虛擬環境與真實環境相結合的計算機專業教學模式探究

黃緊德

[摘 要]虛擬環境在計算機專業教學中得到極大的應用，但是容易讓學生實踐的環境與真實的工作環境有一定差距。根據虛擬環境作用可以建立虛擬環境與真實環境相結合的教學模式，該模式既能方便理論教學，又可以讓學生的實踐環境離真實的工作環境更接近，更有利于培養學生解決實際問題的能力。

[關鍵詞]虛擬環境 真實環境 計算機專業教育

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）09-0129-03

虛擬環境是利用軟件模擬硬件和軟件系統的環境。虛擬環境教學是利用仿真軟件模擬出專門的硬件和軟件系統來進行教學的一種教學手段。虛擬環境給教、學以及實訓（實驗）帶來很大的變革，[1]并且隨著計算機仿真軟件對實際環境模擬的發展，很多虛擬環境基本上是真實環境的再現，可以完全模擬真實環境的所有功能，甚至可以實現真實環境的功能。因此模擬環境在現代教育中得到廣泛的應用。

虛擬教學環境給教學帶來了極大的便利[2]，但同時也將學生的實踐教學環節設定得太理想化，不利于學生的實踐動手和解決問題的能力。因此，本文在分析虛擬環境作用的基礎上，從計算機專業的實踐教學出發，提出了虛擬環境教學和真實環境相結合的模式，并在實際的教學中進行應用，提出了虛擬環境下和真實環境相結合的合理教學模式的建議。

一、計算機專業教學中虛擬環境使用的現狀

虛擬環境是真實環境的模擬和仿真，在計算機專業教學中的應用，可以以分為：

（1）操作系統的模擬。操作系統的模擬是通過軟件模擬出現常用的操作系統。如微軟公司的VPC和已經在Windows2008內含有Hyper-v[3]。Hyper-v支持多種操作系統，與本身是微軟公司操作系統Windows有好的兼容。其基于Hyperisor技術，虛擬機可以直接和物理設備進行通信和數據交換，因此Hyper-V虛擬機具有運行速度快和穩定性好的特點。當Hyper-V與虛擬桌面架構（VDI）聯用時，Hyper-V可以實現客戶端計算機虛擬化，如果Hyper-V單獨使用時，可以實現服務端計算機虛擬化[4]。因此windows2008的Hyper-V不只是在實驗中使用，在企業的服務器部署中也得到廣泛的應用，其可以增強了企業服務器的可管理性和降低了服務器部署的成本。還有類似功能的Vmware公司的虛擬機軟件。這些具有虛擬計算機操作系統的虛擬環境，可以被應用到計算機專業課程教學中。在教學中學生可以在虛擬機中進行操作系統的安裝和設置，而不會破壞真實計算機中的其他應用軟件和數據。同時還可以被應用到計算機網絡相關的教學內容中，可以快速的在虛擬環境中搭建具有多臺計算機的網絡。在其中就可以進行網絡協議的分析、網絡服務的安裝和設置。因此，在實訓中需要對操作系統和數據進行安裝、設置、修改的實訓課程和內容都可以在操作系統模擬環境下進行。

（2）網絡環境的模擬。通過軟件模擬出網絡的相關設備和線路。如CISCO的packettracer。在packettrace環境中包含了組網的所有基本元素，如PC、服務器、通信線路、網絡設備[5]?？梢越M成有線局域網、無線局域網、廣域網。在這個環境中，可以快速架設具有網絡互聯的虛擬網絡，在其中對交換機和路由器進行配置，操作過程與真實交換機完全一樣。當網絡運行時可以跟蹤和分析數據包。另外，CISCO還有BosonNetsim和NS2模擬軟件。他們基本功能都是模擬CISCO的網絡設備，通過這些模擬環境，輔助、設計、驗證某種網絡架構。因此在計算機專業課程教學中，學生可以在模擬環境中進行計算機網絡的TCP/IP協議分析實驗、路由器和交換機的組網實驗。可以進行計算機網絡安全課程的ACL、NAT、防火墻策略設置等實驗。還可以進行網絡工程的路由器、交換機設置的相關實驗。

