虛擬機技術在計算機實驗教學中的應用探討

基金項目:陜西省教育廳科研專項基金資助項目[05JK186]

[摘要] 討論了高校計算機實驗教學的現狀，闡述了虛擬機的基本概念和主要特點，就“虛擬機”技術在實驗教學中的應用和意義進行了分析，得出了在計算機實驗教學改革中應用虛擬機技術的可行性結論。

[關鍵詞] 虛擬機技術 實驗教學 應用

一、計算機實驗教學的現狀

當前，由于我國高校招生規模不斷擴大，而實驗設備和實驗場地不能及時得到擴充，實驗教學資源非常緊張。另外，實驗設備的過度使用，同時實驗設備不能及時得到應有的維護，更加重了這一惡性循環。如何有效利用有限的設備，完成實驗教學，并確保實驗質量，成為各高校面臨的重要課題。

2005年1月，在教育部下發的《關于進一步加強高等學校本科生教學工作的若干意見》中明確指出:“要不斷改進實踐教學內容，改進實踐教學方案，加強各種形式的實踐教學基地和實驗室建設”。可見實驗教學質量的高低很大程度上取決于實驗室建設的水平。計算機作為一門實踐性很強的學科更是如此，為了培養具有高質量、高素質、高應用能力和具有創新精神的計算機人才，如何不斷改進和完善計算機實驗與實踐性教學內容、教學方法、教學體系，進一步加強計算機實驗室建設顯得尤為重要。

筆者認為實驗資金、實驗設備及場地在短期內不能得到有效緩解的前提下，使用虛擬計算機技術構建實驗環境，開展計算機實驗、無疑是一種好的實驗方法。

由虛擬機軟件構建的虛擬實驗系統可以在其他專用實驗室或公共計算機房平臺上無損開展交互式驗證、設計以及研發等實驗。這樣既節省了資金投入、挖掘了設備潛力，又緩解了實驗設備嚴重不足、實驗教師工作量過大等突出矛盾，也能給學生課內外的自主學習提供可能。

二、虛擬機技術簡介

1.虛擬機概念

什么是虛擬機?通俗地說，虛擬機(Virtual Machine)是電腦中的電腦，是利用軟件虛擬出來的電腦，是在現有的操作系統上虛擬出來的一個新的子系統。其中，運行虛擬機的電腦分為主系統(Host)和子系統(Guest)，主系統就是用戶的電腦，直接控制操作系統和硬件，稱為宿主機，子系統則是利用軟件在主系統中虛擬出來一個硬件環境，稱為客戶機或虛擬機。由主系統(宿主機)創建的虛擬機，與真實的計算機幾乎一模一樣，不但有自己獨立的CPU、硬盤、內存及各種硬件，甚至還有自己的BIOS。用戶也可以在虛擬機上安裝Windows、Linux等真實的操作系統及各種應用程序，但用戶在虛擬機中的任何操作均不會對主系統造成任何影響。虛擬機與主系統之間的關系如下圖所示：

2.虛擬機的主要特點

從上面的介紹我們可以看到，要構建一個虛擬的實驗環境，并不需要額外的硬件設備，只需在實驗室或機房現有系統上加裝一個虛擬機軟件平臺即可。目前針對PC機的虛擬機軟件主要有VMware和Virtual PC兩種 ，而VMware因其在執行效率、網絡功能、顯示界面以及跨平臺支持等優點而被廣泛運用，它包括Workstation、GSX server等多種版本，本文就VMware Workstation構建虛擬計算機實驗環境作初步的探討。虛擬機的主要特點如下:

(1)在同一臺主機上可以同時運行多個虛擬機，每個虛擬機都可安裝不同的操作系統，就如同一臺獨立的PC，各虛擬機與主機之間還可以進行對話、共享文件、應用網絡資源，甚至還可以運行C／S方式的應用。

(2)在虛擬機上安裝其他操作系統，是把操作系統安裝在主機硬盤中虛擬出來的一個特定文件中，并不需要對物理硬盤進行分區操作，虛擬機系統與主機系統有良好的隔離性，在虛擬機上進行的操作對主機現有的硬盤分區和數據都不會造成任何破壞。

(3)虛擬機具有硬件無關性特點，在主系統上虛擬出的硬件都是相同的，可以簡單地在不同的主機之間復制后直接使用，不用考慮硬件差異，因此在實驗中對虛擬機系統造成的任何損壞可以得到快速的恢復。

