基于虛擬化技術的計算機類課程實踐教學研究

潘大四

摘要：針對高校計算機類課程實踐教學傳統模式存在的不足，結合大學計算機類課程教學改革，提出一種基于虛擬化技術的實踐教學建設方案。該方案利用新興虛擬化技術，整合資源構建虛擬服務器和虛擬桌面實驗環境，突破教學環境的時空限制，實現可持續協作學習，并且學習全過程和學習效果可以進行實時監測和控制的教學模式，對創新實踐教學模式具有重要的意義。

關鍵詞：虛擬化；實踐教學；可持續學習

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）12-0175-03

一、引言

教學模式是在一定的教學思想或教學理論的指導下構建的教學活動結構框架和活動程序[1]。信息技術的迅猛發展為教學模式的革新提供了良好的契機。建構主義認為，知識不是通過教師傳授就能得到，而是學習者在一定的情境及環境下，借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資源，通過意義建構的方式而獲得的。這里既強調學習者的認知主體作用，又不忽視教師的指導作用，教師是學習的幫助者、促進者，而不是知識的灌輸者，它強調“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是教學環境的四大要素[2]。學習主體之間、師生之間的交互對于知識意義的建構起著關鍵性的作用。這一理念中包含的環境條件對計算機類課程的實踐教學而言尤為關鍵，實踐教學著重培養學生實際動手能力，僅僅依靠在固定的實驗室或機房中進行有限時間的訓練，無法達到培養學生解決問題能力的教學目的，需要突破教學環境的時空限制，在開放、統一軟硬件環境下實現持續性的可交互協作學習，延伸教學至課堂之外。云計算的基礎——虛擬化技術為突破實踐教學的各種限制提供了技術可行性和保障，促進師生之間的交流，促進學生協作學習。

二、虛擬化技術

虛擬化（Virtualization）本質上是一種物理資源封裝手段，是構建云計算的基礎技術之一。通過虛擬化技術可以最大限度地屏蔽軟硬件資源的差異性，根據需要靈活分配這些資源，減少總體成本[3]。虛擬化將計算機的各種實體資源，如服務器、網絡、內存及存儲等，予以抽象、轉換后呈現出來，打破實體結構間的不可切割的障礙，使用戶可以比原本的組態更好的方式來應用這些資源。虛擬化技術有很多種類型，通常包括硬件虛擬化、應用虛擬化、桌面虛擬化和服務器虛擬化。利用軟件創建一個虛擬機來模擬底層硬件的服務和功能，能在一臺機器上運行多個操作系統。當這項技術應用在服務器上時被稱為服務器虛擬技術；而桌面虛擬化是指將計算機的桌面進行虛擬化，以達到桌面使用的安全性和靈活性[4]。用戶只需要連入互聯網，借助輕量級客戶端，例如手機、PAD、瘦客戶端或PC，就可以在任何地點、任何時間訪問在網絡上的屬于個人的桌面系統或服務器，完成各種計算任務，包括程序開發、科學計算、軟件使用乃至應用的托管。提供這些計算能力的資源對用戶是不可見的。

三、虛擬環境下創新實踐教學模式

1.虛擬桌面突破時空限制，實現可持續學習。傳統的計算機類課程的實踐教學環境需按照教師或課程的要求事先統一配置，因公用性導致大量不同的軟件安裝在同一臺PC機中，運行速度得不到保證。同時，為防止病毒感染或學生的誤操作導致系統破壞，公共機房環境中的設備一般設置了自動還原功能，導致實驗的配置無法保留，對于軟件測試（由于需要長時間連續運行）的課程，實驗過程的中斷更令人無法接受。即使可以在同一設備上開展后續工作，也要自行保存階段性成果，并依賴相關軟件工具進行恢復，既費時費力，又無延續性。學生在非教學環境中如寢室、家中繼續進行學習，還需自行搭建環境。將操作系統、應用程序和用戶數據封裝到相互隔離的層次，以改善桌面管理，并為用戶提供各自桌面的個性化視圖，這樣的視圖稱之為虛擬桌面。桌面虛擬化技術集成了遠程桌面和服務器虛擬化等技術的優點，主要是通過桌面虛擬化將數據的運行存儲與桌面呈現進行分離，所有的用戶桌面系統由數據中心進行托管并統一管理，用戶通過遠程訪問協議來訪問自己的操作系統。利用桌面虛擬化技術可以突破時空限制，解決實驗延續性的一種較好的方案。每個學生自入學之日起，便為其設置獨屬的桌面機。學生可以通過賬號登錄“自己的桌面機”，學生在機房、寢室甚至家中都能實現此操作，繼續完成本人的實驗、作業、測試等。

