基于CDL架构智慧实训实现方式探索与实践——以信息安全与管理专业为例

李爱生

（上海市行政管理学校，上海 201803）

1 研究背景

实训教学[1,4]是我国当代职业教育重要的组成部分，是培养学生职业技能的重要手段。2019年6月11日，教育部发布《关于职业院校专业人才培养方案制订与实施工作的指导意见》，提出了以下两点意见：（1）推进信息技术与教学有机融合。就是要全面提升教师信息技术应用能力，推动大数据[3]、人工智能[6]、虚拟现实等现代信息技术在教育教学中的广泛应用，加快建设智能化教学支持环境，建设能够满足多样化需求的课程资源，创新服务供给模式，服务学生终身学习。（2）改进学习过程管理与评价。就是要加大过程考核、健全多元化考核评价体系，完善学习过程监测、评价与反馈机制，强化实习、实训、毕业设计（论文）等实践性教学环节的全过程管理与考核评价。

可以看出，未来职业教学信息化发展重点已经发生变化，重在利用新一代信息技术提升信息化教学能力，解决实训教学中遇到的种种问题，围绕如何加强教学实训过程管控和实训数据采集，建立基于过程性的评价方式。这对现有实训教学提出了更高要求，现有实训手段已经无法满足，需要采用更先进的信息化手段，建立智慧实训方式。

2 目前职业教育信息技术类专业实训教学存在的问题分析

为解决现阶段职业教育实训教学中客观存在的一些问题，2019年开始笔者以学校信息安全与管理专业中高职贯通高水平专业建设为契机，把实训教学质量提升作为中高职贯通高水平专业建设的重要内容，对实训教学问题进行了深入的研究，归纳总结如下：

第一是实训资源问题。随着近几年大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术在市场得到大规模的应用，这方面的人才显得格外急缺。由于学校的课程体系相对滞后，实训课程还是基于原有技术开发的，内容老旧，无法满足培养新技术人才的要求。即使学校购置了先进的实训设备，能够满足新技术的实训功能要求，但缺乏与实训设备配套的教学课程，导致在教学中，理论无法与实践相结合。

第二是实训过程问题。在实训中，因实训环境操作复杂，学生往往无法对设备进行有序地操作，会遇到各种难题。由于老师精力有限，不能做到对每个学生进行有效的指导，一旦学生遇到问题得不到解决，操作就无法继续下去，也无法将遇到的问题记录下来，请老师及时给予反馈，会导致整个实训教学效率低下，这就是我们常说的“进不去、看不见、动不了、难再现”的问题。

第三是实训评价问题。现阶段全国职业教育正在积极考虑开展过程性评价的改革，但是还没有更加科学的手段支撑。要彻底改变过去以期中、期末成绩作为学生最终课程考核成绩这种对于技能型人才培养不科学、不客观的评价方式，过程性评价方式急需纳入到职业教育学生技能考核体系中，基于全过程学习的记录与分析，建立日常实训效能评估手段，建立实训过程数据记录环境和理实一体化考核环境。

第四是实训管理问题。目前大多数职业学校都为需要实训的课程配备了相关的实训教学软硬件，因每门课程的情况不同，购买的软硬件所采用的工作环境、体系结构、编程语言、开发方法等也各不相同。各专业的实验教学建设大都自成体系，形成了“信息孤岛”，最终导致实训软件缺乏统一管理、系统操作模式不统一、无法支持相应课程实训的扩展、不同软件不能运行在同一服务器上、实训数据无法共享等问题。

3 智慧实训实现途径

智慧实训[1]是对实训过程全程监控，对实训操作智能指导，对实训效能[2]科学评估，对实训教学及时反馈，从而建立过程性评价方式，最终建立岗位能力模型，能有效指导学生就业的一种智能化实训方式。

智慧实训依托三种途径，分三个层面来实现，云基础数据中心为智能化软件系统运行提供环境，智能化软件系统为科学化课程体系提供呈现方式。如图1所示。

图1 智慧实训实现途径

首先建立科学化课程体系。实现智慧实训首先要考虑建立合理的数据结构，这里的数据结构指实训任务的效能值，合理的实训结构能有效反映技能达标情况。合理的数据结构来源于合理的实训课程内容，因此实现智慧实训首要任务就是建立科学化的课程体系，这是实现智慧实训的途径之一。而科学化的课程体系需要以企业岗位能力为导向，参照国家课程标准、企业岗位标准和行业认证标准建立。

