虚拟化技术在高校计算机实践教学中的应用探讨

丛勤

（新疆财经大学网络与实验教学中心 新疆 乌鲁木齐 830012）

虚拟化技术在高校计算机实践教学中的应用探讨

丛勤

（新疆财经大学网络与实验教学中心 新疆 乌鲁木齐 830012）

针对当前计算机实践教学存在的局限性，本文从虚拟化技术角度探讨了可能的解决方案，重点介绍了VMware虚拟机技术在计算机操作系统实验、计算机网络实验和计算机群集实验教学中的应用等。

计算机实践教学；虚拟化技术；VMware虚拟机

一、问题提出

计算机是一门实践性极强的学科，实践教学是高校计算机课程教学的重要环节。[1]然而，随着我国高校招生规模的扩大，经费投入不足与学生人数增长之间的矛盾导致高校无法及时扩充学校的计算机实践教学实验设备，进而无法满足学生实践课程的需求。在教学资源有限的前提下，如何改进计算机实践教学内容、教学方法与教学体系，高效地完成计算教学任务，培养一批素质高、应用能力和创新能力强的人才，成为各高校计算机实践教学面临的一个重要课题。

起源于20世纪60年代的虚拟化技术具有高效利用IT资源、快速部署操作系统和应用软件、减少对硬件性能的依赖及硬件更新速率、满足客户要求降低运营维护成本等优点。[2]因此，其在相关领域得到广泛应用，如Cray公司基于虚拟化技术思想提出了自适应超级计算理念以实现异构资源的整合，Ohio State大学和IBM Watson研究中心的Huang和Abali等人采用虚拟化集群系统来进行资源管理等；[3]东北大学的网络中心提出了FC SAN的存储虚拟化、服务器虚拟化、WEB虚拟主机、VPN网络虚拟化的应用架构；[4]在制造业信息化方面，虚拟化技术被成功用于集中IT管理、应用整合、工业控制、虚拟制造等；[5]此外，在图书馆系统管理、数字校园建设、军队医院信息系统、计算机实验教学等方面虚拟化技术也颇受欢迎。伴随着虚拟化技术的快速发展，市场上也出现了一些成熟的虚拟化软件系统如VMware、Xen、Hpyer-V等等。

基于此，本文在分析当前高校计算机实践教学存在的问题以及对虚拟化技术进行介绍的基础上，探讨了虚拟化技术在计算机实践教学中的应用。

二、当前高校计算机实践教学面临的困境

（一）担心计算机受损坏，具有破坏性或危险性的实验无法操作

计算机的一些系统维护实验，比如磁盘分区，格式化、安装操作系统、系统备份与恢复等，由于要对磁盘进行写操作，有可能破坏硬盘上的数据，教师担心损坏硬件设备，一般只是演示或代为操作方式进行教学，学生不能动手操作。另外，还有一些网络攻击性实验无法在计算机上进

行，因为实验稍有不慎就会导致整个系统崩溃。

（二）受资金与设备性能限制，无法开设部分实验操作

由于部分网络实验如局域网的组建、网络配置与管理、各类网络服务的配置等需要用到多台计算机和多种设备，而现有实验教学条件不足，学生无法进行实验，教师只能采取课堂讲解与演示方式进行教学，学生不理解，也没有兴趣；同时，操作系统实验由于所有计算机都是预装操作系统，学生很难对操作系统进行安装调试实践，因此学生只能学习Windows的一些基本操作；此外，在Windows群集类实验中需要“共享”磁盘阵列柜与集群主机，开设这类实验的投资代价昂贵，高校无法开设此类实验。

（三）基于软硬件的差异，实验教学的效果不佳

高校不同专业、不同年级的课程教学内容不同，所需软件各式各样，为了满足计算机实践教学的需要，计算机实验室必须在经常进行软件升级或者在一台计算机上安装多个操作系统，而计算机实验室承担的实践教学任务繁重，上述现象使得机器的硬件或软件发生故障的频率大幅度提高，进而影响计算机实践教学的效果。

（四）为方便实验室的管理，学校对计算机设置保护

考虑到实验室管理人员对计算机的管理，学校设置了很多相应的保护措施。例如，当前高校机房电脑的BIOS设置了密码，学生进不去，无法学习BIOS的设置；硬盘加了保护卡，学生也无法安装试用新软件；实验室管理软件限制了一些功能，学生无法练习具体的软硬件设置等等。上述保护措施将严重影响学生的实践动手能力与学习的积极性、自主性。

