虛擬機(jī)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)及實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

李 悅

天津公安警官職業(yè)學(xué)院，天津 300382

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為人類的生活帶來了全方位的改變。學(xué)會使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)是現(xiàn)代人必不可少的一項(xiàng)技能。目前，全國各個(gè)大中院校都開設(shè)了《計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課程，為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識的普及提供了良好的平臺。虛擬機(jī)技術(shù)，是為了使教學(xué)手段更加豐富，教學(xué)效果更加直觀而設(shè)計(jì)的一套計(jì)算機(jī)軟件。這種軟件技術(shù)，打破了原有的多媒體式教學(xué)方式，為學(xué)生提供了直觀、可靠、易行的操作方式，使學(xué)生能夠獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而更牢固掌握所學(xué)的內(nèi)容。

一、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的現(xiàn)狀分析

隨著計(jì)算機(jī)相關(guān)課程在學(xué)校里的開設(shè)，越來越多的實(shí)踐教學(xué)都依賴于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)環(huán)境之中。與實(shí)踐性關(guān)聯(lián)緊密的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)等內(nèi)容，也逐漸加大了其在教學(xué)內(nèi)容中的比例。只要是與計(jì)算機(jī)相關(guān)的課程，無論是什么專業(yè)，都依賴于計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)教室成為不可或缺的教學(xué)設(shè)備［1］。

網(wǎng)絡(luò)教室的技術(shù)是構(gòu)架于機(jī)房之上的，筆者對于自己所在學(xué)校以及一些外校的計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行了走訪與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的今天，幾乎所有學(xué)校都投入了大量的資金用以建設(shè)機(jī)房。

這些機(jī)房大多是優(yōu)缺點(diǎn)并存，主要體現(xiàn)在：機(jī)器數(shù)量充足、操作平臺多樣、應(yīng)用軟件豐富、系統(tǒng)故障時(shí)現(xiàn)、軟件版本多樣。

在使用方面，許多高校對于計(jì)算機(jī)機(jī)房的利用率是非常高的。經(jīng)常是一間機(jī)房要被安排承擔(dān)多種計(jì)算機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作。因此，對于這種多用途的機(jī)房來說，就必須給其安裝各種課程所需的操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件，這勢必會給機(jī)房的管理和維護(hù)帶來了許多困難。在教學(xué)實(shí)踐的環(huán)節(jié)中，經(jīng)常會遇到要求學(xué)生改變硬件設(shè)置及系統(tǒng)環(huán)境配置，這些操作往往會造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的崩潰，甚至是硬件損傷，從而使計(jì)算機(jī)無法工作，影響正常的教學(xué)工作。

為了保證教學(xué)工作的順暢進(jìn)行，許多院校的機(jī)房維護(hù)人員會對機(jī)房采取統(tǒng)一管理的形式，將學(xué)生的操作權(quán)限限制在一定的范圍之內(nèi)，禁止他們做任何有可能造成計(jì)算機(jī)毀壞性的操作。采用統(tǒng)一管理、定期修復(fù)的方式，在一定程度上保持了機(jī)房內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，保證了實(shí)驗(yàn)與教學(xué)工作的順利進(jìn)行。

但是，這種管理機(jī)制僅僅適用于那些較通用的、較普遍的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對于一些專業(yè)的課程，例如，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，就需要學(xué)生們直接改變計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置，若權(quán)限被限制，便無法進(jìn)行實(shí)踐操作了。于是我們就不得不考慮更為適用的方式方法。

虛擬機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，恰恰完美地解決了這些困擾我們的問題。

二、虛擬機(jī)技術(shù)介紹

虛擬機(jī)是指使用系統(tǒng)虛擬化技術(shù)，在獨(dú)立的環(huán)境中運(yùn)行的具有完整硬件功能的邏輯計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括客戶端操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序［2］。

