虚拟机在高校教学中的应用

石彦华,孔国利

(中州大学 信息工程学院,河南 郑州 450000)



虚拟机在高校教学中的应用

石彦华,孔国利

(中州大学 信息工程学院,河南 郑州 450000)

摘要：提出了虚拟机在高校教学中的应用方法,解决高校实验设备有限和资金不足的问题.依据虚拟机的现状，首先给出了虚拟机教学的基本思想，然后阐明了虚拟机对高校教学的作用，最后阐述了虚拟机在项目化教学中的具体应用.

关键词：虚拟机；VMware；高校教学；Linux OS；虚拟机教学

0引言

随着社会的发展，Linux操作系统凭借其开源、免费、稳定、高效、安全的特点[1]，在企业的大型服务器中广泛应用基于Linux操作系统的嵌入式产品，例如数码相机、摄像机、交通灯控制器、数控洗衣机、电冰箱、iPad等都是嵌入式系统的典型产品[2].可以说基于Linux操作系统的产品已经渗透到生活的每个角落，包括工业、服务业和消费电子等[2].为顺应社会发展需求，现今许多高校都开设了基于Linux操作系统的课程.同时，伴随着它的普及，高校课程的实验环境要求基于Linux操作系统实现，这就要求高校的实验室中要有基于Linux操作系统的编程环境与设备.

但是，近年来高校规模不断增长与新兴专业不断扩建，在许多高校实验设备资源有限和资金后备不足的情况下，很难再大批新建基于Linux操作系统的实验环境.因此，只有在现有实验机房中同时安装Linux和Windows操作系统才可以解决此问题.所以，如何在现有实验机房中同时安装并运行Linux和Windows操作系统，成为解决高校实验设备和资金不足的重要课题[1].

1相关研究

目前解决高校实验设备和资金不足的问题,主要有软件方案和硬件方案可供参考[3].首先,硬件方案主要是整合现有的硬件资源，重新优化配置，实现一专多用功能，达到节约资源目的;其次,软件方案主要思路是保持现有的硬件环境和实验环境不发生变化，通过改变软件逻辑和配置，使同一硬件资源和环境同时为不同的用户服务.

这两种解决方案各有优缺点.硬件方案的优点是实现硬件资源优化重组，可实现一专多用功能，最大化使用教学资源和节约资金，例如网络技术实验室中的路由器、交换机、网卡、集线器和调制解调器等多种网络设备，网络安全实验室中的防火墙、防毒墙、入侵防御系统、统一威胁管理、统一审计网关等网络安全设备.硬件资源重新优化组合后，不仅可以提供给网络技术专业的学生配置校园网和互联网实验，而且可以提供给网络安全专业学生完成网络防毒、防入侵的实验.它的缺点一是硬件资源年代已久，过于老化，反应迟缓、速度慢，实验性能和质量会受到极大影响；二是各种硬件环境和硬件版本不兼容，导致实验过程中异常情况发生；三是硬件资源重新组合后，会出现新的硬件环境和实验环境，让实验者措手不及，需要摸索和磨合一段时间.

软件方案优点是保持现有的硬件环境与实验环境不发生变化，通过仿真技术改变软件的逻辑和配置，让原有的硬件资源和环境同时为不同的实验者服务,这样就克服了硬件方案的一些缺点，但是它的缺点是消耗硬件资源比较多，对硬件设备要求较高.

2基本思想

面对高校实验设备和资金不足问题，许多高校都偏向采用软件方案解决.软件方案有采用引导技术的多系统方案和采用仿真技术的虚拟机方案.多系统方案，顾名思义就是在同一台计算机上采用多重引导技术，同时安装多个操作系统，当计算机启动后，用户可根据需要，选择对应的操作系统.这种方案的优点是运行速度较快，选择操作系统方便，相对虚拟机方案对硬件设备要求较低，消耗资源较少；其缺点是用户同时只能运行一个操作系统，系统间切换费时，比较麻烦.

虚拟机方案主要利用现有计算机的硬件和软件资源，采用仿真技术，在现有的计算机中构建一台虚拟的计算机系统.从形式上看它是现有操作系统上的一个应用软件，可以进行正常启动、关闭和设置等操作；从内容上看它像一台独立的计算机，拥有正常计算机的所有功能.这种方案的优点一是可同时运行多个操作系统而相互不受影响；二是虚拟机操作系统的安装、配置、启动和关闭等操作方便、快捷；三是虚拟机操作系统具有很强的移植性，一次安装配置，可以快速移植到其他操作系统中，不受内外软硬件环境的影响.其缺点是，由于同时运行多个操作系统，造成对硬件设备要求较高，消耗资源多，运行速度慢.

