虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相結(jié)合的計算機專業(yè)教學(xué)模式探究

黃緊德

[摘 要]虛擬環(huán)境在計算機專業(yè)教學(xué)中得到極大的應(yīng)用，但是容易讓學(xué)生實踐的環(huán)境與真實的工作環(huán)境有一定差距。根據(jù)虛擬環(huán)境作用可以建立虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相結(jié)合的教學(xué)模式，該模式既能方便理論教學(xué)，又可以讓學(xué)生的實踐環(huán)境離真實的工作環(huán)境更接近，更有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

[關(guān)鍵詞]虛擬環(huán)境 真實環(huán)境 計算機專業(yè)教育

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）09-0129-03

虛擬環(huán)境是利用軟件模擬硬件和軟件系統(tǒng)的環(huán)境。虛擬環(huán)境教學(xué)是利用仿真軟件模擬出專門的硬件和軟件系統(tǒng)來進行教學(xué)的一種教學(xué)手段。虛擬環(huán)境給教、學(xué)以及實訓(xùn)（實驗）帶來很大的變革，[1]并且隨著計算機仿真軟件對實際環(huán)境模擬的發(fā)展，很多虛擬環(huán)境基本上是真實環(huán)境的再現(xiàn)，可以完全模擬真實環(huán)境的所有功能，甚至可以實現(xiàn)真實環(huán)境的功能。因此模擬環(huán)境在現(xiàn)代教育中得到廣泛的應(yīng)用。

虛擬教學(xué)環(huán)境給教學(xué)帶來了極大的便利[2]，但同時也將學(xué)生的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)定得太理想化，不利于學(xué)生的實踐動手和解決問題的能力。因此，本文在分析虛擬環(huán)境作用的基礎(chǔ)上，從計算機專業(yè)的實踐教學(xué)出發(fā)，提出了虛擬環(huán)境教學(xué)和真實環(huán)境相結(jié)合的模式，并在實際的教學(xué)中進行應(yīng)用，提出了虛擬環(huán)境下和真實環(huán)境相結(jié)合的合理教學(xué)模式的建議。

一、計算機專業(yè)教學(xué)中虛擬環(huán)境使用的現(xiàn)狀

虛擬環(huán)境是真實環(huán)境的模擬和仿真，在計算機專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，可以以分為：

（1）操作系統(tǒng)的模擬。操作系統(tǒng)的模擬是通過軟件模擬出現(xiàn)常用的操作系統(tǒng)。如微軟公司的VPC和已經(jīng)在Windows2008內(nèi)含有Hyper-v[3]。Hyper-v支持多種操作系統(tǒng)，與本身是微軟公司操作系統(tǒng)Windows有好的兼容。其基于Hyperisor技術(shù)，虛擬機可以直接和物理設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交換，因此Hyper-V虛擬機具有運行速度快和穩(wěn)定性好的特點。當(dāng)Hyper-V與虛擬桌面架構(gòu)（VDI）聯(lián)用時，Hyper-V可以實現(xiàn)客戶端計算機虛擬化，如果Hyper-V單獨使用時，可以實現(xiàn)服務(wù)端計算機虛擬化[4]。因此windows2008的Hyper-V不只是在實驗中使用，在企業(yè)的服務(wù)器部署中也得到廣泛的應(yīng)用，其可以增強了企業(yè)服務(wù)器的可管理性和降低了服務(wù)器部署的成本。還有類似功能的Vmware公司的虛擬機軟件。這些具有虛擬計算機操作系統(tǒng)的虛擬環(huán)境，可以被應(yīng)用到計算機專業(yè)課程教學(xué)中。在教學(xué)中學(xué)生可以在虛擬機中進行操作系統(tǒng)的安裝和設(shè)置，而不會破壞真實計算機中的其他應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)。同時還可以被應(yīng)用到計算機網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容中，可以快速的在虛擬環(huán)境中搭建具有多臺計算機的網(wǎng)絡(luò)。在其中就可以進行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的安裝和設(shè)置。因此，在實訓(xùn)中需要對操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進行安裝、設(shè)置、修改的實訓(xùn)課程和內(nèi)容都可以在操作系統(tǒng)模擬環(huán)境下進行。

