虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 征，王 利，華 衛(wèi)

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，四川 瀘州 646005)

在高職教育教學(xué)改革中，基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化教學(xué)法是目前教學(xué)改革研究與實(shí)踐的一個(gè)熱點(diǎn)；而實(shí)現(xiàn)真實(shí)工作情景在教學(xué)過(guò)程中的仿真再現(xiàn)，是項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。虛擬化信息技術(shù)為解決這個(gè)問(wèn)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(xué)生的專業(yè)技能和職業(yè)素質(zhì)，是提高學(xué)生綜合能力的有效途徑[1]。利用虛擬化技術(shù)建立一個(gè)仿真真實(shí)工作過(guò)程的項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以為項(xiàng)目化教學(xué)的開(kāi)展提供一個(gè)教學(xué)平臺(tái)。

1 虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究背景

1.1 建設(shè)基于生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

在學(xué)校中建立真實(shí)的生產(chǎn)系統(tǒng)作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，是基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化教學(xué)最早采用的方法[2]。這種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)與真實(shí)的生產(chǎn)系統(tǒng)是一致的，生產(chǎn)場(chǎng)景可以真實(shí)地映射到實(shí)訓(xùn)工作流程中。由于利用了現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境，無(wú)需另行搭建專門(mén)的實(shí)訓(xùn)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(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是有生產(chǎn)任務(wù)的，因此，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)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(wú)法實(shí)施；

(2) 在生產(chǎn)環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)情景的設(shè)計(jì)與實(shí)施是比較困難的，因?yàn)樯a(chǎn)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)對(duì)實(shí)訓(xùn)情景的實(shí)現(xiàn)作出諸多限制；

(3) 學(xué)校內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境下的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的容量有限，如果參加實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的學(xué)生人數(shù)過(guò)多，則每個(gè)人的平均訓(xùn)練時(shí)間會(huì)大幅度減少。

1.2 建設(shè)專用的項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)真實(shí)工作過(guò)程的抽象與簡(jiǎn)化，可以在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室環(huán)境中搭建項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。這樣的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通常是為某個(gè)真實(shí)工作崗位的工作流程而設(shè)計(jì)的，例如：企業(yè)資源計(jì)劃(enterprise resource plan，ERP)實(shí)訓(xùn)室、客戶關(guān)系管理(customer relationship management，CRM)實(shí)訓(xùn)室、服務(wù)器管理實(shí)訓(xùn)室等。這種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供足夠多的實(shí)訓(xùn)工位，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)崗位工作流程的模擬，能夠讓學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)訓(xùn)。這種實(shí)現(xiàn)方法的缺陷在于：

(1) 針對(duì)不同的工種設(shè)置專業(yè)的項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)室，這些實(shí)訓(xùn)室的硬件系統(tǒng)構(gòu)成是相似甚至相同的，存在重復(fù)建設(shè)和浪費(fèi)；

(2) 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的軟硬件購(gòu)置成本高，如果只能適應(yīng)單一工種的項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，則其利用率低；

(3) 在這種實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中重現(xiàn)實(shí)際工作中的場(chǎng)景需要比較繁瑣的配置，運(yùn)行效率低。

1.3 虛擬化技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用與進(jìn)展

虛擬化技術(shù)能夠在一個(gè)物理計(jì)算機(jī)平臺(tái)上虛擬出一個(gè)或者多個(gè)虛擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即虛擬機(jī)。虛擬機(jī)具有很多物理計(jì)算機(jī)所不具備的特殊功能，如硬件無(wú)關(guān)、可復(fù)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(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面。

(1) 基于計(jì)算機(jī)硬件的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境設(shè)計(jì)，這些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要有硬件系統(tǒng)支持，且實(shí)訓(xùn)操作可能帶有一定的破壞性[4]。

(2) 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的虛擬化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用。虛擬機(jī)不僅能夠提供虛擬的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，還能夠提供虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以在同一物理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上構(gòu)建出多臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，構(gòu)成虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)與真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相同的運(yùn)行流程。這一特性為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)提供了條件[5-6]。同時(shí)，虛擬機(jī)還可以同諸如GNS3、ENSP等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模擬器軟件結(jié)合，在同一物理計(jì)算機(jī)平臺(tái)上構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境[7-8]。

(3) 基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過(guò)虛擬機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻防、入侵檢測(cè)、主機(jī)加固等安全技術(shù)的實(shí)踐訓(xùn)練[9]。

目前，虛擬化技術(shù)在計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用得比較多，主要的應(yīng)用是基于虛擬化技術(shù)的特性來(lái)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境?？梢酝ㄟ^(guò)深入挖掘虛擬機(jī)技術(shù)的應(yīng)用潛力，拓寬其可用的專業(yè)領(lǐng)域，加深應(yīng)用的深度。