2.虛擬化服務器可滿足客戶端/服務器模式的實踐教學。目前高校計算機類課程的教學多數都已經實施“教學做”合一的教學方法，即使滿足人均一臺PC機，但對運行在客戶端/服務器模式下的課程，如數據庫管理系統、Web程序設計、服務器的配置、軟件測試等課程，都因服務器數量條件限制安裝在本地PC機中，學生在學習過程中感受不到網絡環境的存在，也無法進行安全角色授權與控制等實驗，更無法進行DNS服務器、安全認證服務器的實驗。若要真正讓每一位學生模擬企業實際環境，保證教學與實訓的真實性，唯一解決辦法只能增加服務器的數量，但由于資金、場地、維護人員的限制，無法實現人均一臺服務器狀況下進行各種課程的實踐教學，致使實訓脫離真實的環境。虛擬化技術用于在單臺或多臺物理服務器集成實體上，利用使用時間差異、瞬時計算量差異平衡服務器的處理能力，生成多個虛擬服務器，提升資源使用率，從功能、性能和操作方式上，等同于傳統的單臺物理服務器，從而達到降低成本，提高系統的靈活性和快速響應的效果，使得每一位學生都可以擁有獨立的服務器。

3.對學生的學習全過程和學習效果可進行監測和控制。為了讓學生更好更熟練地掌握技能，通常都會布置課后作業。計算機類課程作業有不同于其他專業的地方，如有些作業是對軟件操作，或者只是參數的配置，有些是程序的調試等，訓練結果往往無法以電子文檔或作業本的方式提交。教師在實踐教學課堂上可以直接監測到學習效果，但很難掌握學生課余的訓練效果。若能夠實時觀測結果，及時、準確、全過程地掌握學生對知識的接受和理解程度，隨時調整教學進度和方式，對促進教學模式的良性循環極為有利。虛擬桌面和虛擬服務器讓計算主體與界面分離，同一個虛擬機體可以映射多個虛擬桌面，教師可以直接登錄到學生主體虛擬機上查看學生的完成情況及批改實驗作業，過程化控制學習進度，也可多方在同一個虛擬桌面下進行問題的討論。

4.虛擬化降低實驗室維護成本。將軟硬件資源通過虛擬化技術進行統一整合，統一引擎調度，從而有效避免教學資源分布散亂不均、重復建設嚴重、資源孤島現象嚴重的問題和缺陷，實現靈活的、可靠易擴展的統一運維。虛擬桌面的提出最小化了終端設備的需求，極大地降低終端用戶成本，實現前所未有的性能價格比。任課教師根據自己實踐教學內容，制作特定的教學軟硬件配置模板機，復制發布自己的虛擬機文件（在云計算環境下虛擬機文件等同于實際設備如PC、服務器等），教師根據授課學生數量可以迅速克隆出同樣數量的虛擬機文件，極大提升實驗環境部署的響應時間，可以為學生提供豐富、靈活、多變的實驗環境，并且當這些設備不再需要的時候，只需刪除虛擬機文件，提升資源的利用率。

四、基于虛擬化技術的可持續實踐教學的環境構建與實踐

實踐教學對提升學生職業能力至關重要，如今計算機類課程的實踐教學都在機房中完成。隨著我校的辦學規模不斷擴大，學生的數量也在不斷增加，造成學生機房的管理維護復雜、更新頻率高、系統穩定性差等問題，盡管在不斷增加計算機的購置和計算機教室的數量，但依然無法滿足實際需求。從管理角度來看，學生機房面向的學生多，科目多，學生流動性大，所以提出了很大的挑戰。另外對于分布在各個計算機教室的服務器而言，服務器每當上課時才會被開啟，在下課時物理資源就會被白白浪費。而如果學校需要提供新的教學，教師則必須到每一間教室進行服務器的重新配置。另外各教室所配物理服務器，性能好的資源利用率往往不到20%，性能差的服務器無法滿足正常需求，因此學校急需平衡兩者資源，保證硬件資源的平均利用。