（2）網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬。通過軟件模擬出網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)備和線路。如CISCO的packettracer。在packettrace環(huán)境中包含了組網(wǎng)的所有基本元素，如PC、服務(wù)器、通信線路、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[5]。可以組成有線局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)。在這個環(huán)境中，可以快速架設(shè)具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的虛擬網(wǎng)絡(luò)，在其中對交換機和路由器進行配置，操作過程與真實交換機完全一樣。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運行時可以跟蹤和分析數(shù)據(jù)包。另外，CISCO還有BosonNetsim和NS2模擬軟件。他們基本功能都是模擬CISCO的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過這些模擬環(huán)境，輔助、設(shè)計、驗證某種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此在計算機專業(yè)課程教學(xué)中，學(xué)生可以在模擬環(huán)境中進行計算機網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP協(xié)議分析實驗、路由器和交換機的組網(wǎng)實驗?？梢赃M行計算機網(wǎng)絡(luò)安全課程的ACL、NAT、防火墻策略設(shè)置等實驗。還可以進行網(wǎng)絡(luò)工程的路由器、交換機設(shè)置的相關(guān)實驗。

（3）電子電路的模擬。利用計算機軟件，在計算機上模擬出模擬電路、數(shù)字電路、單片機應(yīng)用系統(tǒng)。學(xué)生可以在計算機上進行電路設(shè)計、仿真、調(diào)試等通常在真實實驗室才能完成的實驗。典型的電子電路模擬軟件是proteus，它可以模擬各種模擬、 數(shù)字電路芯片和各種處理器[6]。利用其強大的模擬功能，可以在其環(huán)境中設(shè)計各種模擬電路、數(shù)字電路、單片機和各種類型CPU組成的控制電路。利用模擬的信號源和模擬測量設(shè)備對模擬環(huán)境的各種電路進行測試?？梢詫⒏鞣N編譯成HEX文件的程序燒寫到模擬的單片機和各種類型的CPU內(nèi)，對其組成的控制電路進行模擬控制，查看程序運行狀況、分析控制邏輯，結(jié)果以直觀的方式展示出來。

虛擬環(huán)境在計算機專業(yè)教學(xué)中有著其獨特的優(yōu)點：

（1）教師隨時可以備課。在計算機專業(yè)課程中，有些課程教師備課時必須在實驗室中才能進行。例如有些課程需要對設(shè)備進行設(shè)置和驗證、對計算機操作系統(tǒng)進行安裝和配置。當(dāng)這些課程所涉及的內(nèi)容可以在虛擬環(huán)境下進行時，教師可以在個人計算機中安裝相應(yīng)的虛擬環(huán)境，就可以進行實驗、實訓(xùn)的備課。甚至可以通過屏幕錄制軟件將教師實驗步驟進行錄制，上課時可以播放給學(xué)生參考。

（2）學(xué)生可以隨時實踐。在真實實驗環(huán)境下，學(xué)生課內(nèi)進行有限次數(shù)的實驗。課外沒辦法復(fù)習(xí)，因此學(xué)生對一些比較復(fù)雜的實驗操作容易忘記。如果在虛擬環(huán)境下實驗，學(xué)生可以在自己的個人計算機中安裝虛擬環(huán)境，課外就可以復(fù)習(xí)實驗操作，加固、加深對實驗的理解。

（4）實驗成本低。在真實環(huán)境的教學(xué)下，建設(shè)實驗室需要實驗場地、實驗設(shè)備和相應(yīng)的配套設(shè)備，這些會有很大的成本。虛擬環(huán)境下的教學(xué)，只需要在計算機中安裝虛擬軟件，并且各種虛擬軟件可以在同一臺計算機上安裝。即同一臺計算機可以實現(xiàn)計算機專業(yè)的很多課程的實驗。

（5）是理論學(xué)習(xí)的好幫手。平時在真實環(huán)境中只能進行一次實驗，不容易理解實驗的原理。在仿真環(huán)境下可以放慢實驗的步驟，充分分析試驗原理。