三、虛擬機技術在計算機實驗教學中的應用及意義

1.虛擬機技術在實驗教學中的主要應用

虛擬機技術在實驗教學中的主要應用有：

(1)基礎類實驗：如Windows及一些應用程序、工具軟件的安裝與使用;(2)操作系統類實驗：如磁盤分區、格式化、安裝DOS、Windows、Linux、NoveH等操作系統;(3)計算機網絡類實驗：如局域網的組網、配置、家庭網絡配置、Net meeting桌面共享和遠程程控制、Telnet及FTP實驗，不同系統之間的互聯和資源共享(如Linux下的Samba服務)等;(4)系統安全類實驗：如木馬程序、網絡攻擊等;(5)機群(PC cluster)搭建：如服務器機群搭建、PC機群搭建，等等。

(2)在實驗教學中應用虛擬機技術的意義:從實驗的角度來看，虛擬實驗環境的建立，有利于實驗的正常開展，有利于發現問題、縮短周期、節省費用、保證質量。構建實體計算機實驗往往需要投入大量的資金，配備相應的計算機硬件設備。在人員和設備投入不足的情況下，學生只能多人分組進行實驗。而在虛擬實驗環境下開展實驗活動只需準備相關軟件及對原有計算機設備進行局部升級(如：內存)即可建立學生與設備間一對一的實驗環境。

從課程的角度看，虛擬實驗環境可以輕松應付一些動手實踐較強的課程，如：《計算機組裝與維護》、《常用工具軟件使用》、《軟件維護與病毒防治》、《計算機網絡》、《計算機信息安全》、《網絡管理技術》、《操作系統》等，以前對于這些課程，由于實習的內容可能會導致系統崩潰或要安裝其他操作系統，一般都要在專用機房或實驗室才能完成，但現在就可以在安裝了虛擬機的普通機房或其他實驗室進行。

從機房管理維護的角度看，虛擬實驗技術的使用既方便了實驗工作人員的管理，也降低了工作的強度:一方面，機房工作人員無需安裝多個操作平臺就可滿足不同課程對不同平臺的需求，也不必擔心某些實驗會導致系統崩潰而疲于恢復系統。實驗工作人員可以把一些常用的不同平臺的虛擬機文件放在服務器上，開放給學生，當需要不同的操作平臺或系統崩潰時，可以從服務器端重新下載文件，快速恢復系統;另一方面，虛擬實驗技術的使用也可以提高普通機房的利用率，增強設備的共享能力，減輕專用實驗室或機房的使用壓力，減少實驗設備的維護量，同時也方便實驗室更合理地安排實驗課程。

另外，隨著驗證性實驗逐步減少，綜合設計性及研究性實驗的逐步增加，教師或學生涉及的實驗項目已不僅僅局限于書本上的“假”課題。在實際項目開發過程中，實驗個體可根據需要自主開展不同實驗項目，而不過多地受時間、條件和人員等的限制。

四、結論

虛擬機實驗環境提供的是一個近于真實的環境，除了硬件的物理連接外(如主板、CPU、顯卡、網卡、網線等連接)，只要能在“虛擬機”上完成的實驗，就能夠在真實的機器上完成，所以采用虛擬機技術構建的實驗環境實驗質量不會受到影響，完全符合教學要求。

由于虛擬機系統與主機系統有良好的隔離性，在虛擬環境下，學生不用顧慮到對主系統的破壞，可以放心進行各種實驗操作，帶來更好的實驗效果，就算在當次實習課內完成不了所有操作也不會導致主系統崩潰，而影響另外班級的上機實驗課程，從而極大地激發了學生學習興趣。

綜上所述，基于虛擬機技術的虛擬實驗環境的建設在一定程度上不僅可以緩解當前實驗設備和場地不足的問題，很好地滿足了實驗課多種環境的需求，保證了所有實驗課的正常開出。而且提高了學生學習的積極性和主動性，增強了學生的動手能力，也提高了實驗室設備的利用率。

“虛擬機” 技術的出現，給實驗教學提供了一種有效的實驗方法，而且可在一定程度上提高了實驗設備的共享性和安全性，減少了實驗室管理的難度，同時教學質量也不會受到影響。因此，推廣“虛擬機”在實驗教學中的應用，是一種有益的嘗試。

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