虚拟化技术在高职院校实践教学中的应用分析

付天驰

辽宁工程职业学院，辽宁 铁岭 112008

随着我国对技术型人才的需求日益高涨以及对技术型人才资源培养的重视，高职院校学生数量逐年递增，这就使在有限的教学资源下，学生个人教学资源面临缺失，其中实践教学资源匮乏问题最为突出。实践教学的开展需要充足的设备、地点、空间、人力等资源共同支持，任一方面的缺失都会使实践教学成效大打折扣，而实践教学又是高职教学必不可少的重要环节，为此解决实践教学资源不足的问题迫在眉睫。随着现代化科学技术迅猛发展，为高职院校实践教学找到了一个新的方向，即高职院校可以尝试将现代化技术融入到教学中，其中虚拟化技术就可以完美地与实践教学相适应，从而有效解决实践教学资源缺失问题，进而可为学生开展高效的实践教学，进一步提高实践教学整体成效，保证学生拥有较高的综合素养，能够拥有较强的动手实操能力，更好地适应岗位需求，为社会发展贡献力量。基于此，本文主要针对虚拟化技术在高职院校实践教学中的应用进行探究，分析其实践教学的意义及传统实践教学特点，总结高职院校实践教学过程中的虚拟化技术具体应用经验。

一、虚拟化技术

（一）虚拟化与云计算

在职业院校部署云计算平台，对终端设备要求相对较低，在我国职业院校的信息化建设中也备受重视，得到了大规模的应用。利用分布式的技术可以实现集中式计算。对于云平台来说，云计算采取的是一种分布式的整合计算方式；对于云平台的用户，是一种软件服务、硬件资源和网络资源集合。这种资源的整合可以为云平台的用户提供便捷、安全的数据库，使用户通过互联网获得具有弹性、易扩展的资源和服务。

虚拟化是云计算平台的核心特征，是一种基于逻辑层面上的对物理资源进行调配的技术，是对于服务器、存储资源、网络连接、OS等实体在逻辑层面进行的抽象。简单来说，就是在一台独立的物理服务器上通过对软硬件资源进行整合、调配，创建多个彼此隔离的虚拟机，云平台可以通过虚拟机管理器管理虚拟节点，通过调度算法调整虚拟节点的任务负载或虚拟机迁移。虚拟节点间是相对独立的，可以运行不同版本的系统，极大地提高服务器资源的利用率，避免了硬件资源的浪费。

（二）服务器虚拟化

服务器的虚拟化主要是指用户在一台物理服务器中根据用户需求通过虚拟机管理器底层硬件资源逻辑抽象、调度，同时创建多台彼此隔离的虚拟机。这些虚拟机都是可以相对独立地运行不同操作平台，用户根据自身需求运用虚拟机管理平台对其进行资源调度与管理。虚拟化技术的核心理念是将硬件资源通过逻辑抽象后通过虚拟机管理器再分配，被多个虚拟机复用，并将虚拟化的虚拟硬件提供上层软件调用。服务器虚拟化的逻辑架构如图1所示。

图1 服务器虚拟化的逻辑架构

二、高职院校实践教学的意义

三、传统实践教学特点分析

传统实践教学主要是借助实体实验室、实验设备等资源开展的实践教学活动。目前部分高职院校采用的皆是传统实践教学模式，该教学模式具有显著的优势，但随着教育发展，劣势也越来越突出，具体表现在以下几个方面。

（一）实践教学中心整体成本投入巨大

首先，实践教学中心建设需要一定面积的场地，并要为其进行施工建设，在此期间需要投入一定成本。其次，在实践教学中心建设完毕后需要做好消防以及安全设施建设，为实践教学做好安全保证，为此也需要投入一定成本。再次，实践教学中心需要引进一大批教学设备，部分教学设备精密度较高，因此价格十分昂贵，这就导致在此环节需要支出一大笔资金。最后，实践教学中心设备需要定期养护以及革新，以此满足不同时期实践教学需求，为此又是一大笔支出。除上述成本投入外，基于实践教学中心的特殊性，高职院校在实践场地方面的成本投入还呈现着持续性特点，也就是学校需要不间断地支出成本用于实践场地维护。由此可见，实践场地的整体成本投入是巨大的[2]。

