學中，其中虛擬化技術就可以完美地與實踐教學相適應，從而有效解決實踐教學資源缺失問題，進而可為學生開展高效的實踐教學，進一步提高實踐教學整體成效，保證學生擁有較高的綜合素養，能夠擁有較強的動手實操能力，更好地適應崗位需求，為社會發展貢獻力量。基于此，本文主要針對虛擬化技術在高職院校實踐教學中的應用進行探究，分析其實踐教學的意義及傳統實踐教學特點，總結高職院校實踐教學過程中的虛擬化技術具體應用經驗。

一、虛擬化技術

（一）虛擬化與云計算

在職業院校部署云計算平臺，對終端設備要求相對較低，在我國職業院校的信息化建設中也備受重視，得到了大規模的應用。利用分布式的技術可以實現集中式計算。對于云平臺來說，云計算采取的是一種分布式的整合計算方式；對于云平臺的用戶，是一種軟件服務、硬件資源和網絡資源集合。這種資源的整合可以為云平臺的用戶提供便捷、安全的數據庫，使用戶通過互聯網獲得具有彈性、易擴展的資源和服務。

虛擬化是云計算平臺的核心特征，是一種基于邏輯層面上的對物理資源進行調配的技術，是對于服務器、存儲資源、網絡連接、OS等實體在邏輯層面進行的抽象。簡單來說，就是在一臺獨立的物理服務器上通過對軟硬件資源進行整合、調配，創建多個彼此隔離的虛擬機，云平臺可以通過虛擬機管理器管理虛擬節點，通過調度算法調整虛擬節點的任務負載或虛擬機遷移。虛擬節點間是相對獨立的，可以運行不同版本的系統，極大地提高服務器資源的利用率，避免了硬件資源的浪費。

（二）服務器虛擬化

服務器的虛擬化主要是指用戶在一臺物理服務器中根據用戶需求通過虛擬機管理器底層硬件資源邏輯抽象、調度，同時創建多臺彼此隔離的虛擬機。這些虛擬機都是可以相對獨立地運行不同操作平臺，用戶根據自身需求運用虛擬機管理平臺對其進行資源調度與管理。虛擬化技術的核心理念是將硬件資源通過邏輯抽象后通過虛擬機管理器再分配，被多個虛擬機復用，并將虛擬化的虛擬硬件提供上層軟件調用。服務器虛擬化的邏輯架構如圖1所示。

圖1 服務器虛擬化的邏輯架構

二、高職院校實踐教學的意義

三、傳統實踐教學特點分析

傳統實踐教學主要是借助實體實驗室、實驗設備等資源開展的實踐教學活動。目前部分高職院校采用的皆是傳統實踐教學模式，該教學模式具有顯著的優勢，但隨著教育發展，劣勢也越來越突出，具體表現在以下幾個方面。

（一）實踐教學中心整體成本投入巨大

首先，實踐教學中心建設需要一定面積的場地，并要為其進行施工建設，在此期間需要投入一定成本。其次，在實踐教學中心建設完畢后需要做好消防以及安全設施建設，為實踐教學做好安全保證，為此也需要投入一定成本。再次，實踐教學中心需要引進一大批教學設備，部分教學設備精密度較高，因此價格十分昂貴，這就導致在此環節需要支出一大筆資金。最后，實踐教學中心設備需要定期養護以及革新，以此滿足不同時期實踐教學需求，為此又是一大筆支出。除上述成本投入外，基于實踐教學中心的特殊性，高職院校在實踐場地方面的成本投入還呈現著持續性特點，也就是學校需要不間斷地支出成本用于實踐場地維護。由此可見，實踐場地的整體成本投入是巨大的[2]。