（6）是真實環(huán)境的提前演練。在進行實驗之前，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下對實驗進行預(yù)習(xí)，對實驗的步驟、命令、設(shè)置有了總體的了解。當(dāng)?shù)秸鎸嵀h(huán)境進行實驗時就可以快速地對實驗設(shè)備設(shè)置。當(dāng)遇到問題時也能快速處理。

（7）是教學(xué)資源數(shù)字化的有效手段。教學(xué)資源的數(shù)字化是現(xiàn)代教學(xué)資源共享的前提。被數(shù)字化的教學(xué)資源可以通過數(shù)字存儲設(shè)備進行共享，更多的是放到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行共享。在虛擬環(huán)境中的教學(xué)，整個教學(xué)過程本身已經(jīng)是數(shù)字化。因此在虛擬環(huán)境下，經(jīng)過簡單的記錄整個教學(xué)過程（如進行屏幕錄制），就可以得到數(shù)字化的教學(xué)資源。

（8）管理方便。真實環(huán)境下的教學(xué)，用到的實驗室、設(shè)備，在應(yīng)用前、后都必須維護、管理，耗費人力和成本。而虛擬環(huán)境，在計算機中只是一個個應(yīng)用軟件，甚至是一個文件。只要把應(yīng)用軟件和文件備份好，在發(fā)現(xiàn)虛擬環(huán)境受到破壞時，進行簡單的復(fù)制和覆蓋就可以恢復(fù)虛擬環(huán)境。

二、仿真環(huán)境與真實環(huán)境相結(jié)合的計算機專業(yè)教學(xué)模式設(shè)計

仿真環(huán)境只是真實環(huán)境的補充，不能完全代替真實的環(huán)境的教學(xué)。仿真環(huán)境由于平臺的單一性、理想化，學(xué)習(xí)時不容易發(fā)現(xiàn)問題。但在真實環(huán)境里，由于平臺的多樣性、限制條件的多樣性。在真實環(huán)境下學(xué)習(xí)，可以容易發(fā)現(xiàn)問題，進而思考解決問題的方法，最后動手去解決問題。因此真實環(huán)境比虛擬環(huán)境的實踐性更強。在實際的工作環(huán)境下，如果學(xué)生在機器上架設(shè)Linux服務(wù)器，由于不同的計算機有不同的配置，在安裝和配置Linux時需要不同的安裝方式和配置手段，這時如果學(xué)生沒有在真實環(huán)境下安裝和配置過Linux，遇到的這些問題就沒有辦法解決了。因此，為了避免這種情況的出現(xiàn)，必須設(shè)置好模擬和真實教學(xué)環(huán)境的教學(xué)模式。教學(xué)模式的基本原則是讓學(xué)生明白仿真環(huán)境的目的只是教與學(xué)的輔助手段，在真正應(yīng)用時還必須回到真實環(huán)境中。因此，類似Linux操作系統(tǒng)課程的教學(xué)，應(yīng)讓學(xué)生先從真實環(huán)境開始學(xué)習(xí)，再到虛擬環(huán)境去重現(xiàn)真實環(huán)境中學(xué)過的內(nèi)容。通過這樣一個過程，學(xué)生更能意識到模擬環(huán)境下和真實環(huán)境的緊密關(guān)聯(lián)。此后在模擬環(huán)境學(xué)習(xí)時，可以想象到真實環(huán)境下的操作。這樣可以避免模擬環(huán)境的學(xué)習(xí)和真實環(huán)境學(xué)習(xí)的脫離。本文從課程特點出發(fā)，對虛擬環(huán)境和真實環(huán)境教學(xué)模式進行設(shè)計。

