智能化視角下高職實訓階段虛擬化教學云系統設計

摘要：文章對當前我國高職實訓階段教學問題進行分析，總結了智能化視角下高職實訓階段虛擬化教學云系統的設計目標，構建了一種針對性較強的虛擬化教學云系統，并對該系統的運行情況進行了測試。結果表明：該系統可以很好地進行虛擬化教學，軟件的響應速度、功能完整性等均較為理想。

關鍵詞：人工智能；高職教育；虛擬化實訓；教學云系統

中圖分類號：TP311中圖分類號文獻標志碼：文獻標志碼A

0 引言

隨著現代科技的不斷發展，越來越多的智能化技術開始被應用于教育領域，人工智能、大數據、云計算等與教育教學工作結合的案例層出不窮。高職教育本身極為注重培養學生的實踐能力，因此高職教育的實訓教育在其整個教育體系中始終占據著極為關鍵的位置。然而，傳統的高職實訓大多以校內實訓或企業實訓為主，學生需要通過實際到崗的方式參與實訓、實踐［1-3］。一方面，這種實訓方式對學校、企業的硬件設施要求較高，學生實訓能力的上限通常會受到這類硬件設施的影響；另一方面，學校、企業硬件設施的轉型升級始終為階段性的，在融入新技術、新知識等方面存在先天不足。因此，本文嘗試構建了一種針對高職教育的虛擬化實訓教學云系統，旨在為高職實訓教育教學轉型升級提供幫助。

1 系統構建需求分析

1.1 高職實訓階段教學問題

本文認為目前我國高職實訓階段的教學工作主要存在3個方面問題。首先，實訓中的技能培養與知識體系匹配度有限，受學校、企業等硬件條件的限制，學生有時往往只能參與崗位實踐中的某一環節，無法充分實現多崗位、多技能的實訓；其次，企業實訓工作內容可能與教學無關，某些企業在參與高職學生實訓工作時可能出于吸收廉價勞動力等目的，并不會給學生提供與其學習背景相關的工作崗位［4］；最后，實訓教學工作對學校、企業硬件設施依賴性太強，缺乏足夠的虛擬化工具，導致學生只能被動地接受學校和企業的安排，無法通過實訓工作得到工作能力的提升。

1.2 虛擬化實訓教學云系統構建需求

1.2.1 功能需求

虛擬化實訓教學云系統構建的基本目標是打造數字化的實訓教學平臺，實現高職實訓教育教學環節學生的在線化、虛擬化實訓工作，擺脫一般實訓教育對學校、企業硬件設施的需求，為學生提供更為多元化的實訓教育教學知識、技能等。從功能角度來看，構建虛擬化實訓教學云系統的需求主要包括：一是，系統需要具備基本的虛擬化實訓教學功能，其可以用于高職學生的實踐學習；二是，系統需要具備一定的資源庫管理功能，學校可以通過資源庫對系統中的教學內容進行增刪改查，以滿足不同學校、不同專業的實訓教學需求；三是，系統需要具備一定的評測功能，其可以通過虛擬化的系統對學生的實訓效果進行監督［5-6］。

1.2.2 用戶需求

高職虛擬化實訓教學云系統主要面向學生、教師及系統管理人員。其中，學生屬于系統的主要參與者但相應的系統權限最低，僅可以對系統內的教學資源進行調取和應用，不能對教學資源進行增刪改查；教師具有一定的系統權限，可以通過系統管理參與實訓的學生，查詢學生學習情況，對學生的實訓情況進行評測；管理人員具有最高的系統權限，主要負責系統維護、資源審核、資源增刪改查，同時，也可以對教師、學生的日常操作進行規范化管理。

2 系統構建

2.1 系統框架

結合智能化視角下高職實訓階段虛擬化教學云系統構建的功能需求和用戶需求，本文構建了如圖1所示的虛擬化實訓教學云系統。

本系統以學生、教師、管理人員3個核心用戶為基礎，通過統一的身份認證、統一的資源調度、統一的標準等將3個主體融為一體［7］。其中，學生可以直接進入各虛擬化的實訓基地，參與不同崗位的虛擬化學習、實踐；教師主要負責實訓教學與管理，參與高職學生的教學、實訓、練習、考試和一部分教學資源管理等；系統管理人員主要負責系統的管理工作，包括系別管理、專業管理、班級管理等。

2.2 硬件結構

傳統的虛擬化教學平臺硬件設施主要包括Web應用服務器、數據庫、交換機等，存在硬件設施龐雜、布設成本較高等問題。本文在傳統平臺基礎上通過租用國內某云平臺的方式將應用服務器、數據庫服務器等進行虛擬化，搭建了如圖2所示的高職實訓階段虛擬化教學云系統硬件結構。

當系統工作時，由云平臺向中控主機發送虛擬實訓系統相關數據；中控主機將虛擬實訓內容傳輸至交互系統、燈光系統、音響系統［8-9］；學生通過交互系統完成實訓模擬、練習、測試后，數據會通過5G網絡傳輸至云平臺，云平臺再將數據反饋給中控主機；中控主機得到學生實訓相關實時信號后傳輸至融合機；融合機將數據信號進行分割傳送至教學所用的智能大屏，此時，教師和不參與虛擬實訓的學生可以通過智能大屏對該學生的操作進行觀看和評價。

