新課程標準下高中信息技術教學中虛擬機技術應用的研究

賈衛忠 鄭興艷 江蘇省錫東高級中學

● 引言

教育部發布了2017年版普通高中課程方案和各學科課程標準[1]，信息技術學科新課程標準注重實踐，要求每個模塊單獨設立實驗室，或者相近模塊共享一個實驗室，不僅要求有數量合理、配置適當的計算機和實驗設備，還要配備滿足各模塊教學需要的軟件及網絡設施，有條件的學校還要為移動應用課程創造條件，因此機房更新壓力很大。

● 高中信息技術課程教學現狀和新課程標準要求

高中學校和學生都把重心放在語文、數學和外語等高考學科上，信息技術被看作小學科，在資金投入和日常教學中不被重視，學科弱化。

信息技術教師不但要上課，還要負責學校各類業務系統的維護，這導致信息技術教師只來得及向學生灌輸理論知識，而忽略了課程的實踐特征。

新課程標準要求信息技術學科更加注重學生實踐能力的培養，要求課程內容更加豐富多樣。然而要達到新課程標準的要求，就需要增配不同功能的教學機房，需要重新建設教學機房。虛擬機技術能很方便地解決這個問題，它能讓師生在現有教學機房的條件下完成規定的教學與實驗任務。

● 虛擬機技術的優點

虛擬機技術是在一臺服務器（或者高性能計算機）上，虛擬出很多獨立的邏輯計算機[2]，每個虛擬機都有完整的硬件系統，如虛擬的多核CPU、內存、硬盤、網絡適配器、光驅、聲卡和顯卡等。服務器稱作宿主機，可以同時產生、運行多個虛擬機，各虛擬機運行自己的系統，互不干擾。

虛擬機技術在國內外大學中已被廣泛采用，在中學應用的還不多，這是一個發展趨勢，未來會有更多的中學接受和使用虛擬機，其優點如下。

1.靈活安全

教師可以根據教學要求，在虛擬機服務器上安裝多種操作系統和軟件，搭建新課程標準各模塊的教學環境。上課時師生可以根據教學內容，登錄不同模塊，在同一個機房完成各個教學和實驗任務。

學生在學習時可大膽地嘗試和實驗，即使出現重大操作錯誤，只要通過虛擬機軟件的還原功能，如VMWare Workstation還原功能[3]，就可恢復到正確狀態。其原理是虛擬機服務器上有兩個主要文件——配置文件和安裝文件，虛擬機運行的是兩個文件的拷貝，學生的操作不影響服務器的操作系統和相關軟件。如出現錯誤，教師只要刪除拷貝，讓學生重新操作即可。

2.提供更全面的功能

虛擬機操作系統由虛擬機服務器創建，與真實操作系統沒有差別。虛擬機是利用服務器的設備虛擬而成的、標準的、兼容性最好的虛擬設備，可以用與真實計算機相同的方法更改BIOS參數設置。每個基于服務器運行的虛擬機系統都相互隔離，它們各自有自己的網絡IP地址，提供完整的功能。

3.提升教師的勞動價值

在虛擬機環境下，作為機房管理員的教師，其主要工作是做好服務器（宿主機）的軟硬件管理工作，他不再需要花費大量的時間和精力去維護管理機房電腦，能把更多的時間放在教學上，關注學生的學習狀態，關心課堂學習效率，創造一個高效的課堂環境，優化教學過程。

4.降低運營成本

虛擬機技術的核心是在一臺物理服務器上，通過VMware Workstation等軟件實現虛擬環境下的操作，不再需要很多物理服務器，減少了服務器的采購成本、電費支出、管理費用等運營成本。虛擬機技術對機房電腦要求很低，只作為操作界面，即使機房電腦用了很多年，配置落后，但只要能安裝Windows XP，就能繼續使用，節約投資。

5.提高運營效率

傳統機房建設的工作量很大，電腦采購、建網、安裝和調試周期很長，使用期的日常維護工作量也不小，前期、后期運維的經濟成本、時間成本都很高，而采用虛擬機，重點工作是做好服務器上若干個配置文件的管理維護，運營效率很高。

● 新課程標準下虛擬機設置的規劃

信息技術新課程標準把課程分為三類十個模塊的教學內容，其中必修類2個模塊，選擇性必修類6個模塊，選修類2個模塊，要求每個模塊單獨設置實驗室，或者幾個內容相近的模塊共享一個實驗室。

1.虛擬機服務器的配置

虛擬機服務器有兩種配置策略：第一種如圖1所示，是每個教學機房配置一臺，優點是學生機響應速度快，延遲小，不經校園網，可靠性高，缺點是每臺服務器都要安裝軟件，工作量大，投資多；第二種如圖2所示，是所有教學機房共享一臺，優點是教師工作量小，投資少，缺點是所有教學機房同時上課，學生機的響應速度會降低，并受校園網工作情況的影響。