（1）模式一：操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器操作類課程教學(xué)。這類課程，如果使用真實環(huán)境進行教學(xué)，必須在獨立的計算機上進行實驗。學(xué)生可以在獨立的計算機上進行操作系統(tǒng)的安裝、系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、應(yīng)用軟件的安裝、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的安裝與配置和系統(tǒng)故障的檢查和排除。這類課程除了在安裝操作體系時與計算機的配置相關(guān)比較大之外，其他的實驗都是在操作系統(tǒng)之上進行的。因此，此類課程的教學(xué)模式設(shè)置為“1/3課時的實際環(huán)境教學(xué)+2/3課時的模擬環(huán)境教學(xué)”。順序“實際-->模擬-->實際”。該模式可以讓學(xué)生從實際出發(fā)，知道在以后的工作中的使用環(huán)境。當(dāng)熟悉了實際環(huán)境并且搭建了操作系統(tǒng)后，可以在模擬環(huán)境中再安裝操作系統(tǒng)，并對真實環(huán)境和模擬環(huán)境所搭建的操作系統(tǒng)的方法進行比較。從而體驗?zāi)M環(huán)境可以理想化的模擬真實環(huán)境，并在其上安裝操作系統(tǒng)。接著后續(xù)操作系統(tǒng)上的實驗可以在模擬環(huán)境中進行。最后在課程準(zhǔn)備結(jié)束時回到真實環(huán)境中去驗證一些在模擬環(huán)境中做過的實驗。通過這樣的模式，既方便教學(xué)又能理論聯(lián)系實際。

（2）模式二：硬件和軟件相結(jié)合類課程教學(xué)。這類課程特點是在進行教學(xué)時既需要對硬件進行操作也要對軟件進行操作。實驗無論是硬件配置錯誤還是軟件配置有問題，都不能完成實驗。在真實環(huán)境下，實驗涉及的設(shè)備多、操作比較復(fù)雜，老師直接在這種環(huán)境下教學(xué)，教學(xué)的效率很低，學(xué)生在該環(huán)境下直接實驗，實驗的成功率比較低。因此這類課程的教學(xué)模式設(shè)置為“1/2課時的模擬環(huán)境教學(xué)+1/2課時的真實環(huán)境教學(xué)”，教學(xué)順序是每個知識點“虛擬-->真實”。采用這樣的教學(xué)模式，理論授課和教師的演示可以在模擬環(huán)境下進行，學(xué)生實驗準(zhǔn)備也可以在模擬環(huán)境下進行，之后在1/2的學(xué)習(xí)中在真實環(huán)境下進行，這樣就可以提高教學(xué)的效率和實驗的成功率。如微機原理及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計。

（3）模式三：電子電路設(shè)計類課程教學(xué)。這類課程的教學(xué)需要學(xué)生設(shè)計電路模塊，強調(diào)學(xué)生的實際動手能力。這類課程的教學(xué)模式是“1/3課時的虛擬環(huán)境教學(xué)+2/3課時的實際環(huán)境教學(xué)”，教學(xué)的順序是“每個知識點的局部（理論）部分進行虛擬環(huán)境教學(xué)-->實際設(shè)計電子電路”。

三、仿真環(huán)境與真實環(huán)境相結(jié)合教學(xué)模式實踐

以計算機專業(yè)教學(xué)過程實踐過程中涉及的《win？鄄dows server 2008 服務(wù)器架設(shè)與管理》、《Linux服務(wù)器配置與管理》、《基于Cisco路由器與交換機的網(wǎng)絡(luò)工程實踐》和《單片機原理及應(yīng)用》課程課程為例。這些課程教學(xué)時可以使用以上的教學(xué)模式，其中《windows server 2008 服務(wù)器架設(shè)與管理》、《Linux服務(wù)器配置與管理》可以使用模式一，《基于Cisco路由器與交換機的網(wǎng)絡(luò)工程實踐》可以使用模式二，《單片機原理及應(yīng)用》使用模式三。

《windows server 2008 服務(wù)器架設(shè)與管理》、《Linux服務(wù)器配置與管理》、《基于Cisco路由器與交換機的網(wǎng)絡(luò)工程實踐》利用“計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室”進行教學(xué)和實訓(xùn)，實驗室有4個網(wǎng)絡(luò)實驗機柜，每個機柜有2個Cisco路由器、1個Cisco三層交換機、1個Cisco二層交換機、1個防火墻和8個具有雙網(wǎng)卡PC機。4個實驗機柜的32個PC機用其中的1塊網(wǎng)卡連接成為1個局域網(wǎng)。PC機具有硬盤保護系統(tǒng)，安裝多操作系統(tǒng)，和實驗用的分區(qū)不保護（給學(xué)生學(xué)習(xí)安裝操作系統(tǒng)），上課用的操作系統(tǒng)安裝有vm、vpc、packet tracer、Boson Netsim、NS2和屏幕錄制軟件。

