虚拟机技术在计算机硬件与软件课程教学中的应用研究

　　
摘要：本文讨论了计算机专业的教学、实验现状，阐述了虚拟机技术、虚拟机软件的概念和特点，介绍了虚拟机软件在计算机硬件与软件课程教学环节和实验环节中的应用优势，对于从事这一领域教学的教师具有较强的参考价值。
关键词：虚拟机技术 计算机硬件与软件 教学 应用
0 引言
自高等学校扩大招生规模以来，工科专业特别是计算机专业由于经费投入不足，各学校的教学实验设备、实验场地的扩充数量在相当一部分高校特别是中西部地区高校中明显不足；由于新技术层出不穷、发展迅速、设备淘汰、更新较快，实验设备过度使用和不能及时进行维护，严重制约了专业教育教学质量的提高；在专业教学方面，目前大部分教师都采用了多媒体课件教学，但由于条件限制无法进行现场操作演示，在诸如计算机硬件与软件、网络操作系统等实践性课程的教学和实验中，经常会遇到软件与系统不兼容，操作系统间不能切换，系统配置和软件的调试会影响系统的正常运行等诸多困难。为了实现“以能力形成为核心的人才培养”模式，如何有效利用现有的设备，教学实践中如何不断改进和完善教学方法、教学形式和教学内容，培养出满足社会需要的基本素质好、应用能力强和具有创新精神的专业人才，已经成为高校教师面临的重要课题。基于上述原因，在专业教学实验设备、实验场地投入明显不足，某些专业课程教学、实验内容具有多样性和特殊性的情况下，采用虚拟机（Virtual Machine，简称VM）技术构建教学实践环境来解决这些难题无疑是一种行之有效的解决方案。　
1 虚拟机技术简介
虚拟机的实现技术主要有两种[1]：①纯软件方式的虚拟机；②硬件辅助方式的虚拟机。前者是当前主流的虚拟机技术，具有成熟的应用，后者是今后的发展方向，本文内容运用前者。虚拟机技术是指将一台物理的计算机软件环境分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需求模拟出一台完整计算机的技术，模拟出来的计算机称为虚拟机。虚拟机技术的实质是通过中间层次实现计算机资源的管理和再分配，实现资源利用的最大化，虚拟化分区带来的最大好处是使同一物理平台能够同时运行多个同类或不同类型的操作系统，以分别作为不同业务和应用的支撑平台。
2 虚拟机软件
基于虚拟机技术的软件研发早在十多年以前就开始了，由于技术上有一个逐渐成熟的过程，同时计算机硬件（CPU速度、内存容量、硬盘等）条件的限制，虚拟机软件近几年才真正得到用户的认同和应用。目前市场上比较流行的虚拟机软件主要有：①Microsoft的Virtual PC、Virtual Server。运行环境为Windows和MacOS，支持安装的操作系统有Windows、Mac和Linux；②SUN公司的xVM VirtualBox。运行环境为Linux和Windows，支持安装的操作系统有DOS、Windows (2000、XP、Server 2003、Vista)、Linux(2.4和2.6)、OpenBSD；③VMware公司的VMware Workstation、VMware Server。运行环境为Linux、Windows 2000以上版本，支持安装的操作系统有MS-DOS、Win9x/Me、Win2000、WinXP、Win.Net、Linux、FreeBSD、NetWare6、Solaris x86等。实际应用中具体采用哪一款虚拟机软件，取决于个人爱好、虚拟机能运行的平台和需要安装的操作系统，建议使用VMware的虚拟机软件。
虚拟机软件具有以下几个方面的特点:①每个虚拟机都有一个VM控制块,它包括有关VM当前状态方面的信息，如VM的执行状态，VM调度优先级以及复制的VM寄存器内容等；②拥有独立的虚拟硬件设备，如CPU、存储器、外围设备等，并且这些设备及I/O端口等都受到保护，每个虚拟机都可以拥有计算机系统的所有资源；③系统分配给每个虚拟机的虚拟内存都采用了独立的地址空间，互相之间没有任何联系；④同一台主机上可以运行多个虚拟机，每个虚拟机都可安装不同的操作系统，就如同一台独立的PC，各虚拟机与主机之间可以进行对话、共享文件和网络资源；⑤在虚拟机中，把操作系统安装在主机硬盘中虚拟出来的一个特定文件中，并不需要对物理硬盘进行分区操作，虚拟机系统与主机系统有良好的隔离性，在虚拟机上进行的操作对主机现有的硬盘分区和数据都不会造成任何破坏；⑥具有硬件无关性，在主机系统上虚拟出的硬件都是相同的，可以简单地在不同的主机之间复制后直接使用，不必考虑硬件差异，因此在实验中对虚拟机系统造成的任何损坏不会涉及到物理设备且可以得到快速修复；⑦能够设置和修改虚拟机系统的各种配置参数,如虚拟机名称、内存容量、硬盘大小、外围设备参数等。
