基于虚拟系统技术在计算机组成原理课程中以学生为中心的教学方法探讨

秦 川 甘昕艳 高 翔 唐晓年 邓雪莲 沈剑敏（广西中医药大学，广西 南宁 530001）

0 引言

21 世纪是信息化的世纪，随着互网+、云计算、大数据、计算机虚拟技术的飞速发展，与中医药学领域的融合和渗透越来越深入，中医药以及医院信息化已经成为中医药以及医院发展的一个重要趋势。 因此相关用人单位对有中医药医学背景同时又具有计算机信息专业知识能力的复合型人才有着较为紧迫的人才需求。 为满足社会对该类型人才的需求，并产生良好的社会效益，不少医学类院校纷纷开设以医学医药为背景的计算机信息类专业。

1 面临的需求

但是由于医学院校在工科类专业的专业建设上比较薄弱，在对专业中计算机信息类的专业课程教学中不论从师资力量、 实验室硬件及软件配备上都有诸多的不足。 同时报读这类专业的学生，由于理工类课程基础较差，对计算机信息类的程序设计课程，缺乏学习的热情和主动性。 由于缺乏热情在课堂上和课外学习个体之间缺乏必要的学习讨论和横向交流，学生在稍微遇到一点知识点上的节点和困难就会出现难以解决的情况，从而在学习心态上产生退缩以致无法很好地完成专业课程的学习。 由于班级学生人数较多，在学生遇到章节的难点以及作业和强化练习的难点时授课教师无法及时，参与干预到学生的学习过程并对其提供强有力的帮助，除非学生具有较强的持之以恒的学习精神，往往这些困难和知识的盲点就会被学生带过。 并且在学习的过程中，学生往往是被动地接受知识，不是主动的学习相关内容而找寻各种案例的答案，这导致学过的内容往往不能熟悉和牢固， 甚至会出现课程结束后知识就丢回给老师的情况。 在毕业的时候，在需要到相关专业课知识进行毕业设计时， 又只好重新拿起学过的课程进行二次学习，这样极大的降低学习的效率，浪费了在高校中的学习时间。

为了解决上述问题，响应新世纪教学改革的号召运用新的技术，解决新的问题。 首先考虑在课程中解决学生学习积极性的问题， 强化学生学习的主动性，使其能主动找寻章节知识点的关键内容，并用来解决各种布置的课程作业上。 其次充分利用虚拟互联网和虚拟系统的现代化技术提高计算机课程的专业老师的教学效率。 通过虚拟系统高效率地提供友好的软件学习，实验平台，让学生可以从软件环境部署、程序设计编写各种程序语言的源代码，建立工程文件、链接、最终生成可执行文件等一系列过程有一个完整的实践流程。 以虚拟平台为基础，以学生为中心的教学方法为组织核心，在教学上将知识点由易到难将知识点和授课章节进行阶梯化设计，同时在教学的过程中基于虚拟平台普以各种现代化的监督和帮助鼓励机制，使学生在学习的过程中不再感到孤单，并且有足够的兴趣和动力完成计算机信息类课程的学习。

2 虚拟化平台介绍

在本研究中我们将引入以互联网为基础的虚拟机组成的平台，架设一个有多个虚拟机和虚拟的局域网组成的实验教学平台。 作为我们以学生为中心的教学改革的硬件支撑并在此基础上对教学方法，教学过程进行各种有益的创新和尝试。

虚拟化平台是指一台或数台并行运行的计算机上通过虚拟机系统软件对硬件资源的分配虚拟出来具有独立逻辑和系统的计算机。 每一台虚拟机由于分配有完整的计算核心，主存和独立的CMOS、硬盘和操作系统所以它和实际的计算机一样拥有完整的软硬件配置和功能。 在虚拟机系统软件的管理下既可以像使用普通计算机一样对虚拟的主机进行分区、 格式化、安装系统和应用软件等操作也可以由上层的虚拟机管理统一实施分区、格式化、安装系统和应用软件。在建立了多个虚拟机后还可以在虚拟机件建立虚拟局域网，提供更进一步的云计算和云存储服务。

当前主流的虚拟机平台软件主要有VMware Workstation、Microsoft Virtual PC 和H3C CAS 虚拟化平台。 由于“虚拟机”能够模拟计算机的硬件操作的特点，故具有以下的优点：

2.1 虚拟化平台的“虚拟机”软件管理高效

实验室中虚拟机可以给每台学生要电脑提供虚拟桌面， 应用软件可以在虚拟桌面服务端集中部署，虚拟机在学生端应用层面可以屏蔽硬件平台的差异以模拟不同硬件的客户端的使用环境实现了件平台的异构性，支持软件跨平台运行。 同时软件还可以在虚拟机中不经修改地运行， 实现隔离状态下运行、实时迁移，以满足实验及软件测试要求。

2.2 虚拟化平台的“虚拟机”系统部署快捷

大部分虚拟机支持动态资源分配功能，可实现虚拟机资源（CPU、内存、磁盘、网卡等）在线/离线动态调整。 可以快捷的复制虚拟机方案给客户端或学生端使用，一个单独的虚拟硬盘文件就可以将一个系统以及安装的应用软件等内容封装其中， 通过这种封装形式，虚拟机方案可以快速地备份、安装、复制、分发给学生客户端。 有效地降低了软件的管理、 配置的难度，增加了软件部署的方便性和灵活性。

3 虚拟化平台管理性强

虚拟化平台将服务器主机和虚拟机都组织到集群中，提供了清晰的分层结构视图，直观地展示了数据中心、主机池、集群、主机和虚拟机之间的关系，大大简化了资源管理的工作量。 虚拟机的开机、关机、休眠，甚至虚拟硬件的添加、修改、删除等操作都具有编程接口并可以在线操作，可以实现硬件资源的远程管理和集中管理。

