Hệ thống phòng thực hành ảo vLab
Trong bối cảnh xu hướng của giáo dục 4.0, hình thức học thực hành truyền thống hiện nay ở hầu hết các trường đại học, các cơ sở đào tạo lại tồn tại những vấn đề. Hơn thế nữa, từ năm 2020 chứng kiến sự bùng nổ của đại dịch Covid-19 trên toàn thế giới, các chính sách giãn cách xã hội dẫn đến các lớp học được chuyển sang triển khai dưới hình thức học online. Điều này khiến cho thực hành truyền thống càng khó khăn và bất cập, đưa đến nhu cầu cấp thiết cần có các hệ thống hỗ trợ thực hành trực tuyến. Các hệ thống thực hành trực tuyến hay thực hảnh ảo cần cho phép người học có thể trải nghiệm và rèn luyện kỹ năng như trên thiết bị vật lý mà không gặp phải sự khó khăn nào.
Các giải pháp hệ thống phòng thực hành, môi trường giảng dạy có thể được xây dựng trên nền tảng ảo hóa, điện toán đám mây. Khi đó, các tổ chức giáo dục sẽ nhận được lợi ích rất lớn trong vấn đề tổng hợp thông tin học tập, các gợi ý hữu ích cho người học và người dạy. Nhờ ứng dụng các công nghệ điện toán đám mây, AI, Big Data và IoT, giáo viên có thể thu thập dữ liệu, phân tích và đánh giá chính xác về người học; theo dõi quá trình học tập tại nhà, kiểm tra mức độ hoàn thành bài tập và thông báo kết quả học tập tới sinh viên cũng như gia đình. Thậm chí, công nghệ tự động hóa có thể thay thế giáo viên ở một số khâu như điểm danh, chấm bài, soạn bài và hỗ trợ dạy lý thuyết. Điều này tạo điều kiện cho người học tiếp cận giáo trình chuẩn hóa theo từng cá nhân trong đánh giá năng lực mà không gặp phải hạn chế về thời gian và không gian học tập, đào tạo.
Nhìn chung, mục tiêu hướng đến của một hệ thống phòng thí nghiệm, thực hành ảo hỗ trợ việc đào tạo, giảng dạy có thể được tóm tắt như sau:
Cung cấp khả năng truy cập từ xa: giúp học viên có thể chủ động sắp xếp thời gian học và có thể truy cập môi trường thực hành từ bất kỳ đâu.
Tùy chỉnh kịch bản thực hành: nội dung thực hành có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu của môn học hoặc của người dùng.
Quản lý, đánh giá lớp học: hỗ trợ tổ chức lớp thực hành với nhiều học viên, cho phép chia sẻ tài nguyên trong cùng nhóm, đồng thời cho phép theo dõi quá trình thực hành và ghi nhận, đánh giá kết quả.
1. Tính chất
Hệ thống phòng thực hành ảo vLab được đề xuất sử dụng cơ sở hạ tầng điện toán đám mây để cung cấp tài nguyên cho những kịch bản thực hành, nhằm khắc phục những điểm yếu, cũng như đáp ứng các mục tiêu hướng đến cần có của một hệ thống phòng thực hành ảo.
Cụ thể, Hệ thống phòng thực hành ảo vLab có những tính năng sau đây:
Hệ thống cho phép người sử dụng là giáo viên/sinh viên tự thiết kế kịch bản thực hành: vLab hỗ trợ đa dạng các bài tập thực hành cho nhiều đối tượng khác nhau, cho phép người sử dụng thiết kế các kịch bản thực hành với các hệ điều hành thông dụng như Windows, Linux. Mỗi kịch bản thực hành có thể có một hay nhiều máy và được kết nối theo mô hình mạng do người dùng định nghĩa. Việc thiết kế kịch bản thực hành được thực hiện trên portal được thiết kế với giao diện thân thiện, dễ sử dụng.
Triển khai kịch bản tự động, linh hoạt và nhanh chóng: Khi giảng viên/sinh viên chọn một kịch bản thực hành để triển khai, việc cài đặt, cấu hình các phần mềm cần thiết lên các máy ảo, cấu hình các tham số cần thiết cho các dịch vụ dựa trên yêu cầu được mô tả trong cấu hình của bài thực hành được thực hiện một cách tự động và trong suốt với người dùng.
