虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)的應(yīng)用

楊麗+常潔+遆佳

虛擬技術(shù)利用對物理實際的邏輯進(jìn)行抽象，實現(xiàn)軟件、硬件分離，從而實現(xiàn)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用。其技術(shù)日益成熟，正在成為計算機(jī)教學(xué)的重要輔助手段。虛擬技術(shù)可以幫助改善計算機(jī)教學(xué)中硬件設(shè)備有限、投入成本高、計算機(jī)教師工作量大等不足。虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用打破了原有的空間時間二維限制，為老師計算機(jī)教學(xué)提供便利，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供方便，正在成為計算機(jī)教學(xué)應(yīng)用的大勢所趨。

1 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的設(shè)計

1.1 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀

計算機(jī)教育的基礎(chǔ)是計算機(jī)實驗室。信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及計算機(jī)教學(xué)內(nèi)容的要求，使得計算機(jī)實驗室必須具備多種操作系統(tǒng)和多種應(yīng)用環(huán)境。目前，主流計算機(jī)實驗室的計算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)為微軟Windows7操作系統(tǒng)，兼顧Linux系統(tǒng)配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。計算機(jī)教學(xué)由一名教師對應(yīng)幾十名甚至上百名學(xué)生教學(xué)，是典型的一對多教學(xué)。在缺乏虛擬技術(shù)的計算機(jī)教學(xué)中，對整個計算機(jī)實驗室安裝軟件、配置系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨大的工程。單純由計算機(jī)教師來人工完成，不僅效率低，成功率也難以保障。這就需要虛擬技術(shù)介入計算機(jī)教學(xué)。

當(dāng)前，我國計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用虛擬化技術(shù)主要體現(xiàn)在以下三方面：一是多課程實驗環(huán)境下的虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用；二是移動存儲設(shè)備的虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用；三是虛擬技術(shù)在建立網(wǎng)絡(luò)教室中的應(yīng)用。虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用還包括對不同功能的服務(wù)器進(jìn)行支持，最典型的是教務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器、文獻(xiàn)期刊數(shù)據(jù)庫的圖書館鏡像服務(wù)器等。采用虛擬技術(shù)的計算機(jī)教學(xué)可以提高管理效率，降低服務(wù)器能耗，降低管理成本，有效整合服務(wù)器資源，極大改善現(xiàn)有的計算機(jī)教學(xué)模式。

1.2 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的優(yōu)勢

虛擬技術(shù)給計算機(jī)教學(xué)帶來革命性的變化?？梢哉f，虛擬技術(shù)使計算機(jī)教學(xué)邁入了一個新的里程碑。在計算機(jī)教學(xué)中引入虛擬化技術(shù)可以有效節(jié)約實驗設(shè)備，節(jié)約建設(shè)資金，充分挖掘現(xiàn)有設(shè)備的潛力，緩解實驗設(shè)備不足和學(xué)校管理人員工作量過大的問題。

虛擬化技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用，最大的優(yōu)點是為教師和學(xué)生提供了一個幾近真實的模擬環(huán)境，滿足了計算機(jī)教學(xué)中各項實踐及軟硬件的要求。虛擬技術(shù)使用方便，維護(hù)簡單，成本低，安全高，具有較強的可移植性和簡易安裝功能。理論上，一臺物理計算機(jī)可以獨立運行，各個計算機(jī)之間互不干擾，可以同時運行多臺虛擬計算機(jī)。一臺出現(xiàn)故障，不影響其他物理主機(jī)和虛擬機(jī)計算機(jī)的運行。與此同時，采用虛擬技術(shù)建立的計算機(jī)教學(xué)模式具有易于移植的特點。每一個老師和學(xué)生都可以使用虛擬機(jī)自己來搭建虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使老師和學(xué)生更直觀地掌握課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生甚至可以在宿舍利用自己的筆記本電腦進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建，自主學(xué)習(xí)，隨時學(xué)習(xí)。

1.3 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的類型

虛擬機(jī)和系統(tǒng)虛擬化是應(yīng)用于計算機(jī)教學(xué)中的最常見的虛擬化技術(shù)。除此之外還有網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化、服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化、應(yīng)用虛擬化、高級語言虛擬化等。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化同屬于基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)虛擬化。網(wǎng)絡(luò)虛擬化是指整合網(wǎng)絡(luò)硬件資源，向終端提供VLAN的技術(shù)。計算機(jī)教學(xué)采用虛擬專用網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)，將抽象后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，允許學(xué)生隨時訪問內(nèi)部資源。網(wǎng)絡(luò)虛擬化方便計算機(jī)教師管理IT環(huán)境，防止來自Internet中的攻擊，滿足學(xué)生安全訪問的要求。儲存虛擬化利用RAID技術(shù)，將物理磁盤組合配置成磁盤矩陣，實現(xiàn)高性能空間存儲，從而達(dá)到數(shù)據(jù)安全性。NAS和SAN是現(xiàn)有的計算機(jī)教學(xué)中網(wǎng)絡(luò)虛擬儲存技術(shù)的典型代表。