（1）進行《windows server 2008 服務(wù)器架設(shè)與管理》課程教學(xué)時，采樣模式一，先給學(xué)生直接在PC未保護分區(qū)上安裝windows server 2008（實際環(huán)境下實訓(xùn)），在windows2008熟悉相關(guān)的界面和環(huán)境，如IP地址設(shè)置、訪問互聯(lián)網(wǎng)等。接著在VPC虛擬機下用相同的步驟安裝windows server 2008（虛擬環(huán)境），學(xué)生會發(fā)現(xiàn)在虛擬環(huán)境下安裝和真實環(huán)境下按的步驟一樣，同時備份好虛擬硬盤供以后實驗使用。往后的服務(wù)器的安裝與配置中在vpc虛擬機中進行。在實驗過程中每次都可以從干凈環(huán)境開始，可以進行快照，可進行屏幕錄像。在本門課在模擬環(huán)境中完成所有內(nèi)容的課程教學(xué)后，要求學(xué)生在真實環(huán)境中做一個比較大的網(wǎng)絡(luò)項目，涉及WEB、FTP、DNS、NAT服務(wù)的安裝與配置（回到真實環(huán)境）。這樣的教學(xué)模式可以提高教學(xué)效率和降低實訓(xùn)難度。《Linux服務(wù)器配置與管理》的教學(xué)同樣采用的是模式一。過程與windows2008類似。

（2）《基于Cisco路由器與交換機的網(wǎng)絡(luò)工程實踐》該課程是屬于要對思科網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行硬件的連接和設(shè)備軟件的設(shè)置。因此采用教學(xué)模式二。在每個知識點教學(xué)時，可以先在模擬器上（如packet tracer）進行網(wǎng)絡(luò)搭建和理論的講解。當(dāng)在模擬環(huán)境下實驗成功后，接著將模擬環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)置步驟、命令，在真實的環(huán)境下進行驗證。通過這樣的步驟，學(xué)生能很好地理解相關(guān)的理論知識同時可以較快速的在真實環(huán)境下實際，進而了解在真實環(huán)境下也有與模擬環(huán)境不同的地方，如接線是否牢固、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否原先有其他的設(shè)置。

（3）《單片機原理及應(yīng)用》課程可以在“微機原理實驗室”進行課程的實訓(xùn)。該實驗室有11個實驗桌，每個實驗桌都配置有1臺PC機、微機原理實驗箱、單片機學(xué)習(xí)板、相關(guān)的電路模塊和相關(guān)的測試儀器。軟件有windows xp操作系統(tǒng)、proteus、masm、Keil、LabView和保護軟件。這樣的實驗環(huán)境很適合模擬環(huán)境與真實環(huán)境的教學(xué)結(jié)合?！秵纹瑱C原理及應(yīng)用》的每個知識點都可以先在proteus仿真環(huán)境下進行理論講解和實驗，同時可以分析程序和電路運行是否符合要求。

四、結(jié)束

采用虛擬環(huán)境與實際環(huán)境相結(jié)合的教學(xué)模式，在計算機專業(yè)的相關(guān)課程中，增強了學(xué)生的理論知識的理解，加強了學(xué)生的實踐動手能力和解決問題能力，提高了教學(xué)效率。本文提出的教學(xué)模式所使用的實驗室，因為有了模擬環(huán)境的存在，有利于實驗室的維護和管理。教師教學(xué)如果采用本文提出的模式，可以很好發(fā)揮教學(xué)效果的后續(xù)拓延，如錄制教師上課操作步驟和學(xué)生操作過程，以便得到教學(xué)過程的數(shù)字化資源，并進行網(wǎng)絡(luò)共享，以便學(xué)生復(fù)習(xí)使用，發(fā)揮該教學(xué)模式優(yōu)勢。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責(zé)任編輯：戴禎杰]