導(dǎo)語：復(fù)合虛擬技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)的運(yùn)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1計算機(jī)虛擬技術(shù)

虛擬技術(shù)是一種通過分區(qū)組合的形式，使得計算機(jī)資源滿足一個或多個操作環(huán)境，從而提供優(yōu)于資源配置的訪問技術(shù)。虛擬化是把物理資源變換為邏輯上的可管理資源，從而打破硬件上的物理壁壘，拓展可用資源的一種模擬化方式。現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)是一個龐大而又繁雜的整體，對于計算機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的教學(xué)而言，其復(fù)雜性不言而喻。由于整個計算機(jī)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)相連接，分成多個自下而上的層次，因此通過各映像連接接口，以層級的管理模式使得各抽象資源相互交互運(yùn)用，大大改善了系統(tǒng)的單一性和邏輯性，增強(qiáng)了教學(xué)環(huán)境的移植性。

2計算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

為了應(yīng)對信息化時代的到來、拓展大學(xué)生的操作技能，有必要通過計算機(jī)教學(xué)來提升當(dāng)代大學(xué)生的計算機(jī)素養(yǎng)。在這種教學(xué)要求下，計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)難以滿足不同的教學(xué)需求，必須增強(qiáng)計算機(jī)設(shè)備的多樣性，創(chuàng)建不同的教學(xué)環(huán)境。就高校計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)而言，不僅需要引進(jìn)大量的設(shè)備、增加設(shè)備投入成本，而且還要進(jìn)行大量的維護(hù)與更新工作。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在軟件安裝或網(wǎng)絡(luò)攻防的教學(xué)環(huán)境下，學(xué)生并未完全正確掌握計算機(jī)操作技能，不可避免地對計算機(jī)硬件和計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。（2）在有限的硬盤資源條件下，統(tǒng)一部署多樣化的操作環(huán)境和專業(yè)化的操作軟件，同時滿足多人在不同時段對同一臺設(shè)備的使用需求，會影響設(shè)備性能、降低使用效率。（3）大量不同的系統(tǒng)環(huán)境與教學(xué)軟件需求，帶來大量的人工干預(yù)。

