基于VMware Workstation的高校計(jì)算機(jī)課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)面臨環(huán)境搭建復(fù)雜、管理維護(hù)困難、學(xué)生試錯(cuò)成本高及教學(xué)效率低等挑戰(zhàn)。為了解決上述問題，文章提出并設(shè)計(jì)了一套基于 VMware Workstation 的虛擬化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化虛擬機(jī)模板、設(shè)計(jì)虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了實(shí)訓(xùn)環(huán)境的快速部署與靈活管理。以 Linux 操作系統(tǒng)課程為例，該平臺(tái)可以支持從基礎(chǔ)命令操作到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)配置的全流程實(shí)踐，并通過克隆、快照等功能降低了學(xué)生的試錯(cuò)成本，顯著提升了環(huán)境部署的效率與教學(xué)互動(dòng)性。實(shí)踐表明，該平臺(tái)作為一種低成本、高靈活性的解決方案，對(duì)提升計(jì)算機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量具有重要的應(yīng)用價(jià)值與推廣前景。

關(guān)鍵詞：VMware Workstation；虛擬化技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；Linux操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）24-0153-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

在信息技術(shù)與教育深度融合的背景下，實(shí)踐能力培養(yǎng)已成為 “新工科” 人才培養(yǎng)體系的核心環(huán)節(jié)。對(duì)于高校計(jì)算機(jī)類課程（如 Linux 操作系統(tǒng)課程） 而言，實(shí)踐教學(xué)是學(xué)生理解理論知識(shí)、掌握操作技能的關(guān)鍵途徑。然而，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的搭建存在明顯缺陷，例如：采用單一 Linux 系統(tǒng)或雙系統(tǒng)的物理機(jī)房模式，難以滿足多場(chǎng)景的實(shí)訓(xùn)需求，還存在管理維護(hù)煩瑣、資源利用率低、學(xué)生因擔(dān)心操作失誤破壞系統(tǒng)而 “不敢動(dòng)手” 等問題，嚴(yán)重制約了實(shí)踐教學(xué)的深度與廣度。虛擬化技術(shù)的發(fā)展為破解上述難題提供了新的路徑。其中，VMware Workstation 作為一款成熟的桌面虛擬化軟件[1]，具備多虛擬機(jī)并行運(yùn)行[2]、資源靈活配置、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境隔離等特性，可以有效支持實(shí)踐教學(xué)中 “安全試錯(cuò)”“快速部署”“個(gè)性化實(shí)訓(xùn)” 等需求。基于此，本文設(shè)計(jì)了一套基于 VMware Workstation 的高校計(jì)算機(jī)類課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，詳細(xì)闡述其架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并通過 Linux 操作系統(tǒng)課程的應(yīng)用案例，驗(yàn)證該平臺(tái)在提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量中的有效性與優(yōu)越性。

1 基于 VMware Workstation 的虛擬化教學(xué)平臺(tái)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

1.1 高效環(huán)境部署與資源復(fù)用

本平臺(tái)利用 VMware Workstation 的虛擬機(jī)克隆（Clone） 技術(shù)，可基于標(biāo)準(zhǔn)化模板快速生成多臺(tái)配置一致的教學(xué)虛擬機(jī)。在 Linux 課程教學(xué)中，教師無(wú)需為每位學(xué)生重復(fù)安裝操作系統(tǒng)及教學(xué)軟件，僅需通過克隆功能即可快速完成實(shí)訓(xùn)虛擬機(jī)的部署，大幅降低了環(huán)境搭建的時(shí)間成本。同時(shí)，克隆的虛擬機(jī)可獨(dú)立運(yùn)行且資源占用可控，避免了物理設(shè)備重復(fù)采購(gòu)造成的資源浪費(fèi)，顯著提升了教學(xué)資源的復(fù)用率。

1.2 安全隔離與風(fēng)險(xiǎn)可控

VMware Workstation 的虛擬機(jī)隔離特性確保了實(shí)訓(xùn)環(huán)境的安全性[3]。每個(gè)虛擬機(jī)作為獨(dú)立的計(jì)算單元，其操作（如分區(qū)格式化、系統(tǒng)配置修改） 僅作用于虛擬硬盤，不會(huì)影響宿主機(jī)或其他虛擬機(jī)的正常運(yùn)行。這一特性在 Linux 課程的高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)（如系統(tǒng)內(nèi)核參數(shù)調(diào)整） 中尤為重要，即使學(xué)生操作失誤導(dǎo)致虛擬機(jī)崩潰，也可通過簡(jiǎn)單操作恢復(fù)，有效解決了傳統(tǒng)物理機(jī)房 “一旦出錯(cuò)影響整體實(shí)訓(xùn)進(jìn)度” 的管理難題。

