虚拟化技术在高校教学中的应用

陈雪娟

摘要：这几年来虚拟化技术在高校教学应用上的优势越来越显著，本文提出针对高校中机房教学过程的集中性、IT资源使用率高导致损耗大、硬件升级跟不上软件升级而无法进行某些实验等问题，引入虚拟技术解决。利用虚拟技术降低IT资源的能耗和成本，提高机房教学质量和效率，开设前沿的实验课程，改善教学环境，调动学生的积极性。

关键词：高校教学 虚拟化技术 IT资源

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0251-02

随着计算机的不断发展，高校的课程教学在不断改革，很多课程的教学内容、教学方法都有了根本性的变化，采用CAI教学的课程越来越多。计算机实训室（机房）已经成为高等学校的教学场所，其中，除了计算机专业的大部分课程在机房进行外，其他专业相关课程教学也慢慢从多媒体教室转移到机房进行。随着学校不断扩招，大学生人数越来越多，在计算机实训教学中带来了很大的难度。

1 高校机房教学中存在的主要问题

1.1 繁重的教学任务让机房的计算机故障频发

不管是计算机专业还是其他非计算机专业，开设跟计算机的课程越来越多，而这些课程的实训都会在机房进行，每个机房几乎天天排满课，机房的计算机由于每天长时间超负荷运行，经常出现软、硬件的故障。

1.2 硬件性能提升跟不上软件的更新

不同课程所需的软件不同，并且软件的更新是非常快的，机房为了满足这些课程的教学需求，必须要经常安装或升级软件，有时候还要同一台计算机安装2个以上的操作系统，每个学期开始前课程安排好，机房要以此为据安装或更新软件，工作量很繁重。很大问题是，软件更新周期远远快于硬件更新周期，这样使得低性能的机器上无法安装或顺畅运行新软件[1]。

1.3 计算机多的情况下管理困难

对于一些学校来说，机房管理一直是一个难题，比如我们学校，一共有60个机房每个机房60台计算机、加上教师计算机一共有将近4000台计算机，需要计算机管理和维护人员就达30多个人。而不同专业、不同课程对机房操作系统和软件要求各不相同，教师公办计算机的分散，这些都很很难管理的。计算机管理人员大量的工作时间都投入安装系统和软件、病毒防护和日常维护上。一旦出现问题，比如病毒爆发，虽然管理人员可以通过杀毒，加设防毒墙和防火墙等手段解决问题，但是有时候还要从各个节点排查，工作量巨大，耗时超长，成本昂贵。[2]

1.4 学校不愿投入大成本更新设备，无法开设前沿性的课程或实验

很多前沿领域的技术飞速发展，例如并行计算技术，多核编程技术，可编程数字电路，集群技术等实验课程目前无法在现有的实验室设备进行。这些技术的实验需要的相关设备目前都是比较昂贵的，学校没有足够的大资金购买，即使这些技术课程需求很大，短时间内还是无法开设。

2 虚拟化技术

虚拟化起源于20世纪60年代，虽然出现的时候，由于技术不够一直没有被大规模的应用。但是现在已经成为解决提高IT基础设施资源利用率，降低管理成本等问题的有效方法，各种虚拟技术越来越被重视和重用。

简单来说，虚拟化技术是一种将计算机模块不在独立的物理硬件而是在虚拟的基础上运行，根据各种各样的需求把不多的固定资源重新分配，最大限度提高利用率，从而达到了优化资源，简化管理的目的的解决方案。

虚拟化（Virtualization）是一个广义的术语，在IT信息领域中，虚拟化是计算资源的逻辑表示，概况了计算机资源。它隐藏了本身的物理特性，在逻辑上分离为多个虚拟资源池[3]。同时，整合多个物理资源，然后按照需求进行分配。简化计算机的硬件和软件的访问、表示和管理，将硬件设备封装为统一的输入输出接口，更好的利用硬件资源和软件资源是虚拟化技术的主要目标。

3 虚拟化技术的分类

我们平时说的虚拟化技术一般指的是计算机系统虚拟化及计算机系统虚拟机，简单的是说可以分成下面四大类：

硬件系统抽象层的虚拟机。对于客户操作系统（上层软件）而言，此类虚拟机可以构造一个虚拟的、完整的计算机硬件系统，处理器控制指令就是虚拟机和客户操作系统的接口。

操作系统层的虚拟机。这类虚拟机在通过复制操作系统环境，建立多个虚拟运行的操作系统容器。虚拟机为运行在这些容器上的软件提供了完整的操作系统运行环境，系统调用接口就是虚拟机和客户操作系统的接口。[4]