（二）實踐內容無法鍛煉學生的創新能力

傳統實踐教學采用的是固化教學模式，要求學生按部就班地跟隨教學內容完成驗證性試驗，來認證已知的知識。這對學生的創新能力具有一定桎梏性，不利于學生創新性思維發展。

（三）實踐教學無法滿足學生需求

大部分驗證性的實踐教學需要在實踐室（實驗室或實踐教學基地，下同）完成，而隨著學生人數的增加，教學資源不足問題開始暴露出來，導致學校為了保證每一個年級、每一個班級均能開展實踐教學，需要重新規劃實踐室使用時間。但無論怎樣規劃，輪到每一個班級上的實踐教學時間都是較少的，整體實踐教學學時無法滿足學生需求，學生的動手實踐能力無法得到有效提升。根據相關調查的數據顯示，大部分應用傳統實踐教學方法的高職院校其實踐教學學時比例低于30%，甚至部分專業的學時占比低于10%[3]。

（四）無法有效開展因材施教

高職院校學生可分為三個類型：一是普通高校落榜學生，二是學習能力薄弱學生，三是想從事技術崗位的學生。不同學生之間的學習能力差異較大，因此在實際實踐教學中如若采取“一刀切”教學方法，將會導致學生個性化需求無法得到滿足。而傳統實踐教學就是采取的“一刀切”教學方法，因此導致因材施教教學理念不能得到有效落實，實踐教學整體成效低下。

四、高職實踐教學服務現狀分析

（一）實踐教學需求

實踐課程教學體系是我國高等職業院校的課程系統中的重要組成部分，課堂講授讓學生掌握理論知識，而實踐教學的目的是通過實際操作將學到的知識付諸實踐，是課堂教學的延伸和補充[4]。在我國職業教育改革發展的時代背景下，各類職業院校招生規模日益擴大，但是高職院校對于教學資金的投入卻未能獲得相應的提升，這就直接導致了實踐教學的環境并不健全，實踐性教學設備也存在較大的缺陷和不足，不能有效支撐實踐教學活動的開展。

（二）實踐教學中心管理模式

分散式的管理相對來說資源比較分散，各方面不統一，難以形成一個整合好的學習空間與資源[5]。各系部對自己的專業實踐室進行管理均有自己的一套工作流程與技術要求，其中包括了實踐室的條例、耗材管理制度、實驗室日常維護與使用制度等，難以做到在院校內部進行系統化統一管理。所采用的各種軟件在不同時期對于電腦硬件性能提出了不同的要求。大型軟件若被直接安裝到硬件性能較差的電腦中，其運行、執行和操作等整個過程均比較緩慢，將嚴重降低實踐課堂的教學質量。小型軟件的運行對計算機的硬件性能的要求降低，較低的配置計算機就可以運行，但是若使用更加高端的計算機來運行，則會導致資源浪費。

（三）實踐教學中心教學模式

目前，我國高等職業教育進入高質高速發展階段，大力培養技術技能型人才是職業教育的使命所在。各職業院校與研究機構不斷地在職業教育相關課題研究中投入大量資源，使我國的職業教育進入了快速發展期。當前，職業院校實踐教學模式大體上可以劃分成以下三個類型：一是校內實習（踐）。實踐活動的地點主要是集中在學校內，以實踐中心或者校辦廠為基礎，組織全體學生進行專業化的實踐，以課程教學性的實踐活動為主，社會生產性的實踐活動為輔。二是企業實踐。實踐活動場所主要集中于職業院校的合作企業。企業在自己的生產車間里設置有專門的實習活動場地、實踐裝置，或者學生隨崗實習，在不嚴重影響企業正常生產經營的條件下進行實踐，以社會化生產方式為主，教學實踐方式為輔。三是校企混合實踐。實踐地點分別位于學校和企業，結合校內的實踐及企業特點，合理地配置課程和實踐教學資源，發揮好這兩者的所長，在有效開展課程和教學實踐活動的同時，又能夠兼顧企業的經營。

在我國職業教育體系中，實踐課程是培養學生職業技能的重要環節。隨著高職院校不斷擴招，許多傳統實踐課程教學中的問題也逐漸顯露。主要的問題就是實踐教學場地與設備的短缺，造成實踐課程無法達到預期效果。在進行實踐教學時，教師只能將學生分成幾個小組，以小組的形式依次完成一個實踐課程的任務[6]。小組的形式雖然可以在一定程度上來培養和提高學生的合作和團隊交流協作的能力，但卻并沒有做到保證每個學生都可以獲得動手操作的機會，更不用說教師會把多余的精力和時間都留給每個學生自己進行一種獨立的探究、創新。

