虚拟化技术在计算机实践教学中的应用研究

张淑芬　陈学斌　张　帅

摘要:本文针对计算机实践教学中存在的问题,提出一种基于虚拟机技术的解决方法,从一定程度上缓解实验设备紧张的问题,保证实验课的正常开出,加强学生学习的积极性和主动性,提高学生的实践创新能力。

关键词:虚拟化技术;VMware;计算机实践教学

中图分类号:G642 文献标识码:A

1前言

当前,由于我国高校招生规模不断扩大,学生越来越多,而教学经费的投入却远远跟不上学生数量的增长,实验设备不能及时得到扩充,无法满足实践教学的需要。如何利用有限的资源,完成实践教学,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”。可见实践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能力的计算机人才,如何不断改进和完善计算机实验和实践性教学内容、教学方法、教学体系,进一步加强计算机实验室建设显得更为重要。

2计算机实践教学中存在的问题

计算机实践教学是计算机课程的重要环节,学好计算机仅仅靠理论知识是不够的,课堂讲授是使学生掌握计算机的理论知识,而实践教学的目的是通过实际操作将学到的知识付诸实际,是课堂教学的延伸和补充。计算机实践教学无论是在掌握理论知识,还是在培养学生运用计算机解决其他专业问题的能力方面,都占有相当重要的位置。要培养素质高、应用能力和创新能力强的人才,就需要给学生提供一定的实践环境。但是,随着招生规模的不断扩大,学生越来越多,教学经费的投入远远跟不上学生数量的增长,实验室条件根本无法满足实践教学的需要。

大部分高校的机房为了管理方便,BIOS加了密码,学生进不去,无法学习BIOS的设置;硬盘加了保护卡,无法安装试用新软件;用管理软件屏蔽了控制面板,学生无法练习Windows的一些设置。

计算机的某些系统维护实验,如磁盘分区、格式化、安装操作系统、系统备份与恢复等,由于要对磁盘进行破坏性实验,有可能损坏硬件设备,教师一般采取课堂演示或以讲代练的方式进行教学。

计算机网络实验,如局域网的组建,网络配置与管理,Telnet、FTP、IIS等各种网络服务的配置,远程访问和路由的设置等,这类实验需要用到多台计算机和多种设备,而现有的实验教学条件有限,导致学生学完课程后无法进行实验,从而在工作中无法解决实际问题。

操作系统实验,由于机房的所有设备都是预装操作系统,并且使用保护卡,学生对于操作系统的认识仅限于操作应用,很难有机会实施操作系统的安装调试实践。另外一些如Unix、Netware等操作系统需要有特殊的硬件设备才能够运行,而这些硬件设备价格昂贵,一般普通院校的实验设备根本无法满足。因此,学生只能接触操作比较简单的入门级服务器操作系统,如Windows,对于在业界高端应用较广泛的Unix、Linux、Netware一般很少涉及。

网络安全实验,如扫描器、Sniffer、木马等黑客工具的使用,网络服务器的安全配置等,由于缺乏实验环境,也只能采取课堂讲解和演示的方式进行教学,学生很难理解,也不感兴趣。

利用虚拟化技术,上述问题可以在一定程度上得到解决,从而保证实验课的正常开出,加强学生学习的积极性和主动性,提高学生的实践创新能力。

3虚拟机

虚拟机(virtual machine,简称VM)是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统,能够提供更加有效的底层硬件使用。在虚拟机中,中央处理器芯片从系统其他部分划分出一段存储区域,操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。如果在某虚拟机中出现程序冻结现象,这并不会影响运行在虚拟机外的程序操作和操作系统的正常工作。

虚拟机具有四种体系结构。第一种为“一对一映射”。其中以IBM虚拟机最为典型。第二种由机器虚拟指令映射构成,其中以Java虚拟机最为典型。Unix虚拟机模型和OSI虚拟机模型可以直接映射部分指令,而其他的可以直接调用操作系统功能。

在真实计算机系统中,操作系统组成中的设备驱动控制硬件资源,负责将系统指令转化成特定设备控制语言。在假设设备所有权独立的情况下形成驱动,这就使得单个计算机上不能并发运行多个操作系统。虚拟机则包含了克服该局限性的技术。虚拟化过程引入了低层设备资源重定向交互作用,而不会影响高层应用层。通过虚拟机,客户可以在单个计算机上并发运行多个操作系统。

VMware Workstation是VMware公司出品的一款虚拟机软件。利用它可以在一台电脑上模拟出若干台机器。这台虚拟机与真正的物理主机没有太大的区别,都需要分区、格式化、安装操作系统和应用程序,就像一台真正的计算机一样,提供这个应用程序的“窗口”就是虚拟机的显示器。

VMware虚拟机的最大特点是不需要重新开机就能在一台电脑上同时运行多个操作系统。这跟在同一台PC机上安装多操作系统是不同的。在PC机上安装多个操作系统,但在任一时刻,只能运行其中的一个系统,如果想切换到其他系统,必须重新启动机器。而在虚拟机环境下,多个操作系统可以同时运行,人们可以像对待标准的Windows应用程序那样在多个操作系统之间来回切换,而不需要重新启动机器。最值得关注的是VMware强大的网络功能,可将多个虚拟机联接在一起,组建一个局域网,这个网络的行为与真实的网络完全一致,而且不用担心损坏虚拟网卡和虚拟交换机。