服務(wù)器虛擬化、桌面虛擬化同屬于系統(tǒng)虛擬化。系統(tǒng)虛擬化不僅可以實現(xiàn)計算機(jī)教學(xué)操作系統(tǒng)與物理計算機(jī)相隔離，還可以使多個虛擬操作系統(tǒng)同時運行在一臺物理計算機(jī)上，真正實現(xiàn)計算機(jī)教學(xué)虛擬化運作。服務(wù)器虛擬化主要針對CPU、內(nèi)存、設(shè)備與I/O這三種硬件資源實現(xiàn)的虛擬。而桌面虛擬化則是將學(xué)生桌面環(huán)境托管，將每位學(xué)生的個性化桌面存儲在服務(wù)器上，學(xué)生可以通過不同的終端訪問該桌面。當(dāng)操作系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，通過對虛擬機(jī)快照、備份，可以還原保存好的桌面環(huán)境。

應(yīng)用虛擬化、高級語言虛擬化同屬于軟件虛擬化。計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用虛擬化，主要是為應(yīng)用軟件提供虛擬運行環(huán)境，為其提供可供運行的執(zhí)行文件。教師或?qū)W生操作完成后，新的數(shù)據(jù)將被同步上傳到服務(wù)器保存，同樣可以實現(xiàn)在不同終端上操作。工具欄虛擬化應(yīng)用在計算機(jī)教學(xué)中，主要體現(xiàn)在解決可執(zhí)行程序在不同架構(gòu)體系之間的數(shù)據(jù)遷移上。

2 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的實現(xiàn)

2.1 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用方式

結(jié)合我國現(xiàn)有的計算機(jī)教學(xué)內(nèi)容特點及課程設(shè)置，有針對性地部署Vmware Workstation虛擬化技術(shù)和Xen虛擬化技術(shù)，能夠有效解決教學(xué)中多臺物理計算機(jī)、多個實驗環(huán)境帶來的管理問題。通過在一臺教師計算機(jī)服務(wù)器中進(jìn)行虛擬化部署，將教師主機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送端，利用電子教室傳送數(shù)據(jù)到制定好的學(xué)生虛擬實驗機(jī)上。

2.2 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用部署

首先，準(zhǔn)備一臺教師計算機(jī)作為宿主服務(wù)器，在其上安裝windows操作系統(tǒng)，并部署虛擬機(jī)系統(tǒng)Vmware Workstation。其次，在學(xué)生計算機(jī)上創(chuàng)建虛擬機(jī)VM1，在其上安裝Windows 2003 server，并按需部署其他服務(wù)協(xié)議。按照建立VM1的步驟建立多個虛擬機(jī)VM2、VM3、VM4直至VMn，并實現(xiàn)虛擬機(jī)之間的互訪。最后，建立共同的虛擬機(jī)XEN，在其上安裝Linux操作系統(tǒng)Red Hat ASS。

3 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用的測試

3.1 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用前后的CPU測試

通過對比%C1 Time、%Interrupt Time、Interrupts/sec這三項CPU核心數(shù)據(jù)在虛擬技術(shù)應(yīng)用前后的不同表現(xiàn)，可以得出虛擬技術(shù)應(yīng)用后，CPU的主要功能性指標(biāo)下降，但降低的幅度對計算機(jī)整體使用并無實質(zhì)影響。三項指標(biāo)降低的原因具有相同性因素，即運行虛擬機(jī)后CPU處于低能量空閑狀態(tài)的部分降低，運行速度減慢，其負(fù)面效應(yīng)都是在可控范圍內(nèi)能夠接受的。

3.2 虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中應(yīng)用前后的內(nèi)存測試

通過對比Committed Bytes、Page Reads/sec、Page Writes/sec、Pages Input/sec這四項內(nèi)存核心數(shù)據(jù)在虛擬技術(shù)應(yīng)用前后的不同表現(xiàn)，可以得出虛擬技術(shù)應(yīng)用后，內(nèi)存的四項主要功能性指標(biāo)中兩項減小，兩項不變。這是因為虛擬機(jī)的運行會相應(yīng)地占用部分內(nèi)存，但占用的內(nèi)存很小，甚至可以忽略不計。

4 結(jié)語

虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用不是一朝一夕能夠?qū)崿F(xiàn)的，更非一蹴而就的，需要計算機(jī)教師循序漸進(jìn)、科學(xué)合理地按照學(xué)校現(xiàn)有的計算機(jī)實驗設(shè)備分析研判，設(shè)計出適合計算機(jī)教學(xué)運行的虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再對虛擬機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行部署，搭建計算機(jī)教學(xué)平臺。在教學(xué)資源允許的條件下，建立云計算實驗室。將計算機(jī)教學(xué)從虛擬化升華到云計算，實現(xiàn)跨系統(tǒng)資源有效整合，進(jìn)而大幅提升計算機(jī)教學(xué)水平。

作者簡介

楊麗（1982-），女，漢，四川成都人，四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，教師，本科學(xué)歷，計算機(jī)科學(xué)方向。