經過調查研究，我們發現，人類健康長壽除了基因、生活習慣等因素外，其生活環境中的土壤質量亦同樣重要——土壤中存在著健康長壽的密碼。我們知道，土壤圈是地球表層系統的重要組成部分，處于大氣圈、水圈、生物圈與巖石圈的交界面，是最活躍、最富有生命力的圈層。土壤質量不僅影響水質，而且直接影響食品安全，進而影響人類的生命健康。研究結果顯示，含有某些微量元素的土壤對于人類的健康長壽起著重要的作用，如元素鋅、硒、鍺、鍶。

五、虛擬化在實踐教學環境中的優勢

基于云平臺的虛擬化技術的應用可有效降低實踐教學中心與實踐科目建設的資金投入，提升實踐教學中心的建設質量，優化服務器運維管理。虛擬化技術的廣泛應用可有效地降低實踐教學過程中的硬件資源投入，充分運用虛擬化技術創設實踐環境，可對硬件資源進行共享與復用。對于復雜的實踐科目，可以通過虛擬機管理軟件對硬件資源進行調度與管理，來實現復雜實踐項目平臺的搭建。虛擬化技術的應用提高了實踐教學中的管理效率，延伸實踐教學的時間與空間。通過虛擬技術構建的實驗設備有著更好的安全性，減輕了實驗管理人員維護設備的工作量和壓力。通過“虛擬技術+互聯網”模式，搭建的虛擬遠程實驗室可以延伸學生參與實踐教學的時間與空間限制[7]。

現代計算機虛擬化技術的出現為職業院校實踐教學工作提供了一種有效的方法和手段。在虛擬節點上所需要完成的實驗效果與真實計算機上所需要完成的教學效果相當，完全適應了教學的要求。在這樣的虛擬環境下，學生可以安全、放心地參與到各類實驗性的操作中，不用擔憂對于主機系統的損害，可以大大增加學生自己實習動手的機會，加強了學生的實踐能力。基于現代化虛擬機技術的實踐教學環境的開發與建設，在一定程度上不但可以有效緩解當前虛擬實驗教學設備數量不足的問題，也很大程度上改善了實踐教學設備的信息安全性，提高了資源利用率，降低了實踐教學中心的運維管理難度。

六、虛擬化技術在高職實踐課程中的應用

實踐室在傳統實踐教學中是必不可少的教學環境，對于虛擬化實踐教學而言其重要性也是不容小覷的。但相較于傳統實踐教學中需要耗費較大成本進行實踐室建設而言，虛擬化實踐教學的成本相對較低。且隨著高職院校信息化建設的普及，虛擬化技術為高職院校的實踐教學中心建設提供了更好的解決方案，能夠有效彌補傳統實踐教學帶來的不足。具體表現為以下方面。

（一）有效節省了實踐教學經費

在傳統實踐教學模式下，需要耗費大量經費用于購買實訓設備，以及養護、修理，一旦在實驗中學生因操作不當造成設備損壞，學校還需及時引進新的設備。這對于經濟發達地區的高職院校而言也許是可行的，但對于欠發達地區的高職院校而言，其本身教學經費較為缺失，無法負擔大量實踐教學設備的巨大投入，甚至還會因實踐教學經費不斷增加而直接影響學校正常運轉。而如若在實踐教學中應用虛擬化技術，從而實施虛擬化實踐教學則可以有效改善這一現狀。將服務器資源與實驗平臺進行整合，構建云平臺，學生可以通過低成本終端運行云桌面完成實踐課程。這樣既保證了學生實踐課程的完整性，滿足了學生的實踐學習需求，提高了實操能力，還能夠有效節省新設備的購置成本，促進高職院校保持良好的穩定發展趨勢[8]。

