基于虛擬系統(tǒng)技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理課程中以學(xué)生為中心的教學(xué)方法探討

秦 川 甘昕艷 高 翔 唐曉年 鄧雪蓮 沈劍敏（廣西中醫(yī)藥大學(xué)，廣西 南寧 530001）

0 引言

21 世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，隨著互網(wǎng)+、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的飛速發(fā)展，與中醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的融合和滲透越來越深入，中醫(yī)藥以及醫(yī)院信息化已經(jīng)成為中醫(yī)藥以及醫(yī)院發(fā)展的一個重要趨勢。 因此相關(guān)用人單位對有中醫(yī)藥醫(yī)學(xué)背景同時又具有計(jì)算機(jī)信息專業(yè)知識能力的復(fù)合型人才有著較為緊迫的人才需求。 為滿足社會對該類型人才的需求，并產(chǎn)生良好的社會效益，不少醫(yī)學(xué)類院校紛紛開設(shè)以醫(yī)學(xué)醫(yī)藥為背景的計(jì)算機(jī)信息類專業(yè)。

1 面臨的需求

但是由于醫(yī)學(xué)院校在工科類專業(yè)的專業(yè)建設(shè)上比較薄弱，在對專業(yè)中計(jì)算機(jī)信息類的專業(yè)課程教學(xué)中不論從師資力量、 實(shí)驗(yàn)室硬件及軟件配備上都有諸多的不足。 同時報讀這類專業(yè)的學(xué)生，由于理工類課程基礎(chǔ)較差，對計(jì)算機(jī)信息類的程序設(shè)計(jì)課程，缺乏學(xué)習(xí)的熱情和主動性。 由于缺乏熱情在課堂上和課外學(xué)習(xí)個體之間缺乏必要的學(xué)習(xí)討論和橫向交流，學(xué)生在稍微遇到一點(diǎn)知識點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)和困難就會出現(xiàn)難以解決的情況，從而在學(xué)習(xí)心態(tài)上產(chǎn)生退縮以致無法很好地完成專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。 由于班級學(xué)生人數(shù)較多，在學(xué)生遇到章節(jié)的難點(diǎn)以及作業(yè)和強(qiáng)化練習(xí)的難點(diǎn)時授課教師無法及時，參與干預(yù)到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程并對其提供強(qiáng)有力的幫助，除非學(xué)生具有較強(qiáng)的持之以恒的學(xué)習(xí)精神，往往這些困難和知識的盲點(diǎn)就會被學(xué)生帶過。 并且在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生往往是被動地接受知識，不是主動的學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容而找尋各種案例的答案，這導(dǎo)致學(xué)過的內(nèi)容往往不能熟悉和牢固， 甚至?xí)霈F(xiàn)課程結(jié)束后知識就丟回給老師的情況。 在畢業(yè)的時候，在需要到相關(guān)專業(yè)課知識進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時， 又只好重新拿起學(xué)過的課程進(jìn)行二次學(xué)習(xí)，這樣極大的降低學(xué)習(xí)的效率，浪費(fèi)了在高校中的學(xué)習(xí)時間。

為了解決上述問題，響應(yīng)新世紀(jì)教學(xué)改革的號召運(yùn)用新的技術(shù)，解決新的問題。 首先考慮在課程中解決學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的問題， 強(qiáng)化學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使其能主動找尋章節(jié)知識點(diǎn)的關(guān)鍵內(nèi)容，并用來解決各種布置的課程作業(yè)上。 其次充分利用虛擬互聯(lián)網(wǎng)和虛擬系統(tǒng)的現(xiàn)代化技術(shù)提高計(jì)算機(jī)課程的專業(yè)老師的教學(xué)效率。 通過虛擬系統(tǒng)高效率地提供友好的軟件學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生可以從軟件環(huán)境部署、程序設(shè)計(jì)編寫各種程序語言的源代碼，建立工程文件、鏈接、最終生成可執(zhí)行文件等一系列過程有一個完整的實(shí)踐流程。 以虛擬平臺為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心的教學(xué)方法為組織核心，在教學(xué)上將知識點(diǎn)由易到難將知識點(diǎn)和授課章節(jié)進(jìn)行階梯化設(shè)計(jì)，同時在教學(xué)的過程中基于虛擬平臺普以各種現(xiàn)代化的監(jiān)督和幫助鼓勵機(jī)制，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不再感到孤單，并且有足夠的興趣和動力完成計(jì)算機(jī)信息類課程的學(xué)習(xí)。