它借助于已有的計(jì)算機(jī)空間，使用軟件來模擬出完備的軟硬件環(huán)境，在功能上與實(shí)際的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全一樣，在使用上對用戶是透明的。這種虛擬機(jī)的系統(tǒng)，實(shí)際上是真實(shí)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，它的運(yùn)行完全依賴于主系統(tǒng)的運(yùn)行。并且，他們擁有自己的虛擬內(nèi)存、虛擬硬盤、虛擬CPU，以及虛擬聲卡、網(wǎng)卡等［3］。在虛擬機(jī)中，可以安裝各種操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序，甚至，可以在一臺主機(jī)上同時(shí)安裝2～3個(gè)不同的操作系統(tǒng)。此外，在虛擬機(jī)上安裝運(yùn)行的程序，可以不去考慮主機(jī)系統(tǒng)是否能夠兼容，虛擬機(jī)可以完全獨(dú)立地去配置自己的個(gè)性選項(xiàng)。

三、虛擬機(jī)技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的主要特點(diǎn)［3］

（一）硬件獨(dú)立性

虛擬機(jī)是一種特定軟件，它是依附于主機(jī)而運(yùn)行的一個(gè)特定文件。教學(xué)過程中對虛擬機(jī)的所有操作都限于在此文件中。它可以將自己完全獨(dú)立，與主機(jī)的操作系統(tǒng)及主機(jī)上所有應(yīng)用軟件都完全隔離。教師可以根據(jù)自己的需求，預(yù)先安裝各不相干的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)，并且可以根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行復(fù)制和使用。在教學(xué)過程中，由于操作不當(dāng)造成的對虛擬機(jī)系統(tǒng)的任何損壞都可以采取軟件的方式迅速恢復(fù)。

（二）多操作系統(tǒng)并存

可以在同一臺主機(jī)上安裝多個(gè)不同的操作系統(tǒng)，并且可以同時(shí)運(yùn)行。這一特點(diǎn)使得我們可以方便自如地去建立所需的教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，且不用重啟主機(jī)。在多個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行的過程中，我們可以方便地互相切換，大大節(jié)省了反復(fù)調(diào)用系統(tǒng)而造成的時(shí)間占用，為學(xué)生節(jié)省了學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的空間和范圍。

（三）突破單機(jī)系統(tǒng)局限性

使用虛擬機(jī)系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，配置虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，這是以往在單機(jī)系統(tǒng)上不可實(shí)現(xiàn)的功能。這種方式，節(jié)省了組網(wǎng)費(fèi)用，可以不受品牌及型號限制地使用交換機(jī)、網(wǎng)卡等虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，大大減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的資金投入和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的調(diào)試維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的維護(hù)工作量。此外，在使用虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過程中，即便是發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)毀滅性的操作，也不用擔(dān)心會影響主機(jī)的物理性能，只需要重新啟用虛擬系統(tǒng)即可。

（四）顯著提升教學(xué)質(zhì)量

教師利用虛擬機(jī)技術(shù)可以自主創(chuàng)建所需要的虛擬機(jī)環(huán)境和虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)直觀的教學(xué)模式?；谧陨韺W(xué)習(xí)的要求，學(xué)生也可以來精準(zhǔn)掌握軟件裝機(jī)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、系統(tǒng)維護(hù)等全方面的專業(yè)技能。顯然，這種方式極大地挖掘了現(xiàn)有設(shè)備的潛力，提高了教學(xué)效率，節(jié)省了系統(tǒng)搭建時(shí)間，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有利于幫助學(xué)生深刻地掌握學(xué)習(xí)的內(nèi)容，為進(jìn)一步進(jìn)行研修和創(chuàng)新提供了良好的基礎(chǔ)平臺。

四、虛擬機(jī)技術(shù)在教學(xué)中的具體課程應(yīng)用

（一）常用的虛擬機(jī)軟件［4］

虛擬機(jī)軟件具有模擬真實(shí)計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境及軟件平臺的功能。常用的虛擬機(jī)軟件有VMware系列和Microsoft系列。這兩種虛擬機(jī)軟件功能大相徑庭，在界面上稍有不同，但都非常友好，易于掌握。教師在選擇的時(shí)候，可以根據(jù)自己的偏好來確定使用哪種。