4 用虚拟机解决的过程和教学方法

通过对上述虚拟化平台介绍，我们在教学中以计算机组成原理这一课程为例实现以下教学方法：

4.1 快速熟悉课程和实验平台

使学生能迅速地进入到良好的学习状态。 虚拟平台能很方便地虚拟出一台性能强大的服务器主机，在安装了云教学软件后，可以给教师提供强大的教学演示功能，同时虚拟平台会虚拟出足够数量的虚拟桌面系统，并投放到每一台学生机上。

教师可以通过教学软件现场演示这些虚拟桌面系统的使用方法。 学生机上的虚拟系统所独有的可以实时调整硬件参数的功能，可以让学生自由调整本系统的CPU 核心数，运行内存的容量，外存硬盘的容量。在调整完相关硬件参数后，可以马上用系统自带的硬件性能测试软件对该硬件配置进行性能测试，由此可以看到不同的硬件配置，所能带来的最直观的不同的硬件性能，以便了解到不同计算机组成部件性能参数的变化，对计算机的系统在哪方面性能会有直接的影响。 为了增加测试的准确性，我们还可以在自带的测试软件之外，方便地通过虚拟分发的功能，提供更多第3 方，更有针对性的硬件性能测试软件，让同学们在对计算机各个子系统的硬件参数等相关知识有一个更全面的了解。

由于是虚拟桌面系统，每次部署的系统都可以包含每次课所需要的各种应用软件功能。 在学习计算机组成原理的计算机硬件功能相关知识的时候，虚拟出来的学生端可以虚拟出包括磁盘分区和阵列、操作系统的安装、 应用程序的使用和测试以及局域网的组网，模拟出基于三层交换机的网络环境完成相关的网络实验。 还可以虚拟出不同架构的建设网站的网站系统，以及支持验证网站功能的虚拟WEB 访问局域网，提供完整的Web 程序开发学习环境。

通过这种自主的学习，观察，自行思考后所掌握到的知识点， 远比直接对着课本讲授要生动有趣得多，也能让学生对相关计算机硬件方面的知识，有更深刻的了解和更好的记忆。

4.2 Online Judge 系统的应用

在课程进入程序设计编写阶段， 可以让虚拟平台， 快速的部署出另外一台服务器并安装Online Judge 系统，为学生的程序编写提供服务。 由虚拟平台提供的Online Judge 系统可以实现在线的判题， 学生可以在线提交完成的程序作业的源代码，（如C、C++、JAVA），系统对源代码进行编译和执行，并通过预先设计的测试数据来检验程序源代码的正确性。 科任老师可以对每个知识点设计更多的作业案例，可以不特意指定学生该完成哪一道题，让学生依据自己的兴趣和能力来选择。 同时也可以和其他同学合作完成。 或者可以将网上的案例导入到系统中，让学生们自由选择自己感兴趣的案例编写相应的程序以获取成绩积分。 通过积分来判定学生对知识的掌握程度和学习过程中的薄弱点，然后对积分较少，错误较多，扣分较多的程序案例所涉及的知识点，进行重点的讲解和反复的辅导和答疑，以破除学生在课程学习的内容中的知识盲点。 同时我们将该OJ 系统，与其他院校的OJ 系统进行联动，已实现各种新题型、新算法的共享，同时可以分享各种编程题的解题思路， 进行更广泛的交流。 在交流过程中学生不但可以接触到跟程序编写相关的比较新的内容同时还可以对课程中已经学习的知识，进行很大程度上的验证和巩固。

Online Judge 系统对本课程在一定程度上， 还可以充当期末考试的考核工具。 可以将考核的编程考试内容，以ACM 竞赛的方式来进行，这样可以让考试内容最大限度接近当前流行的程序编写的算法及结构的发展趋势， 让同学们获得更多的实践锻炼机会，同时也更能体现同学们对本课程的学习成果。

通过上述的学习形式可以极大地调动学生对学习编程等相关知识的积极性， 以及降低学习的困难，提高学习的兴趣，自主地去完成相关知识点的学习。

4.3 课程学习资料和私有云存储

在自主学习的过程中，一定会遇到学习相关知识点后完成某个作业，出现不懂的情况，和困难，如果这时碰巧科任老师无法及时辅导，将会对学生的积极性造成较大的打击。 而虚拟平台具有可以架设私有云存储和本地资料库的能力， 我们可以虚拟出一台服务器，建立一个基于局域网的web 系统，将录制好的课程视频和作业案例解答视频分配给每个同学的私有云存储， 同学们可以通过web 系统提供的交互页面，联系到课程的老师进行在线解答，也可以通过页面访问自己私有云中共享到的课程视频和作业案例解答视频，由此可以让学生在遇到学习困难时及时获得切实有效的帮助。 使学生在完成编程作业时不再处于一种孤立无援的状态， 可以极大地提高学生学习的信心，降低科任老师的课后辅导压力，提高整个课程的学习效率。

5 结语

通过对虚拟平台在上述教学过程中的应用，我们可以一定程度上改变传统的教学模式，能为学生提供更多的学习方法和教学资源，同时也一定程度上增加了教学考核的手段。 学生可以在线实时地对自己的学习成果随时随地的进行验证，通过不断的学习，不断的自我验证肯定的方式，可以从心理上极大增强学生们学习的信心，最终对该课程传统教学方式的教学效果，获得一个较大的突破。 使学生在学习计算机组成原理以及其他相关计算机信息程序设计类课程时，获得更好的效果和更优的成绩。