1.整合服務器資源，構建虛擬化資源平臺。本方案采用VMware vCenter實現X86平臺下虛擬化引擎管理，實現虛擬資源的供給、部署和管理，通過vCenter調用底層基于vSphere的虛擬化資源。另外，通過存儲虛擬化管理組件、節能管理等組件與vCenter的結合，可以實現物理資源和虛擬資源的統一管理。由8臺X86平臺的PC服務器構成虛擬資源池，由一臺或以上磁盤陣列或存儲服務器構成，由存儲虛擬化引擎進行統一管理，從而實現存儲資源虛擬化、為服務器系統池提供自動化供給的基礎設施管理功能。網絡資源池由兩臺以上網絡交換機構成，網絡的IP資源根據機房的IP資源管理來分配，帶寬資源是根據實際需求決定，由網絡交換機產品的網絡管理來進行分配。網絡資源池的調度、分配和計量，取決于網絡設備的功能。

2.服務器虛擬化。利用平臺強大的處理能力，生成多個虛擬服務器，而每一個虛擬服務器，從功能、操作方式上，等同于原來的單臺物理服務器，性能則根據實際負載進行自動調整，這樣原來單獨的每個性能偏低的物理服務器就變身為服務器上的虛擬機，如圖1所示。從而大大提高資源利用率，降低成本，增強了系統和應用的可用性，提高系統的靈活性和快速響應，很好地實現了服務器虛擬架構的整合。

虛擬化極大地提高服務器整合的效率，大幅度簡化了服務器管理的復雜性，提高了整體系統的可用性。同時還明顯地減少了投資成本，具有較好的技術領先性和性價比。虛擬化技術針對應用和訪問量靈活部署，降低系統總成本。資源動態調整、虛擬HA、虛擬機動態部署遷移、虛擬備份以整合服務器、操作系統、應用平臺，對服務器資源進行統一管理，實現按需分配資源。

對于需要服務器完成實踐教學的課程，通過虛擬化技術可以生成足夠數量的虛擬服務器，雖然每臺物理配置僅僅限于2內核CPU、2G內存這樣的低配環境，不考慮并發性，但足以滿足實際需要，使得每一位學生都可以擁有獨立的服務器進行實驗。

3.桌面虛擬化。桌面虛擬化依賴于服務器虛擬化，在物理服務器（集群）上進行服務器虛擬化，生成大量的獨立的桌面操作系統（虛擬桌面），同時根據專有的虛擬桌面協議發送給終端設備。用戶終端通過以太網登陸到虛擬主機上，只需要記住用戶名和密碼，即可隨時隨地地通過互聯網訪問自己的桌面系統。機房的桌面全部由虛擬桌面機取代，虛擬機快照技術可以完全取代硬盤保護卡。如圖2所示。桌面虛擬化將運行實體與桌面得以分離，對用戶端的設備要求很低，只要有一臺可以上網的電腦、上網本或手機就可以獲得所需的資源和服務，教學活動不受時空的限制，教師可以在家里、辦公室或者在路上都可以隨時進入到學生界面在統一環境下回答學生的問題，學生可以在任何具備網絡的環境下繼續實驗室中未完成的內容，若遇到無法解決問題，可以邀請教師進入同一界面中進行答疑，也可以邀請其他同學進入討論，實現可持續協作學習。

五、結語

虛擬化技術使得實踐教學環境突破時空限制，為可持續協作學習提供技術支撐；對學生的學習全過程和學習效果可進行監測和控制；可降低實驗室管理維護成本，使機房管理員能從大量的管理維護工作中解放出來。隨著虛擬化技術的不斷發展，將會對教育環境和教學模式的變革產生積極的影響。

參考文獻：

[1]Calhoum E.教學模式[M].荊建華，宋富鋼，花清亮，譯.北京：中國輕工業出版社，2009.

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[3]張青，杜召陽，白佳.采用虛擬化技術優化IT基礎架構，有效提升IT服務提供能力[J].電信技術，2010，（3）：82-84.

[4][美]赫斯，紐曼.虛擬化技術實戰[M].北京：人民郵電出版社，2012：132-142.