虛擬化技術在實驗教學中的應用

陶媛　高洪皓　王萍

摘 要： 實驗教學以能力培養為核心，有利于培養學生的創新精神和創新實踐能力。將新興技術應用于實驗教學中有利于促進教育的創新，使教學質量和管理水平日益提高，有效地彌補傳統實驗教學中的設備資源不足等實際問題，創建更適合培養創新性人才的實驗環境。本文概述了虛擬化技術基本概念及特點，結合虛擬機、云計算等實例闡述了虛擬化技術在實驗教學中應用的潛在優勢，和取得的較好的教學效果。

關鍵詞： 虛擬化技術； 實驗教學； 云計算； 虛擬機

中圖分類號：G421 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）03-15-03

Application of virtualization technology in experiment teaching

Tao Yuan， Gao Honghao， Wang Ping

（Computation Center， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract： The core of experiment teaching is ability training. Experiment teaching is helpful to cultivate innovation spirit and practice ability of students. The application of new technology in experiment teaching is beneficial for promoting the innovation of education. It helps improving the teaching quality and management level and finding the solutions to the lack of experimental equipment in traditional experiment teaching. It creates an experimental environment which is more suitable for cultivating innovative talents. This paper summarizes the basic concepts and characteristics of virtualization technology， and expounds the potential advantages of virtualization technology in the applications of experiment teaching in combination with the instances such as virtual machine and cloud computing， and the better teaching effect obtained.

Key words： virtualization technology； experiment teaching； cloud computing； virtual machine

0 引言

創新是一個國家興旺發達的不竭動力。21世紀是創新性人才的創新速度和創新效率競爭的世紀。世界各國都非常重視創新性人才的培養。《中華人民共和國高等教育法》明確規定：“高等教育的任務是培養具有創新精神和實驗能力的高級專門人才。”

實驗教學以能力培養為核心，推進學生自主學習、合作學習、研究性學習，培養學生的創新精神和創新實踐能力，是高等教育的一個重要組成部分。實驗教學在培養學生能力方面起著理論教學不可替代的作用。

突破實驗教學在時間和空間上的限制，創建更符合人才培養的實驗教學模式的方法，在先進性和效率方面取得更大的突破，是目前實驗教學改革的重點。虛擬化技術為實驗教學改革提供了新的思路[1]。

1 虛擬化技術在實驗教學中應用的特征

就教育理論而言，虛擬現實技術實現了人的臨場化，參與者與虛擬環境是互相作用、互相影響的一個整體的兩個方面，它營造了“自主學習”的環境，由傳統的“以教促學”的學習方式代之以學習者通過自身與信息和環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式[1]。虛擬化技術充分利用了計算機技術，完善了數據傳輸、交換、模式識別、語言處理、智能技術等性能，對實驗系統的運行進行仿真。將虛擬化技術應用到實驗教學中具有以下特性。

1.1 延伸性

課堂實驗教學內容得到延伸。虛擬化技術應用在課堂教學中，能有效延伸課堂實驗教學內容，需要在實驗室完成的實驗在課堂展示，有利于將抽象的概念和理論更直觀、真實的效果展示給學生。

1.2 開放性

突破時間和空間的束縛。虛擬化技術打破過去受時空限制的實驗環境，實現學生在任何時間、任何地點可以多次反復實驗，充分利用一切資源。使實驗教學資源得到最大限度的優化和利用。

1.3 創新性

培養學生的創新精神。學習過程中提出的各種假設進行虛擬并能直觀地觀察到這一假設所產生的結果， 這種探索式的學習方式有利于激發學生的創造性思維， 培養學生的創新能力[2]。

1.4 主動性

使學生從被動學習到主動學習。虛擬化技術為學生構建一個能充分發揮主觀能動性的實驗環境。在這種學習環境中，學生為主體，這既有助于充分調動學生實驗的積極性，也有助于激發學生的聰明才智進行有創意的設計。

1.5 多層次性

解決“共性”與“個性”問題。基于虛擬化技術的實驗可以結合學生層次特點，構建基礎型實驗、設計綜合型實驗、創新型實驗等多層次的實驗結構體系，滿足學生不同層次的需求。學生可以根據自己的實際情況選擇和設計實驗。

1.6 大規模性

擴大實驗的承載能力。虛擬化技術相當于為學生提供了一個可移動的實驗教學平臺，學生不必擔心實驗室設備不足、新的實驗技術不能實施而造成的無法滿足學生的整體實驗要求等困難。這使實驗教學不再局限于實驗室，擺脫設備不足、人員同一時間過于擁擠的缺陷。