（3）電子電路的模擬。利用計算機軟件，在計算機上模擬出模擬電路、數字電路、單片機應用系統。學生可以在計算機上進行電路設計、仿真、調試等通常在真實實驗室才能完成的實驗。典型的電子電路模擬軟件是proteus，它可以模擬各種模擬、 數字電路芯片和各種處理器[6]。利用其強大的模擬功能，可以在其環境中設計各種模擬電路、數字電路、單片機和各種類型CPU組成的控制電路。利用模擬的信號源和模擬測量設備對模擬環境的各種電路進行測試?？梢詫⒏鞣N編譯成HEX文件的程序燒寫到模擬的單片機和各種類型的CPU內，對其組成的控制電路進行模擬控制，查看程序運行狀況、分析控制邏輯，結果以直觀的方式展示出來。

虛擬環境在計算機專業教學中有著其獨特的優點：

（1）教師隨時可以備課。在計算機專業課程中，有些課程教師備課時必須在實驗室中才能進行。例如有些課程需要對設備進行設置和驗證、對計算機操作系統進行安裝和配置。當這些課程所涉及的內容可以在虛擬環境下進行時，教師可以在個人計算機中安裝相應的虛擬環境，就可以進行實驗、實訓的備課。甚至可以通過屏幕錄制軟件將教師實驗步驟進行錄制，上課時可以播放給學生參考。

（2）學生可以隨時實踐。在真實實驗環境下，學生課內進行有限次數的實驗。課外沒辦法復習，因此學生對一些比較復雜的實驗操作容易忘記。如果在虛擬環境下實驗，學生可以在自己的個人計算機中安裝虛擬環境，課外就可以復習實驗操作，加固、加深對實驗的理解。

（4）實驗成本低。在真實環境的教學下，建設實驗室需要實驗場地、實驗設備和相應的配套設備，這些會有很大的成本。虛擬環境下的教學，只需要在計算機中安裝虛擬軟件，并且各種虛擬軟件可以在同一臺計算機上安裝。即同一臺計算機可以實現計算機專業的很多課程的實驗。

（5）是理論學習的好幫手。平時在真實環境中只能進行一次實驗，不容易理解實驗的原理。在仿真環境下可以放慢實驗的步驟，充分分析試驗原理。

（6）是真實環境的提前演練。在進行實驗之前，學生可以在虛擬環境下對實驗進行預習，對實驗的步驟、命令、設置有了總體的了解。當到真實環境進行實驗時就可以快速地對實驗設備設置。當遇到問題時也能快速處理。

（7）是教學資源數字化的有效手段。教學資源的數字化是現代教學資源共享的前提。被數字化的教學資源可以通過數字存儲設備進行共享，更多的是放到網絡環境中進行共享。在虛擬環境中的教學，整個教學過程本身已經是數字化。因此在虛擬環境下，經過簡單的記錄整個教學過程（如進行屏幕錄制），就可以得到數字化的教學資源。

（8）管理方便。真實環境下的教學，用到的實驗室、設備，在應用前、后都必須維護、管理，耗費人力和成本。而虛擬環境，在計算機中只是一個個應用軟件，甚至是一個文件。只要把應用軟件和文件備份好，在發現虛擬環境受到破壞時，進行簡單的復制和覆蓋就可以恢復虛擬環境。