1.3 快速故障恢復(fù)與探索式學(xué)習(xí)

本平臺(tái)利用 VMware Workstation 的快照功能[4]，支持學(xué)生在執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)操作前創(chuàng)建系統(tǒng)還原點(diǎn)。例如，在進(jìn)行 “LVM 邏輯卷管理” 或 “防火墻規(guī)則配置” 等實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可預(yù)先創(chuàng)建快照；實(shí)驗(yàn)過程中若因操作失誤而導(dǎo)致系統(tǒng)異常，可以迅速恢復(fù)至快照狀態(tài)，極大降低了試錯(cuò)成本。這一功能鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)，突破了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中 “怕做錯(cuò)、不敢試” 的心理障礙，顯著提升了學(xué)生的實(shí)踐積極性與創(chuàng)新能力。

1.4 資源動(dòng)態(tài)配置與個(gè)性化實(shí)訓(xùn)

VMware Workstation 支持虛擬機(jī)硬件資源（CPU、內(nèi)存、硬盤等） 的動(dòng)態(tài)調(diào)整，可滿足不同實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的需求。例如：在進(jìn)行硬盤管理和配置實(shí)訓(xùn)時(shí)，學(xué)生可以為虛擬機(jī)臨時(shí)添加幾塊虛擬硬盤，以便模擬實(shí)際環(huán)境中的硬盤操作。實(shí)訓(xùn)結(jié)束后可以移除這些虛擬硬盤，釋放空間。這種靈活性使得平臺(tái)能夠適配從基礎(chǔ)操作到復(fù)雜項(xiàng)目開發(fā)的全流程教學(xué)，支持學(xué)生根據(jù)自身進(jìn)度進(jìn)行個(gè)性化實(shí)訓(xùn)。

1.5 低成本與資源集約性

本平臺(tái)基于 VMware Workstation 的桌面級(jí)虛擬化方案，無(wú)需采購(gòu)昂貴的服務(wù)器級(jí)虛擬化設(shè)備，僅需在普通 PC 機(jī)（宿主機(jī)） 上部署即可滿足教學(xué)需求，顯著降低了高校實(shí)踐教學(xué)的硬件投入成本。同時(shí)，平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)資源集約利用：虛擬硬盤采用精簡(jiǎn)配置模式，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)占用物理存儲(chǔ)空間，避免了傳統(tǒng)物理硬盤預(yù)分配導(dǎo)致的資源閑置。

2 實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 平臺(tái)部署環(huán)境

本平臺(tái)的宿主機(jī)推薦以下軟硬件配置：操作系統(tǒng)為 Windows 11 Professional，處理器支持 Intel VT-x 或 AMD-V 虛擬化技術(shù)（需在 BIOS 中開啟） ，內(nèi)存不低于 16GB（推薦 32GB，以支持 4～6 臺(tái)虛擬機(jī)并行運(yùn)行） ，硬盤采用 NVMe 固態(tài)硬盤（容量≥512GB，確保虛擬磁盤讀寫性能） 。核心軟件選用 VMware Workstation 17 Pro，該版本對(duì) Windows 11 兼容性良好，支持虛擬 TPM 2.0、UEFI Secure Boot 等功能，可滿足 Linux 系統(tǒng)（如 RHEL 8） 的運(yùn)行需求，且其虛擬網(wǎng)絡(luò)功能支持橋接、NAT、僅主機(jī)等模式的虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)配置。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)虛擬機(jī)模板構(gòu)建

為保證教學(xué)一致性，平臺(tái)設(shè)計(jì)了 Linux 課程專用的 “標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)虛擬機(jī)模板”，其核心配置參數(shù)如表 1 所示。

2.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬網(wǎng)絡(luò)是實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的核心組件，其設(shè)計(jì)需滿足 Linux 課程中 “單機(jī)操作與網(wǎng)絡(luò)交互并存”“安全隔離與資源共享兼顧” 的實(shí)訓(xùn)需求。平臺(tái)通過 VMware Workstation 的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，構(gòu)建了支持多場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)之間、虛擬機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)的靈活通信。