2 虛擬化平臺介紹

在本研究中我們將引入以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的虛擬機(jī)組成的平臺，架設(shè)一個有多個虛擬機(jī)和虛擬的局域網(wǎng)組成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。 作為我們以學(xué)生為中心的教學(xué)改革的硬件支撐并在此基礎(chǔ)上對教學(xué)方法，教學(xué)過程進(jìn)行各種有益的創(chuàng)新和嘗試。

虛擬化平臺是指一臺或數(shù)臺并行運(yùn)行的計(jì)算機(jī)上通過虛擬機(jī)系統(tǒng)軟件對硬件資源的分配虛擬出來具有獨(dú)立邏輯和系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。 每一臺虛擬機(jī)由于分配有完整的計(jì)算核心，主存和獨(dú)立的CMOS、硬盤和操作系統(tǒng)所以它和實(shí)際的計(jì)算機(jī)一樣擁有完整的軟硬件配置和功能。 在虛擬機(jī)系統(tǒng)軟件的管理下既可以像使用普通計(jì)算機(jī)一樣對虛擬的主機(jī)進(jìn)行分區(qū)、 格式化、安裝系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等操作也可以由上層的虛擬機(jī)管理統(tǒng)一實(shí)施分區(qū)、格式化、安裝系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。在建立了多個虛擬機(jī)后還可以在虛擬機(jī)件建立虛擬局域網(wǎng)，提供更進(jìn)一步的云計(jì)算和云存儲服務(wù)。

當(dāng)前主流的虛擬機(jī)平臺軟件主要有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC 和H3C CAS 虛擬化平臺。 由于“虛擬機(jī)”能夠模擬計(jì)算機(jī)的硬件操作的特點(diǎn)，故具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

2.1 虛擬化平臺的“虛擬機(jī)”軟件管理高效

實(shí)驗(yàn)室中虛擬機(jī)可以給每臺學(xué)生要電腦提供虛擬桌面， 應(yīng)用軟件可以在虛擬桌面服務(wù)端集中部署，虛擬機(jī)在學(xué)生端應(yīng)用層面可以屏蔽硬件平臺的差異以模擬不同硬件的客戶端的使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)了件平臺的異構(gòu)性，支持軟件跨平臺運(yùn)行。 同時軟件還可以在虛擬機(jī)中不經(jīng)修改地運(yùn)行， 實(shí)現(xiàn)隔離狀態(tài)下運(yùn)行、實(shí)時遷移，以滿足實(shí)驗(yàn)及軟件測試要求。

2.2 虛擬化平臺的“虛擬機(jī)”系統(tǒng)部署快捷

大部分虛擬機(jī)支持動態(tài)資源分配功能，可實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)資源（CPU、內(nèi)存、磁盤、網(wǎng)卡等）在線/離線動態(tài)調(diào)整。 可以快捷的復(fù)制虛擬機(jī)方案給客戶端或?qū)W生端使用，一個單獨(dú)的虛擬硬盤文件就可以將一個系統(tǒng)以及安裝的應(yīng)用軟件等內(nèi)容封裝其中， 通過這種封裝形式，虛擬機(jī)方案可以快速地備份、安裝、復(fù)制、分發(fā)給學(xué)生客戶端。 有效地降低了軟件的管理、 配置的難度，增加了軟件部署的方便性和靈活性。

3 虛擬化平臺管理性強(qiáng)

虛擬化平臺將服務(wù)器主機(jī)和虛擬機(jī)都組織到集群中，提供了清晰的分層結(jié)構(gòu)視圖，直觀地展示了數(shù)據(jù)中心、主機(jī)池、集群、主機(jī)和虛擬機(jī)之間的關(guān)系，大大簡化了資源管理的工作量。 虛擬機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)、休眠，甚至虛擬硬件的添加、修改、刪除等操作都具有編程接口并可以在線操作，可以實(shí)現(xiàn)硬件資源的遠(yuǎn)程管理和集中管理。