二、仿真環境與真實環境相結合的計算機專業教學模式設計

仿真環境只是真實環境的補充，不能完全代替真實的環境的教學。仿真環境由于平臺的單一性、理想化，學習時不容易發現問題。但在真實環境里，由于平臺的多樣性、限制條件的多樣性。在真實環境下學習，可以容易發現問題，進而思考解決問題的方法，最后動手去解決問題。因此真實環境比虛擬環境的實踐性更強。在實際的工作環境下，如果學生在機器上架設Linux服務器，由于不同的計算機有不同的配置，在安裝和配置Linux時需要不同的安裝方式和配置手段，這時如果學生沒有在真實環境下安裝和配置過Linux，遇到的這些問題就沒有辦法解決了。因此，為了避免這種情況的出現，必須設置好模擬和真實教學環境的教學模式。教學模式的基本原則是讓學生明白仿真環境的目的只是教與學的輔助手段，在真正應用時還必須回到真實環境中。因此，類似Linux操作系統課程的教學，應讓學生先從真實環境開始學習，再到虛擬環境去重現真實環境中學過的內容。通過這樣一個過程，學生更能意識到模擬環境下和真實環境的緊密關聯。此后在模擬環境學習時，可以想象到真實環境下的操作。這樣可以避免模擬環境的學習和真實環境學習的脫離。本文從課程特點出發，對虛擬環境和真實環境教學模式進行設計。

（1）模式一：操作系統、網絡服務器操作類課程教學。這類課程，如果使用真實環境進行教學，必須在獨立的計算機上進行實驗。學生可以在獨立的計算機上進行操作系統的安裝、系統參數的設置、應用軟件的安裝、網絡服務的安裝與配置和系統故障的檢查和排除。這類課程除了在安裝操作體系時與計算機的配置相關比較大之外，其他的實驗都是在操作系統之上進行的。因此，此類課程的教學模式設置為“1/3課時的實際環境教學+2/3課時的模擬環境教學”。順序“實際-->模擬-->實際”。該模式可以讓學生從實際出發，知道在以后的工作中的使用環境。當熟悉了實際環境并且搭建了操作系統后，可以在模擬環境中再安裝操作系統，并對真實環境和模擬環境所搭建的操作系統的方法進行比較。從而體驗模擬環境可以理想化的模擬真實環境，并在其上安裝操作系統。接著后續操作系統上的實驗可以在模擬環境中進行。最后在課程準備結束時回到真實環境中去驗證一些在模擬環境中做過的實驗。通過這樣的模式，既方便教學又能理論聯系實際。

（2）模式二：硬件和軟件相結合類課程教學。這類課程特點是在進行教學時既需要對硬件進行操作也要對軟件進行操作。實驗無論是硬件配置錯誤還是軟件配置有問題，都不能完成實驗。在真實環境下，實驗涉及的設備多、操作比較復雜，老師直接在這種環境下教學，教學的效率很低，學生在該環境下直接實驗，實驗的成功率比較低。因此這類課程的教學模式設置為“1/2課時的模擬環境教學+1/2課時的真實環境教學”，教學順序是每個知識點“虛擬-->真實”。采用這樣的教學模式，理論授課和教師的演示可以在模擬環境下進行，學生實驗準備也可以在模擬環境下進行，之后在1/2的學習中在真實環境下進行，這樣就可以提高教學的效率和實驗的成功率。如微機原理及應用、網絡工程設計。

（3）模式三：電子電路設計類課程教學。這類課程的教學需要學生設計電路模塊，強調學生的實際動手能力。這類課程的教學模式是“1/3課時的虛擬環境教學+2/3課時的實際環境教學”，教學的順序是“每個知識點的局部（理論）部分進行虛擬環境教學-->實際設計電子電路”。

三、仿真環境與真實環境相結合教學模式實踐

以計算機專業教學過程實踐過程中涉及的《win？鄄dows server 2008 服務器架設與管理》、《Linux服務器配置與管理》、《基于Cisco路由器與交換機的網絡工程實踐》和《單片機原理及應用》課程課程為例。這些課程教學時可以使用以上的教學模式，其中《windows server 2008 服務器架設與管理》、《Linux服務器配置與管理》可以使用模式一，《基于Cisco路由器與交換機的網絡工程實踐》可以使用模式二，《單片機原理及應用》使用模式三。