2.3.1 虛擬網(wǎng)絡(luò)模式介紹

平臺(tái)支持3種典型虛擬網(wǎng)絡(luò)模式：

（1） 橋接網(wǎng)絡(luò)（Bridged Network） 。該模式相當(dāng)于虛擬機(jī)直接與宿主機(jī)連接到相同的物理網(wǎng)絡(luò)，獲得與物理網(wǎng)卡同一網(wǎng)段的 IP 地址，并且可以像宿主機(jī)一樣直接訪問外部網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，外部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也可以對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行訪問。

（2） NAT（Network Address Translation） 。NAT 模式允許虛擬機(jī)通過宿主機(jī)的 IP 地址訪問外部網(wǎng)絡(luò)。在這種模式下，虛擬機(jī)本身使用私有 IP 地址，宿主機(jī)會(huì)執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換，將虛擬機(jī)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)返回時(shí)，宿主機(jī)會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)給正確的虛擬機(jī)。

（3） 僅主機(jī)網(wǎng)絡(luò)（Host-only Network） 。僅主機(jī)模式創(chuàng)建一個(gè)完全與外界隔離的環(huán)境，虛擬機(jī)可以與宿主機(jī)進(jìn)行通信[5]，但無(wú)法直接訪問外部網(wǎng)絡(luò)資源[6]。這種模式下，虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸能夠安全地進(jìn)行，不會(huì)暴露給外部網(wǎng)絡(luò)。

2.3.2 虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)與模式選擇

（1） 虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)。平臺(tái)的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境設(shè)計(jì)以“滿足教學(xué)需求、降低操作復(fù)雜度、保障實(shí)訓(xùn)安全”為原則，其核心配置邏輯如下：虛擬網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)依托 VMware Workstation 默認(rèn)提供的 VMnet0（橋接） 、VMnet1（僅主機(jī)） 、VMnet8（NAT） 虛擬交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活調(diào)整子網(wǎng)地址（如 192.168.100.0/24） 、DHCP 地址池范圍及網(wǎng)關(guān)參數(shù)。

（2） 虛擬網(wǎng)絡(luò)模式選擇。Linux 操作系統(tǒng)課程推薦選擇 NAT 模式作為默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)配置，所有 Linux 虛擬機(jī)均接入 VMnet8 虛擬交換機(jī)，通過平臺(tái)內(nèi)置的 NAT 服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交互。虛擬機(jī)與宿主機(jī)之間通過虛擬網(wǎng)卡 VMnet8 直接通信；虛擬機(jī)訪問外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)宿主機(jī)物理網(wǎng)卡接入外部網(wǎng)絡(luò)（如校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)） ；外部網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)數(shù)據(jù)則通過反向路徑返回至對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)。NAT 模式虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

選擇 NAT 模式的原因如下：

（1） 適配課程核心需求：Linux 課程的多個(gè)實(shí)驗(yàn)（如軟件包安裝） 需虛擬機(jī)訪問外部網(wǎng)絡(luò)，NAT 模式通過宿主機(jī)自動(dòng)完成地址轉(zhuǎn)換，降低了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的復(fù)雜度，使學(xué)生可聚焦于 Linux 命令與服務(wù)配置本身。

（2） 保障實(shí)訓(xùn)環(huán)境安全：學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可能執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)操作，NAT 模式通過隔離虛擬機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)的直接連接，避免錯(cuò)誤配置對(duì)校園網(wǎng)造成干擾，同時(shí)防止外部設(shè)備對(duì)虛擬機(jī)的非授權(quán)訪問。

（3） 兼容多設(shè)備場(chǎng)景：無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室公共計(jì)算機(jī)還是學(xué)生個(gè)人筆記本，NAT 模式均能適配不同物理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（如校園網(wǎng)、家庭 Wi-Fi） ，無(wú)需因換網(wǎng)重新配置虛擬機(jī) IP，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的一致性與可遷移性。

如需開展封閉網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，可通過切換虛擬網(wǎng)卡模式至 “僅主機(jī)” 實(shí)現(xiàn)；若需模擬公共服務(wù)發(fā)布場(chǎng)景，則可切換至 “橋接” 模式，形成覆蓋基礎(chǔ)到進(jìn)階的全場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)支撐能力。