4 用虛擬機(jī)解決的過程和教學(xué)方法

通過對上述虛擬化平臺介紹，我們在教學(xué)中以計(jì)算機(jī)組成原理這一課程為例實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)方法：

4.1 快速熟悉課程和實(shí)驗(yàn)平臺

使學(xué)生能迅速地進(jìn)入到良好的學(xué)習(xí)狀態(tài)。 虛擬平臺能很方便地虛擬出一臺性能強(qiáng)大的服務(wù)器主機(jī)，在安裝了云教學(xué)軟件后，可以給教師提供強(qiáng)大的教學(xué)演示功能，同時虛擬平臺會虛擬出足夠數(shù)量的虛擬桌面系統(tǒng)，并投放到每一臺學(xué)生機(jī)上。

教師可以通過教學(xué)軟件現(xiàn)場演示這些虛擬桌面系統(tǒng)的使用方法。 學(xué)生機(jī)上的虛擬系統(tǒng)所獨(dú)有的可以實(shí)時調(diào)整硬件參數(shù)的功能，可以讓學(xué)生自由調(diào)整本系統(tǒng)的CPU 核心數(shù)，運(yùn)行內(nèi)存的容量，外存硬盤的容量。在調(diào)整完相關(guān)硬件參數(shù)后，可以馬上用系統(tǒng)自帶的硬件性能測試軟件對該硬件配置進(jìn)行性能測試，由此可以看到不同的硬件配置，所能帶來的最直觀的不同的硬件性能，以便了解到不同計(jì)算機(jī)組成部件性能參數(shù)的變化，對計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)在哪方面性能會有直接的影響。 為了增加測試的準(zhǔn)確性，我們還可以在自帶的測試軟件之外，方便地通過虛擬分發(fā)的功能，提供更多第3 方，更有針對性的硬件性能測試軟件，讓同學(xué)們在對計(jì)算機(jī)各個子系統(tǒng)的硬件參數(shù)等相關(guān)知識有一個更全面的了解。

由于是虛擬桌面系統(tǒng)，每次部署的系統(tǒng)都可以包含每次課所需要的各種應(yīng)用軟件功能。 在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理的計(jì)算機(jī)硬件功能相關(guān)知識的時候，虛擬出來的學(xué)生端可以虛擬出包括磁盤分區(qū)和陣列、操作系統(tǒng)的安裝、 應(yīng)用程序的使用和測試以及局域網(wǎng)的組網(wǎng)，模擬出基于三層交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境完成相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。 還可以虛擬出不同架構(gòu)的建設(shè)網(wǎng)站的網(wǎng)站系統(tǒng)，以及支持驗(yàn)證網(wǎng)站功能的虛擬WEB 訪問局域網(wǎng)，提供完整的Web 程序開發(fā)學(xué)習(xí)環(huán)境。

通過這種自主的學(xué)習(xí)，觀察，自行思考后所掌握到的知識點(diǎn)， 遠(yuǎn)比直接對著課本講授要生動有趣得多，也能讓學(xué)生對相關(guān)計(jì)算機(jī)硬件方面的知識，有更深刻的了解和更好的記憶。

