虛擬機技術在高中信息技術教學中的應用

宣震

（南京市玄武高級中學，江蘇南京 210016）

虛擬機技術在高中信息技術教學中的應用

宣震

（南京市玄武高級中學，江蘇南京 210016）

虛擬機技術是一種成熟的技術，目前在IT行業已經獲得了一些成功的應用，但大多數是集中在服務器、集群等高端領域，在高中信息技術教學中應用得還不多。文章討論了虛擬機技術的發展現狀及其技術優點，就虛擬機技術在信息技術教學中應用的可行性進行了分析，并在此基礎上結合課堂教學給出了三個教學實例。

虛擬機；VMware；信息技術教學

引言

在高中信息技術教學中，教師經常遇到下面的問題：為了準備網絡模塊的課程教學，不得不對自己的計算機重新格式化，安裝新的服務器操作系統；在多媒體教室，不能在計算機上給學生演示硬盤分區、格式化的實際操作過程；在計算機房，由于硬盤還原卡的原因使學生不能做注冊表修改、安裝操作系統等練習；在制作教學課件時，為了制作圖文并茂的課件，苦于尋找各種圖片。那如何解決這些問題呢？本文提出了一種采用虛擬機技術的解決方案，利用虛擬機技術可以在原有操作系統上虛擬出一臺或者多臺計算機，很好地解決了上述問題。

一、什么是虛擬機

虛擬機是指在一臺物理計算機上將硬盤和內存的一部分單獨劃分出來，虛擬成具有獨立邏輯的計算機，和實際的計算機一樣，它擁有自己獨立的 CMOS、CPU、內存、硬盤、軟盤、顯卡、網卡等，可以像使用普通計算機一樣對它們進行硬盤分區、格式化，安裝操作系統和應用軟件等操作。

在虛擬機中，中央處理器芯片從系統其它部分劃分出一段存儲區域，操作系統和應用程序運行在“保護模式”環境下。如果在某虛擬機中出現了程序死鎖現象，這并不會影響運行在虛擬機外的程序操作和操作系統的正常穩定工作。在真實計算機系統中，操作系統組成中的設備驅動控制硬件資源，負責將系統指令轉化成特定設備控制語言。在假設設備所有權獨立的情況下形成驅動，這就使單個計算機不可能并發運行多個操作系統。虛擬機則具有突破該局限性的技術。虛擬化過程引入了低層設備資源重定向交互作用，而不會影響高層應用層。通過虛擬機，用戶可以在單個計算機上并發運行多個操作系統。每個虛擬機由一組虛擬化設備構成，其中每個虛擬機都有對應的虛擬硬件。當然，虛擬機也可以使用物理計算機上的一些資源，如COM口、LPT口、USB等。有些虛擬設備不僅可以映射到物理設備上，還可以借助磁盤鏡像文件等實現虛擬。這更增加了虛擬系統的靈活性。一臺虛擬機與一臺真實的計算機的不同之處在于前者只是一個技術規范，這類技術規范由一系列規則構成，與具體的計算機無關，而軟件工程師可以采用任何他自己認為適當的手段來實現這些規則。

二、虛擬機技術的優點

由于虛擬機能夠模擬物理計算機的硬件操作的特點，故它具有以下優點：

1.集成度高，兼容性好

虛擬機可以在一臺物理計算機上虛擬出多個操作系統平臺，是研究人員和軟件開發人員的好工具。有了它，在任何時刻、任何地點，用戶無需準備多臺計算機安裝不同的操作系統，只需要一臺計算機，就可以調試B/S、C/S等各種程序，節省了時間，節約了成本。

2.一機多用，降低維護成本

如果需要在一臺計算機上安裝多個操作系統，不用虛擬機的話，通常有兩種辦法：一種是安裝多塊硬盤，每塊硬盤上安裝一個操作系統。這種方法需要多塊硬盤，比較昂貴，也不實際，缺乏可操作性。另一種是在一塊硬盤上安裝多個操作系統。這種方法雖然經濟但是不夠安全，因為硬盤的主引導區(MBR)是操作系統的必爭之地，也是計算機病毒的常見攻擊目標，搞不好會多個操作系統同歸于盡。而使用虛擬機即可擺脫多硬盤、多分區的缺點，可以同時在一臺計算機上運行多個操作系統，每個操作系統都有自己獨立的一個虛擬機，就如同網絡上一個獨立的計算機一樣。

