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基金项目:陕西省教育厅科研专项基金资助项目[05JK186]
[摘 要 ] 讨论了高校计算机实验教学的现状,阐述了虚拟机的基本概念和主要特点,就“虚拟机”技术在实验教学中的应用和意义进行了分析,得出了在计算机实验教学改革中应用虚拟机技术的可行性结论.
[关 键 词 ] 虚拟机技术 实验教学 应用
一、计算机实验教学的现状
当前,由于我国高校招生规模不断扩大,而实验设备和实验场地不能及时得到扩充,实验教学资源非常紧张.另外,实验设备的过度使用,同时实验设备不能及时得到应有的维护,更加重了这一恶性循环.如何有效利用有限的设备,完成实验教学,并确保实验质量,成为各高校面临的重要课题.
2005年1月,在教育部下发的《关于进一步加强高等学校本科生教学工作的若干意见》中明确指出:“要不断改进实践教学内容,改进实践教学方案,加强各种形式的实践教学基地和实验室建设”.可见实验教学质量的高低很大程度上取决于实验室建设的水平.计算机作为一门实践性很强的学科更是如此,为了培养具有高质量、高素质、高应用能力和具有创新精神的计算机人才,如何不断改进和完善计算机实验与实践性教学内容、教学方法、教学体系,进一步加强计算机实验室建设显得尤为重要.
笔者认为实验资金、实验设备及场地在短期内不能得到有效缓解的前提下,使用虚拟计算机技术构建实验环境,开展计算机实验、无疑是一种好的实验方法.
由虚拟机软件构建的虚拟实验系统可以在其他专用实验室或公共计算机房平台上无损开展交互式验证、设计以及研发等实验.这样既节省了资金投入、挖掘了设备潜力,又缓解了实验设备严重不足、实验教师工作量过大等突出矛盾,也能给学生课内外的自主学习提供可能.
二、虚拟机技术简介
1.虚拟机概念
什么是虚拟机通俗地说,虚拟机(Virtual Machine)是电脑中的电脑,是利用软件虚拟出来的电脑,是在现有的操作系统上虚拟出来的一个新的子系统.其中,运行虚拟机的电脑分为主系统(Host)和子系统(Guest),主系统就是用户的电脑,直接控制操作系统和硬件,称为宿主机,子系统则是利用软件在主系统中虚拟出来一个硬件环境,称为客户机或虚拟机.由主系统(宿主机)创建的虚拟机,与真实的计算机几乎一模一样,不但有自己独立的CPU、硬盘、内存及各种硬件,甚至还有自己的BIOS.用户也可以在虚拟机上安装Windows、Linux等真实的操作系统及各种应用程序,但用户在虚拟机中的任何操作均不会对主系统造成任何影响.虚拟机与主系统之间的关系如下图所示：
2.虚拟机的主要特点
从上面的介绍我们可以看到,要构建一个虚拟的实验环境,并不需要额外的硬件设备,只需在实验室或机房现有系统上加装一个虚拟机软件平台即可.目前针对PC机的虚拟机软件主要有VMware和Virtual PC两种 ,而VMware因其在执行效率、网络功能、显示界面以及跨平台支持等优点而被广泛运用,它包括Workstation、GSX server等多种版本,本文就VMware Workstation构建虚拟计算机实验环境作初步的探讨.虚拟机的主要特点如下:
(1)在同一台主机上可以同时运行多个虚拟机,每个虚拟机都可安装不同的操作系统,就如同一立的PC,各虚拟机与主机之间还可以进行对话、共享文件、应用网络资源,甚至还可以运行C／S方式的应用.
(2)在虚拟机上安装其他操作系统,是把操作系统安装在主机硬盘中虚拟出来的一个特定文件中,并不需要对物理硬盘进行分区操作,虚拟机系统与主机系统有良好的隔离性,在虚拟机上进行的操作对主机现有的硬盘分区和数据都不会造成任何破坏.
(3)虚拟机具有硬件无关性特点,在主系统上虚拟出的硬件都是相同的,可以简单地在不同的主机之间复制后直接使用,不用考虑硬件差异,因此在实验中对虚拟机系统造成的任何损坏可以得到快速的恢复.
