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1計算機虛擬技術(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?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)是一個龐大而又繁雜的整體，對于計算機實驗環(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用，大大改善了系統(tǒng)的單一性和邏輯性，增強了教學(xué)環(huán)境的移植性。

2計算機實驗教學(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，有必要通過計算機教學(xué)來提升當(dāng)代大學(xué)生的計算機素養(yǎng)。在這種教學(xué)要求下，計算機實驗室已經(jīng)難以滿足不同的教學(xué)需求，必須增強計算機設(shè)備的多樣性，創(chuàng)建不同的教學(xué)環(huán)境。就高校計算機實驗室建設(shè)而言，不僅需要引進大量的設(shè)備、增加設(shè)備投入成本，而且還要進行大量的維護與更新工作。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操作技能，不可避免地對計算機硬件和計算機系統(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)境中的運用分類

當(dāng)前計算機實驗室運用的虛擬技術(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現(xiàn)指令集的虛擬化，起到硬盤保護卡的作用，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，對硬盤資源進行分區(qū)設(shè)置。通過接管BIOS中斷表進行硬盤參數(shù)修改，達到數(shù)據(jù)臨時存儲或永久存儲的目的，從而實現(xiàn)磁盤的保護[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)的運行性能會受到一定的影響，因此硬件層的虛擬化運用更多的是依靠設(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、斷點和藍(lán)屏等現(xiàn)象，導(dǎo)致更新速率降低、維護周期延長。（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立運行的計算機系統(tǒng)環(huán)境。這類虛擬化是通過虛擬還原點的形式達到進程級作業(yè)的目的，不同于硬件層的分區(qū)模式管理，還原點通過虛擬的體系結(jié)構(gòu)生成各類進程層級，通過調(diào)用和改寫母進程形成一個又一個新的子進程系統(tǒng)環(huán)境。以一個母進程為還原點設(shè)置多個子進程，不同的子進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程的方式進行數(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?，以進程的方式提高了速率。由于子進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驗設(shè)備系統(tǒng)和BIOS進行優(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，這些用戶各自獨立，其本身具有真實的計算機功能，擁有獨立的文件和網(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，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，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，其本身需要相對獨立的操作環(huán)境，同時也需要獨立顯卡等設(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，須進行有針對性的部署和使用。

4虛擬技術(shù)在計算機教學(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)費投入下，要想合理高效地增強計算機教學(xué)的周期性和需求性，可引入復(fù)合虛擬技術(shù)以延長實踐教學(xué)的設(shè)備周期，同時降低維護成本[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)備運轉(zhuǎn)速率的提高提供了支持，由于固態(tài)硬盤和機械硬盤工作原理不同，因此為保障教學(xué)的順利進行，需要從底層設(shè)置固態(tài)硬盤和機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)下流行的虛擬機技術(shù)在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)有著各自的優(yōu)勢和劣勢，如何保障老舊設(shè)備的正常運行，同時又能在新購置設(shè)備的實驗室實行統(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)程高效的云平臺運行效果，而在個體設(shè)備維護上又能達到獨立保護、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，從而增加了維護工作量和維護成本。在這一模式下，在虛擬子系統(tǒng)中對BIOS、CPU、內(nèi)存等進行獨立設(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)備進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實時發(fā)現(xiàn)進程故障或查看設(shè)備運行效果[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)實踐中的測試

在實踐教學(xué)中對多臺計算機設(shè)備進行測試。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)備和多臺交換機設(shè)備（同一品牌型號）、均在Win10操作系統(tǒng)中進行測試。（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)克隆進程，對100臺設(shè)備多個層面的虛擬技術(shù)進行對比。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程類虛擬技術(shù)的克隆，操作系統(tǒng)層面的進程克隆速度平均可達到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)進行進一步的模擬對比，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，但由于實驗設(shè)備的誤差性和實驗系統(tǒng)的局限性，其測試結(jié)論有待進一步驗證。

6結(jié)語

當(dāng)前虛擬技術(shù)發(fā)展迅速，將實用的虛擬技術(shù)運用于實踐教學(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，都將促進虛擬技術(shù)在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的運用。虛擬技術(shù)的變革將帶來實驗室管理模式的改變，同時也將促進教學(xué)模式的改變。作為計算機教學(xué)工作者，有必要進一步研究將虛擬技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)這一課題。

參考文獻

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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