2 基于虛擬化技術(shù)的項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建

基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化課程開(kāi)發(fā)包括3個(gè)步驟：(1)工作任務(wù)與職業(yè)能力分析；(2)項(xiàng)目化課程的設(shè)計(jì)；(3)教學(xué)情境的設(shè)計(jì)[10]。項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是工作情境再現(xiàn)和課程實(shí)踐實(shí)施的載體，是項(xiàng)目化課程開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要部分。

項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)或者模擬實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程中的各個(gè)操作步驟；

(2) 能夠?qū)崿F(xiàn)工作場(chǎng)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(yīng)不同的教學(xué)模式。

虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)由物理硬件層、支撐軟件層、虛擬場(chǎng)景層構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物理硬件層：虛擬化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室的硬件平臺(tái)，主要包括教學(xué)服務(wù)器、學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)和局域網(wǎng)絡(luò)。

支撐軟件層：服務(wù)器端的支撐軟件由Web服務(wù)器軟件構(gòu)成，將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以Web服務(wù)的方式發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，既可用于課堂實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式，也可以用于學(xué)生自主實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式。學(xué)生端的支撐軟件由虛擬機(jī)管理軟件構(gòu)成，通過(guò)在學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上安裝虛擬機(jī)管理器軟件，創(chuàng)建實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的虛擬機(jī)模板和虛擬網(wǎng)絡(luò)模版。

圖1 虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)圖

虛擬工作場(chǎng)景：虛擬工作場(chǎng)景是對(duì)實(shí)訓(xùn)工作流程中的工作場(chǎng)景的虛擬化實(shí)現(xiàn)。學(xué)生能夠在虛擬工作場(chǎng)景中完成與真實(shí)工作場(chǎng)景中相同或者相似的工作任務(wù)。虛擬工作場(chǎng)景可以用虛擬機(jī)快照[11]的方式保存在宿主計(jì)算機(jī)上，通過(guò)加載快照的方式實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的搭建和狀態(tài)還原。

2.2 利用虛擬機(jī)快照實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目情景的快速切換

虛擬機(jī)快照技術(shù)能夠在物理計(jì)算機(jī)上快速切換虛擬機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。利用虛擬機(jī)快照的技術(shù)特性，可以將工作過(guò)程中某時(shí)刻的運(yùn)行場(chǎng)景保存為虛擬機(jī)快照；多臺(tái)虛擬機(jī)之間的快照相配合，可以構(gòu)成整個(gè)工作流程的運(yùn)行場(chǎng)景(見(jiàn)圖2)。利用虛擬機(jī)快照功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的快速部署和變換，滿足不同實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的需要。學(xué)生也可以利用虛擬機(jī)快照自行搭建不同實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作的結(jié)果也可用虛擬機(jī)快照的方式保存在宿主計(jì)算機(jī)中。

圖2 使用快照映射工作場(chǎng)景

2.3 虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的運(yùn)行流程

基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)工作流程包括：項(xiàng)目任務(wù)的分解、工作情景的建立、實(shí)訓(xùn)操作、操作結(jié)果的檢驗(yàn)等。在虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中開(kāi)展項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)的過(guò)程參見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的工作流程圖

3 基于VMware Workstation實(shí)現(xiàn)虛擬化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

3.1 物理硬件層

利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室的硬件環(huán)境作為虛擬化實(shí)訓(xùn)室的物理硬件平臺(tái)，主要配置如下：

(1) 教學(xué)服務(wù)器1臺(tái)：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(pán)；4塊1 Gbit/s網(wǎng)卡；

(2) 學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)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(pán)； 1塊1 Gbit/s網(wǎng)卡；

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

3.2 支撐軟件層

在教學(xué)服務(wù)器上安裝Web服務(wù)器軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器軟件，將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目制作成Web應(yīng)用程序發(fā)布到Web服務(wù)器上。利用AJAX等Web開(kāi)發(fā)技術(shù)，為Web應(yīng)用程序提供良好的交互功能，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的發(fā)布、結(jié)果保存以及成績(jī)?cè)u(píng)定等。

在學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上安裝VMware Workstation虛擬機(jī)管理軟件，建立虛擬機(jī)管理控制臺(tái)[12]。利用VMware Workstation在宿主計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建虛擬機(jī)模板和虛擬網(wǎng)絡(luò)模板。利用這些虛擬機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)的模板可以建立實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中所需要的虛擬硬件環(huán)境。

3.3 虛擬場(chǎng)景層

每一個(gè)實(shí)訓(xùn)課程包含若干實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，每一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目由若干個(gè)虛擬場(chǎng)景來(lái)組成，這樣形成了一個(gè)實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。在用VMware Workstation創(chuàng)建的每一個(gè)虛擬機(jī)模板上，可以創(chuàng)建一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)快照的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，所有虛擬機(jī)的快照形成一個(gè)樹(shù)林結(jié)構(gòu)。因此，每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的虛擬場(chǎng)景對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)模板中一個(gè)虛擬機(jī)的某個(gè)快照，形成一個(gè)映射關(guān)系。在實(shí)訓(xùn)操作的過(guò)程中，通過(guò)加載快照來(lái)建立整個(gè)項(xiàng)目的虛擬場(chǎng)景。