江蘇省錫東高級中學在教育教學測評時用一臺聯想一體機A710做服務器，賽揚2.66GHz，2GB內存，安裝SQL Server 2000，四個機房200多位學生同時上網測評，系統響應延遲不到0.5秒。[4]服務器性能遠高于PC機，如果200多位學生同時操作虛擬機，響應速度應該不成問題。所以上面第二種方案更有吸引力。

2.虛擬機軟件模塊的設置

信息技術十個模塊的教學內容，涉及程序設計、計算機網絡、大數據及應用系統、三維創新設計和開源硬件等，根據模塊內容的相關性，規劃設置如下虛擬機。

（1）操作系統的安裝和使用

操作系統的安裝使用是信息技術最基本的操作，傳統信息技術課沒有安裝操作系統的實驗環節，對操作系統也只是偏向理論講解。學生缺少實際操作的機會，即使學習了有關操作系統的知識，操作水平也沒有多大提高，甚至使用危險命令損壞操作系統。

虛擬機可以提供一臺空白計算機，讓每個學生自己動手安裝操作系統，過程與實際安裝完全一致。在虛擬機中安裝操作系統會更加快速，沒有實際安裝時的等待時間，課堂效率大大提高。

圖1 每個教學機房配備一臺虛擬服務器

圖2 所有教學機房共享一臺虛擬服務器

（2）計算機程序設計

必修課程、選擇性必修課程和選修課程都有程序設計的要求：必修課程模塊1數據與計算模塊要求學生掌握一種程序設計語言的基本知識，編寫和實現簡單程序；選擇性必修課程模塊1數據與數據結構要求學生理解數據結構的概念，及常用的數據結構如數組、鏈表、字符串、隊列、棧、二叉樹等的概念和基本操作，數據排序、查找，并編程實現；選修課程模塊1算法初步要求學生不僅要理解算法的概念，還要把解決問題的過程用算法描述出來，理解典型算法、二叉樹遍歷等，理解算法的正確性、可讀性和健壯性。

這三個模塊可以在同一個虛擬機上實現，虛擬機安裝Window XP等操作系統，根據教材要求，安裝Visual Basic、Visual C++或Scratch等集成化程序開發環境，并提供一些簡單明了的源程序供學生學習參考。

（3）網絡基礎

目前高中一般選擇網絡基礎作為學業水平測試的選修模塊，新課程標準選擇性必修模塊2網絡基礎的實踐要求更高，不僅要求學生了解網絡核心概念，還要求學生會建立網絡、排除故障，使用網絡，提高網絡安全意識。

可以開設組建虛擬局域網的實驗課程，提供僅安裝好網絡操作系統的虛擬機，由學生動手安裝設置TCP/IP協議，使用基本網絡命令判斷安裝是否正確，能否排除故障，接入網絡后正常上網；還可以模擬真實的病毒攻擊與防御的實踐操作，讓學生在操作中掌握正確的處理辦法，深刻理解網絡核心概念。

（4）數據庫服務器和信息系統

大中型信息系統一般都需要數據庫支持，兩者緊密結合，實現某個業務應用。必修課程模塊2信息系統與社會、選擇性必修課程模塊3數據管理與分析，可以共享一個虛擬機，在虛擬機上安裝數據庫系統和若干演示信息系統。

虛擬機需要安裝支持數據庫系統的操作系統，如Windows Server 2003、Windows 2008等服務器版操作系統，根據教學需要，數據庫采用SQL Server、Access等。教師提供操作系統、數據庫管理軟件和數據庫備份，由學生安裝、調試和恢復數據庫，安裝應用系統，并測試使用，教師做好指導。

（5）三維設計與創意

選擇性必修課程模塊5三維設計與創意，旨在培養學生的空間想象力，發展學生的科學、技術、工程、人文藝術、數學等學科綜合性思維能力，屬于STEAM教育課程。

考慮到當前及未來三維創意發展趨勢，虛擬機宜安裝64位的操作系統和三維創意軟件，如Win7 64位等操作系統，采用騰信三維創新軟件或3D One軟件。

（6）開源硬件項目設計

選擇性必修課程模塊6開源硬件項目設計，要求學生搜索及利用開源硬件及相關資料，歷經作品的創意、設計、制作、測試及運行的完整過程，初步形成以信息技術方法觀察事物和求解問題的能力，提升計算思維與創新能力，在信息技術課中實現STEAM教育。

本模塊對操作系統要求不高，但考慮到未來發展，宜采用64位操作系統，安裝米思齊（Mixly）、Arduino等開源創新軟件。

● 結束語

虛擬機技術靈活方便、安全可靠，學校完全可以利用現有教學機房運行虛擬機，按新課程標準的教學模塊或教材章節開設虛擬機，減輕教師機房管理的工作量。以上虛擬機的開設僅僅是一個初步規劃，要根據實際教學情況來調整虛擬機模塊，以方便學生實踐，激發學生的學習積極性，提高課堂效率，達到培養學生信息技術素養的目的。