3.加強了系統安全性和可靠性

虛擬機的使用一般不會損壞物理計算機的操作系統和應用軟件，因為虛擬機的硬盤通常是物理計算機上的一個文件，虛擬機在硬盤上的操作只在這個文件上進行。在虛擬機系統崩潰之后可以直接刪除，不會影響物理計算機的操作系統；同樣如果物理計算機的操作系統崩潰了，也不會影響虛擬機系統，可以在重裝完物理計算機的操作系統后再載入以前做的虛擬機系統。

4.虛擬機系統可以方便進行移植

虛擬機主要是以虛擬硬盤鏡像文件包作為其系統存儲文件，為此用戶可以直接復制鏡像文件包到其它計算機上使用，從而可省去虛擬機操作系統的安裝過程。

5.有助于教師進行網絡教學

虛擬機可以在單機上組建網絡，它提供了虛擬網絡設備如交換機、網卡和虛擬建網的方式。由于虛擬機具有連網功能，所以在教學中教師可通過用虛擬機構建的虛擬網絡進行實驗教學，使學生更感性、直觀地掌握網絡的組建、管理和維護。

三、常用的虛擬機軟件

虛擬機系統的建立必須通過虛擬機軟件來完成。常用的虛擬機軟件按照用途來劃分，可以分為個人版和網絡版。個人版虛擬機軟件最常見的有 VMware Inc.公司的VMware Workstation和微軟公司的Virtual PC 2007；網絡版虛擬機軟件最常見的有 VMware Inc.公司的 VMware Server和微軟公司的Virtual Server 2005 R2。在高端應用方面，則有VMware Inc.公司的ESX Server和Windows Server 2008 R2自帶的 Hyper-V。下面簡單介紹一下VMware Workstation以及它的特點。

VMware Workstation是VMware Inc.公司出品的一款虛擬機軟件。它能夠在一個操作系統上虛擬出多臺虛擬機環境，從而可以在一臺物理計算機上同時運行多個操作系統。它可以在一臺計算機上同時運行2個或更多Windows Server 2008 R2/Windows Vista/DOS/Unix/Linux/Netware等系統。運行VMware Workstation的平臺稱為主機(Host Operating System)，在VMware Workstation上運行的系統稱為客戶機 (Guest Operating System)。從客戶機的角度來看，它是一個完整的系統，從主機的角度來看，每個客戶機分別是一個軟件應用進程，每個客戶機的硬盤就是一個大的文件或者分區。與多重啟動系統相比，VMware Workstation采用了完全不同的概念。多重啟動系統在一個時刻只能運行一個系統，在系統切換時需要重新啟動計算機。VMware Workstation是真正在主機的平臺上同時運行多個操作系統，就像標準的Windows應用程序那樣切換。圖1為VMware Workstation的運行原理。

從圖 1可以看出，VMware Workstation運行在主機的操作系統之上，它在客戶機操作系統與主機操作系統之間加了一層虛擬操作平臺(VMware Virtual Platform)，所有的客戶機操作系統都運行在虛擬操作平臺之上。VMware Workstation的主要特點有：

（1）不需要對硬盤重新分區或者重新啟動計算機就能在同一臺計算機上使用多種操作系統。

（2）完全隔離并且保護不同虛擬機操作系統的操作環境以及所有安裝在操作系統上面的應用軟件和資料。

（3）完美的虛擬機硬盤保護系統，支持虛擬機系統的克隆。

（4）不同的虛擬機操作系統之間還能互動操作，包括網絡、周邊設備以及文件共享，允許主機系統與虛擬機系統之間或者虛擬機系統與虛擬機系統之間直接拖動文件進行復制和粘貼操作。甚至可以用來組建TCP/IP網絡，用來測試高級的C/S應用。

（5）能夠設定并且隨時修改虛擬機操作系統的操作環境，例如內存、硬盤、光驅、網卡等設備的添加與刪除。

（6）支持快照(Snapshot)功能，可以將虛擬機系統恢復至任意一個快照設置點。

（7）支持屏幕截圖(Capture Screen)和視頻捕捉(Capture Movie)功能，可以很方便地進行教學演示。

（8）支持掛起(Suspend)功能，便于保存當前的虛擬機系統狀態，利用這一功能，一些較大型的網絡上機操作課程可以分多次完成。

四、虛擬機技術在教學中的應用

一個開放的教學平臺對于提高教學質量、拓寬學生的知識視野、培養學生的動手操作能力等都起了不可估量的作用。而虛擬機系統除了硬件的連接外 (如網卡、網線連接)，它還提供了一個近于真實的環境，實現了系統的開放。因此只要能在虛擬機系統上完成的操作，就能夠在真實的計算機上完成，所以教學質量不會受到影響，完全符合教學要求。同時由于虛擬機系統與主機系統有良好的隔離性，在虛擬機環境下，學生不用顧慮到對主機系統的破壞，可以放心地進行各種操作，從而大大提高了教學效果。筆者就虛擬機技術在高中信息技術教學中的應用進行了為期一學期的探究，現總結如下：