三、虚拟化技术在计算机实践教学中的应用

虚拟化技术在一定程度上为上述计算机实践教学中存在的若干问题提供了可能的解决方法。下文在对虚拟化技术的相关内容进行基本介绍的基础上，着重探讨VMware虚拟化技术在计算机实践教学过程中的相关应用。

（一）虚拟化技术与虚拟机

虚拟化，原指资源的抽象化，就是把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源，以打破物理结构之间的壁垒，所有的资源都透明地运行在各种各样的物理平台上，资源的管理都按逻辑方式进行，完全实现资源的自动化分配；其本质上是一种对物理资源进行封装以屏蔽软硬件资源差异性的技术手段；其目标是实现计算机资源利用率的最大化，并将底层物理硬件设备与上层操作系统、应用软件分离，最终实现计算资源分配的灵活性、降低成本。[6]按照虚拟化技术的不同属性可以将其进行分类：从实现层次角度划分即为硬件虚拟化、操作系统虚拟化以及应用程序虚拟化；从应用领域角度划分即为服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化以及桌面虚拟化。[7]

虚拟化技术目前最成功的应用实例就是虚拟机技术。虚拟机即虚拟计算机，是针对真实计算机而言的，它是一个模拟真实计算机进行工作的软件系统，由专业软件模拟并具有完整硬件系统功能，运行在一个完全隔离的环境中。虚拟机与真实的计算机在使用上没有大的差异，可以在虚拟机中进行磁盘分区、格式化、系统安装以及应用软件等操作，而且可以将其中的操作系统联成一个网络。当前广泛使用的虚拟机软件有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC以及XEN等，其中VMware Workstation最为成熟。VMware Workstation虚拟机软件具有如下特点：

第一，软件实现，即运用软件方式模拟硬件，实现逻辑切分服务器资源，形成统一的虚拟资源池，创造虚拟机运行的独立环境；第二，隔离运行，即在同一台物理服务器上运行的多个虚拟机之间相互隔离，互不影响；第三，封装抽象，即操作系统与应用程序被封装成虚拟机并以文件形式保存，便于备份、转移与复制；第四，兼容性强即虚拟机支持多种硬件平台与多种操作系统平台。

（二）虚拟化技术的应用

1.基于VMware Workstation虚拟机的计算机操作系统实验教学

计算机的操作系统实验涉及多操作系统，而高校机房的PC机不可能同时安装多个操作系统，在学生对实验的操作系统不熟悉的情况下，实验过程中很容易因为操作失误对机器的原操作系统破坏。在此情况下，借助虚拟机软件VMare Workstation就能够在不影响当前操作系统、不增加其他的以及关闭机器的情况下实现多操作系统实验，因为在虚拟机环境中可同时运行多个操作系统且无需关闭PC机就能进行多个系统的切换。在实验完毕后，将虚拟机删除即可。可见，在操作系统实验教学中，虚拟机技术是一个经济安全、高效率、高性价比的解决方案。同理，像分区、格式化、系统恢复等破坏性实验也可在虚拟机环境中实现。

2.基于VMware Workstation虚拟机的计算机网络实验教学

计算机网络课程中的局域网组建实验需要双机或多机环境，网络设备的联网配置实验则需要购买相应的交换机和路由器设备，而这些设备型号繁多、价格昂贵、更新周期短，当前高校的教学条件无法满足上述实验要求。基于VWware Workstation不仅能虚拟出具有一套完整硬件设备的虚拟计算机以及一系列完备的虚拟网络组建，而且提供了虚拟网络编辑器以便于对虚拟机按照不同的方式进行组网，因此其被用于构建逼真的虚拟网络环境。在虚拟网络中可以实现各种网络技巧，进行DHCP、DNS、路由设置及对等网络组建等实验，此外还可以实现虚拟网络与现实网络的通信等。