（二）实践内容无法锻炼学生的创新能力

传统实践教学采用的是固化教学模式，要求学生按部就班地跟随教学内容完成验证性试验，来认证已知的知识。这对学生的创新能力具有一定桎梏性，不利于学生创新性思维发展。

（三）实践教学无法满足学生需求

大部分验证性的实践教学需要在实践室（实验室或实践教学基地，下同）完成，而随着学生人数的增加，教学资源不足问题开始暴露出来，导致学校为了保证每一个年级、每一个班级均能开展实践教学，需要重新规划实践室使用时间。但无论怎样规划，轮到每一个班级上的实践教学时间都是较少的，整体实践教学学时无法满足学生需求，学生的动手实践能力无法得到有效提升。根据相关调查的数据显示，大部分应用传统实践教学方法的高职院校其实践教学学时比例低于30%，甚至部分专业的学时占比低于10%[3]。

（四）无法有效开展因材施教

高职院校学生可分为三个类型：一是普通高校落榜学生，二是学习能力薄弱学生，三是想从事技术岗位的学生。不同学生之间的学习能力差异较大，因此在实际实践教学中如若采取“一刀切”教学方法，将会导致学生个性化需求无法得到满足。而传统实践教学就是采取的“一刀切”教学方法，因此导致因材施教教学理念不能得到有效落实，实践教学整体成效低下。

四、高职实践教学服务现状分析

（一）实践教学需求

实践课程教学体系是我国高等职业院校的课程系统中的重要组成部分，课堂讲授让学生掌握理论知识，而实践教学的目的是通过实际操作将学到的知识付诸实践，是课堂教学的延伸和补充[4]。在我国职业教育改革发展的时代背景下，各类职业院校招生规模日益扩大，但是高职院校对于教学资金的投入却未能获得相应的提升，这就直接导致了实践教学的环境并不健全，实践性教学设备也存在较大的缺陷和不足，不能有效支撑实践教学活动的开展。

（二）实践教学中心管理模式

分散式的管理相对来说资源比较分散，各方面不统一，难以形成一个整合好的学习空间与资源[5]。各系部对自己的专业实践室进行管理均有自己的一套工作流程与技术要求，其中包括了实践室的条例、耗材管理制度、实验室日常维护与使用制度等，难以做到在院校内部进行系统化统一管理。所采用的各种软件在不同时期对于电脑硬件性能提出了不同的要求。大型软件若被直接安装到硬件性能较差的电脑中，其运行、执行和操作等整个过程均比较缓慢，将严重降低实践课堂的教学质量。小型软件的运行对计算机的硬件性能的要求降低，较低的配置计算机就可以运行，但是若使用更加高端的计算机来运行，则会导致资源浪费。

（三）实践教学中心教学模式

目前，我国高等职业教育进入高质高速发展阶段，大力培养技术技能型人才是职业教育的使命所在。各职业院校与研究机构不断地在职业教育相关课题研究中投入大量资源，使我国的职业教育进入了快速发展期。当前，职业院校实践教学模式大体上可以划分成以下三个类型：一是校内实习（践）。实践活动的地点主要是集中在学校内，以实践中心或者校办厂为基础，组织全体学生进行专业化的实践，以课程教学性的实践活动为主，社会生产性的实践活动为辅。二是企业实践。实践活动场所主要集中于职业院校的合作企业。企业在自己的生产车间里设置有专门的实习活动场地、实践装置，或者学生随岗实习，在不严重影响企业正常生产经营的条件下进行实践，以社会化生产方式为主，教学实践方式为辅。三是校企混合实践。实践地点分别位于学校和企业，结合校内的实践及企业特点，合理地配置课程和实践教学资源，发挥好这两者的所长，在有效开展课程和教学实践活动的同时，又能够兼顾企业的经营。