2 虛擬化技術在實驗教學中應用的優勢

虛擬化技術能將不可視的結構原理或是不可重組的精密設備操作以更直觀、真實的效果展示。一方面培養學生自我訓練的意識和創新能力，另一方面培養學生操作能力。虛擬化技術為實驗教學開發提供了有效地的創新思路。

2.1 虛擬化技術在課堂實驗教學中應用的優勢

虛擬化技術應用到課堂實驗教學中，相當于將實驗室搬到課堂或是考場。以下是兩個應用案例。

⑴ 路由模擬器

以華為路由模擬器v3.0為例。華為路由模擬器v3.0的界面，它模擬華為交換機、路由器和三層交換機運行，全真VRP操作系統；可隨意組網絡拓撲圖；支持摸擬Serial，Ethernet網絡接口，支持Console口，可添加主機PC；隨模擬器附帶12個基本實驗，簡明扼要，對照實驗教程輸命令，讓你迅速成為TCP/IP網絡高手；隨模擬器附帶TCP/IP理論學習教程，介紹TCP/IP基礎、交換機和路由器原理及應用，動態路由協議。

如圖1所示，利用華為路由模擬器v3.0，課上教師可以更直觀地講解路由器、交換機的配置和組網等關鍵技術；課后學生可以進行動態路由、地址轉換配置等實驗開發。如圖2所示，在考試中，可以根據圖示在模擬器中完成配置。

⑵ 虛擬機

虛擬化技術虛擬機（Virtual Machine）指通過軟件模擬的具有完整硬件系統功能的、運行在一個完全隔離環境中的完整計算機系統。虛擬機在學習技術方面能夠發揮很大的作用。

以VirtualBox為例。VirtualBox是一款開源虛擬機軟件。VirtualBox號稱是最強的免費虛擬機軟件，它不僅具有豐富的特色，而且性能也很優異。 利用VirtualBox，可以進行多種實驗開發。可以在一臺計算機上虛擬出多臺計算機系統，并且可虛擬Windows、Mac OS X、Linux、OpenBSD、Solaris、IBM OS2，甚至Android 4.0系統等操作系統。如圖3所示，實現一臺計算機系統上安裝不同的操作系統，學習操作不同的操作系統，很好地解決硬件不足的問題。通過VirtualBox，我們也可以在一臺電腦上練習組網技術、架設Web 服務并檢測服務、測試開發的軟件在各個操作系統平臺下的效果和可靠性、安裝不可靠的軟件、測試病毒等等。

2.2 虛擬化技術在在線實驗教學中應用的優勢

隨著計算機信息技術和網絡技術的飛速發展，在線教育中使用虛擬化技術的頻率和程度越來越高。虛擬化技術的發展使得遠程學習者獲得真實教學環境成為可能[3]。云計算重要的特征之一即虛擬化[4]。云計算服務以開放為基礎，將眾多分散的資源整合在一起，用戶以簡單的硬件設備就可以方便地共享這些資源[5]。

如圖4所示，利用云計算可以在現有的VLAN和實驗設備等資源的基礎上，對資源進行重構，建立具有交互性和個性化的虛擬實驗教學平臺。虛擬實驗教學平臺充分利用云平臺提供的計算、存儲和網絡資源等功能，實現對實驗教學資源的整體管控，為學生提供一個交互和自主的實驗教學平臺。

3 結束語

本文針對實驗教學存在的問題，通過分析虛擬化技術在實驗教學中的潛在優勢，提出了將虛擬化技術應用到實驗教學的教學思路。虛擬化技術為實驗教學的創新提供了新的空間和平臺，有效地彌補了傳統實驗教學中的設備資源不足等實際問題。基于虛擬化技術的實驗教學為學生提供了一個交互和自主的學習環境，也為學生提供了多層次的實驗體系，有利于培養學生的創新思維。

參考文獻（References）：

[1] 郭鳳英.虛擬現實技術在網絡教學中的應用[J].北京聯合大

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[2] 葛萱，王清.虛擬現實技術在教學中的應用模式探析[J].中國

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[3] 張偉東，王曉.虛擬與真實相結合的遠程實訓系統研究與實

踐[J].現代教育技術，2014.24（4）：112-118

[4] 何永忠，王偉，黎琳.基于云計算的信息安全實驗教學平臺建

設[J].計算機教育，2014.1.

[5] 王慶.云計算環境下的區域性高校實驗教學資源共享[J].實

驗技術與管理，2014.31（9）：187-191