ＶＭｗａｒｅ虛擬機技術在計算機實踐教學中的應用

摘 要：本文分析了高校計算機實驗教學的設備及環(huán)境狀況，提出了虛擬機技術的解決辦法。通過虛擬機技術可以緩解設備緊缺、實驗環(huán)境缺乏等問題。本文通過對計算機一些課程實驗特殊性的分析，結合實驗環(huán)境的公共特性，闡述了VMware虛擬機在這些課程中的具體應用。

關鍵詞：VMware虛擬機 計算機實驗教學 公共環(huán)境 應用

一、引言

高校是培養(yǎng)人才的重要搖籃，當前我國正朝著現(xiàn)代化、信息化、工業(yè)化的大國快速發(fā)展，迫切需要大量的技能型人才，高校如何能順應市場的需求，將走進學校的學生培養(yǎng)成適合國家發(fā)展和企業(yè)需求的有用人才，培養(yǎng)這種計算機技能型緊缺人才是職業(yè)教育的根本使命和當前的緊迫任務。而我國高校教育資源的投入有限，使得計算機專業(yè)課程的實驗環(huán)境難以滿足實踐教學要求。另一方面，無論是計算機專業(yè)的教師還是學生，由于計算機專業(yè)的特殊性——動手實踐，如果都只是從課本中尋求知識，不能動手實踐，很難達到預期的教學和學習效果，再加上當前大學生就業(yè)的壓力，學生希望能在學校學得更多技能，為就業(yè)創(chuàng)造良好的基礎，如何才能為計算機專業(yè)的師生創(chuàng)造一個好的教學實踐環(huán)境，完成實驗教學，確保實驗質量，成為各高校面臨的重要課題。

針對高校設備資金投入有限、實驗設備及場地緊缺和不足等問題，引入虛擬機技術——使用VMware虛擬機軟件來構建所需要的教學和實驗環(huán)境，無疑是解決當前計算機實驗環(huán)境的最好辦法。由虛擬機構成的虛擬實驗環(huán)境，可在學校的公共機房運行，開展一些拓展性、開放性的實驗而不會損害現(xiàn)有的環(huán)境，不僅提高了設備的利用率，節(jié)省了資金的投入，而且為計算機課程的實驗提供了良好的條件，為學生的自主學習和創(chuàng)造性地實驗提供了可能。

二、VMware虛擬機技術簡介

1.虛擬機概念

什么是虛擬機？所謂虛擬機就是虛擬的計算機，它是通過虛擬機軟件在實際的物理計算機上模擬出虛擬的一個硬件環(huán)境，我們稱運行虛擬機的物理計算機為宿主機器，由宿主機器創(chuàng)建的虛擬機，和真實的計算機幾乎一模一樣，擁有自己獨立的CPU、硬盤、內存及其他硬件，這些硬件是標準的，能被大多數(shù)系統(tǒng)所支持。虛擬機可以使用宿主機器上的一些資源，如軟驅、光驅等設備。用戶在虛擬機上分區(qū)、格式化、安裝操作系統(tǒng)或應用軟件等任何操作均不會對宿主機器系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

2.VMware虛擬機主要特點

VMware虛擬機軟件是VMware workstation，它是由VMware公司出品的。要構建一個虛擬實驗環(huán)境，不需要額外的硬件設備，只需要在現(xiàn)有的系統(tǒng)上安裝上VMware虛擬機軟件即可。目前現(xiàn)有的主要虛擬機軟件除了VMware虛擬機軟件，還有Virtual PC。本文就VMware workstation構建虛擬計算機實驗平臺作初步的探討。VMware虛擬機的主要特點如下：

（1）使用虛擬機技術可以在物理電腦上虛擬出多臺虛擬電腦，每個虛擬機如同獨立的PC機，可以安裝不同的操作系統(tǒng)，這些虛擬的電腦可以獨立運行和并發(fā)運行，各虛擬機之間、虛擬機和主機之間還可以進行對話、文件共享、應用網(wǎng)絡資源，并可以以C/S方式工作運行。

（2）虛擬機虛擬出來的硬件都是標準硬件，這有效地降低了由于硬件不一致導致的兼容性問題或難找驅動程序的問題。在主系統(tǒng)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造成的任何損壞可以得到快速地恢復。

