新课程标准下高中信息技术教学中虚拟机技术应用的研究

2018-11-22贾卫忠郑兴艳江苏省锡东高级中学

中国信息技术教育 2018年22期

贾卫忠郑兴艳江苏省锡东高级中学

● 引言

教育部发布了2017年版普通高中课程方案和各学科课程标准[1]，信息技术学科新课程标准注重实践，要求每个模块单独设立实验室，或者相近模块共享一个实验室，不仅要求有数量合理、配置适当的计算机和实验设备，还要配备满足各模块教学需要的软件及网络设施，有条件的学校还要为移动应用课程创造条件，因此机房更新压力很大。

● 高中信息技术课程教学现状和新课程标准要求

高中学校和学生都把重心放在语文、数学和外语等高考学科上，信息技术被看作小学科，在资金投入和日常教学中不被重视，学科弱化。

信息技术教师不但要上课，还要负责学校各类业务系统的维护，这导致信息技术教师只来得及向学生灌输理论知识，而忽略了课程的实践特征。

新课程标准要求信息技术学科更加注重学生实践能力的培养，要求课程内容更加丰富多样。然而要达到新课程标准的要求，就需要增配不同功能的教学机房，需要重新建设教学机房。虚拟机技术能很方便地解决这个问题，它能让师生在现有教学机房的条件下完成规定的教学与实验任务。

● 虚拟机技术的优点

虚拟机技术是在一台服务器（或者高性能计算机）上，虚拟出很多独立的逻辑计算机[2]，每个虚拟机都有完整的硬件系统，如虚拟的多核CPU、内存、硬盘、网络适配器、光驱、声卡和显卡等。服务器称作宿主机，可以同时产生、运行多个虚拟机，各虚拟机运行自己的系统，互不干扰。

虚拟机技术在国内外大学中已被广泛采用，在中学应用的还不多，这是一个发展趋势，未来会有更多的中学接受和使用虚拟机，其优点如下。

1.灵活安全

教师可以根据教学要求，在虚拟机服务器上安装多种操作系统和软件，搭建新课程标准各模块的教学环境。上课时师生可以根据教学内容，登录不同模块，在同一个机房完成各个教学和实验任务。

学生在学习时可大胆地尝试和实验，即使出现重大操作错误，只要通过虚拟机软件的还原功能，如VMWare Workstation还原功能[3]，就可恢复到正确状态。其原理是虚拟机服务器上有两个主要文件——配置文件和安装文件，虚拟机运行的是两个文件的拷贝，学生的操作不影响服务器的操作系统和相关软件。如出现错误，教师只要删除拷贝，让学生重新操作即可。

2.提供更全面的功能

虚拟机操作系统由虚拟机服务器创建，与真实操作系统没有差别。虚拟机是利用服务器的设备虚拟而成的、标准的、兼容性最好的虚拟设备，可以用与真实计算机相同的方法更改BIOS参数设置。每个基于服务器运行的虚拟机系统都相互隔离，它们各自有自己的网络IP地址，提供完整的功能。

3.提升教师的劳动价值

在虚拟机环境下，作为机房管理员的教师，其主要工作是做好服务器（宿主机）的软硬件管理工作，他不再需要花费大量的时间和精力去维护管理机房电脑，能把更多的时间放在教学上，关注学生的学习状态，关心课堂学习效率，创造一个高效的课堂环境，优化教学过程。

4.降低运营成本

虚拟机技术的核心是在一台物理服务器上，通过VMware Workstation等软件实现虚拟环境下的操作，不再需要很多物理服务器，减少了服务器的采购成本、电费支出、管理费用等运营成本。虚拟机技术对机房电脑要求很低，只作为操作界面，即使机房电脑用了很多年，配置落后，但只要能安装Windows XP，就能继续使用，节约投资。

5.提高运营效率

传统机房建设的工作量很大，电脑采购、建网、安装和调试周期很长，使用期的日常维护工作量也不小，前期、后期运维的经济成本、时间成本都很高，而采用虚拟机，重点工作是做好服务器上若干个配置文件的管理维护，运营效率很高。

● 新课程标准下虚拟机设置的规划

信息技术新课程标准把课程分为三类十个模块的教学内容，其中必修类2个模块，选择性必修类6个模块，选修类2个模块，要求每个模块单独设置实验室，或者几个内容相近的模块共享一个实验室。