API层虚拟机。这种虚拟机为客户操作系统模拟了特定的操作系统的运行环境，模拟了各类用户态API实现了该操作系统。

编程语言层虚拟机。这种虚拟机通过编译技术或解释继续来运行虚拟机指令，满足了软件的跨平台和通用性。

4 虚拟化的优势

虚拟化要比传统的IT资源分配方式有以下优势：

4.1 虚拟化技术可以让资源的利用率得到很大提高

为了达到资源的最大利用，虚拟化把一个硬件虚拟成多个硬件，这里的一个硬件指的不是一个个体，而是有多个个体组成的一组资源，例如可以将多个硬盘组成阵列，将多个硬盘视为计算机的硬盘部分。用户将许多资源组成一个庞大的、计算能力十分巨大的“巨型计算机”，再将这个巨型计算机虚拟成多个独立的系统，这些系统相互独立，但共享资源，这就是虚拟化的精髓。传统的IT企业为每一项业务应用部署一台单独的服务器，服务器的规模通常是针对峰值配置，服务器规模（处理能力）远远大于服务器的平均负载，服务器在大部分时间处于空闲状态，资源得不到最大利用。虚拟化技术能够动态调用空闲资源，减小服务器规模，提高资源利用率。

4.2 提供相互隔离、安全、高效的应用执行环境

用户可以在一台计算机上虚拟系统，在这个虚拟系统中模拟多个不同的操作系统，这些子系统逻辑上相互联系但物理上相互不干扰，有时候一个子系统因为遭受攻击而崩溃，也不会影响到其他的子系统，并且，每个子系统都有备份，很快就可以被恢复。还有，这些应用执行环境都比较简单，工作效率得到很大提高，总体投资成本大大降低。

4.3 采用虚拟化技术后，虚拟化系统能够方便的管理和升级资源[5]

以前的计算机服务器是一个相对独立的硬件个体，每次都要消耗企业大量的人力和物力对每个资源进行升级和维护。虚拟化技术将这些硬件资源整合在一起方便管理，如果需要升级，只要添加升级动作即可，不需要像传统的企业一样要进行规划容量、定制服务器还有安装硬件等工作，使得工作效率有很大的提高。

5 虚拟化技术在高校学中的应用

前面我们分析了现在高校中机房教学存在的问题，分析了不足。现在从几个方面分析研究利用虚拟化技术解决这些问题。

5.1 利用虚拟化技术提高机房实验教学效率和质量、降低机器购买和维护成本

在学校不肯增加实训设备预算情况下，我们要想办法让机房实验教学的质量和效率得到大提高，使得机房硬件能更快更大极限安装需要的软件，解决成本、资源和时间的压力。而使用VMware虚拟化技术可以创建一个虚拟安装windows操作系统的PC环境，这个环境适合用于所有的Windows应用程序，提高了现在的硬件资源的使用率，减少硬件需求，降低投资成本，改善教学环境，提高教学效果。[6]

5.2 利用虚拟技术便捷管理计算机

为了更好的管理和使用计算机，我们可以用虚拟技术设置数据中心的桌面系统，学生和教师可以通过客户端登录此系统，就可以进入计算机，像平时一样操作，可以免去计算机管理人员的大量工作，因为用户的操作都源于数据中心，一旦出现问题，也很快被发现，得到及时解决。

5.3 利用虚拟化技术开设具有创新实践特点的虚拟化实验课程

目前还有部分课程（比如集群技术、可编程数字电路、并行计算技术等）的实验还无法在实验室设备进行。利用VMware虚拟化技术将现在的IT资源创建一个虚拟机，这个虚拟机就像真的“计算机”一样可以运行安装在上面的操作系统和应用程序，功能齐全。这样我们就可以将无法在真实计算机上进行的课程实验的转移到这个虚拟机上进行。随着虚拟技术的成熟、这些实验会从无到有、从困难到容易、最后都会自由开设的转变。最后能开设一些有创新实践特点、符合高校教学特点的虚拟化实验课程。

6 结语

虚拟化技术现在经历了50多年的历史，处于蓬勃发展阶段，未来还有很大的发展空间。虚拟化技术对高校教学具有重大意义，它弥补很多实践操作的不足。根据学校提供的教学大纲，按照一定的步骤和方法设计合理的实现虚拟化教学实践训练的虚拟训练平台系统。虚拟训练平台可以多次使用，灵活多变，系统稳定，升级方便，对于高素质技能人才的培养有很重大意义。

参考文献

[1]苏虞磊，薛方.计算机实验室的维护与管理[J].现代电子技术，2010（2）：68-72.

[2]沈尧林.桌面虚拟化技术在高校中的应用.时代教育，2010.08.083.

[3]王庆波，金涬，何乐等.虚拟化与云计算.北京：电子工业出版社，2009.

[4]白国靖.虚拟化技术在网络服务中的应用研究.电子世界，2011.09.

[5]王建红，赵丽红.浅论虚拟化及其应用[J].科技广场，2007，（07）.

[6]王建军.虚拟机在高校计算机实践教学中的应用[J].软件导刊，2008（9）：56- 57.