3 虚拟机软件在计算机硬件和软件课程教学中的应用研究
3.1 计算机硬件和软件课程教学内容主要涉及到的实践性环节主要有：①计算机BIOS设置；②硬盘的分区、格式化；③操作系统的安装与配置；④应用软件的安装；⑤系统的备份与恢复。该课程实践性较强，而且学生一般是刚进入大学的新生，为突出“所见即所得”的教学效果，提高学生的实践动手能力，要求教师教学时能展示教学的内容（实际操作演示），实验环节中能让学生亲身体验（实际动手实践）。
3.2 由于多媒体教室的公用特性，一般只安装Windows 2000操作系统和基本的应用软件，不能随意修改、配置系统参数，采用虚拟机软件可以解决本门课程上述五个方面的需求。通过近几年在计算机硬件与软件课程教学中的实际应用和研究后，总结出采用虚拟机软件辅助教学具有以下优势：①物理计算机上对BIOS的设置过程无法在投影仪上显示，另外计算机管理员一般情况下也不允许任课教师随意进入和修改BIOS，采用虚拟机可以很好解决这一问题；②物理计算机上不允许对硬盘分区、格式化等破坏性操作，这样教师就无法为学生演示FDISK、Format等操作命令，采用虚拟机就可以为学生讲解、演示这些命令的操作过程；③物理计算机不允许任课教师自行安装其他操作系统（如Windows XP、Windows Server 2003、Linux等）和应用软件，采用虚拟机就不受此限制，还可以按照需要进行系统参数（如注册表、网络参数、内存大小、IO参数等）的修改和配置、根据需要进行应用软件的安装演示；④教师在用克隆软件Ghost做系统备份和恢复操作的演示时，投影仪是无法显示的，采用虚拟机也可以很好地解决这一问题；⑤搭建网络环境，一台主机和多个虚拟机构成的局域网实现了课堂教学中对网络环境的要求，就像将网络实验室搬移到了课堂教学中来一样；⑥VMware Workstation不但是一款优秀的虚拟机软件，还是一款非常好的截图或视频录制软件，教师可以在备课时采用截图或视频录制功能制作出多媒体课件，有利于提高教学效果和教学质量。
3.3 实验环节中采用虚拟机软件构建计算机硬件和软件课程实验平台基于如下原因：①节约成本。虚拟机软件能够为实验提供真实的计算环境，实现用较少的实验设备完成大量的实验；②便于管理，降低管理成本。传统的实验是根据课程需要（如Windows 2000、Windows XP、Windows 2003 Server、Linux、Unix、MacOS等）在一台计算机的不同分区上安装多个操作系统来满足实验环境的需求，由于实验的特殊性（如系统配置修改后需要重启），不能像公共机房那样为了方便管理而安装还原卡，这样带来的后果就是系统可能经常崩溃，实验室管理员需要花大量的时间和精力来维护和恢复系统。采用虚拟机软件后，上面的问题就可迎刃而解。方法是物理计算机只需要安装一个Windows操作系统（称为Host OS）和虚拟机软件，实验时根据需要在虚拟机中安装操作系统（在磁盘上生成虚拟机文件，称为Guest OS）来满足实验需求，不必担心系统崩溃而疲于恢复系统；③独立性强，有利于考核学生的实践动手能力。使用虚拟机软件能够为使用同一台计算机的每个学生提供独立的实验环境，在计算机硬件与软件课程实验中，采用传统的实验方法时，一台物理机器上同一操作系统只能安装一个，而这台机器会有多个学生先后使用。这样，只要第一个学生正确配置通过后，后面的学生就可坐享其成了，显然不便于考核学生真实的实践动手能力。采用虚拟机软件后，可以在虚拟机软件中安装同一个操作系统的多个副本，每个学生使用各自的Guest OS，这样能够真实和准确地考核学生的实践动手能力。　
4 结语
作者多年来的教学实践证明，采用虚拟机软件构建的教学、实验平台既能节省资金投入、挖掘了设备潜力，又缓解了实验设备严重不足、实验管理员工作量过大等问题，同时为教师教学提供了极大的便利，也给学生课内外的自主学习提供了可能，增强了学生学习的积极性和主动性。虚拟机技术为教学、实验提供了一个近似于真实的环境，除了硬件的物理连接外(如主机板、CPU、显示卡、网络接口卡、网线等连接)，在真实的机器上完成的实验基本上能在“虚拟机”上完成，，实验质量不会受到影响，完全能够满足诸如计算机硬件与软件等课程教学实践的要求。
参考文献：
[1] 虚拟化技术探讨.沐士光等.中小企业管理与科技.2009.7.