智能化视角下高职实训阶段虚拟化教学云系统设计

摘要：文章对当前我国高职实训阶段教学问题进行分析，总结了智能化视角下高职实训阶段虚拟化教学云系统的设计目标，构建了一种针对性较强的虚拟化教学云系统，并对该系统的运行情况进行了测试。结果表明：该系统可以很好地进行虚拟化教学，软件的响应速度、功能完整性等均较为理想。

关键词：人工智能；高职教育；虚拟化实训；教学云系统

中图分类号：TP311中图分类号文献标志码：文献标志码A

0 引言

随着现代科技的不断发展，越来越多的智能化技术开始被应用于教育领域，人工智能、大数据、云计算等与教育教学工作结合的案例层出不穷。高职教育本身极为注重培养学生的实践能力，因此高职教育的实训教育在其整个教育体系中始终占据着极为关键的位置。然而，传统的高职实训大多以校内实训或企业实训为主，学生需要通过实际到岗的方式参与实训、实践［1-3］。一方面，这种实训方式对学校、企业的硬件设施要求较高，学生实训能力的上限通常会受到这类硬件设施的影响；另一方面，学校、企业硬件设施的转型升级始终为阶段性的，在融入新技术、新知识等方面存在先天不足。因此，本文尝试构建了一种针对高职教育的虚拟化实训教学云系统，旨在为高职实训教育教学转型升级提供帮助。

1 系统构建需求分析

1.1 高职实训阶段教学问题

本文认为目前我国高职实训阶段的教学工作主要存在3个方面问题。首先，实训中的技能培养与知识体系匹配度有限，受学校、企业等硬件条件的限制，学生有时往往只能参与岗位实践中的某一环节，无法充分实现多岗位、多技能的实训；其次，企业实训工作内容可能与教学无关，某些企业在参与高职学生实训工作时可能出于吸收廉价劳动力等目的，并不会给学生提供与其学习背景相关的工作岗位［4］；最后，实训教学工作对学校、企业硬件设施依赖性太强，缺乏足够的虚拟化工具，导致学生只能被动地接受学校和企业的安排，无法通过实训工作得到工作能力的提升。

1.2 虚拟化实训教学云系统构建需求

1.2.1 功能需求

虚拟化实训教学云系统构建的基本目标是打造数字化的实训教学平台，实现高职实训教育教学环节学生的在线化、虚拟化实训工作，摆脱一般实训教育对学校、企业硬件设施的需求，为学生提供更为多元化的实训教育教学知识、技能等。从功能角度来看，构建虚拟化实训教学云系统的需求主要包括：一是，系统需要具备基本的虚拟化实训教学功能，其可以用于高职学生的实践学习；二是，系统需要具备一定的资源库管理功能，学校可以通过资源库对系统中的教学内容进行增删改查，以满足不同学校、不同专业的实训教学需求；三是，系统需要具备一定的评测功能，其可以通过虚拟化的系统对学生的实训效果进行监督［5-6］。

1.2.2 用户需求

高职虚拟化实训教学云系统主要面向学生、教师及系统管理人员。其中，学生属于系统的主要参与者但相应的系统权限最低，仅可以对系统内的教学资源进行调取和应用，不能对教学资源进行增删改查；教师具有一定的系统权限，可以通过系统管理参与实训的学生，查询学生学习情况，对学生的实训情况进行评测；管理人员具有最高的系统权限，主要负责系统维护、资源审核、资源增删改查，同时，也可以对教师、学生的日常操作进行规范化管理。

2 系统构建

2.1 系统框架

结合智能化视角下高职实训阶段虚拟化教学云系统构建的功能需求和用户需求，本文构建了如图1所示的虚拟化实训教学云系统。

本系统以学生、教师、管理人员3个核心用户为基础，通过统一的身份认证、统一的资源调度、统一的标准等将3个主体融为一体［7］。其中，学生可以直接进入各虚拟化的实训基地，参与不同岗位的虚拟化学习、实践；教师主要负责实训教学与管理，参与高职学生的教学、实训、练习、考试和一部分教学资源管理等；系统管理人员主要负责系统的管理工作，包括系别管理、专业管理、班级管理等。

2.2 硬件结构

传统的虚拟化教学平台硬件设施主要包括Web应用服务器、数据库、交换机等，存在硬件设施庞杂、布设成本较高等问题。本文在传统平台基础上通过租用国内某云平台的方式将应用服务器、数据库服务器等进行虚拟化，搭建了如图2所示的高职实训阶段虚拟化教学云系统硬件结构。

当系统工作时，由云平台向中控主机发送虚拟实训系统相关数据；中控主机将虚拟实训内容传输至交互系统、灯光系统、音响系统［8-9］；学生通过交互系统完成实训模拟、练习、测试后，数据会通过5G网络传输至云平台，云平台再将数据反馈给中控主机；中控主机得到学生实训相关实时信号后传输至融合机；融合机将数据信号进行分割传送至教学所用的智能大屏，此时，教师和不参与虚拟实训的学生可以通过智能大屏对该学生的操作进行观看和评价。

2.3 核心功能

2.3.1 虚拟教学资源库

虚拟教学资源库既是虚拟实训云系统的核心功能之一，又是系统实现资源统一调度的先决条件。本文构建的虚拟教学资源库主要包括问题解答库、CAI多媒体文件库、流媒体库等。这些资源库通过系统的统一调度供给云系统，再由教师、学生等进行调阅。