（二）虛擬機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)教學(xué)中的具體課程應(yīng)用

1.《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》：利用虛擬機(jī)軟件在一臺主機(jī)上建立多臺虛擬主機(jī)，每個(gè)虛擬主機(jī)的操作系統(tǒng)可以相同，也可以不同。分別對各個(gè)虛擬操作系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，使他們彼此互連，這樣就可以在同一臺主機(jī)上實(shí)現(xiàn)多臺虛擬主機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，由此構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以滿足網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)課程大部分教學(xué)和實(shí)踐的需要。

2.《計(jì)算機(jī)組成原理及系統(tǒng)維護(hù)》：在這個(gè)課程中，學(xué)生們更多的要接觸到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件，例如對CMOS、BIOS、主板、聲卡、網(wǎng)卡、視頻卡等進(jìn)行設(shè)置，對磁盤進(jìn)行分區(qū)調(diào)整、對操作系統(tǒng)進(jìn)行安裝及刪除或修復(fù)，對外設(shè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的安裝等等，這些操作，均可以通過使用虛擬機(jī)的虛擬操作來完成［5］。

3.《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建與管理》：針對網(wǎng)絡(luò)的組建和與管理，均可以通過虛擬機(jī)進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。例如，安裝活動(dòng)目錄來對文件系統(tǒng)進(jìn)行高效的管理；設(shè)置用戶和組的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對用戶分層分級分權(quán)限的規(guī)范管理，安裝DNS服務(wù)器用以學(xué)習(xí)IP地址的解析與反解析；安裝HTTP服務(wù)器來模擬電子郵件的收發(fā)過程，安裝IIS服務(wù)器來建設(shè)屬于自己的WEB網(wǎng)站，擁有自己個(gè)性化的主頁［6］。

4.《網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)》：目前國際上比較流行的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要有：Windows 2003 Server、Windows 2008 Server，UNIX以及Linux。對于Windows 2003 Server和 Windows 2008 Server，由于其界面與大部分功能與個(gè)人電腦版的Windows 2003和Windows 2008比較接近，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中比較容易掌握。但是對于UNIX與Linux這兩個(gè)操作系統(tǒng)而言，學(xué)生們平日幾乎沒有接觸的機(jī)會，所以非常陌生，不易掌握。借助于虛擬機(jī)軟件，我們可以在同一臺主機(jī)上同時(shí)安裝Windows、UNIX、Linux這三種完全不同的操作系統(tǒng)，并且在三個(gè)操作系統(tǒng)中來回切換。通過熟知的操作系統(tǒng)，對比著去學(xué)習(xí)不了解的操作系統(tǒng)，這樣可以大大加快學(xué)生對新知識的領(lǐng)悟，提升教師的教學(xué)效果。

通過課堂演示，可以讓學(xué)生明白自己所學(xué)的理論知識不是脫離實(shí)踐的，而是緊密聯(lián)系的，這樣可以更好地提高學(xué)生的興趣，有效提高教學(xué)效果。

（三）虛擬機(jī)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.硬件系統(tǒng)操作、軟件系統(tǒng)安裝等實(shí)驗(yàn)室內(nèi)容

當(dāng)我們要進(jìn)行磁盤分區(qū)、硬盤格式化、操作系統(tǒng)安裝的時(shí)候，都會對物理計(jì)算機(jī)的磁盤具有破壞作用，如果使用虛擬機(jī)進(jìn)行此類破壞性操作則可以避免其對真實(shí)硬件系統(tǒng)的損壞。在具體的操作過程中，我們可以選擇虛擬光盤設(shè)置中的ISO鏡像文件，啟動(dòng)虛擬機(jī)，然后進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)和實(shí)踐［7］。這種方式，不僅保證了主機(jī)系統(tǒng)的安全性，而且，還很方便在教學(xué)結(jié)束后輕松地將系統(tǒng)恢復(fù)到原先的狀態(tài)。

2.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)踐教學(xué)