1.信息技術教師的輔助學習和備課的強大工具

信息技術課程教學的特點是知識點多，技術更新換代快，實踐性強。教師要適應這一特點，就要不斷地探索和學習新知識和新軟件的使用。以操作系統為例，Windows Vista是微軟目前最強大的操作系統，需要學一點；如果要對網絡知識有深入了解，Windows Server 2003/Windows Server 2008 R2是最好的平臺；除此之外，還有開源的Linux、華麗的MacOSX、神秘的FreeBSD，如果這些操作系統都安裝上，就需要多塊硬盤和復雜的安裝技巧。而使用虛擬機技術，這一切都變得簡單。例如，可以用Windows Vista作為主機系統，在Vista系統中安裝 VMware Workstation，然后再用VMware Workstation來虛擬 Windows Server 2008/Linux/MacOSX/FreeBSD等系統，這樣就不必為安裝一個新的系統而重新格式化硬盤。通過對虛擬機不同系統環境的操作使用，提高了信息技術教師掌握新知識、新技術的能力，也提高了應用操作水平，有利于日常備課的準備，增強教師的教學信心。

2.強大的教學輔助演示工具

利用VMware Workstation虛擬機，可以幫助教師實現一些平常難以演示的操作，具體表現為：

（1）演示操作系統底層的操作。例如硬盤的格式化、重新分區、操作系統的安裝。這些操作都對原系統具有破壞性，教師在課堂上不可能演示給學生看，只能從理論方面進行講解，影響了教學效果。而如果使用虛擬機，在虛擬機系統上進行這些操作，由于虛擬機系統與主機系統良好的隔離性，不但保證了主機系統的安全，也增加了操作的真實感，教學效果顯著。

（2）演示系統故障操作。例如在講解操作系統的系統文件時，學生往往不能理解系統文件對操作系統穩定運行的重要性。教師可以先在虛擬機軟件中做好系統快照點，然后在虛擬機操作系統上刪除重要的系統文件并重啟虛擬計算機，重啟后和學生一起觀察虛擬計算機反映的錯誤信息并和學生一起探討解決方案，最后再從之前做好的系統快照點快速還原即可。這樣可以加深學生對系統文件的認識，也降低了學生誤刪系統文件的幾率。

（3）演示計算機病毒爆發過程。在講解信息技術基礎模塊時，學生已經知道傳染性、破壞性、隱蔽性是計算機病毒的特征。在原有教學環境下，教師不可能演示計算機病毒的爆發過程。而虛擬機系統與主機系統良好的隔離性，使在虛擬機系統上演示這類操作成為可能。學生可以觀察到計算機病毒爆發的整個過程，對計算機病毒的特點也有了更深的認識。

3.強大的機房實驗工具

目前，中學計算機房普遍采用的是硬盤保護卡保護系統，有效地防止由于學生誤操作或計算機病毒引起的系統崩潰。但由于這些保護措施，也限制了學生一些涉及操作系統底層的操作練習；另外，在網絡教學上機練習時，需使用到雙機練習，而現有的教學條件都無法實現給單個學生用兩臺計算機，只能互為主從機教學，很難保證教學質量。為解決這些問題，我們可以在機房安裝VMware Workstation虛擬機軟件，構建一個虛擬的實驗環境。在此環境下，學生不但可以做操作系統的底層操作，也可以在單機上做網絡實驗。由于虛擬實驗環境提供的是一個近于真實的模擬環境，所以完全符合教學要求。另外，在虛擬環境下，學生不用顧慮到對主機系統的破壞，可以放心進行各種操作，這樣激發了學生的學習興趣，帶來更好的教學效果。

