Ứng dụng phòng thực hành ảo trong hoạt động giảng dạy và thực hành CNTT

Hệ thống sử dụng cơ sở hạ tầng điện toán đám mây để cung cấp tài nguyên cho những kịch bản thực hành, đáp ứng nhu cầu học tập trong môi trường tương tác mọi lúc, mọi nơi và không yêu cầu người học phải cài đặt và chuẩn bị môi trường phức tạp.

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, cơ sở đào tạo đang bộc lộ nhiều vấn đề. Đó là do các phòng thực hành được đầu tư và trang bị hệ thống máy tính nhằm phục vụ cho một nhóm các môn học nhất định, theo những mục tiêu được xác định ngay từ đầu.

Vì thế, việc chuyển đổi mục đích sử dụng hoặc thiết lập lại môi trường thực hành theo yêu cầu của từng môn học sẽ rất tốn thời gian và công sức. Bên cạnh đó, phương pháp thực hành trực tiếp tại các phòng máy yêu cầu học viên phải có mặt, ràng buộc về thời gian, nên chưa thực sự linh hoạt. Điều này đã nảy sinh nhu cầu về một hệ thống hỗ trợ thực hành trực tuyến hoặc thực hành ảo, cho phép người học có thể trải nghiệm, làm bài tập và rèn luyện kỹ năng như trên thiết bị vật lý mà không gặp bất kỳ khó khăn nào.

Hiện nay, trên thế giới, một số giải pháp phòng thí nghiệm, thực hành ảo đã được phát triển và ứng dụng trong thực tế như: hệ thống Tele-Lab, hệ thống phòng thí nghiệm ảo của Đại học Maryland, Hera Lab, Self-paced Labs... Nhờ ứng dụng các công nghệ điện toán đám mây, trí tuệ nhân tạo (AI), Dữ liệu lớn (Big Data) và Internet kết nối vạn vật (IoT), lãnh đạo nhà trường, 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 học 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.

Nhóm nhà khoa học ở Trường Đại học Công nghệ Thông tin (ĐHQG TP.HCM) đã triển khai nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Giải pháp hệ thống phòng thực hành ảo hỗ trợ đào tạo một số môn công nghệ thông tin” nhằm cung cấp một mô hình mới hỗ trợ hoạt động giảng dạy công nghệ thông tin và các lĩnh vực liên quan, đó chính là hệ thống phòng thực hành ảo vLab.

Đại diện nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ trình bày kết quả thực hiện trước hội đồng tư vấn nghiệm thu do Sở KH&CN TP.HCM tổ chức hồi quý 1/2023

Hệ thống sử dụng cơ sở hạ tầng điện toán đám mây để cung cấp tài nguyên cho những kịch bản thực hành, đáp ứng nhu cầu học tập trong môi trường tương tác mọi lúc, mọi nơi và không yêu cầu người học thực hiện các cài đặt và cấu hình phức tạp. Hệ thống cho phép quản lý, triển khai các bài thực hành trong một số môn học công nghệ thông tin một cách nhanh chóng, dễ dàng, đáp ứng các tiêu chí về linh hoạt, an toàn bảo mật, và có khả năng mở rộng trong tương lai phù hợp với nhu cầu sử dụng. Ngoài ra, vLab còn có khả năng ứng dụng trong hỗ trợ thiết kế và đánh giá liên tục quá trình học tập của sinh viên.

Portal quản lý của vLab được thiết kế 9 phân hệ

TS. Phạm Văn Hậu (chủ nhiệm nhiệm vụ) cho biết: “vLab không chỉ góp phần thay đổi phương pháp dạy và học, giúp sinh viên linh hoạt hơn trong học tập, mà còn phát triển xu thế sử dụng nền tảng điện toán đám mây vào việc dạy và học, xóa bỏ khác biệt về địa lý, thời gian, tiết kiệm chi phí triển khai. Đồng thời, vLab cũng tăng tính linh hoạt cho cả cho nhà trường, người học và giảng viên, dễ dàng đáp ứng nhiều phong cách học tập khác nhau, kết hợp phát triển kỹ năng, tư duy cần có của người lao động.”.

Mô hình tổng quan hệ thống phòng thực hành ảo vLab

Cụ thể, hệ thống phòng thực hành ảo 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. Đặc biệt, với giao diện đồ họa, người dùng có thể dễ dàng tạo các mô hình mạng và môi trường cho các cấu hình mà không cần quan tâm đến các đoạn mã phức tạp bên dưới. Ngoài ra, người dùng cũng có thể sử dụng các kịch bản thông dụng sẽ được phát triển trong đề tài phục vụ các thử nghiệm về dữ liệu lớn, học máy, các kịch bản về an toàn thông tin.