三、虚拟机技术在计算机实验教学中的应用及意义
1.虚拟机技术在实验教学中的主要应用
虚拟机技术在实验教学中的主要应用有：
(1)基础类实验：如Windows及一些应用程序、工具软件的安装与使用,(2)操作系统类实验：如磁盘分区、格式化、安装DOS、Windows、Linux、NoveH等操作系统,(3)计算机网络类实验：如局域网的组网、配置、家庭网络配置、Net meeting桌面共享和远程程控制、Tel及FTP实验,不同系统之间的互联和资源共享(如Linux下的Samba服务)等,(4)系统安全类实验：如木马程序、网络攻击等,(5)机群(PC cluster)搭建：如服务器机群搭建、PC机群搭建,等等.
(2)在实验教学中应用虚拟机技术的意义:从实验的角度来看,虚拟实验环境的建立,有利于实验的正常开展,有利于发现问题、缩短周期、节省费用、保证质量.构建实体计算机实验往往需要投入大量的资金,配备相应的计算机硬件设备.在人员和设备投入不足的情况下,学生只能多人分组进行实验.而在虚拟实验环境下开展实验活动只需准备相关软件及对原有计算机设备进行局部升级(如：内存)即可建立学生与设备间一对一的实验环境.
从课程的角度看,虚拟实验环境可以轻松应付一些动手实践较强的课程,如：《计算机组装与维护》、《常用工具软件使用》、《软件维护与病毒防治》、《计算机网络》、《计算机信息安全》、《网络管理技术》、《操作系统》等,以前对于这些课程,由于实习的内容可能会导致系统崩溃或要安装其他操作系统,一般都要在专用机房或实验室才能完成,但现在就可以在安装了虚拟机的普通机房或其他实验室进行.
从机房管理维护的角度看,虚拟实验技术的使用既方便了实验工作人员的管理,也降低了工作的强度:一方面,机房工作人员无需安装多个操作平台就可满足不同课程对不同平台的需求,也不必担心某些实验会导致系统崩溃而疲于恢复系统.实验工作人员可以把一些常用的不同平台的虚拟机文件放在服务器上,开放给学生,当需要不同的操作平台或系统崩溃时,可以从服务器端重新下载文件,快速恢复系统,另一方面,虚拟实验技术的使用也可以提高普通机房的利用率,增强设备的共享能力,减轻专用实验室或机房的使用压力,减少实验设备的维护量,同时也方便实验室更合理地安排实验课程.
另外,随着验证性实验逐步减少,综合设计性及研究性实验的逐步增加,教师或学生涉及的实验项目已不仅仅局限于书本上的“假”课题.在实际项目开发过程中,实验个体可根据需要自主开展不同实验项目,而不过多地受时间、条件和人员等的限制.
四、结论
虚拟机实验环境提供的是一个近于真实的环境,除了硬件的物理连接外(如主板、CPU、显卡、网卡、网线等连接),只要能在“虚拟机”上完成的实验,就能够在真实的机器上完成,所以采用虚拟机技术构建的实验环境实验质量不会受到影响,完全符合教学要求.
由于虚拟机系统与主机系统有良好的隔离性,在虚拟环境下,学生不用顾虑到对主系统的破坏,可以放心进行各种实验操作,带来更好的实验效果,就算在当次实习课内完成不了所有操作也不会导致主系统崩溃,而影响另外班级的上机实验课程,从而极大地激发了学生学习兴趣.
综上所述,基于虚拟机技术的虚拟实验环境的建设在一定程度上不仅可以缓解当前实验设备和场地不足的问题,很好地满足了实验课多种环境的需求,保证了所有实验课的正常开出.而且提高了学生学习的积极性和主动性,增强了学生的动手能力,也提高了实验室设备的利用率.
“虚拟机” 技术的出现,给实验教学提供了一种有效的实验方法,而且可在一定程度上提高了实验设备的共享性和安全性,减少了实验室管理的难度,同时教学质量也不会受到影响.因此,推广“虚拟机”在实验教学中的应用,是一种有益的尝试.