3 平臺(tái)在Linux 操作系統(tǒng)課程中的應(yīng)用案例分析

Linux 操作系統(tǒng)課程是軟件技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用、人工智能技術(shù)應(yīng)用和大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程主要為學(xué)生提供全面的 Linux 操作系統(tǒng)知識(shí)，涵蓋其基本概念、核心功能及實(shí)際應(yīng)用。通過理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生有機(jī)會(huì)在實(shí)訓(xùn)環(huán)境中進(jìn)行練習(xí)，掌握實(shí)際操作技巧，提升問題解決能力。

（1） 案例一：動(dòng)態(tài)硬盤管理與 LVM 實(shí)踐

傳統(tǒng)物理機(jī)房中，學(xué)生難以安全進(jìn)行硬盤分區(qū)、格式化等操作（可能誤刪數(shù)據(jù)） 。本平臺(tái)通過虛擬機(jī)硬件調(diào)整功能解決了這一問題：教師指導(dǎo)學(xué)生在關(guān)閉虛擬機(jī)后，通過 “添加硬件” 功能為虛擬機(jī)增加幾塊虛擬硬盤（如各 20GB） ，隨后啟動(dòng)虛擬機(jī)并執(zhí)行 fdisk 分區(qū)、mkfs 創(chuàng)建文件系統(tǒng)、lvm 邏輯卷管理等操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可直接刪除本實(shí)驗(yàn)中臨時(shí)添加的虛擬硬盤，不會(huì)損害物理設(shè)備。因此，學(xué)生能夠放心進(jìn)行硬盤操作，對(duì) LVM 原理的理解更加直觀。

（2） 案例二：多虛擬機(jī)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)構(gòu)建

DNS 與 Web 服務(wù)協(xié)同配置是 Linux 課程的重要實(shí)驗(yàn)之一，需多臺(tái)虛擬機(jī)配合完成。學(xué)生可以利用克隆功能快速生成多臺(tái)配置相同的虛擬機(jī)，并將它們連接至同一虛擬網(wǎng)絡(luò)（如 NAT） 。將一臺(tái)虛擬機(jī)配置為 DNS 服務(wù)器，另一臺(tái)配置為 Web 服務(wù)器，第三臺(tái)則配置為客戶端。學(xué)生在此實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，能完整地搭建與排錯(cuò)一個(gè)小型局域網(wǎng)服務(wù)體系，深刻理解多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)同工作的原理。

（3） 案例三：Shell 腳本編寫和執(zhí)行

Shell 腳本編寫是 Linux 系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)維的核心技能，但腳本中涉及的系統(tǒng)配置修改、文件批量操作等指令具有一定風(fēng)險(xiǎn)（如誤刪系統(tǒng)文件、錯(cuò)誤修改權(quán)限配置） 。平臺(tái)的快照功能為學(xué)生提供了安全的測(cè)試環(huán)境，學(xué)生可以在運(yùn)行 Shell 腳本前創(chuàng)建快照，若因操作失誤導(dǎo)致系統(tǒng)問題，可快速恢復(fù)至初始狀態(tài)重新嘗試，有效降低了試錯(cuò)成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于 VMware Workstation 的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，通過標(biāo)準(zhǔn)化模板構(gòu)建、靈活網(wǎng)絡(luò)配置及虛擬化技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效解決了傳統(tǒng) Linux 課程實(shí)踐教學(xué)中 “環(huán)境搭建難、管理成本高、試錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)大” 等痛點(diǎn)，為高校計(jì)算機(jī)類課程提供了低成本、高適配的實(shí)踐教學(xué)解決方案。本平臺(tái)方案雖然有效，但其運(yùn)行性能高度依賴于宿主物理機(jī)的硬件配置，在老舊設(shè)備上可能會(huì)出現(xiàn)卡頓。此外，平臺(tái)的初期模板制作與分發(fā)仍需教師投入一定精力。未來的研究可探索將該平臺(tái)與自動(dòng)化評(píng)測(cè)工具集成，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐操作的自動(dòng)評(píng)分與反饋。另外，可研究使用容器技術(shù)作為虛擬化的補(bǔ)充，為某些輕量級(jí)實(shí)驗(yàn)提供更快速的部署方案。

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