1.虚拟机服务器的配置

虚拟机服务器有两种配置策略：第一种如图1所示，是每个教学机房配置一台，优点是学生机响应速度快，延迟小，不经校园网，可靠性高，缺点是每台服务器都要安装软件，工作量大，投资多；第二种如图2所示，是所有教学机房共享一台，优点是教师工作量小，投资少，缺点是所有教学机房同时上课，学生机的响应速度会降低，并受校园网工作情况的影响。

江苏省锡东高级中学在教育教学测评时用一台联想一体机A710做服务器，赛扬2.66GHz，2GB内存，安装SQL Server 2000，四个机房200多位学生同时上网测评，系统响应延迟不到0.5秒。[4]服务器性能远高于PC机，如果200多位学生同时操作虚拟机，响应速度应该不成问题。所以上面第二种方案更有吸引力。

2.虚拟机软件模块的设置

信息技术十个模块的教学内容，涉及程序设计、计算机网络、大数据及应用系统、三维创新设计和开源硬件等，根据模块内容的相关性，规划设置如下虚拟机。

（1）操作系统的安装和使用

操作系统的安装使用是信息技术最基本的操作，传统信息技术课没有安装操作系统的实验环节，对操作系统也只是偏向理论讲解。学生缺少实际操作的机会，即使学习了有关操作系统的知识，操作水平也没有多大提高，甚至使用危险命令损坏操作系统。

虚拟机可以提供一台空白计算机，让每个学生自己动手安装操作系统，过程与实际安装完全一致。在虚拟机中安装操作系统会更加快速，没有实际安装时的等待时间，课堂效率大大提高。

图1 每个教学机房配备一台虚拟服务器

图2 所有教学机房共享一台虚拟服务器

（2）计算机程序设计

必修课程、选择性必修课程和选修课程都有程序设计的要求：必修课程模块1数据与计算模块要求学生掌握一种程序设计语言的基本知识，编写和实现简单程序；选择性必修课程模块1数据与数据结构要求学生理解数据结构的概念，及常用的数据结构如数组、链表、字符串、队列、栈、二叉树等的概念和基本操作，数据排序、查找，并编程实现；选修课程模块1算法初步要求学生不仅要理解算法的概念，还要把解决问题的过程用算法描述出来，理解典型算法、二叉树遍历等，理解算法的正确性、可读性和健壮性。

这三个模块可以在同一个虚拟机上实现，虚拟机安装Window XP等操作系统，根据教材要求，安装Visual Basic、Visual C++或Scratch等集成化程序开发环境，并提供一些简单明了的源程序供学生学习参考。

（3）网络基础

目前高中一般选择网络基础作为学业水平测试的选修模块，新课程标准选择性必修模块2网络基础的实践要求更高，不仅要求学生了解网络核心概念，还要求学生会建立网络、排除故障，使用网络，提高网络安全意识。

可以开设组建虚拟局域网的实验课程，提供仅安装好网络操作系统的虚拟机，由学生动手安装设置TCP/IP协议，使用基本网络命令判断安装是否正确，能否排除故障，接入网络后正常上网；还可以模拟真实的病毒攻击与防御的实践操作，让学生在操作中掌握正确的处理办法，深刻理解网络核心概念。

（4）数据库服务器和信息系统

大中型信息系统一般都需要数据库支持，两者紧密结合，实现某个业务应用。必修课程模块2信息系统与社会、选择性必修课程模块3数据管理与分析，可以共享一个虚拟机，在虚拟机上安装数据库系统和若干演示信息系统。

虚拟机需要安装支持数据库系统的操作系统，如Windows Server 2003、Windows 2008等服务器版操作系统，根据教学需要，数据库采用SQL Server、Access等。教师提供操作系统、数据库管理软件和数据库备份，由学生安装、调试和恢复数据库，安装应用系统，并测试使用，教师做好指导。

（5）三维设计与创意

选择性必修课程模块5三维设计与创意，旨在培养学生的空间想象力，发展学生的科学、技术、工程、人文艺术、数学等学科综合性思维能力，属于STEAM教育课程。

考虑到当前及未来三维创意发展趋势，虚拟机宜安装64位的操作系统和三维创意软件，如Win7 64位等操作系统，采用腾信三维创新软件或3D One软件。

（6）开源硬件项目设计

选择性必修课程模块6开源硬件项目设计，要求学生搜索及利用开源硬件及相关资料，历经作品的创意、设计、制作、测试及运行的完整过程，初步形成以信息技术方法观察事物和求解问题的能力，提升计算思维与创新能力，在信息技术课中实现STEAM教育。

本模块对操作系统要求不高，但考虑到未来发展，宜采用64位操作系统，安装米思齐（Mixly）、Arduino等开源创新软件。