4VMware在计算机实践教学中的应用

4.1计算机维护实验

计算机维护实验,如磁盘分区、格式化、安装操作系统、Ghost备份与恢复等会破坏硬盘数据的完整性,因此,这类实验在学校的机房一般是不允许的。而在虚拟机环境下,学生可以任意进行格式化、分区、设置CMOS等计算机维护操作,即使操作出现了问题,也可以非常方便地恢复所用的操作系统。由于虚拟机对应的仅是真实主机上的一个文件,在虚拟机中进行的任何操作都不会破坏现有的硬盘分区和数据。这不但保证了原系统的安全,而且在完成操作后,通过映像功能可以轻松将系统恢复到原样。如果不想在操作之后通过映像功能恢复系统,还可以针对目标虚拟机创建克隆。克隆出来的虚拟机可以随意操作,不用担心给被克隆的虚拟机带来什么影响,完成操作之后直接删除克隆的虚拟机即可。

4.2操作系统实验

利用虚拟机可以在一台电脑上将硬盘和内存的一部分拿出来虚拟出若干台机器,每台机器可以运行单独的操作系统而互不干扰,这些“新”机器各自拥有自己独立的CMOS、硬盘和操作系统,可以像使用普通机器一样对它们进行分区、格式化、安装系统和应用软件等操作。在虚拟系统崩溃之后可直接删除而不影响本机系统,同样本机系统崩溃后也不影响虚拟系统,可以下次重装后再加入以前做的虚拟系统。虚拟机软件不需要重开机,就能在同一台电脑使用几个操作系统,不但方便而且安全。

另外,Unix、Linux操作系统和Windows操作系统有着质的区别,学生从熟悉的Windows操作系统一下子跳入到Unix、Linux操作系统的学习,往往难以适应,半途而废。利用Windows系统下的虚拟机软件来使用Unix、Linux等操作系统,可以方便地进行各个操作系统的切换,同时虚拟机又可以完全实现Unix、Linux操作系统的功能。这一点给初学者的学习带来了极大的方便,初学者可以一边在Windows系统中看着教程,一边在虚拟机中实际运行。

4.3计算机网络实验

网络实验要用到较多的设备,可能要用到多台计算机,这不仅造成实验设备的紧张,也占用较大场地,此种情况下,采用虚拟环境也是很有意义的。对于一个40人的基本教学班,在一个标准的50台计算机的网络实训室进行网络实训实验,基本是两个学生一组做实训,复杂的实验还必须3人以上,学生缺乏足够的动手机会和全局的掌控能力。使用了虚拟机技术,一个高性能的普通机房就能让学生人手一台单机完成大多数网络实训任务,大大提高了设备的利用率,并保证了学生实训的时间和机会。网络教学中为了尽量使学生多动手、多实践,在设备有限的情况下,很多实训项目都是分组进行的。对于一些复杂的实验,这样做可能会带来一些问题,如涉及异构系统之间通信的网络实验,可能还需要安装各种操作系统,并进行相应的网络配置,时间会较长。由于各小组或个人能力的差异,部分学生可能不能按时完成,到下一次实训时,原来的结果也会被其他小组冲掉,造成返工。采用虚拟环境,可以较好地解决这一问题,因为“虚拟机”系统只是主系统的一个文件,每个小组或个人使用和管理各自的文件,互相不会冲突,因此,实验结果都可以加以妥善保存,教师也能够一次性地检查多个小组的实验结果。VMware还提供挂起功能,利用这一功能可以保留全部现场,因此较大的实验可以分多次完成。

4.4网络安全实验

在网络安全实验中,黑客工具的使用、网络操作系统的安全配置、网络服务器的安全配置、数据加密系统的应用等实验都可以在虚拟机的环境下完成。基于原有的网络实验设备,只需极少的资金就能为大量的学生提供实用的实验环境,也可以避免因为网络设备故障以及网络设备的连接问题影响学生实验的效果,并减少设备的损坏和维护的工作量。同时在真实网络环境中学生需要两人或者多人一组一起连网实验,虚拟机网络环境下,可以一人单独实验,便于学生独立完成实验。

学生通过实际的操作过程,掌握各种工具的具体使用方法。从各种攻击工具具体对系统产生的危害结果,以及采取的相关防范措施中,加深了学生对理论知识的理解,同时提高了学生的学习兴趣,起到良好的教学效果。

5结束语

虚拟化技术的出现,给计算机实践教学提供了一种有效的辅助工具,它充分挖掘了现有设备的潜力,提高了现有系统的利用率,而且在不额外添加硬件设备的条件下,可以增加学生的实践动手机会,加强学生的实践技能。因此,在计算机实践教学中推广虚拟机技术具有非常积极的教学意义。

参考文献:

[1] James E.Smith, Ravi Nair.虚拟机—系统与进程的通用平台[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2] 龚少卿.VMware虚拟机在操作系统教学中的应用[J].现代企业教育,2009(2).

[3] 赵永礼.基于VMware的计算机实验教学设计[J].计算机教育,2009(5).

Research on the Application of Virtualization in Practice Teaching of Computer

ZHANG Shu-fen, CHEN Xue-bin, ZHANG Shuai

(School of Sciences, Hebei Polytechnic University, TangShan 063009, China)

Abstract: In view of the questions which exists the practice teaching of computer, this paper put forward a solution based on the virtual machine technology, the solution can alleviate the test installation tense , guarantee the experimental class starts out normally, strengthen the enthusiasm and the initiative which the student studies and improve student's practice innovation ability.

Key words: virtualization technology;VMware;practice teaching of computer