虛擬技術在計算機教學的應用

楊麗+常潔+遆佳

虛擬技術利用對物理實際的邏輯進行抽象，實現軟件、硬件分離，從而實現在計算機教學中應用。其技術日益成熟，正在成為計算機教學的重要輔助手段。虛擬技術可以幫助改善計算機教學中硬件設備有限、投入成本高、計算機教師工作量大等不足。虛擬技術在計算機教學中的應用打破了原有的空間時間二維限制，為老師計算機教學提供便利，為學生自主學習提供方便，正在成為計算機教學應用的大勢所趨。

1 虛擬技術在計算機教學中應用的設計

1.1 虛擬技術在計算機教學中應用的現狀

計算機教育的基礎是計算機實驗室。信息技術的飛速發展以及計算機教學內容的要求，使得計算機實驗室必須具備多種操作系統和多種應用環境。目前，主流計算機實驗室的計算機教學系統為微軟Windows7操作系統，兼顧Linux系統配置網絡環境。計算機教學由一名教師對應幾十名甚至上百名學生教學，是典型的一對多教學。在缺乏虛擬技術的計算機教學中，對整個計算機實驗室安裝軟件、配置系統是一個復雜巨大的工程。單純由計算機教師來人工完成，不僅效率低，成功率也難以保障。這就需要虛擬技術介入計算機教學。

當前，我國計算機教學中應用虛擬化技術主要體現在以下三方面：一是多課程實驗環境下的虛擬技術在計算機教學中應用；二是移動存儲設備的虛擬技術在計算機教學中應用；三是虛擬技術在建立網絡教室中的應用。虛擬技術在計算機教學中的應用還包括對不同功能的服務器進行支持，最典型的是教務系統服務器、文獻期刊數據庫的圖書館鏡像服務器等。采用虛擬技術的計算機教學可以提高管理效率，降低服務器能耗，降低管理成本，有效整合服務器資源，極大改善現有的計算機教學模式。

1.2 虛擬技術在計算機教學中的優勢

虛擬技術給計算機教學帶來革命性的變化。可以說，虛擬技術使計算機教學邁入了一個新的里程碑。在計算機教學中引入虛擬化技術可以有效節約實驗設備，節約建設資金，充分挖掘現有設備的潛力，緩解實驗設備不足和學校管理人員工作量過大的問題。

虛擬化技術在計算機教學中應用，最大的優點是為教師和學生提供了一個幾近真實的模擬環境，滿足了計算機教學中各項實踐及軟硬件的要求。虛擬技術使用方便，維護簡單，成本低，安全高，具有較強的可移植性和簡易安裝功能。理論上，一臺物理計算機可以獨立運行，各個計算機之間互不干擾，可以同時運行多臺虛擬計算機。一臺出現故障，不影響其他物理主機和虛擬機計算機的運行。與此同時，采用虛擬技術建立的計算機教學模式具有易于移植的特點。每一個老師和學生都可以使用虛擬機自己來搭建虛擬網絡環境，使老師和學生更直觀地掌握課程學習內容，學生甚至可以在宿舍利用自己的筆記本電腦進行網絡組建，自主學習，隨時學習。

1.3 虛擬技術在計算機教學中的類型

虛擬機和系統虛擬化是應用于計算機教學中的最常見的虛擬化技術。除此之外還有網絡虛擬化、存儲虛擬化、服務器虛擬化、桌面虛擬化、應用虛擬化、高級語言虛擬化等。

網絡虛擬化、存儲虛擬化同屬于基礎設施架構虛擬化。網絡虛擬化是指整合網絡硬件資源，向終端提供VLAN的技術。計算機教學采用虛擬專用網的網絡虛擬技術，將抽象后的網絡進行連接，允許學生隨時訪問內部資源。網絡虛擬化方便計算機教師管理IT環境，防止來自Internet中的攻擊，滿足學生安全訪問的要求。儲存虛擬化利用RAID技術，將物理磁盤組合配置成磁盤矩陣，實現高性能空間存儲，從而達到數據安全性。NAS和SAN是現有的計算機教學中網絡虛擬儲存技術的典型代表。

