虛擬機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探討

基金項(xiàng)目:陜西省教育廳科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目[05JK186]

[摘要] 討論了高校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，闡述了虛擬機(jī)的基本概念和主要特點(diǎn)，就“虛擬機(jī)”技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用和意義進(jìn)行了分析，得出了在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中應(yīng)用虛擬機(jī)技術(shù)的可行性結(jié)論。

[關(guān)鍵詞] 虛擬機(jī)技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 應(yīng)用

一、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

當(dāng)前，由于我國高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大，而實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不能及時(shí)得到擴(kuò)充，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源非常緊張。另外，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的過度使用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能及時(shí)得到應(yīng)有的維護(hù)，更加重了這一惡性循環(huán)。如何有效利用有限的設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并確保實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，成為各高校面臨的重要課題。

2005年1月，在教育部下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科生教學(xué)工作的若干意見》中明確指出:“要不斷改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方案，加強(qiáng)各種形式的實(shí)踐教學(xué)基地和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”。可見實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的高低很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的水平。計(jì)算機(jī)作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科更是如此，為了培養(yǎng)具有高質(zhì)量、高素質(zhì)、高應(yīng)用能力和具有創(chuàng)新精神的計(jì)算機(jī)人才，如何不斷改進(jìn)和完善計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)體系，進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)顯得尤為重要。

筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)資金、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及場(chǎng)地在短期內(nèi)不能得到有效緩解的前提下，使用虛擬計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，開展計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)、無疑是一種好的實(shí)驗(yàn)方法。

由虛擬機(jī)軟件構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在其他專用實(shí)驗(yàn)室或公共計(jì)算機(jī)房平臺(tái)上無損開展交互式驗(yàn)證、設(shè)計(jì)以及研發(fā)等實(shí)驗(yàn)。這樣既節(jié)省了資金投入、挖掘了設(shè)備潛力，又緩解了實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)重不足、實(shí)驗(yàn)教師工作量過大等突出矛盾，也能給學(xué)生課內(nèi)外的自主學(xué)習(xí)提供可能。

二、虛擬機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.虛擬機(jī)概念

什么是虛擬機(jī)?通俗地說，虛擬機(jī)(Virtual Machine)是電腦中的電腦，是利用軟件虛擬出來的電腦，是在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)上虛擬出來的一個(gè)新的子系統(tǒng)。其中，運(yùn)行虛擬機(jī)的電腦分為主系統(tǒng)(Host)和子系統(tǒng)(Guest)，主系統(tǒng)就是用戶的電腦，直接控制操作系統(tǒng)和硬件，稱為宿主機(jī)，子系統(tǒng)則是利用軟件在主系統(tǒng)中虛擬出來一個(gè)硬件環(huán)境，稱為客戶機(jī)或虛擬機(jī)。由主系統(tǒng)(宿主機(jī))創(chuàng)建的虛擬機(jī)，與真實(shí)的計(jì)算機(jī)幾乎一模一樣，不但有自己獨(dú)立的CPU、硬盤、內(nèi)存及各種硬件，甚至還有自己的BIOS。用戶也可以在虛擬機(jī)上安裝Windows、Linux等真實(shí)的操作系統(tǒng)及各種應(yīng)用程序，但用戶在虛擬機(jī)中的任何操作均不會(huì)對(duì)主系統(tǒng)造成任何影響。虛擬機(jī)與主系統(tǒng)之間的關(guān)系如下圖所示：

2.虛擬機(jī)的主要特點(diǎn)

從上面的介紹我們可以看到，要構(gòu)建一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并不需要額外的硬件設(shè)備，只需在實(shí)驗(yàn)室或機(jī)房現(xiàn)有系統(tǒng)上加裝一個(gè)虛擬機(jī)軟件平臺(tái)即可。目前針對(duì)PC機(jī)的虛擬機(jī)軟件主要有VMware和Virtual PC兩種 ，而VMware因其在執(zhí)行效率、網(wǎng)絡(luò)功能、顯示界面以及跨平臺(tái)支持等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛運(yùn)用，它包括Workstation、GSX server等多種版本，本文就VMware Workstation構(gòu)建虛擬計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境作初步的探討。虛擬機(jī)的主要特點(diǎn)如下:

(1)在同一臺(tái)主機(jī)上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)都可安裝不同的操作系統(tǒng)，就如同一臺(tái)獨(dú)立的PC，各虛擬機(jī)與主機(jī)之間還可以進(jìn)行對(duì)話、共享文件、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)資源，甚至還可以運(yùn)行C／S方式的應(yīng)用。

(2)在虛擬機(jī)上安裝其他操作系統(tǒng)，是把操作系統(tǒng)安裝在主機(jī)硬盤中虛擬出來的一個(gè)特定文件中，并不需要對(duì)物理硬盤進(jìn)行分區(qū)操作，虛擬機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)有良好的隔離性，在虛擬機(jī)上進(jìn)行的操作對(duì)主機(jī)現(xiàn)有的硬盤分區(qū)和數(shù)據(jù)都不會(huì)造成任何破壞。

(3)虛擬機(jī)具有硬件無關(guān)性特點(diǎn)，在主系統(tǒng)上虛擬出的硬件都是相同的，可以簡(jiǎn)單地在不同的主機(jī)之間復(fù)制后直接使用，不用考慮硬件差異，因此在實(shí)驗(yàn)中對(duì)虛擬機(jī)系統(tǒng)造成的任何損壞可以得到快速的恢復(fù)。