Truy cập không giới hạn: Việc truy cập đến các tài nguyên sẽ không bị giới hạn về mặt thời gian và vị trí địa lý. Người dùng chỉ cần sử dụng một trình duyệt web để truy cập vào các máy ảo mà không phải cài đặt thêm bất kì plugin hay phần mềm hỗ trợ nào khác.
Khả năng quản lý, chia sẻ tài nguyên: Người quản trị hệ thống có thể cấp quota cho giảng viên và sinh viên nhằm phục vụ quá trình giảng dạy, học tập. Các bài thực hành có thể được triển khai dưới hình thức các khoá học, lớp học. Khi đó, các thành viên trong cùng nhóm của một lớp học có thể dễ dàng chia sẻ các kịch bản và tài nguyên thực hành, hỗ trợ thực hành theo nhóm.
Phân tích tính hiệu quả của quá trình thực hành: Việc thực hành được triển khai trên môi trường được quản lý tập trung nên các thao tác của quá trình thực hành sẽ được thu thập nhằm phân tích, đánh giá tính hiệu quả của lớp học.
2. Thông số kỹ thuật
Cho phép thiết lập và triển khai kịch bản thực hành nhanh chóng, linh hoạt và dễ sử dụng. Thời gian triển khai trung bình một kịch bản thực hành dưới 2 phút.
Khả năng truy cập từ xa mọi lúc, mọi nơi, không yêu cầu người dùng cài đặt thêm phần mềm phụ trợ. Hỗ trợ các trình duyệt phổ biến như: Chrome, IE, Firefox, Edge, Safari. Có khả năng đáp ứng 500 người dùng đồng thời.
Hệ thống được thiết kế theo hướng chịu tải cao, kiểm soát và phân quyền cho người dùng. Có thể chạy đồng thời 1000 máy ảo với cấu hình trung bình (2-4 cores CPU, 2-8GB bộ nhớ), tuỳ thuộc vào hạ tầng của hệ thống.
Cho phép thiết kế các bài thực hành từ đơn giản đến phức tạp cho những yêu cầu và đối tượng sử dụng khác nhau.
Triển khai một cách tự động và trong suốt các bài thực hành từ các cấu hình.
3. Nội hàm khoa học
Hệ thống phòng thực hành ảo vLab tận dụng cơ sở hạ tầng điện toán đám mây để triển khai các mô hình mạng và quản lý các máy ảo cho các khoá học một cách tự động. So với một số hệ thống phòng thí nghiệm, thực hành ảo hiện có, hệ thống vLab có những đặc điểm nổi bật sau:
Hệ thống phòng thực hành ảo vLab xây dựng một số image được cài đặt các gói cơ bản. Những gói/phần mềm cần thiết và các môi trường của bài thực hành sẽ được mô tả trong cấu hình bài thực hành, từ đó không cần phải xây dựng từng image cho mỗi bài thực hành khác nhau.
Hệ thống cung cấp tính năng mô tả cấu hình bài thực hành với giao diện đồ họa kéo-thả giúp người dùng định nghĩa những cấu hình của bài thực hành dễ dàng và đơn giản hơn.
Hệ thống triển khai các kịch bản thực hành lên hạ tầng điện toán đám mây một cách tự động và trong suốt với người dùng.
Portal được xây dựng với giao diện thân thiện cho phép quản lý những khoá học, các cấu hình và các tài nguyên ảo hóa.
Người dùng có thể truy cập đến hệ thống mọi lúc, mọi nơi thông qua trình duyệt web mà không cần các đặt thêm phần mềm nào khác.
Các khoá học được triển khai các bài thực hành có thể phân chia các học viên theo nhóm hoặc theo cá nhân. Điều này rất phù hợp trong môi trường giảng dạy.
4. Công nghệ của sản phẩm
Hệ thống sử dụng Openstack để xây dựng hạ tầng đám mây. OpenStack là một nền tảng mã nguồn mở cho phép xây dựng một Cơ sở hạ tầng đám mây dưới dạng Dịch vụ (IaaS). OpenStack tập hợp các tài nguyên dưới dạng ảo hoá để xây dựng và quản lý điện toán đám mây riêng tư hay công cộng. Trong quá trình ảo hoá, các tài nguyên như CPU và RAM được trừu tượng hoá bằng nhiều chương trình khác nhau, được phân chia bởi hypervisor sau đó sẽ được phân phối khi cần thiết. OpenStack sử dụng một tập các giao diện lập trình (API) để truy xuất các tài nguyên để phục vụ các tác vụ điện toán đám mây mà người dùng và quản trị viên yêu cầu.