3虛擬技術(shù)在教學(xué)環(huán)境中的運(yùn)用分類

當(dāng)前計算機(jī)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用的虛擬技術(shù)從底層到高層大致可分為硬件層、編程語言層和操作系統(tǒng)層三個方向的管理模式。（1）硬件層的虛擬化是指通過硬件抽象層來實(shí)現(xiàn)指令集的虛擬化，起到硬盤保護(hù)卡的作用，通過PCI插槽安裝硬件設(shè)備，通過底層驅(qū)動引導(dǎo)扇區(qū)寫入信息，對硬盤資源進(jìn)行分區(qū)設(shè)置。通過接管BIOS中斷表進(jìn)行硬盤參數(shù)修改，達(dá)到數(shù)據(jù)臨時存儲或永久存儲的目的，從而實(shí)現(xiàn)磁盤的保護(hù)[1]。雖然硬件層的虛擬化應(yīng)用在日常教學(xué)中能起到保護(hù)的作用，但伴隨著應(yīng)用系統(tǒng)的升級和教學(xué)軟件的更新，設(shè)備本身的硬件資源越來越被各類軟件所占用，教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行性能會受到一定的影響，因此硬件層的虛擬化運(yùn)用更多的是依靠設(shè)備本身性能的支持來延長它的使用周期。硬件層的虛擬化雖然保護(hù)了分區(qū)和數(shù)據(jù)的完整性，但在傳輸大量增量數(shù)據(jù)或整區(qū)克隆時，由于其對硬件的穩(wěn)定性依賴較大，容易產(chǎn)生丟包、斷點(diǎn)和藍(lán)屏等現(xiàn)象，導(dǎo)致更新速率降低、維護(hù)周期延長。（2）編程語言層的虛擬化是指通過軟件模擬具有完整硬件功能且可獨(dú)立運(yùn)行的計算機(jī)系統(tǒng)環(huán)境。這類虛擬化是通過虛擬還原點(diǎn)的形式達(dá)到進(jìn)程級作業(yè)的目的，不同于硬件層的分區(qū)模式管理，還原點(diǎn)通過虛擬的體系結(jié)構(gòu)生成各類進(jìn)程層級，通過調(diào)用和改寫母進(jìn)程形成一個又一個新的子進(jìn)程系統(tǒng)環(huán)境。以一個母進(jìn)程為還原點(diǎn)設(shè)置多個子進(jìn)程，不同的子進(jìn)程安裝各類不同需求的教學(xué)軟件，通過優(yōu)化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在克隆增量方面以虛擬進(jìn)程的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了教學(xué)部署的工作效率。編程語言層面的虛擬化，在保護(hù)數(shù)據(jù)完整性的同時，又降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮?，以進(jìn)程的方式提高了速率。由于子進(jìn)程層級可以無限堆疊，在管理模式上需要管理人員具有統(tǒng)一的安排部署和邏輯管理標(biāo)準(zhǔn)；由于這類虛擬化在網(wǎng)絡(luò)克隆方面主要依靠軟件優(yōu)化來提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，因此要求管理人員有能力對實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)和BIOS進(jìn)行優(yōu)化。（3）操作系統(tǒng)層的虛擬化是指操作系統(tǒng)內(nèi)核可模擬出多個用戶，這些用戶各自獨(dú)立，其本身具有真實(shí)的計算機(jī)功能，擁有獨(dú)立的文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)端，可將系統(tǒng)資源分散建立在各個下端計算機(jī)設(shè)備中，形成現(xiàn)在流行的云平臺技術(shù)。云平臺技術(shù)是虛擬化技術(shù)走向成熟的表現(xiàn)，通過在服務(wù)器端創(chuàng)建與部署相關(guān)教學(xué)軟件，由鏡像引導(dǎo)依據(jù)母鏡像系統(tǒng)復(fù)制生成多個子鏡像系統(tǒng)并提供給各個分機(jī)，鏡像本身可立即開放、還原、清空，做到定時設(shè)置、定時清理[2]。操作系統(tǒng)層的虛擬化雖然易于管理、方便維護(hù)，但其本身面臨的一個主要挑戰(zhàn)則是來自教學(xué)軟件的相互獨(dú)立性和資源互操作之間的矛盾。大型的教學(xué)軟件如MATLAB、CAD等，其本身需要相對獨(dú)立的操作環(huán)境，同時也需要獨(dú)立顯卡等設(shè)備的支持。當(dāng)用戶數(shù)量不斷增加、教學(xué)軟件生成的變量文件增多時，其需求資源對服務(wù)器端不斷發(fā)出分配申請，若其中一臺出現(xiàn)問題會很容易造成大面積的系統(tǒng)崩潰，因此這類虛擬化無法滿足教學(xué)的多樣化需求，須進(jìn)行有針對性的部署和使用。

4虛擬技術(shù)在計算機(jī)教學(xué)中所具有的優(yōu)勢

當(dāng)前，大部分院校都面臨著教學(xué)設(shè)備更新、教學(xué)場地拓展等困境。在有限的經(jīng)費(fèi)投入下，要想合理高效地增強(qiáng)計算機(jī)教學(xué)的周期性和需求性，可引入復(fù)合虛擬技術(shù)以延長實(shí)踐教學(xué)的設(shè)備周期，同時降低維護(hù)成本[3]。虛擬技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）復(fù)合性。在多種層級的虛擬技術(shù)環(huán)境下，根據(jù)不同的教學(xué)需求設(shè)置不同層級的虛擬環(huán)境，生成多個系統(tǒng)，在布控統(tǒng)一的情況下優(yōu)化各層級的軟件操作環(huán)境，提高克隆傳輸速率，降低周期，從而降低丟包概率。（2）嵌套性。隨著硬件技術(shù)的快速發(fā)展，固態(tài)硬盤的使用為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速率的提高提供了支持，由于固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤工作原理不同，因此為保障教學(xué)的順利進(jìn)行，需要從底層設(shè)置固態(tài)硬盤和機(jī)械硬盤均可使用的相關(guān)虛擬技術(shù)。目前市場上比較主流的相關(guān)保護(hù)卡公司均有涉獵。（3）共享性。傳統(tǒng)的還原卡和當(dāng)下流行的虛擬機(jī)技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有著各自的優(yōu)勢和劣勢，如何保障老舊設(shè)備的正常運(yùn)行，同時又能在新購置設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室實(shí)行統(tǒng)一的管理，使得新舊教學(xué)設(shè)備處于均衡和諧的運(yùn)行狀態(tài)呢？最佳的方案便是將還原卡與虛擬技術(shù)相結(jié)合，在管理上取得遠(yuǎn)程高效的云平臺運(yùn)行效果，而在個體設(shè)備維護(hù)上又能達(dá)到獨(dú)立保護(hù)、聯(lián)動傳輸克隆的目的。在傳統(tǒng)管理模式下，硬件設(shè)備的運(yùn)行頻繁出現(xiàn)故障，究其原因在于用戶頻繁地切換系統(tǒng)或同時下達(dá)操作指令，由此引發(fā)硬件受損的情況，在檢修中需要更換或重新安裝硬盤、內(nèi)存等硬件，從而增加了維護(hù)工作量和維護(hù)成本。在這一模式下，在虛擬子系統(tǒng)中對BIOS、CPU、內(nèi)存等進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，可減小硬件性能落后對指令執(zhí)行效果的影響，同時可通過網(wǎng)絡(luò)對所使用的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時發(fā)現(xiàn)進(jìn)程故障或查看設(shè)備運(yùn)行效果[4]。此外，在用戶長時間使用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或使用設(shè)備執(zhí)行較為復(fù)雜的操作時，可利用虛擬技術(shù)的高性能特征，避免對軟硬件設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p壞，進(jìn)而降低軟硬件設(shè)備的故障發(fā)生率。

