虛擬化技術在高校教學中的應用

陳雪娟

摘要：這幾年來虛擬化技術在高校教學應用上的優(yōu)勢越來越顯著，本文提出針對高校中機房教學過程的集中性、IT資源使用率高導致損耗大、硬件升級跟不上軟件升級而無法進行某些實驗等問題，引入虛擬技術解決。利用虛擬技術降低IT資源的能耗和成本，提高機房教學質量和效率，開設前沿的實驗課程，改善教學環(huán)境，調動學生的積極性。

關鍵詞：高校教學 虛擬化技術 IT資源

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0251-02

隨著計算機的不斷發(fā)展，高校的課程教學在不斷改革，很多課程的教學內容、教學方法都有了根本性的變化，采用CAI教學的課程越來越多。計算機實訓室（機房）已經成為高等學校的教學場所，其中，除了計算機專業(yè)的大部分課程在機房進行外，其他專業(yè)相關課程教學也慢慢從多媒體教室轉移到機房進行。隨著學校不斷擴招，大學生人數越來越多，在計算機實訓教學中帶來了很大的難度。

1 高校機房教學中存在的主要問題

1.1 繁重的教學任務讓機房的計算機故障頻發(fā)

不管是計算機專業(yè)還是其他非計算機專業(yè)，開設跟計算機的課程越來越多，而這些課程的實訓都會在機房進行，每個機房幾乎天天排滿課，機房的計算機由于每天長時間超負荷運行，經常出現軟、硬件的故障。

1.2 硬件性能提升跟不上軟件的更新

不同課程所需的軟件不同，并且軟件的更新是非常快的，機房為了滿足這些課程的教學需求，必須要經常安裝或升級軟件，有時候還要同一臺計算機安裝2個以上的操作系統，每個學期開始前課程安排好，機房要以此為據安裝或更新軟件，工作量很繁重。很大問題是，軟件更新周期遠遠快于硬件更新周期，這樣使得低性能的機器上無法安裝或順暢運行新軟件[1]。

1.3 計算機多的情況下管理困難

對于一些學校來說，機房管理一直是一個難題，比如我們學校，一共有60個機房每個機房60臺計算機、加上教師計算機一共有將近4000臺計算機，需要計算機管理和維護人員就達30多個人。而不同專業(yè)、不同課程對機房操作系統和軟件要求各不相同，教師公辦計算機的分散，這些都很很難管理的。計算機管理人員大量的工作時間都投入安裝系統和軟件、病毒防護和日常維護上。一旦出現問題，比如病毒爆發(fā)，雖然管理人員可以通過殺毒，加設防毒墻和防火墻等手段解決問題，但是有時候還要從各個節(jié)點排查，工作量巨大，耗時超長，成本昂貴。[2]

1.4 學校不愿投入大成本更新設備，無法開設前沿性的課程或實驗

很多前沿領域的技術飛速發(fā)展，例如并行計算技術，多核編程技術，可編程數字電路，集群技術等實驗課程目前無法在現有的實驗室設備進行。這些技術的實驗需要的相關設備目前都是比較昂貴的，學校沒有足夠的大資金購買，即使這些技術課程需求很大，短時間內還是無法開設。

2 虛擬化技術

虛擬化起源于20世紀60年代，雖然出現的時候，由于技術不夠一直沒有被大規(guī)模的應用。但是現在已經成為解決提高IT基礎設施資源利用率，降低管理成本等問題的有效方法，各種虛擬技術越來越被重視和重用。

簡單來說，虛擬化技術是一種將計算機模塊不在獨立的物理硬件而是在虛擬的基礎上運行，根據各種各樣的需求把不多的固定資源重新分配，最大限度提高利用率，從而達到了優(yōu)化資源，簡化管理的目的的解決方案。

虛擬化（Virtualization）是一個廣義的術語，在IT信息領域中，虛擬化是計算資源的邏輯表示，概況了計算機資源。它隱藏了本身的物理特性，在邏輯上分離為多個虛擬資源池[3]。同時，整合多個物理資源，然后按照需求進行分配。簡化計算機的硬件和軟件的訪問、表示和管理，將硬件設備封裝為統一的輸入輸出接口，更好的利用硬件資源和軟件資源是虛擬化技術的主要目標。

3 虛擬化技術的分類

我們平時說的虛擬化技術一般指的是計算機系統虛擬化及計算機系統虛擬機，簡單的是說可以分成下面四大類：

硬件系統抽象層的虛擬機。對于客戶操作系統（上層軟件）而言，此類虛擬機可以構造一個虛擬的、完整的計算機硬件系統，處理器控制指令就是虛擬機和客戶操作系統的接口。

操作系統層的虛擬機。這類虛擬機在通過復制操作系統環(huán)境，建立多個虛擬運行的操作系統容器。虛擬機為運行在這些容器上的軟件提供了完整的操作系統運行環(huán)境，系統調用接口就是虛擬機和客戶操作系統的接口。[4]