（3）虛擬機使用的虛擬硬盤實際上是一個或多個文件，因此虛擬機具有可快速恢復的特點，而且具有保存系統(tǒng)狀態(tài)和還原系統(tǒng)的功能，虛擬機系統(tǒng)和宿主機系統(tǒng)具有良好的隔離性，在虛擬機上對現(xiàn)有主機的硬盤分區(qū)和數(shù)據(jù)不會造成任何影響。

（4）因為虛擬機的硬件都是虛擬出來的，所以虛擬機具有靈活的擴展性，可以任意添加或刪除硬件。

（5）由于虛擬機硬件是標準硬件，在虛擬機上安裝的操作系統(tǒng)，不僅可以克隆到另一臺虛擬機上，還可以克隆到不在同一臺物理電腦的虛擬機上，甚至還可以在虛擬機上做系統(tǒng)克隆映像。

（6）其他特點。虛擬機還具有屏幕截圖和視頻捕捉功能，真實主機和虛擬機之間、虛擬機和虛擬機之間拖動文件進行文件的復制和粘貼操作等。

三、虛擬機在教學和實踐環(huán)節(jié)中的應用及意義

1.計算機維護實驗

學校的機房是面向全校學生公用的，由專門的機房管理人員管理，統(tǒng)一安裝必要軟件，學生上機的時候，一人一機，不允許學生隨意安裝軟件，更不允許學生對硬盤分區(qū)、格式化、安裝操作系統(tǒng)以及設置BIOS等操作，因為這些操作會改變甚至破壞計算機系統(tǒng)，可能導致計算機無法正常工作，教師上課時也難以現(xiàn)場演示，因為操作的計算也是公用的。教師和學生可以利用虛擬機，在虛擬機上進行這些破壞性操作，保證了主機系統(tǒng)的正常運行，也保證了實驗的順利完成。

2.計算機網(wǎng)絡實驗

公共機房為了滿足一般實驗要求，只安裝必要的應用軟件，為了防止系統(tǒng)遭受破壞，保證正常教學的順利進行，便于機房的管理和維護，通常為所有的計算機安裝硬盤保護卡，應用系統(tǒng)策略限制學生的某些操作等，計算機網(wǎng)絡實驗需要對計算機進行一定的設置，安裝相應的軟件，而某些設置或軟件的安裝需要重新啟動計算機，由于系統(tǒng)有還原卡，一旦重啟機器，之前的設置便又恢復初始狀態(tài)，無法完成用戶的要求。另外計算機網(wǎng)絡實驗需要多臺計算機多種設備，利用虛擬機可以在一臺電腦上虛擬出多臺虛擬機，還可以虛擬出諸如交換機、網(wǎng)卡等設備，以滿足組網(wǎng)的需要。在虛擬機的世界里，可以在一臺物理機器上組建網(wǎng)絡環(huán)境，學生可以在虛擬的網(wǎng)絡里組建基于工作組的對等網(wǎng)以及基于域的局域網(wǎng)，并在此基礎上進行Ｗeb、DNS、FTP服務器，郵件服務器，DHCP服務器，流媒體服務器等服務器的搭建。根據(jù)虛擬機任意刪除硬件的特性，通過刪除虛擬機的硬盤，還可以組建無盤網(wǎng)絡。我們在虛擬網(wǎng)絡里，將某些虛擬機配置為服務器，某些虛擬機作為客戶端，讓學生從中學到服務器的配置，加深對網(wǎng)絡原理的理解，更充分地體會到什么是服務器、工作站，什么是對等工作模式、客戶服務器工作模式等等抽象概念，學生更能在虛擬的平臺上面搭建滿足一定條件及應用的網(wǎng)絡，為學生的設計和創(chuàng)新創(chuàng)造了實驗平臺。

3.網(wǎng)絡安全實驗

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和普及，網(wǎng)絡病毒的傳播和破壞方式也越來越網(wǎng)絡化，計算機網(wǎng)絡安全課程也就顯得非常重要，而教師在講解計算機病毒、木馬等只能停留在講述階段，利用虛擬機可以改變這一狀況，我們可以在虛擬機系統(tǒng)上植入病毒文件進行系統(tǒng)攻擊實驗，以及實現(xiàn)安全防御等操作，讓學生更加直觀地了解系統(tǒng)的安全及防御技術，以達到知識鞏固及提高的目的。