5虛擬技術(shù)在教學(xué)實(shí)踐中的測試

在實(shí)踐教學(xué)中對多臺計算機(jī)設(shè)備進(jìn)行測試。測試對比參數(shù)主要包含三類參數(shù)：響應(yīng)時間、傳輸速度、傳輸耗時。其測試環(huán)境如下：千兆網(wǎng)卡、千兆網(wǎng)線、300臺電腦設(shè)備和多臺交換機(jī)設(shè)備（同一品牌型號）、均在Win10操作系統(tǒng)中進(jìn)行測試。（1）通過FTP文件傳輸協(xié)議，對操作系統(tǒng)層和硬件層的虛擬技術(shù)進(jìn)行文件傳輸對比。當(dāng)所占用設(shè)備在100臺以內(nèi)時，其傳輸速度、耗時與響應(yīng)時間無明顯差別；當(dāng)占用設(shè)備達(dá)到300臺以上時，硬件層面的傳輸速度受設(shè)備硬件性能的影響，其耗時與響應(yīng)時間均高于操作系統(tǒng)層面的虛擬技術(shù)應(yīng)用[5]。（2）通過多分區(qū)操作系統(tǒng)克隆進(jìn)程，對100臺設(shè)備多個層面的虛擬技術(shù)進(jìn)行對比。由于多分區(qū)操作系統(tǒng)容量巨大，同時存在多次斷點(diǎn)現(xiàn)象，在多次測試后，硬件網(wǎng)絡(luò)克隆的傳輸耗時和速度均大大低于進(jìn)程類虛擬技術(shù)的克隆，操作系統(tǒng)層面的進(jìn)程克隆速度平均可達(dá)到4～6G/min。（3）本地300臺設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)端服務(wù)器，在相對集中的時間內(nèi)同時發(fā)出提交指令，接著對300位學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查以分析使用者的相對感受。問卷主要由三類問題組成：①同時發(fā)出提交指令時，使用者對設(shè)備響應(yīng)時間的直觀感受。②使用不同的虛擬技術(shù)，對實(shí)踐教學(xué)的幫助。③利用教學(xué)管理軟件，獲取300位學(xué)生對設(shè)備的整體評價。在本次測試中，通過遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件對部分測試設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，對啟動時間、CPU的使用占比、物理內(nèi)存占比及硬盤使用率等數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的模擬對比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)層級的虛擬技術(shù)評分整體略高于硬件層級。雖然本次測試和問卷調(diào)查對多種虛擬技術(shù)的應(yīng)用具有一定的研究意義，但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的誤差性和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的局限性，其測試結(jié)論有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

6結(jié)語

當(dāng)前虛擬技術(shù)發(fā)展迅速，將實(shí)用的虛擬技術(shù)運(yùn)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)勢在必行，且需要管理者的知識構(gòu)成以及學(xué)校相關(guān)部門的政策支持。管理者自身的知識儲備和對新技術(shù)的不斷涉獵，決定著軟硬件設(shè)備的維護(hù)效果；學(xué)校相關(guān)部門的高度重視以及資金、人力、政策的支持，都將促進(jìn)虛擬技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的運(yùn)用。虛擬技術(shù)的變革將帶來實(shí)驗(yàn)室管理模式的改變，同時也將促進(jìn)教學(xué)模式的改變。作為計算機(jī)教學(xué)工作者，有必要進(jìn)一步研究將虛擬技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)這一課題。

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作者：楊清 殷明 何鵬 單位：中原工學(xué)院現(xiàn)代教育技術(shù)中心