3.基于VMware Workstation虚拟机的计算机群集实验教学

考虑到高校实验室没有足够的资金购买并行机，因此有关计算机集群实验教学的课程无法开设。学者李宏儒基于VMware Workstation的集群功能，提出了在单台PC机上虚拟出一个并行计算机系统进行实验的解决方案，最终对该系统进行并行测试，结果表明在虚拟并行环境下运行通过的并行程序都能在真实的并行机上运行，其中创建虚拟并行计算机系统的基本步骤为：①在操作系统中安装VMware Workstation；②在VM-ware上创建2台虚拟机，并为每台虚拟机分别创建模拟IDE接口硬盘和2个SCSI接口硬盘，同时在IDE接口硬盘安装Linux操作系统，值得注意的是在创建第2台虚拟机时使用第1台虚拟机创建的SCSI接口硬盘以模拟共享SCSI接口；③在创建的2个虚拟机中分别添加第2块虚拟网卡且对每台虚拟机采用网络地址转换模式进行网络设置；④在每个虚拟的Linux操作系统中安装MPICH软件；⑤最后对虚拟机进行群集环境设置。[8]

4.基于桌面虚拟化及应用虚拟化的计算机实验教学环境部署及管理

桌面虚拟化与应用虚拟化是在服务器及存储虚拟化基础上，依托高效的网络传输技术来实现虚拟服务器统一部署多套操作环境并按需分

配给上机实验用户。目前，在桌面虚拟化和应用虚拟化应用领域，CITRIX和VMware的解决方案处于领先地位。华东政法大学计算机实验教学中心应用CITRI的XenSever、XenDesktop及XenApp构建实验教学虚拟环境探讨虚拟化在机房实验环境构建与管理的应用，以期减轻实验环境部署和管理的负担，提升机房实验室安排和使用的灵活性，同时提高管理效率。[9]

此外，基于存储虚拟化技术，计算机实验教学中心可以提供远程实验教学资源；基于桌面虚拟化技术，高校计算机实验中心的管理人员可以运用虚拟化管理软件生成桌面虚拟机以解决由于计算机硬件不兼容而导致部分软件无法安装的问题，进而提高计算机实践教学的效果。

四、结束语

计算机实践教学中虚拟化技术的运用在一定程度上为实践教学提供了一种非常有效的辅助工具，提高了高校实验设备资源的利用率，而且在不增加硬件投入的情况下，增加了学生的动手实践机会，提高学生的技能。但是，虚拟化技术在计算机实践教学中的应用尚处于探索与发展阶段，因此高校在进行计算机实践教学的过程中必须注意如下问题：首先，实践教学过程中不能轻率使用虚拟化技术，应该综合评估实施新技术可以带来的受益及蕴含的风险；其次，由于各高校的计算机实践教学具有自身的特点，应当采用适合自身的虚拟化技术并注意与相关技术手段的结合使用；最后，虚拟化技术在一定程度上方便了计算机实践教学管理，但是对计算机实验机房管理人员的技术要求更高，因此也需要加强他们的专业技能等。

[1]张淑芬，陈学斌，张帅.虚拟化技术在计算机实践教学中的应用研究[J].计算机教育,2009,(13):215-217.

[2]董焱.基于虚拟化技术的实验教学中心环境构建[J].实验技术与管理，2011,28(3):299-302.

[3]钱磊，李宏亮，谢向辉，陈左宁.虚拟化技术在高性能计算机系统中的应用研究[J].计算机工程与科学，2009，31（A1）:307-311.

[4]王宇，刘小锋，王兴伟.虚拟化技术在高校信息化建设中的应用[J].计算机科学与探索，2010,4（4）：353-358.

[5]陈小军,张璟.虚拟化技术及其在制造与信息化中的应用研究[J].计算机工程与应用,2010,46(23);25-30.

[6]张青，杜召阳，白佳.采用虚拟化技术优化IT基础架构，有效提升IT父母提供能力[J].电信技术，2010，（3）：82-84.

[7]石磊，邹德清，金海.Xen虚拟化技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2009：4-12.

[8]李宏儒.虚拟化技术在计算机实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2010,27(5):90-92.

[9]宋蕾.虚拟化技术在高校计算机机房实验室中的应用[J].实验室研究与探索，2013，32（6）：274-278.

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1671-6469（2014）03-0066-04

2014-05-23

丛勤（1963-），山东文登市人，新疆财经大学网络与实验教学中心，实验师，研究方向：计算机应用。