其次建立智能化软件系统。具备了合理的数据结构，或者说有了科学的课程体系之后，就是要对学生的实训进行过程化监控、指导、评估，对实训数据进行采集。这需要依托智能化软件系统，通过人工智能技术与实训教学相结合，运用AI技术实现智能化管控实训过程，实现教学全过程智能化监控与指导。过程管控是智慧实训的核心，需要依靠专门的AI引擎完成，AI引擎为学生实训提供操作识别、帮助提示、自动评分等智能支持，从而量化学生实训结果。

建立技能能力评价体系是智慧实训的核心意义之一。数据采集是服务于过程性评价体系建立的，建立评价体系首先需要数据，然后依据采集到的数据建立岗位能力模型，利用大数据分析技术，匹配企业岗位能力模型，对学生的实训数据进行建模。这必须依托智能化软件系统完成。

最后建立云基础数据中心。课程资源运行、软件系统支撑、数据存储等都需要计算和存储资源，传统的孤岛式计算和存储方式会导致教学效率低下、数据存储隔离，利用虚拟化技术构建云数据中心，为课程资源存储及运行、实训大数据存储和分析、智能化软件运行提供高效、安全、可靠的硬件环境，是实现智慧实训的基本保障。

4 CDL智慧实训架构设计

结合以上对智慧实训实现方式[5]的探讨，我们把智慧实训实现的主要任务分为三种，一是构建科学化课程体系，二是构建智能化软件系统，三是部署云基础数据中心。基于智慧实训的需求，我们在实践探索中总结提炼出一种新型智慧实训创新架构，课程定义实训室（Course Defined Laboratory，简称CDL）。该架构分为三层：应用层、控制层、设施层，下层为上层提供服务，如图2所示。CDL智慧实训创新架构功能实现如表1所示。

图2 CDL智慧实训创新架构

表1 CDL智慧实训创新架构功能实现

智慧实训需要用一种载体呈现在教学中，实训室是最为直接和有效的方式。基于CDL 智慧实训创新架构建设的CDL 智慧实训平台总体架构分为三层：云数据中心层、统一平台层、课程资源层，下层为上层提供服务，具体如图3所示。

图3 CDL智慧实训平台总体架构

云数据中心层对应CDL架构的设施层，位于整个架构的最底层，由硬件资源、虚拟资源组成。硬件资源包括承载虚拟资源池的资源服务器、网络设备及调试控制器。

统一平台层对应CDL架构的控制层，为整个实训平台提供管理、控制、决策、内容发布等功能。在这一层，AI引擎主要实现对学生实训进行智能化指导和分析功能，火狐引擎实现对实训环境镜像的加载、虚拟机的管理及提供相关程序接口功能。同时在这一层，实现对教师、学生、管理员三个角色定义及功能分配。发布中心主要实现课程发布、更新、系统升级和许可激活等功能。

课程资源层对应CDL 架构的应用层，为在CDL 架构上构建信息技术类课程资源，如计算机网络、信息安全、软件开发、大数据、云计算等方面的课程资源。

5 CDL智慧实训实践案例分析

在中高职贯通高水平专业建设期间，为了提升信息安全与管理专业实训教学质量，在现有网络安全实训室基础上，开发了CDL智慧实训系统平台，作为实训课程资源中心、一体化考试中心、竞技训练中心、考证指导中心及网络设备管理中心。以岗位能力为导向，对课程体系进行重构，开发了包含网络安全、系统服务安全、web应用安全、安全攻防等方面的多门信息安全相关实训课程资源。通过CDL智慧实训系统平台可实现根据实训课程内容无感知地调用实训室网络机架中的任意一台或多台设备。云计算资源池可存储课程的镜像环境，为所有课程的运行提供硬件资源。我校中高职贯通信息安全与管理专业CDL智慧实训系统平台具体部署如图4所示。