4.軟件測試

學生在學習軟件設計、網(wǎng)頁設計等課程中，編寫的程序，需要在多種環(huán)境（單機環(huán)境、網(wǎng)絡環(huán)境、不同的瀏覽器版本等）以及多種操作系統(tǒng)（windows XP操作系統(tǒng)、windows 2000操作系統(tǒng)、Linux等）環(huán)境下進行測試，有了虛擬機，可以方便、快捷地進行。

5.PC機群搭建

為了滿足人們對高性能計算機的需求，并行計算機已成為當今計算機發(fā)展的一個重要方向，對并行計算機的了解和使用也成為計算機教學上的一個重要內容。在虛擬環(huán)境下搭建PC機群的操作，與構建虛擬機網(wǎng)絡教學環(huán)境的操作基本一樣，只是還需在每臺虛擬機上安裝并行計算軟件PVM，再在虛擬機上運行PVM并執(zhí)行相關的命令。

6.其他應用

（1）某些問題需要特定的軟件環(huán)境，而這些環(huán)境并非所有的計算機都能提供，如果用戶所使用的機器經(jīng)常更換，每更換一次都在所用的計算機上安裝所需軟件，是一件很繁瑣的事情，有些時候環(huán)境也不允許我們安裝，比如需要某種操作系統(tǒng)，我們可以利用虛擬機來解決這一問題，把我們所要解決的問題在虛擬機上解決，在虛擬機上安裝問題所需的軟件，這樣每次更換了機器，不管機器是否提供相應的軟件環(huán)境，我們只需要在其上運行虛擬機就可以了。

（2）如今許多高校開設有Linux、Unix等操作系統(tǒng)課程，而實驗室計算機基本還是windows操作系統(tǒng)。虛擬機可以完全實現(xiàn)Unix、Linux操作系統(tǒng)的功能，這樣就可以在虛擬機上安裝Unix、Linux操作系統(tǒng)。安裝操作系統(tǒng)過程中，需要動手設置的地方不多，大多時候用戶都在等待計算機自動安裝，在虛擬機里裝操作系統(tǒng)可以使我們“工作”和“安裝”兩不誤，一方面在虛擬機里安裝操作系統(tǒng)，另一方面在本主機繼續(xù)我們的工作，只需要在本主機和虛擬機之間切換就可以實現(xiàn)。而且像安裝操作系統(tǒng)這樣的實驗通常需要的時間比較長，但學生上機的時間又有限，虛擬機中的掛起功能可以方便地保留當前狀態(tài)，以便下一次繼續(xù)實驗。在虛擬機環(huán)境下，多個操作系統(tǒng)可以同時運行，人們可以像對待標準的Windows應用程序那樣在多個操作系統(tǒng)之間來回切換，而不需要重新啟動機器。

（3）利用VMware虛擬機可以進行屏幕截圖和視頻捕捉。在授課過程中，某些操作單純用語言可能無法表達清楚，或者由于條件所限，無法現(xiàn)場演示某些操作，對于這種情況，可以利用屏幕截圖功能事先把操作畫面抓取下來，或者直接利用視頻捕捉功能把操作過程全部錄制下來，然后在課堂上使用投影儀播放出來。

四、總結

虛擬機技術的出現(xiàn)，給計算機實踐教學提供了一種有效的手段，虛擬機實驗環(huán)境很好地模擬了真實環(huán)境，在虛擬機上完成的實驗效果等同于在真實機器上完成的實驗效果，完全符合教學要求和滿足試驗意義。在虛擬環(huán)境下，學生可以放心地進行各種實驗操作，不用顧慮對主機系統(tǒng)的破壞，可以增加學生的實踐動手機會，加強學生的實踐技能。基于虛擬機技術的虛擬實驗環(huán)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，提高實驗設備的安全性和利用率，降低實驗室的管理難度，而且在不額外添加硬件設備的條件下，很好地滿足了實驗課多種環(huán)境的需求，保證了實驗課的正常開出，可見將VMware虛擬機技術應用到計算機類課程的教學實踐中具有經(jīng)濟性、安全性、實用性等優(yōu)點。當然在同一臺物理電腦上通過虛擬機運行多個操作系統(tǒng)，這會占用大量的CPU和內存資源，從而影響真實主機的反應速度。

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