針對那些與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的課程，例如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全、計(jì)算機(jī)組網(wǎng)技術(shù)等，這些課程的實(shí)踐性比較強(qiáng)，如果將實(shí)踐內(nèi)容都安置于構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，將帶來更多的安全性與便捷性。利用虛擬技術(shù)構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的所有功能，包括：局域網(wǎng)的組建；網(wǎng)絡(luò)地址的配置與分配；WEB服務(wù)器、FTP服務(wù)器、Telnet服務(wù)區(qū)、Email服務(wù)器的創(chuàng)建與管理；病毒、木馬的仿真實(shí)驗(yàn)與查殺、黑客的攻擊與防范實(shí)驗(yàn)；防火墻、入侵檢測系統(tǒng)的模擬等［8］。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，可以在同一臺計(jì)算機(jī)上，同時(shí)扮演多種不同的身份，如管理員和用戶、黑客和網(wǎng)管等，從而可以從不同的角度更深刻地理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

當(dāng)然，在實(shí)際使用的過程中，虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境技術(shù)的應(yīng)用也不是十全十美的，它也有其自身的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)有：一、對于安裝并且啟用虛擬機(jī)的主機(jī)來說，對其CPU及內(nèi)存和硬盤等的硬件要求都比較高，高配置的主機(jī)有利于虛擬機(jī)程序的運(yùn)行。二、虛擬機(jī)的配置與啟動(dòng)需要一定的時(shí)間，為了能夠給學(xué)生預(yù)留盡量多的上機(jī)時(shí)間，這就要求教師要提前做好啟動(dòng)的安排，避免在課堂上占用教學(xué)時(shí)間。三、學(xué)生在上機(jī)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，無法感受真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的故障，例如：帶寬瓶頸、網(wǎng)絡(luò)故障、掉線等［9］。

五、虛擬機(jī)技術(shù)在教學(xué)與實(shí)踐中的作用

虛擬機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，積極推動(dòng)了我們的教學(xué)工作，極大提升了教學(xué)質(zhì)量，在我們的教學(xué)工作中發(fā)揮著巨大的作用，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）提升了理論教學(xué)效果

使用VMware可以將原來只能在實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行的操作轉(zhuǎn)移到教室的學(xué)生機(jī)屏幕上，非常直觀，便于學(xué)生理解。

（二）擴(kuò)展了實(shí)踐教學(xué)手段

實(shí)驗(yàn)室的機(jī)房需要安裝用于教學(xué)的所有軟件，這些軟件往往相互影響，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行速度。若是進(jìn)行服務(wù)器操作系統(tǒng)的安裝，便更是有可能破壞整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。有了虛擬機(jī)軟件，則不再需要格式化硬盤，只需要打開硬盤空間，將操作系統(tǒng)安裝到虛擬系統(tǒng)中即可。一旦虛擬機(jī)崩潰，僅需刪除安裝文件，就像刪除垃圾文件一樣簡單，完全不會影響物理主機(jī)系統(tǒng)，從而大大保證了實(shí)驗(yàn)室原有操作系統(tǒng)環(huán)境的穩(wěn)定性。

（三）加強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)效果

在實(shí)驗(yàn)課上，通過虛擬機(jī)教學(xué)方式，可以提供給學(xué)生更加獨(dú)立的練習(xí)環(huán)境和思考空間，方便他們在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)踐性探索。雖然軟件的使用屏蔽了虛擬環(huán)境中網(wǎng)卡、交換機(jī)、集線器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出錯(cuò)的可能性，但與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比仍是一個(gè)很大的進(jìn)步。

六、結(jié)論

虛擬機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)實(shí)踐中，不僅滿足了當(dāng)前節(jié)約型社會的要求，而且使教學(xué)更加方便靈活，易于創(chuàng)設(shè)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高了教學(xué)所需實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開題率，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬機(jī)技術(shù)在教學(xué)和實(shí)踐中的學(xué)習(xí)和研究，不斷提升虛擬機(jī)技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的廣度和深度，是極其有益的嘗試。