图4 CDL智慧实训实践部署

我校CDL智慧实训系统平台的硬件设备集中部署在中心机房中，所有实训设备机架及智慧实训系统平台都与核心交换机相连接。CDL智慧实训系统平台是智慧实训的核心，提供教学资源C/S 和B/S 两种模式的接口，学生和教师可以通过客户端或远程方式登录到智慧实训系统平台进行学习，也可通过智慧实训系统平台实现指定机架的远程接入，从而使用机架中的设备进行实训。

智慧实训系统平台通过调试控制器可对传统网络机架设备及服务器资源进行智能化管控和调度。学生登录平台后，可对机架上的任意一台设备进行控制。同时平台可通过内置的火狐引擎，对挂载服务器中的虚拟化资源进行灵活分配和回收。

在智慧实训系统平台装载了相应实训课程的软件包后，学生进入该课程的任务引领式实训模式，开始任意实训任务的练习，平台通过数据接口读取课程实训软件包中获取的学生实训过程数据，根据学生在任务练习中的操作细节，结合一定的加权数学模型，得出该学生在本次任务实训中的任务完成度及综合值。

在智慧实训系统平台装载了相应实训课程的软件包后，学生进入该课程的项目式教学实训模式，开始任意实训项目案例的练习。平台通过数据接口读取课程实训软件包中获取的学生项目实训数据，结合一定的数学模型，科学、准确、客观地评价该学生每个综合项目的实训能力水平。

教师通过智慧实训系统平台可及时掌握每位学生的实训动态，学生是否在积极地练习、是否按时完成实训内容、过程是否顺利、完成的质量等都能够准确地掌握，可以此为依据对学生进行有针对性的监督和考核，督促学生不断提升自己的技能水平。

教师通过智慧实训系统平台可查看学生对某一实训任务的整体完成情况，对学生普遍掌握较差的实训任务，教师可着重进行讲解，有针对性地改进教学内容及侧重点，提高教学质量。

通过智慧实训系统平台，对学生实训轨迹的全程记录和跟踪，对学生学习过程中的数据进行采集并存于系统数据库中，首先通过对采集到的数据进行描述性分析，将学生的完成进度、完成情况、基础得分等信息以可视化的形式展现给管理员和教师。再利用人工智能模型，对学生的历史情况加以分析，梳理学生的学习情况、学习态度等信息，再次以可视化的形式展现给管理员和教师。利用大数据分析学生的历史数据，分析学生当前项目的完成情况、学习态度等信息，将学生在实训过程中的每一个操作细节都纳入到技能评价的考量范畴，使得对学生实训能力和水平的评价更为科学、准确、客观。

把收集到的学生学习过程、学习成果的数据进行人工智能建模，匹配已知的岗位能力模型，对学生进行整体能力的评估，再以可视化的形式将学生的个人岗位能力特点展现给管理员和教师，生成对应的岗位能力分析报告，既可用作教学内部的分析探讨，也可用作学生未来就业的岗位能力鉴定书，如图5、图6所示。

图5 可视化岗位技能能力模型

图6 学生岗位指导鉴定书

本专业CDL智慧实训系统平台可满足多种信息技术类课程教学场景，除了满足日常课程实训教学外，教师可对学生进行理实一体化考试，所有课程实训结束后，教师可安排学生考取对应的职业资格认证，学生通过考证指导实训功能进行专项模拟考试和逐项练习。对于参加技能竞赛的学生，可以进行针对性的训练，智慧实训系统提供正确答案和自动评分功能，可提升竞技训练效率。学校可以把智慧实训系统部署为公有云，为本校的师生提供专有的云端服务，学生可以在任何网络触及的地方进行远程在线云端实训。

6 结语

CDL 智慧实训系统平台建设是本专业对智慧实训实现方式的探索及践行，在很大程度上解决了目前实训教学工作中遇到的一些难题，为本专业实训教学找到了过程指导与评估实现方式，帮助我校打造以现有实训室环境为载体、以学生为主体、以大数据为支撑的科学化一体化教学体系，多维度、多方面对实训效能进行科学化评价，为我校信息安全与管理专业中高职贯通高水平专业建设的教学资源建设及教学改革起到了重要的作用，把本专业的实训教学提升到了一个更高的水平。