虚拟项目化实训系统的设计与实现

虚拟项目化实训系统的设计与实现杨　征，王　利，华　卫（泸州职业技术学院信息工程系，四川泸州　６４６００５）摘　要：利用现有的计算机网络实训室的硬件环境，构建了虚拟项目化实训系统。

项目化实训系统能够为基于工作过程的项目化实践教学提供实施环境与手段。

将虚拟化技术所提供的虚拟机和虚拟机快照功能用于创建项目化实训所需的虚拟工作场景，并将虚拟化技术和Ｗｅｂ技术相结合。

通过实践教学的检验，证明了虚拟项目化实训系统能够切实提高项目化实践教学的教学质量。

关键词：项目化实训；虚拟场景；实训系统；ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２‐４９５６（２０１４）８‐０１１０‐０４ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｉｚｅｄｐｒｏｊｅｃｔｉｚｅｄｔｒａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍＹａｎｇＺｈｅｎｇ，ＷａｎｇＬｉ，ＨｕａＷｅｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｕｚｈｏｕＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｌｕｚｈｏｕ６４６００５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｊｅｃｔｉｚｅｄｔｒａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔｂｙｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｅｘｉｓｔｉｎｇｃｏｍｐｕｔｅｒｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｉｎｉｎｇｒｏｏｍｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｍｅａｎｓｆｏｒｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｉｚｅｄｐｒａｃｔｉｃｅｔｅａｃｈｉｎｇｂａｓｅｏｎｔｈｅｗｏｒｋｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｍａｃｈｉｎｅｗｉｔｈｉｔｓｓｎａｐｓｈｏｔｆｅａｔｕｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｃｒｅａｔｅｖｉｒｔｕａｌｗｏｒｋｉｎｇｓｃｅｎａｒｉｏｓｎｅｅｄｅｄｂｙｐｒｏｊｅｃｔｉｚｅｄｔｒａｉｎｉｎｇ，ａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｓｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈＷｅｂｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｈａｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｐｒｏｊｅｃｔｉｚｅｄｐｒａｃｔｉｃａｌｔｅａｃｈｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｊｅｃｔｉｚｅｄｔｒａｉｎｉｎｇ；ｖｉｒｔｕａｌｓｃｅｎｅ；ｔｒａｉｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ收稿日期：２０１４‐０１‐０６基金项目：教育部专项课题（ＥＪＡ０７０２５４６１）；泸州市科技局计划资助项目（２００９‐Ｓ‐２１（５／７））作者简介：杨征（１９７９—），男，四川泸州，硕士，讲师，教研室主任，研究方向为虚拟化技术、云计算和计算机教育．Ｅ‐ｍａｉｌ：ｙｚ２００７１０１５２２＠１２６．ｃｏｍ 在高职教育教学改革中，基于工作过程的项目化教学法是目前教学改革研究与实践的一个热点；而实现真实工作情景在教学过程中的仿真再现，是项目化教学实施过程中的一个关键问题。

虚拟化信息技术为解决这个问题提供了一种新的手段。

采用虚拟化技术模拟和仿真企业生产岗位情景，培养学生的专业技能和职业素质，是提高学生综合能力的有效途径［１］。

利用虚拟化技术建立一个仿真真实工作过程的项目化实训系统，可以为项目化教学的开展提供一个教学平台。

１　虚拟项目化实训系统的研究背景１．１　建设基于生产环境的实训系统在学校中建立真实的生产系统作为实训平台，是基于工作过程的项目化教学最早采用的方法［２］。

这种实现方法的优点在于实训系统与真实的生产系统是一致的，生产场景可以真实地映射到实训工作流程中。

由于利用了现有的生产环境，无需另行搭建专门的实训环境，可以节省成本。

这种做法的缺陷在于：（１）生产环境下的实训系统是有生产任务的，因此，实训项目中的一些自主性或者有潜在破坏性结果的工作环节将无法实施；（２）在生产环境下的实训系统中进行实训情景的设计与实施是比较困难的，因为生产的运行状态会对实训情景的实现作出诸多限制；（３）学校内生产环境下的实训系统的容量有限，如果参加实训项目的学生人数过多，则每个人的平均训练时间会大幅度减少。