2.3 核心功能

2.3.1 虛擬教學資源庫

虛擬教學資源庫既是虛擬實訓云系統的核心功能之一，又是系統實現資源統一調度的先決條件。本文構建的虛擬教學資源庫主要包括問題解答庫、CAI多媒體文件庫、流媒體庫等。這些資源庫通過系統的統一調度供給云系統，再由教師、學生等進行調閱。

2.3.2 數據可視化與統計

數據可視化與統計是指本文構建的虛擬化實訓云系統可以直觀地對學生的實訓情況進行統計和顯示，包括某一實訓基地的使用情況、參與實訓的學生數量、參與實訓項目的通過率等。通過這類數據可視化與統計，教師可以對其教學效果和學生的學習質量進行實時監控，從而及時對教學方法、教學內容等進行糾正。

2.3.3 虛擬基地拓展

虛擬化的實訓基地是系統為師生提供實訓場景的唯一途徑。鑒于目前我國大部分高職院校實訓虛擬化教學系統建設處于起步狀態，本文在搭建該系統時，為虛擬基地的拓展提供了較大的空間余量。實訓基地在通過專家評審后，可以通過改寫資源庫中的部分內容錄入新的虛擬基地，從而滿足不同專業師生的教學需求。

3 系統實現

3.1 實訓界面

不同實訓基地的實訓界面差異較大，如圖3所示是一種圍繞警察教育教學系統搭建的虛擬化實訓基地界面之一。

該實訓界面頂部顯示的是當前實訓時的主要類型，除圖3所示的場景漫游外，還包括實踐操作、經驗總結、實時測評等。其中，場景漫游主要是對虛擬實訓的各個場景進行瀏覽，不能進行任何實際操作；實踐操作環節則可以對該實訓基地進行模擬實踐，參與具體的實訓工作；經驗總結則可以對某一次或某一階段的實訓情況進行匯總，學生和教師可以對匯總情況進行總結；實時測評則是為學生打造當前實訓項目的測評場景，學生可以通過實時測評對自身的學習情況進行測試。

3.2 應用效果

反映系統應用效果的指標包括客觀指標與主觀指標。其中客觀指標包括系統的性能測試結果；主觀指標則主要指師生應用該系統參與實訓后對該系統的主觀性評價。

3.2.1 客觀測試效果

虛擬實訓教學云平臺的性能測試結果主要通過系統不同功能的響應時間、CPU占有率、內存占用情況等進行反饋，如表1所示。

查詢、錄入、修改、刪除是該云系統最基本的4項功能，幾乎所有的虛擬操作最終都需要歸類為這4項操作。從各功能的響應時間、CPU占有率、內存占用等指標來看，各功能的響應時間最高不超過800 ms，CPU占有率最高不超過20%，綜合內存占用在1.4 GBit以下，單項功能內存交換次數不超過0.15，磁盤讀寫綜合次數為1次左右，異常次數基本為0，表示各項功能工作情況較為理想，且由于云系統的存在，本地內存占用僅為1.4 GBit左右，可以滿足當前基本主流主機的搭建需求。

3.2.2 主觀測試結果

虛擬實訓教學云平臺的主觀性評價除師生滿意度調查結果外，還包括系統的實時訪問人數、實訓達標人數、實訓完成率等，如表2所示。

從主觀測試結果來看：系統某階段訪問人數總量為2743人，參與實訓人數為2547人，參與率約為92.9%，基本滿足學校非硬性規定下的實訓參與率；參與實訓人中達標人數為2034人，達標率約為79.9%，達標率一般，這可能是因為該次測試的參與學生均為第一次使用虛擬實訓軟件，學生的實際學習效果整體不甚理想；實訓完成率約為94.7%，表明學生的實際參與熱情較高；96.4%的學生對該系統表示滿意，表明學生對該系統的實際認可程度較高，相比于一般的學校和企業實訓而言，該系統更符合學生的實際需求。

4 結語

相比于學校、企業安排的實訓工作，虛擬化實訓教學系統具有成本低、資源豐富、反饋及時等優勢。本文搭建的高職實訓階段虛擬化教學云系統在傳統虛擬化教學的基礎上融入了云平臺，進一步降低了系統搭建成本并為系統提供了更高的可拓展性。系統性能對學校硬件設施的要求較低，師生對系統的主觀滿意度較高。經過主客觀測試后，本文認為該系統已經基本具備了實際應用的可能性。

參考文獻

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Design of virtual teaching cloud system in vocational training stage

from the perspective of intelligence

Abstract： The paper analyzes the problems of teaching in the current vocational training stage of our country， summarizes the design goals of virtual teaching cloud system in the vocational training stage from the perspective of intelligence， sets up a well-targeted virtual teaching cloud system， and tests the operation of the system. The results show that the system can carry out virtualization teaching well， and the response speed and functional integrity of the software are satisfactory.

Key words： artificial intelligence; higher vocational education; virtualization training; teaching cloud system