2.3.2 数据可视化与统计

数据可视化与统计是指本文构建的虚拟化实训云系统可以直观地对学生的实训情况进行统计和显示，包括某一实训基地的使用情况、参与实训的学生数量、参与实训项目的通过率等。通过这类数据可视化与统计，教师可以对其教学效果和学生的学习质量进行实时监控，从而及时对教学方法、教学内容等进行纠正。

2.3.3 虚拟基地拓展

虚拟化的实训基地是系统为师生提供实训场景的唯一途径。鉴于目前我国大部分高职院校实训虚拟化教学系统建设处于起步状态，本文在搭建该系统时，为虚拟基地的拓展提供了较大的空间余量。实训基地在通过专家评审后，可以通过改写资源库中的部分内容录入新的虚拟基地，从而满足不同专业师生的教学需求。

3 系统实现

3.1 实训界面

不同实训基地的实训界面差异较大，如图3所示是一种围绕警察教育教学系统搭建的虚拟化实训基地界面之一。

该实训界面顶部显示的是当前实训时的主要类型，除图3所示的场景漫游外，还包括实践操作、经验总结、实时测评等。其中，场景漫游主要是对虚拟实训的各个场景进行浏览，不能进行任何实际操作；实践操作环节则可以对该实训基地进行模拟实践，参与具体的实训工作；经验总结则可以对某一次或某一阶段的实训情况进行汇总，学生和教师可以对汇总情况进行总结；实时测评则是为学生打造当前实训项目的测评场景，学生可以通过实时测评对自身的学习情况进行测试。

3.2 应用效果

反映系统应用效果的指标包括客观指标与主观指标。其中客观指标包括系统的性能测试结果；主观指标则主要指师生应用该系统参与实训后对该系统的主观性评价。

3.2.1 客观测试效果

虚拟实训教学云平台的性能测试结果主要通过系统不同功能的响应时间、CPU占有率、内存占用情况等进行反馈，如表1所示。

查询、录入、修改、删除是该云系统最基本的4项功能，几乎所有的虚拟操作最终都需要归类为这4项操作。从各功能的响应时间、CPU占有率、内存占用等指标来看，各功能的响应时间最高不超过800 ms，CPU占有率最高不超过20%，综合内存占用在1.4 GBit以下，单项功能内存交换次数不超过0.15，磁盘读写综合次数为1次左右，异常次数基本为0，表示各项功能工作情况较为理想，且由于云系统的存在，本地内存占用仅为1.4 GBit左右，可以满足当前基本主流主机的搭建需求。

3.2.2 主观测试结果

虚拟实训教学云平台的主观性评价除师生满意度调查结果外，还包括系统的实时访问人数、实训达标人数、实训完成率等，如表2所示。

从主观测试结果来看：系统某阶段访问人数总量为2743人，参与实训人数为2547人，参与率约为92.9%，基本满足学校非硬性规定下的实训参与率；参与实训人中达标人数为2034人，达标率约为79.9%，达标率一般，这可能是因为该次测试的参与学生均为第一次使用虚拟实训软件，学生的实际学习效果整体不甚理想；实训完成率约为94.7%，表明学生的实际参与热情较高；96.4%的学生对该系统表示满意，表明学生对该系统的实际认可程度较高，相比于一般的学校和企业实训而言，该系统更符合学生的实际需求。

4 结语

相比于学校、企业安排的实训工作，虚拟化实训教学系统具有成本低、资源丰富、反馈及时等优势。本文搭建的高职实训阶段虚拟化教学云系统在传统虚拟化教学的基础上融入了云平台，进一步降低了系统搭建成本并为系统提供了更高的可拓展性。系统性能对学校硬件设施的要求较低，师生对系统的主观满意度较高。经过主客观测试后，本文认为该系统已经基本具备了实际应用的可能性。

参考文献

［1］唐杰平，李高聪，李灿苹.虚拟现实在海洋沉积动力学课程教学中的应用探索［J］.产业与科技论坛，2024（3）：192-195.

［2］贾蕊.基于虚拟现实的在线教学环境设计［J］.电大理工，2024（1）：25-29.

［3］张金菊，孙士国，龚思颖，等.虚拟仿真实验教学一流课程持续改进［J］.实验室研究与探索，2024（1）：125-129.

［4］廉红霞，苏传友，张立阳，等.牛生产学虚拟仿真教学课程建设与应用研究［J］.高教学刊，2024（9）：119-122.

［5］谢晓雪，柳士彬.数智时代人类教师与虚拟教师融合的目标、场景与路径［J］.现代远程教育研究，2024（2）：45-51.

［6］熊益学，葛玉辉，张云峰，等.重庆市北碚区天府镇野外地质实习虚拟仿真教学平台的建设探索［J］.中国地质教育，2024（1）：106-110.

［7］李秀忠，彭一航，陈思涛，等.FactoryIO在PLC应用技术课程虚拟仿真教学中的应用［J］.中国设备工程，2024（5）：253-255.

［8］孙强.基于CiteSpace的高校虚拟仿真实验教学知识图谱分析［J］.牡丹江师范学院学报（自然科学版），2024（1）：50-56.

［9］刘敬涛.菏泽市域高校转型发展背景下AI赋能高校青年教师专业能力提升培训策略研究［J］.菏泽学院学报，2024（1）：62-65，88.

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