Đối với yêu cầu về các package/phần mềm cần chuẩn bị cho các máy ảo trong 1 kịch bản thực hành, hệ thống sử dụng công cụ tự động hóa Puppet có khả năng cài đặt môi trường cho các máy ảo. Khi đó, các yêu cầu về môi trường của từng máy ảo sẽ được biểu diễn dưới dạng các mã Puppet để cài đặt trong quá trình khởi tạo các máy ảo này. Mã Puppet có nhiệm vụ tự động hóa các thao tác cài đặt, cấu hình ứng dụng, hệ thống cho các máy ảo. Mã Puppet cho phép cài đặt gói (package), thực thi lệnh, tạo tập tin, quản lý người dùng.
Hệ thống phòng thực hành ảo vLab có hạ tầng đám mây để triển khai các máy ảo. Các máy ảo này hầu hết được cài đặt sẵn các giao thức điều khiển từ xa như SSH, RDP. Mục tiêu của hệ thống là truy cập các máy ảo thông qua trình duyệt và không sử dụng bất kỳ phần mềm bổ trợ nào khác. Do đó, hệ thống lựa chọn sử dụng công cụ Apache Guacamole. Đây là một clientless remote desktop gateway. Nó được gọi là clientless vì không yêu cầu cài đặt plugin hay phần mềm phía client nào. Guacamole được cài đặt ở phía server, tất cả client sẽ truy cập đến giao diện desktop của máy ảo thông qua trình duyệt web. Nó thay mặt người dùng kết nối đến các máy chủ từ xa thông qua các giao thức như: RDP, VNC, SSH.
5. Giá trị của sản phẩm
Hệ thống cung cấp một mô hình mới giảng dạy công nghệ thông tin và các lĩnh vực liên quan, đáp ứng nhu cầu học tập trong môi trường tương tác mọi lúc, mọi nơi và không yêu cầu người học phải trang bị cho mình những thiết bị phần cứng đắt tiền. Ngoài ra, hệ thống có khả năng ứng dụng trong hỗ trợ thiết kế và đánh giá liên tục quá trình học tập của học viên. Hơn nữa, sản phẩm cũng góp phần thay đổi phương pháp dạy và học, giúp người học linh hoạt hơn trong học tập.
6. Đóng góp thực tiễn
Hệ thống phòng thực hành ảo vLab đã được triển khai áp dụng nhằm phục vụ hoạt động giảng dạy tại Khoa Mạng máy tính và Truyền thông, Trường ĐH Công nghệ thông tin. Tính đến nay, hệ thống đã phục vụ hơn 1200 người dùng, hơn 62 lớp học và gần 1500 bài thực hành được triển khai.
7. Khả năng chuyển giao công nghệ
Hệ thống phòng thực hành ảo vLab được đề xuất có hạ tầng điện toán đám mây tiên tiến, có khả năng mở rộng dựa trên tài nguyên về phần cứng. Bên cạnh đó, hệ thống phòng thực hành ảo này có đủ khả năng triển khai để hỗ trợ tạo môi trường thực hành cho hầu hết môn học ở các trường đại học, cao đẳng, các cơ sở đào tạo về công nghệ thông tin.
8. Khả năng hợp tác với địa phương, doanh nghiệp, tổ chức
Hướng nghiên cứu này với tiềm năng ứng dụng cao vào hoạt động giảng dạy và đào tạo có thể thu hút nhiều sự quan tâm đến từ các tổ chức, doanh nghiệp đang cung cấp các khóa học ngắn hạn và dài hạn. Cụ thể, đó chính là khả năng cung cấp một môi trường học tập được ảo hóa phù hợp với nhiều khóa học có những yêu cầu khác nhau.
9. Hình ảnh của sản phẩm tiêu biểu
10. Liên hệ nhóm tác giả, tác giả
Phạm Văn Hậu
Khoa Mạng máy tính và truyền thông, Trường ĐH Công nghệ thông tin, ĐHQG-HCM, Khu phố 6, Phường Linh Trung, Tp. Thủ Đức, Tp. HCM
Email: haupv@uit.edu.vn
Hội nghị thường niên 2022