鉴于Windows操作系统具有友好性、简单性等特点，高校的实验室机房安装的都是Windows操作系统，而且通常机房的安排非常紧张，独立设置一个或几个只安装Linux操作系统的机房，明显是很困难的.但是若不安装Linux操作系统,课程的实验内容很难消化和理解透彻[1].鉴于以上情况和基于两种软件方案的优缺点，高校都采用仿真技术的虚拟机方案解决此矛盾.其基本思想是在Windows操作系统上安装一个虚拟机软件VMware(virtual machine ware)，然后通过此软件安装和使用多种类型的操作系统，从而实现安装、删除和使用操作系统就像在Windows操作系统上安装、删除和使用一个应用软件一样方便快捷.

3虚拟机对高校教学的作用

3.1虚拟机和虚拟机软件的概念

虚拟机是在现有的物理计算机软件与硬件基础上采用仿真技术，构造出虚拟的具有完整硬件功能和软件功能的,并可以运行在一个完全隔离当前物理计算机环境的计算机系统.虚拟机软件VMware是在现有的物理计算机软件与硬件基础上能产生并运行虚拟机的软件.

3.2虚拟机对高校教学的作用

通过虚拟机软件VMware,可以在一台宿主机(物理主机)上产生多台虚拟的计算机(虚拟机)，每台虚拟机如同真实的物理主机一样，例如各种应用程序的安装与使用、网络配置与使用等[4].针对虚拟机与虚拟机软件的功能与特点，它们对高校教学的用途和作用如下.

3.2.1简化实验室机房管理、降低教学环境构建难度

在虚拟机软件VMware上可以同时虚拟Windows、Linux、Max等各种类型的多个系统，而且它们可以同时运行，这实现了在同一台宿主机上真正同时运行多个操作系统的功能，避免了多系统方案中在电脑启动后同一时刻只能运行一个操作系统和系统切换需重启机器的缺点[1].这些优点简化了实验室机房的管理、维护和使用，极大地降低了教学环境的构建难度，可灵活、快速适应各种教学系统的升级和更换，满足多样化教学环境的需求.

3.2.2加强实际动手能力培养，提高教学效果和水平

通过虚拟机软件的使用，实现了多个虚拟机操作系统在宿主机上的快速切换功能，如同在宿主机操作系统平台上的应用程序的切换功能.同时，在虚拟机上可以模拟宿主机上的所有操作功能，比如硬盘分区、虚拟机设置、应用程序安装等，并且不会影响到宿主机上的功能和数据.这些优势可提高学生的动手实践能力，加深对理论知识的理解、加强职业技能的培养，从而达到提高教学效果和水平的目的.

3.2.3节约教学资源和资金，满足多样化教学需求

通过虚拟机的主板、内存、硬盘、网卡、声卡、串口、并口、USB(universal serial bus)接口等硬件设置和电源、快照、自动保护、访问设置、网络控制等相关功能的开启与关闭[2]，可以虚拟教学实验所要求的实验设备和条件，而不用重新购买，从而节约了教学资源和资金，满足了不断变化的教学需求.例如，通过设置虚拟机软件的网络通信模式和虚拟网卡等信息，将宿主机和多台虚拟机组建成一个小型局域网，使它们之间相互通信，这些优势可满足Linux操作系统课程中要求的客户机(宿主机)和服务器(虚拟机)进行通信、调试、测试的实验需求，同时通过一台物理机实现了局域网内多台机器的C/S与B/S测试目标，并节约了实验要求的物理机个数，满足了Linux课程教学要求的所有实验条件，极大地提高了课程实验的效率[5].

3.2.4具有很强的可移植性、提高课程教学的效率

通过虚拟机软件所构建的虚拟机，具有很强的可移植性.例如，Linux操作系统是以二进制镜像文件形式存放于计算机的硬盘上，用户对此虚拟操作系统可进行任何形式的编辑，而不会影响到宿主机自身的系统和数据，同时也可将编辑操作后的虚拟机系统的镜像文件移植到另外一台电脑中，而不受之前宿主机本身的计算机系统的影响.这些优势可让学生大胆深入地进行Linux操作系统的实验，方便快捷地把实验室中的虚拟操作系统移植到家中或宿舍的计算机上，学生利用空余时间预习和复习，提高课程学习的效率.

4虚拟机在项目化教学中的应用

虚拟机实验环境搭建分为3步完成，包括虚拟机软件的安装与应用、虚拟机的安装与应用、虚拟机软件对虚拟机的设置与应用3个主要过程，下面给出具体说明.

图1　虚拟机软件的功能与应用Fig.1　Function and application of virtual machine software

4.1虚拟机软件的安装与应用

虚拟机软件首先要安装在宿主机中,它要求具有512 MB以上内存的宿主机,否则会造成虚拟机和宿主机运行速度过慢或死机故障.安装完虚拟机软件后的宿主机，就如同一台可以生产计算机的孵化器，只要它的内存够大，便可孵化出多个虚拟机.虚拟机软件的安装过程按照向导提示一步步进行便可完成.