Khi giảng viên hoặc 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 hoàn toàn tự động, linh hoạt và nhanh chóng. 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 kỳ plugin hay phần mềm hỗ trợ nào khác.

Người quản trị hệ thống có thể cấp hạn ngạch tài nguyên 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. Việc thực hành được triển khai trên môi trường được quản lý tập trung nên các thao tác của quá trình thực hành cũng sẽ được thu thập nhằm phân tích, đánh giá tính hiệu quả của lớp học.

Giao diện chính của vLab được nhóm triển khai nhiệm vụ khoa học - công nghệ trình diễn trước hội đồng tư vấn nghiệm thu

TS. Phạm Văn Hậu cho biết, hệ thống phòng thực hành ảo vLab được xây dựng với mục tiêu cung cấp một giải pháp phòng thực hành ảo có khả năng mở rộng linh động. Bên cạnh việc triển khai môi trường thực hành ảo trên hạ tầng điện toán đám mây tự xây dựng, giải pháp còn có thể kết hợp với các dịch vụ cloud công cộng trong các hướng nghiên cứu, phát triển trong tương lai nhằm tận dụng tối đa hiệu suất phần cứng để tiết kiệm chi phí, quản lý tập trung các máy ảo phục vụ trong triển khai môi trường thực hành.

Để đơn giản hóa quá trình định nghĩa và triển khai kịch bản thực hành, hệ thống thực hành ảo vLab sử dụng giải pháp cung cấp trước các image cơ bản cho điện toán đám mây (là những image chỉ chứa hệ điều hành, chưa cài đặt phần mềm, có thể triển khai ngay). Người dùng dễ dàng tạo ra một mô hình mạng và các cấu hình cần thiết bao gồm các bộ định tuyến, các mạng con, chọn các máy ảo,… bằng giao diện đồ họa kéo-thả, click chọn mà hầu như không phải tương tác với các đoạn mã phức tạp.

Đối với người dùng có kiến thức nhất định về các đoạn mã biểu diễn, hệ thống còn cho phép tùy chỉnh các đoạn mã đã được tạo khi cần thiết. Sau đó, vLab đọc và trích xuất thông tin cấu hình từ các đoạn mã đã được tạo để mô tả kịch bản, tự động triển khai những tài nguyên cần thiết lên hạ tầng điện toán đám mây từ những mô tả trong các cấu hình của bài thực hành, triển khai các thông tin cấu hình đã được người dùng mô tả.

Quy trình triển khai tự động kịch bản thực hành

Theo TS. Phạm Văn Hậu, vLab xây dựng phân hệ quản lý truy cập từ xa hướng đến cho phép người dùng truy cập đến các tài nguyên như máy ảo thông qua trình duyệt web. Phân hệ này sẽ áp dụng cơ chế tạo một gateway chuyển đổi các giao thức điều khiển từ xa (SSH, Telnet, RDP, VNC) để chạy trên trình duyệt với công cụ như Guacamole.

Phân hệ này cũng giúp giải quyết vấn đề khi mỗi máy ảo phải có một địa chỉ IP công cộng riêng, thay vào đó sẽ có cơ chế ánh xạ từ yêu cầu truy cập của người dùng đến máy ảo tương ứng. Bên cạnh đó, phân hệ cũng xây dựng cluster cân bằng tải để cho phép phục vụ nhu cầu của nhiều người dùng. Với tính năng này, vLab không yêu cầu người dùng cài đặt thêm bất kỳ phần mềm phụ trợ nào khác để truy cập đến các máy ảo.

Hệ thống phòng thực hành ảo vLab đã được hoàn thiện 6 kịch bản tự xây dựng và triển khai cho 7 môn học thực tế được giảng dạy tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin (ĐHQG TP.HCM). Đối với kịch bản tự xây dựng, hệ thống có thể đáp ứng triển khai nhanh. Với trường hợp nhiều nhóm cần triển khai đồng thời, do hỗ trợ của cơ chế pipeline và repo cục bộ khi triển khai, thời gian trung bình cho 1 nhóm giảm đáng kể khi số nhóm tăng lên. Hệ thống cũng nhận được những phản hồi rất tích cực từ giảng viện và sinh viên khi triển khai hệ thống cho các môn học thực tế. Điều này cho thấy, vLab rất khả thi và phù hợp để áp dụng vào chương trình giảng dạy.

Nhóm thực hiện đề xuất Sở KH&CN TP.HCM tiếp tục hỗ trợ để hoàn thiện vLab, như cải thiện và tối ưu hệ thống vLab nhằm giảm thời gian triển khai các bài thực hành, tăng tốc độ truy cập vào các máy ảo, bổ sung image cơ bản và gói phần mềm cần thiết để đáp ứng cho việc triển khai nhiều môn học hơn.