三、虛擬機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及意義

1.虛擬機(jī)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要應(yīng)用

虛擬機(jī)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的主要應(yīng)用有：

(1)基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)：如Windows及一些應(yīng)用程序、工具軟件的安裝與使用;(2)操作系統(tǒng)類實(shí)驗(yàn)：如磁盤分區(qū)、格式化、安裝DOS、Windows、Linux、NoveH等操作系統(tǒng);(3)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)類實(shí)驗(yàn)：如局域網(wǎng)的組網(wǎng)、配置、家庭網(wǎng)絡(luò)配置、Net meeting桌面共享和遠(yuǎn)程程控制、Telnet及FTP實(shí)驗(yàn)，不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)和資源共享(如Linux下的Samba服務(wù))等;(4)系統(tǒng)安全類實(shí)驗(yàn)：如木馬程序、網(wǎng)絡(luò)攻擊等;(5)機(jī)群(PC cluster)搭建：如服務(wù)器機(jī)群搭建、PC機(jī)群搭建，等等。

(2)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬機(jī)技術(shù)的意義:從實(shí)驗(yàn)的角度來看，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建立，有利于實(shí)驗(yàn)的正常開展，有利于發(fā)現(xiàn)問題、縮短周期、節(jié)省費(fèi)用、保證質(zhì)量。構(gòu)建實(shí)體計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)往往需要投入大量的資金，配備相應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備。在人員和設(shè)備投入不足的情況下，學(xué)生只能多人分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)活動(dòng)只需準(zhǔn)備相關(guān)軟件及對(duì)原有計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行局部升級(jí)(如：內(nèi)存)即可建立學(xué)生與設(shè)備間一對(duì)一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

從課程的角度看，虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以輕松應(yīng)付一些動(dòng)手實(shí)踐較強(qiáng)的課程，如：《計(jì)算機(jī)組裝與維護(hù)》、《常用工具軟件使用》、《軟件維護(hù)與病毒防治》、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》、《計(jì)算機(jī)信息安全》、《網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)》、《操作系統(tǒng)》等，以前對(duì)于這些課程，由于實(shí)習(xí)的內(nèi)容可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或要安裝其他操作系統(tǒng)，一般都要在專用機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室才能完成，但現(xiàn)在就可以在安裝了虛擬機(jī)的普通機(jī)房或其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

從機(jī)房管理維護(hù)的角度看，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的使用既方便了實(shí)驗(yàn)工作人員的管理，也降低了工作的強(qiáng)度:一方面，機(jī)房工作人員無需安裝多個(gè)操作平臺(tái)就可滿足不同課程對(duì)不同平臺(tái)的需求，也不必?fù)?dān)心某些實(shí)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰而疲于恢復(fù)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)工作人員可以把一些常用的不同平臺(tái)的虛擬機(jī)文件放在服務(wù)器上，開放給學(xué)生，當(dāng)需要不同的操作平臺(tái)或系統(tǒng)崩潰時(shí)，可以從服務(wù)器端重新下載文件，快速恢復(fù)系統(tǒng);另一方面，虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的使用也可以提高普通機(jī)房的利用率，增強(qiáng)設(shè)備的共享能力，減輕專用實(shí)驗(yàn)室或機(jī)房的使用壓力，減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)量，同時(shí)也方便實(shí)驗(yàn)室更合理地安排實(shí)驗(yàn)課程。

另外，隨著驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步減少，綜合設(shè)計(jì)性及研究性實(shí)驗(yàn)的逐步增加，教師或?qū)W生涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已不僅僅局限于書本上的“假”課題。在實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中，實(shí)驗(yàn)個(gè)體可根據(jù)需要自主開展不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而不過多地受時(shí)間、條件和人員等的限制。

四、結(jié)論

虛擬機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供的是一個(gè)近于真實(shí)的環(huán)境，除了硬件的物理連接外(如主板、CPU、顯卡、網(wǎng)卡、網(wǎng)線等連接)，只要能在“虛擬機(jī)”上完成的實(shí)驗(yàn)，就能夠在真實(shí)的機(jī)器上完成，所以采用虛擬機(jī)技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)驗(yàn)質(zhì)量不會(huì)受到影響，完全符合教學(xué)要求。

由于虛擬機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)系統(tǒng)有良好的隔離性，在虛擬環(huán)境下，學(xué)生不用顧慮到對(duì)主系統(tǒng)的破壞，可以放心進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)操作，帶來更好的實(shí)驗(yàn)效果，就算在當(dāng)次實(shí)習(xí)課內(nèi)完成不了所有操作也不會(huì)導(dǎo)致主系統(tǒng)崩潰，而影響另外班級(jí)的上機(jī)實(shí)驗(yàn)課程，從而極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，基于虛擬機(jī)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)在一定程度上不僅可以緩解當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地不足的問題，很好地滿足了實(shí)驗(yàn)課多種環(huán)境的需求，保證了所有實(shí)驗(yàn)課的正常開出。而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，也提高了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的利用率。

“虛擬機(jī)” 技術(shù)的出現(xiàn)，給實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)方法，而且可在一定程度上提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的共享性和安全性，減少了實(shí)驗(yàn)室管理的難度，同時(shí)教學(xué)質(zhì)量也不會(huì)受到影響。因此，推廣“虛擬機(jī)”在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，是一種有益的嘗試。

參考文獻(xiàn):

[1]石幼生:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討.中國現(xiàn)代教育設(shè)備[J]，2006（8）

[2]羅梓元:基于虛擬機(jī)技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建.職業(yè)教育研究[J]，2006（3）

[3]劉羽:虛擬機(jī)技術(shù)在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)[J]，2003（4）416～418

[4]盧宇清張紅霞:計(jì)算機(jī)機(jī)房管理中的虛擬機(jī)技術(shù).辦公自動(dòng)化雜志[J]，2006（4）

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