虚拟机软件的应用有很多方面，包括虚拟机设置、创建新的虚拟机、打开虚拟机、连接远程服务器和虚拟化物理机等，图1所示为虚拟机软件的简单功能与应用，例如打开虚拟机功能，可以从指定的虚拟机镜像文件中启动此虚拟机.

4.2虚拟机的安装与应用

虚拟机软件成功安装后，便可在此软件上创建新的虚拟机，可构建各种类型的操作系统[6]，例如Linux OS(operating system)、Windows OS和Max OS等.在安装虚拟机过程中，按照向导提示便可完成创建，下面以构建Linux OS为例说明注意事项和具体应用.首先，选择适合的操作系统版本.Linux OS版本比较多，用户要根据需要选择镜像文件ISO与虚拟机软件VMware相适应的版本安装，这样才会使虚拟机操作系统正确地构建和正常地启动.其次，选择虚拟机文件适合的存储路径.虚拟机Linux OS构建过程中，会提示用户选择大于8 GB以上的存储目录，这样便于适应虚拟机Linux OS磁盘空间动态扩充的变化.最后，网络连接模式的选择.虚拟机和宿主机网络连接的模式有3种：桥接模式、转换模式和主机模式.可根据教学需求选择相应的连接模式[7].

虚拟机Linux OS构建成功后，便可启动运行.用户可在此虚拟机上完成学习Linux目录结构与文件、文件类型与属性、常用命令、Shell编程等基于Linux的所有应用.

4.3虚拟机软件对虚拟机的设置与应用

对Linux虚拟机的设置包括主板、内存、硬盘、网卡、声卡、串口、并口、USB接口等硬件设置和电源、快照、自动保护、访问设置、网络控制等相关功能的开启与关闭.下面以Linux OS虚拟机网络连接的桥接方式、NAT方式和Host-Only方式的设置为例[8]，给出具体说明.

桥接方式要求宿主机与虚拟机在同一网段，虚拟机相当于网络内的一台独立机器，同网内的虚拟机和宿主机间、虚拟机之间相互访问，如同一个局域网一样[2]；NAT方式要求宿主机独享虚拟机，它们之间双向访问，但局域网内其他机器不能访问本虚拟机，只能通过宿主机间接访问它；Host-Only方式要求宿主机与虚拟机共享网络连接.虚拟机Linux OS网络连接方式设置后，点击确定按钮，便可应用此功能.如图2所示.

图2　虚拟机的设置与应用Fig.2　Setting and application of virtual machine

5结语

通过使用虚拟机软件构建教学实验平台，不仅改进了教学条件和提高了教学质量，而且最大化使用了教学设备并节省了资金.教学实践表明，广大学生对抽象、复杂的理论知识和凌乱、繁琐的实践技能产生了浓厚的兴趣，经过丰富的操作演示和上机实践，掌握了应有的基础知识和技能.

参考文献

[1]吴微,刘陟升. VMware 在Linux 实验教学中的应用[J].沈阳教育学院学报,2009,11(5):99-101.

[2]文全刚,张荣高.嵌入式Linux操作系统原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社,2014: 1-2.

[3]王春海, 刘晓辉, 白凤涛. VMware虚拟机实用宝典[M].北京: 中国铁道出版社,2007:636.

[4]包敬海,周小珠,樊东红.基于VMware构建虚拟网络实验室的研究[J].计算机技术与发展，2010,2(6):242-245.

[5]宫鼎. VMware在Linux操作系统管理课程中的应用[J].电脑知识与技术,2014,10(35):8445-8446.

[6]徐家良,陈晓峰.基于VMware Server的课程群实验平台的应用[J].实验科学与技术,2011,9(4):55-57.

[7]杨云,王秀梅,孙凤杰.Linux网络操作系统及应用教程[M].北京：人民邮电出版社,2014: 1-2.

[8]李捷.浅谈虚拟机在计算机网络教学中的应用[J].广西轻工业，2010(2)：55-56.

Application of Virtual Machine in College Teaching

SHI Yanhua， KONG Guoli

(CollegeofInformationEngineering,ZhongzhouUniversity,Zhengzhou450000,China)

Abstract:Application of virtual machine in the teaching of higher education was proposed, which helped universities to solve the problems of limited experiment equipment and insufficient funds incolleges. First, the basic idea of virtual machine teaching was given according to the status of virtual machine. And then the role of virtual machine was clarified in the teaching of higher education. Finally, the specific application of virtual machine in the teaching of project was described.

Key words:virtual machine; VMware; teaching of colleges; Linux OS; virtual machine teaching

中图分类号：TP302.1

文献标志码：A

文章编号：1007-0834(2016)01-0016-04

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2016.01.005

作者简介：石彦华(1983—)，男，河南周口人，中州大学信息工程学院教师.

基金项目：国家自然科学基金项目(U1304618)

收稿日期：2015-08-25