《windows server 2008 服務器架設與管理》、《Linux服務器配置與管理》、《基于Cisco路由器與交換機的網絡工程實踐》利用“計算機網絡實驗室”進行教學和實訓，實驗室有4個網絡實驗機柜，每個機柜有2個Cisco路由器、1個Cisco三層交換機、1個Cisco二層交換機、1個防火墻和8個具有雙網卡PC機。4個實驗機柜的32個PC機用其中的1塊網卡連接成為1個局域網。PC機具有硬盤保護系統，安裝多操作系統，和實驗用的分區不保護（給學生學習安裝操作系統），上課用的操作系統安裝有vm、vpc、packet tracer、Boson Netsim、NS2和屏幕錄制軟件。

（1）進行《windows server 2008 服務器架設與管理》課程教學時，采樣模式一，先給學生直接在PC未保護分區上安裝windows server 2008（實際環境下實訓），在windows2008熟悉相關的界面和環境，如IP地址設置、訪問互聯網等。接著在VPC虛擬機下用相同的步驟安裝windows server 2008（虛擬環境），學生會發現在虛擬環境下安裝和真實環境下按的步驟一樣，同時備份好虛擬硬盤供以后實驗使用。往后的服務器的安裝與配置中在vpc虛擬機中進行。在實驗過程中每次都可以從干凈環境開始，可以進行快照，可進行屏幕錄像。在本門課在模擬環境中完成所有內容的課程教學后，要求學生在真實環境中做一個比較大的網絡項目，涉及WEB、FTP、DNS、NAT服務的安裝與配置（回到真實環境）。這樣的教學模式可以提高教學效率和降低實訓難度。《Linux服務器配置與管理》的教學同樣采用的是模式一。過程與windows2008類似。

（2）《基于Cisco路由器與交換機的網絡工程實踐》該課程是屬于要對思科網絡設備進行硬件的連接和設備軟件的設置。因此采用教學模式二。在每個知識點教學時，可以先在模擬器上（如packet tracer）進行網絡搭建和理論的講解。當在模擬環境下實驗成功后，接著將模擬環境下的網絡結構和設置步驟、命令，在真實的環境下進行驗證。通過這樣的步驟，學生能很好地理解相關的理論知識同時可以較快速的在真實環境下實際，進而了解在真實環境下也有與模擬環境不同的地方，如接線是否牢固、網絡設備是否原先有其他的設置。

（3）《單片機原理及應用》課程可以在“微機原理實驗室”進行課程的實訓。該實驗室有11個實驗桌，每個實驗桌都配置有1臺PC機、微機原理實驗箱、單片機學習板、相關的電路模塊和相關的測試儀器。軟件有windows xp操作系統、proteus、masm、Keil、LabView和保護軟件。這樣的實驗環境很適合模擬環境與真實環境的教學結合?！秵纹瑱C原理及應用》的每個知識點都可以先在proteus仿真環境下進行理論講解和實驗，同時可以分析程序和電路運行是否符合要求。

四、結束

采用虛擬環境與實際環境相結合的教學模式，在計算機專業的相關課程中，增強了學生的理論知識的理解，加強了學生的實踐動手能力和解決問題能力，提高了教學效率。本文提出的教學模式所使用的實驗室，因為有了模擬環境的存在，有利于實驗室的維護和管理。教師教學如果采用本文提出的模式，可以很好發揮教學效果的后續拓延，如錄制教師上課操作步驟和學生操作過程，以便得到教學過程的數字化資源，并進行網絡共享，以便學生復習使用，發揮該教學模式優勢。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 何增穎，陳建銳.基于虛擬技術的計算機實驗教學[J].實驗室技術與管理，2012，（1）：79-82.

[2] 舒慧東.基于虛擬技術的實驗室融合[J].實驗室研究與探索，2011，（9）：206-209.

[3] 姚嵩.windowsserver2008服務器架設與管理教程[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] CharlieRussel.windowsserver2008高級管理應用大全[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 楊兵.基于packettracer5.3計算機網絡仿真實驗教學研究[J].軟件，2012，（8）：113～116.

[6] 唐義思.Proteus軟件在單片機仿真中的重要特性分析[J].中國科技信息，2012，（9）：76～77.

[責任編輯：戴禎杰]