3.4 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的部署與更新

實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的部署分為服務(wù)器端部署和學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)部署兩部分。服務(wù)器端需要部署Web服務(wù)器軟件和發(fā)布教學(xué)Web應(yīng)用程序;學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)需要部署VMware Workstation軟件，并創(chuàng)建虛擬機(jī)模板和保存虛擬機(jī)快照。學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)的軟硬件配置是相同的，因此可以使用網(wǎng)絡(luò)化部署工具以克隆方式進(jìn)行批量部署[13]。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用模式

虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以3種不同的模式來(lái)使用，分別是教師主導(dǎo)實(shí)訓(xùn)模式、學(xué)生自主實(shí)訓(xùn)模式和實(shí)訓(xùn)考核模式。

(1) 教師主導(dǎo)實(shí)訓(xùn)模式。在教師主導(dǎo)實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式下，教師需要完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目計(jì)劃的制訂和實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)，并將實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的相關(guān)信息發(fā)布在教學(xué)服務(wù)器上，供學(xué)生下載和使用。實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景由指導(dǎo)教師創(chuàng)建并以虛擬機(jī)快照文件的方式保存在學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上。實(shí)訓(xùn)實(shí)施過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)都處于指導(dǎo)教師的控制之下，指導(dǎo)教師可以對(duì)學(xué)生實(shí)訓(xùn)的操作過(guò)程和操作結(jié)果進(jìn)行有效監(jiān)控和指導(dǎo)。

(2) 學(xué)生自主實(shí)訓(xùn)模式。學(xué)生可以利用在實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建的虛擬機(jī)模板、虛擬網(wǎng)絡(luò)模板、已有的虛擬工作場(chǎng)景快照，自主地按需搭建虛擬工作環(huán)境。在這種模式下，學(xué)生可以利用虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)施自主創(chuàng)新的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，鍛煉與培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力。

(3) 實(shí)訓(xùn)考核模式。在考核模式下，教師將完成考核項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與考核操作情景的制定。考核項(xiàng)目將以交互的方式發(fā)布在教學(xué)服務(wù)器上供學(xué)生下載與使用。考核場(chǎng)景將以虛擬機(jī)快照文件的方式部署到學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上。學(xué)生通過(guò)加載場(chǎng)景快照來(lái)搭建考核工作場(chǎng)景，并在此場(chǎng)景下完成實(shí)訓(xùn)考核所要求的操作?？己私Y(jié)果可以用電子文檔方式提交到教學(xué)服務(wù)器存檔和批閱，也可以將操作結(jié)果以快照的方式存儲(chǔ)在學(xué)生實(shí)訓(xùn)計(jì)算機(jī)上，以本地或者遠(yuǎn)程的方式進(jìn)行檢查。

5 虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用效果的評(píng)價(jià)

虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以應(yīng)用到與信息技術(shù)有關(guān)的不同專業(yè)的課程教學(xué)中。為了驗(yàn)證其教學(xué)使用效果，選擇了計(jì)算機(jī)專業(yè)的服務(wù)器管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、ERP系統(tǒng)應(yīng)用3門(mén)課程，使用虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)。通過(guò)3個(gè)學(xué)期教學(xué)實(shí)踐，對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了2方面的調(diào)查：

(1) 對(duì)學(xué)生進(jìn)行了虛擬項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果的問(wèn)卷調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖4所示；

圖4 學(xué)生問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果分析

(2) 對(duì)課程考核結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以服務(wù)器管理技術(shù)課程的8項(xiàng)典型工作場(chǎng)景技能考核結(jié)果為例進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 服務(wù)器管理技術(shù)課程的考核結(jié)果分析

結(jié)果表明，虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)有利于學(xué)生實(shí)踐技能的掌握，教學(xué)效果比過(guò)去有了明顯的改善。

6 總結(jié)與展望

利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，為高職院校涉及信息技術(shù)的課程實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)提供了一種新的教學(xué)工具和教學(xué)手段。虛擬項(xiàng)目化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠利用現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)室的硬件平臺(tái)來(lái)實(shí)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(shí)性強(qiáng)、內(nèi)容豐富、使用靈活、實(shí)驗(yàn)手段多樣的特點(diǎn)。教學(xué)實(shí)踐表明，虛擬化項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)能夠很好地滿足高職院校項(xiàng)目化教學(xué)的需求，教學(xué)效果良好。

[1] 王偉.基于虛擬技術(shù)的高職項(xiàng)目化課程實(shí)踐教學(xué)研究[J].計(jì)算機(jī)教育,2012,17(9):80-83.

[2] 丁金昌,童衛(wèi)軍.校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的探索[J].中國(guó)高教研究,2008(2):57-58.

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