服務器虛擬化、桌面虛擬化同屬于系統虛擬化。系統虛擬化不僅可以實現計算機教學操作系統與物理計算機相隔離，還可以使多個虛擬操作系統同時運行在一臺物理計算機上，真正實現計算機教學虛擬化運作。服務器虛擬化主要針對CPU、內存、設備與I/O這三種硬件資源實現的虛擬。而桌面虛擬化則是將學生桌面環境托管，將每位學生的個性化桌面存儲在服務器上，學生可以通過不同的終端訪問該桌面。當操作系統出現問題時，通過對虛擬機快照、備份，可以還原保存好的桌面環境。

應用虛擬化、高級語言虛擬化同屬于軟件虛擬化。計算機教學中的應用虛擬化，主要是為應用軟件提供虛擬運行環境，為其提供可供運行的執行文件。教師或學生操作完成后，新的數據將被同步上傳到服務器保存，同樣可以實現在不同終端上操作。工具欄虛擬化應用在計算機教學中，主要體現在解決可執行程序在不同架構體系之間的數據遷移上。

2 虛擬技術在計算機教學中應用的實現

2.1 虛擬技術在計算機教學中應用方式

結合我國現有的計算機教學內容特點及課程設置，有針對性地部署Vmware Workstation虛擬化技術和Xen虛擬化技術，能夠有效解決教學中多臺物理計算機、多個實驗環境帶來的管理問題。通過在一臺教師計算機服務器中進行虛擬化部署，將教師主機作為網絡數據發送端，利用電子教室傳送數據到制定好的學生虛擬實驗機上。

2.2 虛擬技術在計算機教學中應用部署

首先，準備一臺教師計算機作為宿主服務器，在其上安裝windows操作系統，并部署虛擬機系統Vmware Workstation。其次，在學生計算機上創建虛擬機VM1，在其上安裝Windows 2003 server，并按需部署其他服務協議。按照建立VM1的步驟建立多個虛擬機VM2、VM3、VM4直至VMn，并實現虛擬機之間的互訪。最后，建立共同的虛擬機XEN，在其上安裝Linux操作系統Red Hat ASS。

3 虛擬技術在計算機教學中應用的測試

3.1 虛擬技術在計算機教學中應用前后的CPU測試

通過對比%C1 Time、%Interrupt Time、Interrupts/sec這三項CPU核心數據在虛擬技術應用前后的不同表現，可以得出虛擬技術應用后，CPU的主要功能性指標下降，但降低的幅度對計算機整體使用并無實質影響。三項指標降低的原因具有相同性因素，即運行虛擬機后CPU處于低能量空閑狀態的部分降低，運行速度減慢，其負面效應都是在可控范圍內能夠接受的。

3.2 虛擬技術在計算機教學中應用前后的內存測試

通過對比Committed Bytes、Page Reads/sec、Page Writes/sec、Pages Input/sec這四項內存核心數據在虛擬技術應用前后的不同表現，可以得出虛擬技術應用后，內存的四項主要功能性指標中兩項減小，兩項不變。這是因為虛擬機的運行會相應地占用部分內存，但占用的內存很小，甚至可以忽略不計。

4 結語

虛擬技術在計算機教學中的應用不是一朝一夕能夠實現的，更非一蹴而就的，需要計算機教師循序漸進、科學合理地按照學校現有的計算機實驗設備分析研判，設計出適合計算機教學運行的虛擬網絡拓撲結構，再對虛擬機系統進行部署，搭建計算機教學平臺。在教學資源允許的條件下，建立云計算實驗室。將計算機教學從虛擬化升華到云計算，實現跨系統資源有效整合，進而大幅提升計算機教學水平。

作者簡介

楊麗（1982-），女，漢，四川成都人，四川交通職業技術學院，教師，本科學歷，計算機科學方向。