在我国职业教育体系中，实践课程是培养学生职业技能的重要环节。随着高职院校不断扩招，许多传统实践课程教学中的问题也逐渐显露。主要的问题就是实践教学场地与设备的短缺，造成实践课程无法达到预期效果。在进行实践教学时，教师只能将学生分成几个小组，以小组的形式依次完成一个实践课程的任务[6]。小组的形式虽然可以在一定程度上来培养和提高学生的合作和团队交流协作的能力，但却并没有做到保证每个学生都可以获得动手操作的机会，更不用说教师会把多余的精力和时间都留给每个学生自己进行一种独立的探究、创新。

经过调查研究，我们发现，人类健康长寿除了基因、生活习惯等因素外，其生活环境中的土壤质量亦同样重要——土壤中存在着健康长寿的密码。我们知道，土壤圈是地球表层系统的重要组成部分，处于大气圈、水圈、生物圈与岩石圈的交界面，是最活跃、最富有生命力的圈层。土壤质量不仅影响水质，而且直接影响食品安全，进而影响人类的生命健康。研究结果显示，含有某些微量元素的土壤对于人类的健康长寿起着重要的作用，如元素锌、硒、锗、锶。

五、虚拟化在实践教学环境中的优势

基于云平台的虚拟化技术的应用可有效降低实践教学中心与实践科目建设的资金投入，提升实践教学中心的建设质量，优化服务器运维管理。虚拟化技术的广泛应用可有效地降低实践教学过程中的硬件资源投入，充分运用虚拟化技术创设实践环境，可对硬件资源进行共享与复用。对于复杂的实践科目，可以通过虚拟机管理软件对硬件资源进行调度与管理，来实现复杂实践项目平台的搭建。虚拟化技术的应用提高了实践教学中的管理效率，延伸实践教学的时间与空间。通过虚拟技术构建的实验设备有着更好的安全性，减轻了实验管理人员维护设备的工作量和压力。通过“虚拟技术+互联网”模式，搭建的虚拟远程实验室可以延伸学生参与实践教学的时间与空间限制[7]。

现代计算机虚拟化技术的出现为职业院校实践教学工作提供了一种有效的方法和手段。在虚拟节点上所需要完成的实验效果与真实计算机上所需要完成的教学效果相当，完全适应了教学的要求。在这样的虚拟环境下，学生可以安全、放心地参与到各类实验性的操作中，不用担忧对于主机系统的损害，可以大大增加学生自己实习动手的机会，加强了学生的实践能力。基于现代化虚拟机技术的实践教学环境的开发与建设，在一定程度上不但可以有效缓解当前虚拟实验教学设备数量不足的问题，也很大程度上改善了实践教学设备的信息安全性，提高了资源利用率，降低了实践教学中心的运维管理难度。

六、虚拟化技术在高职实践课程中的应用

实践室在传统实践教学中是必不可少的教学环境，对于虚拟化实践教学而言其重要性也是不容小觑的。但相较于传统实践教学中需要耗费较大成本进行实践室建设而言，虚拟化实践教学的成本相对较低。且随着高职院校信息化建设的普及，虚拟化技术为高职院校的实践教学中心建设提供了更好的解决方案，能够有效弥补传统实践教学带来的不足。具体表现为以下方面。

（一）有效节省了实践教学经费

在传统实践教学模式下，需要耗费大量经费用于购买实训设备，以及养护、修理，一旦在实验中学生因操作不当造成设备损坏，学校还需及时引进新的设备。这对于经济发达地区的高职院校而言也许是可行的，但对于欠发达地区的高职院校而言，其本身教学经费较为缺失，无法负担大量实践教学设备的巨大投入，甚至还会因实践教学经费不断增加而直接影响学校正常运转。而如若在实践教学中应用虚拟化技术，从而实施虚拟化实践教学则可以有效改善这一现状。将服务器资源与实验平台进行整合，构建云平台，学生可以通过低成本终端运行云桌面完成实践课程。这样既保证了学生实践课程的完整性，满足了学生的实践学习需求，提高了实操能力，还能够有效节省新设备的购置成本，促进高职院校保持良好的稳定发展趋势[8]。