API層虛擬機。這種虛擬機為客戶操作系統模擬了特定的操作系統的運行環(huán)境，模擬了各類用戶態(tài)API實現了該操作系統。

編程語言層虛擬機。這種虛擬機通過編譯技術或解釋繼續(xù)來運行虛擬機指令，滿足了軟件的跨平臺和通用性。

4 虛擬化的優(yōu)勢

虛擬化要比傳統的IT資源分配方式有以下優(yōu)勢：

4.1 虛擬化技術可以讓資源的利用率得到很大提高

為了達到資源的最大利用，虛擬化把一個硬件虛擬成多個硬件，這里的一個硬件指的不是一個個體，而是有多個個體組成的一組資源，例如可以將多個硬盤組成陣列，將多個硬盤視為計算機的硬盤部分。用戶將許多資源組成一個龐大的、計算能力十分巨大的“巨型計算機”，再將這個巨型計算機虛擬成多個獨立的系統，這些系統相互獨立，但共享資源，這就是虛擬化的精髓。傳統的IT企業(yè)為每一項業(yè)務應用部署一臺單獨的服務器，服務器的規(guī)模通常是針對峰值配置，服務器規(guī)模（處理能力）遠遠大于服務器的平均負載，服務器在大部分時間處于空閑狀態(tài)，資源得不到最大利用。虛擬化技術能夠動態(tài)調用空閑資源，減小服務器規(guī)模，提高資源利用率。

4.2 提供相互隔離、安全、高效的應用執(zhí)行環(huán)境

用戶可以在一臺計算機上虛擬系統，在這個虛擬系統中模擬多個不同的操作系統，這些子系統邏輯上相互聯系但物理上相互不干擾，有時候一個子系統因為遭受攻擊而崩潰，也不會影響到其他的子系統，并且，每個子系統都有備份，很快就可以被恢復。還有，這些應用執(zhí)行環(huán)境都比較簡單，工作效率得到很大提高，總體投資成本大大降低。

4.3 采用虛擬化技術后，虛擬化系統能夠方便的管理和升級資源[5]

以前的計算機服務器是一個相對獨立的硬件個體，每次都要消耗企業(yè)大量的人力和物力對每個資源進行升級和維護。虛擬化技術將這些硬件資源整合在一起方便管理，如果需要升級，只要添加升級動作即可，不需要像傳統的企業(yè)一樣要進行規(guī)劃容量、定制服務器還有安裝硬件等工作，使得工作效率有很大的提高。

5 虛擬化技術在高校學中的應用

前面我們分析了現在高校中機房教學存在的問題，分析了不足。現在從幾個方面分析研究利用虛擬化技術解決這些問題。

5.1 利用虛擬化技術提高機房實驗教學效率和質量、降低機器購買和維護成本

在學校不肯增加實訓設備預算情況下，我們要想辦法讓機房實驗教學的質量和效率得到大提高，使得機房硬件能更快更大極限安裝需要的軟件，解決成本、資源和時間的壓力。而使用VMware虛擬化技術可以創(chuàng)建一個虛擬安裝windows操作系統的PC環(huán)境，這個環(huán)境適合用于所有的Windows應用程序，提高了現在的硬件資源的使用率，減少硬件需求，降低投資成本，改善教學環(huán)境，提高教學效果。[6]

5.2 利用虛擬技術便捷管理計算機

為了更好的管理和使用計算機，我們可以用虛擬技術設置數據中心的桌面系統，學生和教師可以通過客戶端登錄此系統，就可以進入計算機，像平時一樣操作，可以免去計算機管理人員的大量工作，因為用戶的操作都源于數據中心，一旦出現問題，也很快被發(fā)現，得到及時解決。

5.3 利用虛擬化技術開設具有創(chuàng)新實踐特點的虛擬化實驗課程

目前還有部分課程（比如集群技術、可編程數字電路、并行計算技術等）的實驗還無法在實驗室設備進行。利用VMware虛擬化技術將現在的IT資源創(chuàng)建一個虛擬機，這個虛擬機就像真的“計算機”一樣可以運行安裝在上面的操作系統和應用程序，功能齊全。這樣我們就可以將無法在真實計算機上進行的課程實驗的轉移到這個虛擬機上進行。隨著虛擬技術的成熟、這些實驗會從無到有、從困難到容易、最后都會自由開設的轉變。最后能開設一些有創(chuàng)新實踐特點、符合高校教學特點的虛擬化實驗課程。

6 結語

虛擬化技術現在經歷了50多年的歷史，處于蓬勃發(fā)展階段，未來還有很大的發(fā)展空間。虛擬化技術對高校教學具有重大意義，它彌補很多實踐操作的不足。根據學校提供的教學大綱，按照一定的步驟和方法設計合理的實現虛擬化教學實踐訓練的虛擬訓練平臺系統。虛擬訓練平臺可以多次使用，靈活多變，系統穩(wěn)定，升級方便，對于高素質技能人才的培養(yǎng)有很重大意義。

參考文獻

[1]蘇虞磊，薛方.計算機實驗室的維護與管理[J].現代電子技術，2010（2）：68-72.

[2]沈堯林.桌面虛擬化技術在高校中的應用.時代教育，2010.08.083.

[3]王慶波，金涬，何樂等.虛擬化與云計算.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]白國靖.虛擬化技術在網絡服務中的應用研究.電子世界，2011.09.

[5]王建紅，趙麗紅.淺論虛擬化及其應用[J].科技廣場，2007，（07）.

[6]王建軍.虛擬機在高校計算機實踐教學中的應用[J].軟件導刊，2008（9）：56- 57.