１．２　建设专用的项目化实训系统通过对真实工作过程的抽象与简化，可以在实验实训室环境中搭建项目化实训系统。

这样的实训系统通常是为某个真实工作岗位的工作流程而设计的，例如：企业资源计划（ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｒｅｓｏｕｒｃｅｐｌａｎ，ＥＲＰ）实训室、客户关系管理（ｃｕｓｔｏｍｅｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｍａｎａｇｅ‐ｍｅｎｔ，ＣＲＭ）实训室、服务器管理实训室等。

这种实现ＩＳＳＮ１００２－４９５６ＣＮ１１－２０３４／Ｔ 实　验　技　术　与　管　理ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ 第３１卷　第８期　２０１４年８月Ｖｏｌ．３１　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１４方法的优点在于能够提供足够多的实训工位，能够实现对岗位工作流程的模拟，能够让学生进行自主实训。

这种实现方法的缺陷在于：（１）针对不同的工种设置专业的项目化实训室，这些实训室的硬件系统构成是相似甚至相同的，存在重复建设和浪费；（２）实训系统的软硬件购置成本高，如果只能适应单一工种的项目实训，则其利用率低；（３）在这种实训系统中重现实际工作中的场景需要比较繁琐的配置，运行效率低。

１．３　虚拟化技术在实践教学中的应用与进展虚拟化技术能够在一个物理计算机平台上虚拟出一个或者多个虚拟的计算机系统，即虚拟机。

虚拟机具有很多物理计算机所不具备的特殊功能，如硬件无关、可复制、以文件方式保存、以快照方式保存状态等［３］。

虚拟化技术在实验实训领域的应用主要有以下几个方面。

（１）基于计算机硬件的实验实训环境设计，这些实训项目需要有硬件系统支持，且实训操作可能带有一定的破坏性［４］。

（２）基于复杂网络的虚拟化实训系统的应用。

虚拟机不仅能够提供虚拟的计算机系统，还能够提供虚拟机网络，可以在同一物理计算机系统上构建出多台虚拟计算机，构成虚拟网络系统，而且能够实现与真实网络相同的运行流程。

这一特性为实现网络技术实验实训提供了条件［５‐６］。

同时，虚拟机还可以同诸如ＧＮＳ３、ＥＮＳＰ等网络设备模拟器软件结合，在同一物理计算机平台上构建复杂网络实验环境［７‐８］。

（３）基于虚拟化技术构建网络安全实验环境。

通过虚拟机和虚拟网络能够实现网络攻防、入侵检测、主机加固等安全技术的实践训练［９］。

目前，虚拟化技术在计算机专业实验实训教学中应用得比较多，主要的应用是基于虚拟化技术的特性来搭建实验环境。

可以通过深入挖掘虚拟机技术的应用潜力，拓宽其可用的专业领域，加深应用的深度。

２　基于虚拟化技术的项目化实训系统设计２．１　虚拟项目化实训系统的构建基于工作过程的项目化课程开发包括３个步骤：（１）工作任务与职业能力分析；（２）项目化课程的设计；（３）教学情境的设计［１０］。

项目化实训系统是工作情境再现和课程实践实施的载体，是项目化课程开发中的一个重要部分。

项目化实训系统的设计应遵循以下原则：（１）能够实现或者模拟实现工作过程中的各个操作步骤；（２）能够实现工作场景的再现和工作状态、工作结果的保存；（３）能够提供多种使用方式以适应不同的教学模式。