（二）有效克服了时间与空间上的桎梏

虚拟化技术在高职实践教学中的应用，主要依靠的是网络技术。只要有网络就可以随时随地开展实验，因此直接打破了传统实践教学在时间与空间上的约束。与此同时，虚拟技术与实践教学的有效结合还可以有效锻炼学生的创造性思维，培养学生逻辑思维[9]。虚拟化实践教学相较于传统实践教学时的固化实验教学而言，可以在满足学生完成教材验证性实验的同时，还可以支持学生开展一系列设计性实验，促使学生通过设计性实验设计与实施有效锻炼与拓展自身能力。此外，传统式实践教学中学生可操作的实验资源是有限的，一旦操作失误就没有更多的资源来开展重复实验，而虚拟化技术在实践教学中的应用则可以让学生不断重复开展实验，甚至还可以开展战前预演[10]。

（三）有效促进学生自主创新思维培养

验证性实验是传统实践教学的主要方式，因此对学生的创新性思维培养较为不足，而创新性思维是高职学生的必备素养。虚拟化教学实践能够引导学生完成综合性实验，不再受验证性实验约束，从而促使学生能够在更广泛的知识领域进行探索。

（四）有效优化了功能模块设计

本文基于虚拟化技术搭建云实践教学平台，使用KVM虚拟化技术（基于内核的虚拟机）+Docker+OpenStack构建私有云平台，使用SPICE服务（基于KVM虚拟机的开源虚拟化桌面传输协议）实现桌面虚拟化。虚拟化架构如图2所示。

图2 KVM虚拟化架构

在虚拟化云平台的支持下，对传统实践教学实践软件平台进行整合优化。通过云平台进行集中管理运维，用户可以使用云桌面访问实践教学平台。本文所述实践教学平台功能模块设计如下：

功能模块设计整体结构主要分为三级：一级模块为移动学习网站；二级模块为网站管理、理论知识、试验学习、在线测试、学习笔记；三级模块则为用户登录、用户注册（网站管理模块）、知识学习、标记知识点（理论知识模块）、知识学习、标记实验（实验学习模块）、在线做题、试题管理（在线测试模块）、我的重点、我的难点、未完成、我的题库、交流站（学习笔记模块）。

理论知识模块具体操作流程与涵盖的内容为：用户登录→是否登录→理论知识模块→选择知识点→知识点学习（文本、课件、视频）或知识点标记（重点、难点、未完成）。

实验学习模块具体操作流程与涵盖的内容为：用户登录→是否登录→实验学习模块→选择实验→实验知识点学习（文本、课件、视频）或实验知识点标记（重点、难点、未完成）。

在线测试模块具体操作流程与涵盖的内容为：用户登录→是否登录→在线测试模块→选择测试题→上一题（下一题）→（是）试题内容或（否）挑战到上一题（下一题）→查看答案→显示答案。

学习笔记模块具体操作流程与涵盖的内容为：用户登录→是否登录→学习笔记模块→我的重点、我的难点、未完成、我的题库、交流站。

我的重点模块具体操作流程与涵盖的内容为：是否登录→我的重点列表→知识点学习。在交流贴模块下设有发帖、我的帖子、全部帖子→查看帖子→回复帖子。

综上所述，运用虚拟化等技术搭建实践教学平台在高职实践课程教学研究中具有重要意义，能够突出学生主体地位，提升学生自主学习能力是高职院校开展实践教学的意义所在。传统实践教学具有实践室整体成本投入巨大、实践内容无法锻练学生的创新能力、实践教学无法满足学生需求、无法有效执行因材施教等缺点。在实践教学中心建设中运用服务器虚拟化、桌面虚拟化、云存储等技术，能够有效节省教学经费，克服时间与空间上限制，促进学生创新意识培养，并优化功能模块设计。