（二）有效克服了時間與空間上的桎梏

虛擬化技術在高職實踐教學中的應用，主要依靠的是網絡技術。只要有網絡就可以隨時隨地開展實驗，因此直接打破了傳統實踐教學在時間與空間上的約束。與此同時，虛擬技術與實踐教學的有效結合還可以有效鍛煉學生的創造性思維，培養學生邏輯思維[9]。虛擬化實踐教學相較于傳統實踐教學時的固化實驗教學而言，可以在滿足學生完成教材驗證性實驗的同時，還可以支持學生開展一系列設計性實驗，促使學生通過設計性實驗設計與實施有效鍛煉與拓展自身能力。此外，傳統式實踐教學中學生可操作的實驗資源是有限的，一旦操作失誤就沒有更多的資源來開展重復實驗，而虛擬化技術在實踐教學中的應用則可以讓學生不斷重復開展實驗，甚至還可以開展戰前預演[10]。

（三）有效促進學生自主創新思維培養

驗證性實驗是傳統實踐教學的主要方式，因此對學生的創新性思維培養較為不足，而創新性思維是高職學生的必備素養。虛擬化教學實踐能夠引導學生完成綜合性實驗，不再受驗證性實驗約束，從而促使學生能夠在更廣泛的知識領域進行探索。

（四）有效優化了功能模塊設計

本文基于虛擬化技術搭建云實踐教學平臺，使用KVM虛擬化技術（基于內核的虛擬機）+Docker+OpenStack構建私有云平臺，使用SPICE服務（基于KVM虛擬機的開源虛擬化桌面傳輸協議）實現桌面虛擬化。虛擬化架構如圖2所示。

圖2 KVM虛擬化架構

在虛擬化云平臺的支持下，對傳統實踐教學實踐軟件平臺進行整合優化。通過云平臺進行集中管理運維，用戶可以使用云桌面訪問實踐教學平臺。本文所述實踐教學平臺功能模塊設計如下：

功能模塊設計整體結構主要分為三級：一級模塊為移動學習網站；二級模塊為網站管理、理論知識、試驗學習、在線測試、學習筆記；三級模塊則為用戶登錄、用戶注冊（網站管理模塊）、知識學習、標記知識點（理論知識模塊）、知識學習、標記實驗（實驗學習模塊）、在線做題、試題管理（在線測試模塊）、我的重點、我的難點、未完成、我的題庫、交流站（學習筆記模塊）。

理論知識模塊具體操作流程與涵蓋的內容為：用戶登錄→是否登錄→理論知識模塊→選擇知識點→知識點學習（文本、課件、視頻）或知識點標記（重點、難點、未完成）。

實驗學習模塊具體操作流程與涵蓋的內容為：用戶登錄→是否登錄→實驗學習模塊→選擇實驗→實驗知識點學習（文本、課件、視頻）或實驗知識點標記（重點、難點、未完成）。

在線測試模塊具體操作流程與涵蓋的內容為：用戶登錄→是否登錄→在線測試模塊→選擇測試題→上一題（下一題）→（是）試題內容或（否）挑戰到上一題（下一題）→查看答案→顯示答案。

學習筆記模塊具體操作流程與涵蓋的內容為：用戶登錄→是否登錄→學習筆記模塊→我的重點、我的難點、未完成、我的題庫、交流站。

我的重點模塊具體操作流程與涵蓋的內容為：是否登錄→我的重點列表→知識點學習。在交流貼模塊下設有發帖、我的帖子、全部帖子→查看帖子→回復帖子。

綜上所述，運用虛擬化等技術搭建實踐教學平臺在高職實踐課程教學研究中具有重要意義，能夠突出學生主體地位，提升學生自主學習能力是高職院校開展實踐教學的意義所在。傳統實踐教學具有實踐室整體成本投入巨大、實踐內容無法鍛練學生的創新能力、實踐教學無法滿足學生需求、無法有效執行因材施教等缺點。在實踐教學中心建設中運用服務器虛擬化、桌面虛擬化、云存儲等技術，能夠有效節省教學經費，克服時間與空間上限制，促進學生創新意識培養，并優化功能模塊設計。