4.2 Online Judge 系統(tǒng)的應(yīng)用

在課程進(jìn)入程序設(shè)計(jì)編寫階段， 可以讓虛擬平臺， 快速的部署出另外一臺服務(wù)器并安裝Online Judge 系統(tǒng)，為學(xué)生的程序編寫提供服務(wù)。 由虛擬平臺提供的Online Judge 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線的判題， 學(xué)生可以在線提交完成的程序作業(yè)的源代碼，（如C、C++、JAVA），系統(tǒng)對源代碼進(jìn)行編譯和執(zhí)行，并通過預(yù)先設(shè)計(jì)的測試數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)程序源代碼的正確性。 科任老師可以對每個知識點(diǎn)設(shè)計(jì)更多的作業(yè)案例，可以不特意指定學(xué)生該完成哪一道題，讓學(xué)生依據(jù)自己的興趣和能力來選擇。 同時也可以和其他同學(xué)合作完成。 或者可以將網(wǎng)上的案例導(dǎo)入到系統(tǒng)中，讓學(xué)生們自由選擇自己感興趣的案例編寫相應(yīng)的程序以獲取成績積分。 通過積分來判定學(xué)生對知識的掌握程度和學(xué)習(xí)過程中的薄弱點(diǎn)，然后對積分較少，錯誤較多，扣分較多的程序案例所涉及的知識點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)的講解和反復(fù)的輔導(dǎo)和答疑，以破除學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容中的知識盲點(diǎn)。 同時我們將該OJ 系統(tǒng)，與其他院校的OJ 系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，已實(shí)現(xiàn)各種新題型、新算法的共享，同時可以分享各種編程題的解題思路， 進(jìn)行更廣泛的交流。 在交流過程中學(xué)生不但可以接觸到跟程序編寫相關(guān)的比較新的內(nèi)容同時還可以對課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識，進(jìn)行很大程度上的驗(yàn)證和鞏固。

Online Judge 系統(tǒng)對本課程在一定程度上， 還可以充當(dāng)期末考試的考核工具。 可以將考核的編程考試內(nèi)容，以ACM 競賽的方式來進(jìn)行，這樣可以讓考試內(nèi)容最大限度接近當(dāng)前流行的程序編寫的算法及結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢， 讓同學(xué)們獲得更多的實(shí)踐鍛煉機(jī)會，同時也更能體現(xiàn)同學(xué)們對本課程的學(xué)習(xí)成果。

通過上述的學(xué)習(xí)形式可以極大地調(diào)動學(xué)生對學(xué)習(xí)編程等相關(guān)知識的積極性， 以及降低學(xué)習(xí)的困難，提高學(xué)習(xí)的興趣，自主地去完成相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

4.3 課程學(xué)習(xí)資料和私有云存儲

在自主學(xué)習(xí)的過程中，一定會遇到學(xué)習(xí)相關(guān)知識點(diǎn)后完成某個作業(yè)，出現(xiàn)不懂的情況，和困難，如果這時碰巧科任老師無法及時輔導(dǎo)，將會對學(xué)生的積極性造成較大的打擊。 而虛擬平臺具有可以架設(shè)私有云存儲和本地資料庫的能力， 我們可以虛擬出一臺服務(wù)器，建立一個基于局域網(wǎng)的web 系統(tǒng)，將錄制好的課程視頻和作業(yè)案例解答視頻分配給每個同學(xué)的私有云存儲， 同學(xué)們可以通過web 系統(tǒng)提供的交互頁面，聯(lián)系到課程的老師進(jìn)行在線解答，也可以通過頁面訪問自己私有云中共享到的課程視頻和作業(yè)案例解答視頻，由此可以讓學(xué)生在遇到學(xué)習(xí)困難時及時獲得切實(shí)有效的幫助。 使學(xué)生在完成編程作業(yè)時不再處于一種孤立無援的狀態(tài)， 可以極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的信心，降低科任老師的課后輔導(dǎo)壓力，提高整個課程的學(xué)習(xí)效率。

5 結(jié)語

通過對虛擬平臺在上述教學(xué)過程中的應(yīng)用，我們可以一定程度上改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，能為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)方法和教學(xué)資源，同時也一定程度上增加了教學(xué)考核的手段。 學(xué)生可以在線實(shí)時地對自己的學(xué)習(xí)成果隨時隨地的進(jìn)行驗(yàn)證，通過不斷的學(xué)習(xí)，不斷的自我驗(yàn)證肯定的方式，可以從心理上極大增強(qiáng)學(xué)生們學(xué)習(xí)的信心，最終對該課程傳統(tǒng)教學(xué)方式的教學(xué)效果，獲得一個較大的突破。 使學(xué)生在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理以及其他相關(guān)計(jì)算機(jī)信息程序設(shè)計(jì)類課程時，獲得更好的效果和更優(yōu)的成績。