虚拟项目化实训系统由物理硬件层、支撑软件层、虚拟场景层构成，其结构如图１所示。

物理硬件层：虚拟化实训系统的硬件平台可以采用传统的网络实训室的硬件平台，主要包括教学服务器、学生实训计算机和局域网络。

支撑软件层：服务器端的支撑软件由Ｗｅｂ服务器图１　虚拟项目化实训系统架构图１１１杨　征，等：虚拟项目化实训系统的设计与实现软件构成，将实训项目以Ｗｅｂ服务的方式发布在网络上，既可用于课堂实训的教学模式，也可以用于学生自主实训的教学模式。

学生端的支撑软件由虚拟机管理软件构成，通过在学生实训计算机上安装虚拟机管理器软件，创建实训系统的虚拟机模板和虚拟网络模版。

虚拟工作场景：虚拟工作场景是对实训工作流程中的工作场景的虚拟化实现。

学生能够在虚拟工作场景中完成与真实工作场景中相同或者相似的工作任务。

虚拟工作场景可以用虚拟机快照［１１］的方式保存在宿主计算机上，通过加载快照的方式实现场景的搭建和状态还原。

２．２　利用虚拟机快照实现项目情景的快速切换虚拟机快照技术能够在物理计算机上快速切换虚拟机系统的运行状态。

利用虚拟机快照的技术特性，可以将工作过程中某时刻的运行场景保存为虚拟机快照；多台虚拟机之间的快照相配合，可以构成整个工作流程的运行场景（见图２）。

利用虚拟机快照功能可以实现实训场景的快速部署和变换，满足不同实训项目的需要。

学生也可以利用虚拟机快照自行搭建不同实训场景，实现自主学习。

学生实训操作的结果也可用虚拟机快照的方式保存在宿主计算机中。

图２　使用快照映射工作场景２．３　虚拟项目化实训系统的运行流程基于工作过程的项目化实训工作流程包括：项目任务的分解、工作情景的建立、实训操作、操作结果的检验等。

在虚拟项目化实训系统中开展项目化实训的过程参见图３。

３　基于ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ实现虚拟化实训系统３．１　物理硬件层利用现有的计算机网络实训室的硬件环境作为虚拟化实训室的物理硬件平台，主要配置如下：（１）教学服务器１台：ＣＰＵ为ＸｅｏｎＸ５６６０，频率２．８ＧＨｚ；８ＧＢＤＤＲ３内存；４块容量为１９２ＧＢ的ＳＣＳＩ硬盘；４块１Ｇｂｉｔ／ｓ网卡；（２）学生实训计算机４０套：ＣＰＵ为ＩｎｔｅｌＣｏｒｅ２图３　实训系统的工作流程图犻３２３２４０；４犌犅内存；１块容量为５００ＧＢ的ＳＡＴＡ硬盘；１块１Ｇｂｉｔ／ｓ网卡；（３）内部局域网络１套：１００Ｍｂｉｔ／ｓ快速以太网。

３．２　支撑软件层在教学服务器上安装Ｗｅｂ服务器软件和数据库服务器软件，将实训项目制作成Ｗｅｂ应用程序发布到Ｗｅｂ服务器上。

利用ＡＪＡＸ等Ｗｅｂ开发技术，为Ｗｅｂ应用程序提供良好的交互功能，实现实训项目的发布、结果保存以及成绩评定等。

在学生实训计算机上安装ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ虚拟机管理软件，建立虚拟机管理控制台［１２］。

利用ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ在宿主计算机上创建虚拟机模板和虚拟网络模板。

利用这些虚拟机和虚拟网络的模板可以建立实训项目中所需要的虚拟硬件环境。

３．３　虚拟场景层每一个实训课程包含若干实训项目，每一个实训项目由若干个虚拟场景来组成，这样形成了一个实训场景的树形结构。

在用ＶＭｗａｒｅＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ创建的每一个虚拟机模板上，可以创建一个运行状态快照的树形结构，所有虚拟机的快照形成一个树林结构。

因此，每个实训项目的虚拟场景对应虚拟机模板中一个虚拟机的某个快照，形成一个映射关系。