一般可以采用虛擬的實驗環境實現以下操作練習：

（1）軟件應用練習。例如CMOS設置，硬盤分區及格式化，安裝、配置、使用操作系統及其它應用軟件等。

（2）網絡實驗練習。例如局域網的規劃、家庭網絡配置、RDP遠程控制、IIS和FTP綜合練習等。

（3）系統安全練習。例如運行病毒程序、木馬程序，或者可疑程序等。

4.強大的課件制作輔助工具

利用VMware Workstation虛擬機軟件，可以幫助教師制作出多媒體課件。例如在講解高一信息技術第五單元中的BIOS知識時，可以利用屏幕截圖功能截取相應的操作畫面。這樣在制作BIOS設置的課件時，就有了豐富的圖片素材。虛擬機除了方便教師取得圖片素材外，還提供了視頻捕捉功能。只要在操作前打開這項功能，然后在虛擬機系統中進行相關操作，最后在VMware Workstation菜單下選擇停止視頻捕捉，再選擇合適的視頻格式和壓縮比率，一個操作演示課件就制作完成了。

五、虛擬機技術在教學中的應用實例

綜上所述，虛擬機技術在信息技術教學中的可應用范圍很廣泛，現結合課堂教學舉出三個具有代表性的教學實例：

1.設置BIOS選項

（1）啟動虛擬機，系統為 Windows 2000 Pro；

（2）按F2進入PhoenixBIOS SetupUtility；

（3）設置當前系統時間為：2008年6月6日6:00；

（4）設置開機密碼為：XXZX；

（5）設置電源選項為：最佳性能；

（6）設置計算機啟動順序為：光驅、可移動設備、硬盤、網絡；

（7）保存所做的修改，退出Phoe nixBIOS Setup Utility；

（8）虛擬計算機重啟后，觀察以上設置是否發揮作用，如果有出錯的設置步驟，小組討論進行修正；

（9）將虛擬機恢復至最近的快照點。

以上操作讓學生了解BIOS的進入、設置過程，破除了BIOS的神秘感，同時由于虛擬機系統與主機系統良好的隔離性，不用擔心主機的BIOS也被修改。

2.計算機病毒傳播演示

（1） 啟動虛擬機 VM1、VM2，系統都為 Windows 2000 Pro；

（2）在虛擬機 VM1 中，運行Virus.exe；

（3）查看虛擬機 VM1 中，C:WindowsSystem32文件夾中和C盤根目錄下文件的變化情況；

（4）嘗試打開虛擬機VM1中的Word文檔，查看Word程序是否可以啟動；

（5）嘗試打開任務管理器，查看任務管理器程序是否可以啟動；

（6）打開 Internet Explorer，查看默認主頁是否被修改；

（7）打開虛擬機VM2的共享文件夾，查看該文件夾中是否有Virus.exe程序；（8）將虛擬機 VM1、VM2恢復至最近的快照點。通過以上操作，學生將對計算機病毒的傳染性、破壞性和隱蔽性有感性的認識。相比枯燥的理論講解，學生產生的印象更為深刻，教學效果更為顯著。

3.組建小型局域網絡

（1）啟動虛擬機 VM1、VM2，系統都為 Windows 2000 Pro；

（2）設置虛擬機 VM1、VM2 的IP地址為 192.168.1.X，X從61到180，按照學生人數分配，每個學生配給2個數字；

（3）設置虛擬機 VM1、VM2 所在的工作組名稱為：Classroom1；

（4）分別在虛擬機 VM1、VM2上設置共享文件夾，查看在虛擬機VM1、VM2上是否可以互相訪問對方的共享文件夾；

（5）設置虛擬機 VM1、VM2 的默認網關和DNS都為192.168.1.254， 查看在虛擬機 VM1、VM2上是否都可以連接到Internet；

（6）在任一虛擬機中查看其他同學虛擬機系統中的共享文件夾；

（7）將虛擬機 VM1、VM2 恢復至最近的快照點。

通過以上練習，學生將對組建小型局域網絡有初步的認識，加深對IP地址、網關、DNS等概念的理解，同時也掌握了排查簡單網絡故障的方法。由于虛擬機系統與主機系統的隔離性，完全不用擔心主機系統被任意修改，學生也可以大膽地進行操作練習，鍛煉了學生的動手能力。

結束語

虛擬機技術的出現給信息技術教學提供了一種有效的輔助工具，它充分挖掘了現有設備的潛力，大大提高了現有教學平臺的安全性和可靠性，同時培養了學生的動手實踐能力，也激發了學生的學習興趣，提高了教學效果。隨著虛擬機技術的發展，它在信息技術教學中的應用必將更加廣泛。

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1673-8454（2012）04-0050-05

（編輯：王天鵬）