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1計算機虛擬技術

虛擬技術是一種通過分區組合的形式，使得計算機資源滿足一個或多個操作環境，從而提供優于資源配置的訪問技術。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。現代計算機系統是一個龐大而又繁雜的整體，對于計算機實驗環境下的教學而言，其復雜性不言而喻。由于整個計算機系統由網絡相連接，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，大大改善了系統的單一性和邏輯性，增強了教學環境的移植性。

2計算機實驗教學現狀

為了應對信息化時代的到來、拓展大學生的操作技能，有必要通過計算機教學來提升當代大學生的計算機素養。在這種教學要求下，計算機實驗室已經難以滿足不同的教學需求，必須增強計算機設備的多樣性，創建不同的教學環境。就高校計算機實驗室建設而言，不僅需要引進大量的設備、增加設備投入成本，而且還要進行大量的維護與更新工作。具體表現在以下幾個方面：（1）在軟件安裝或網絡攻防的教學環境下，學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產生一定的影響。（2）在有限的硬盤資源條件下，統一部署多樣化的操作環境和專業化的操作軟件，同時滿足多人在不同時段對同一臺設備的使用需求，會影響設備性能、降低使用效率。（3）大量不同的系統環境與教學軟件需求，帶來大量的人工干預。

3虛擬技術在教學環境中的運用分類

當前計算機實驗室運用的虛擬技術從底層到高層大致可分為硬件層、編程語言層和操作系統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插槽安裝硬件設備，通過底層驅動引導扇區寫入信息，對硬盤資源進行分區設置。通過接管BIOS中斷表進行硬盤參數修改，達到數據臨時存儲或永久存儲的目的，從而實現磁盤的保護[1]。雖然硬件層的虛擬化應用在日常教學中能起到保護的作用，但伴隨著應用系統的升級和教學軟件的更新，設備本身的硬件資源越來越被各類軟件所占用，教學系統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和數據的完整性，但在傳輸大量增量數據或整區克隆時，由于其對硬件的穩定性依賴較大，容易產生丟包、斷點和藍屏等現象，導致更新速率降低、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環境。這類虛擬化是通過虛擬還原點的形式達到進程級作業的目的，不同于硬件層的分區模式管理，還原點通過虛擬的體系結構生成各類進程層級，通過調用和改寫母進程形成一個又一個新的子進程系統環境。以一個母進程為還原點設置多個子進程，不同的子進程安裝各類不同需求的教學軟件，通過優化系統和網絡環境，在克隆增量方面以虛擬進程的方式進行數據傳輸，大大提高了教學部署的工作效率。編程語言層面的虛擬化，在保護數據完整性的同時，又降低了數據傳輸的大小，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一的安排部署和邏輯管理標準；由于這類虛擬化在網絡克隆方面主要依靠軟件優化來提高網絡傳輸速度，因此要求管理人員有能力對實驗設備系統和BIOS進行優化。（3）操作系統層的虛擬化是指操作系統內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絡系統。通過服務器和網絡端，可將系統資源分散建立在各個下端計算機設備中，形成現在流行的云平臺技術。云平臺技術是虛擬化技術走向成熟的表現，通過在服務器端創建與部署相關教學軟件，由鏡像引導依據母鏡像系統復制生成多個子鏡像系統并提供給各個分機，鏡像本身可立即開放、還原、清空，做到定時設置、定時清理[2]。操作系統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則是來自教學軟件的相互獨立性和資源互操作之間的矛盾。大型的教學軟件如MATLAB、CAD等，其本身需要相對獨立的操作環境，同時也需要獨立顯卡等設備的支持。當用戶數量不斷增加、教學軟件生成的變量文件增多時，其需求資源對服務器端不斷發出分配申請，若其中一臺出現問題會很容易造成大面積的系統崩潰，因此這類虛擬化無法滿足教學的多樣化需求，須進行有針對性的部署和使用。

4虛擬技術在計算機教學中所具有的優勢

當前，大部分院校都面臨著教學設備更新、教學場地拓展等困境。在有限的經費投入下，要想合理高效地增強計算機教學的周期性和需求性，可引入復合虛擬技術以延長實踐教學的設備周期，同時降低維護成本[3]。虛擬技術在教學中的應用優勢主要體現在以下幾個方面：（1）復合性。在多種層級的虛擬技術環境下，根據不同的教學需求設置不同層級的虛擬環境，生成多個系統，在布控統一的情況下優化各層級的軟件操作環境，提高克隆傳輸速率，降低周期，從而降低丟包概率。（2）嵌套性。隨著硬件技術的快速發展，固態硬盤的使用為設備運轉速率的提高提供了支持，由于固態硬盤和機械硬盤工作原理不同，因此為保障教學的順利進行，需要從底層設置固態硬盤和機械硬盤均可使用的相關虛擬技術。目前市場上比較主流的相關保護卡公司均有涉獵。（3）共享性。傳統的還原卡和當下流行的虛擬機技術在實踐教學環節有著各自的優勢和劣勢，如何保障老舊設備的正常運行，同時又能在新購置設備的實驗室實行統一的管理，使得新舊教學設備處于均衡和諧的運行狀態呢？最佳的方案便是將還原卡與虛擬技術相結合，在管理上取得遠程高效的云平臺運行效果，而在個體設備維護上又能達到獨立保護、聯動傳輸克隆的目的。在傳統管理模式下，硬件設備的運行頻繁出現故障，究其原因在于用戶頻繁地切換系統或同時下達操作指令，由此引發硬件受損的情況，在檢修中需要更換或重新安裝硬盤、內存等硬件，從而增加了維護工作量和維護成本。在這一模式下，在虛擬子系統中對BIOS、CPU、內存等進行獨立設置，可減小硬件性能落后對指令執行效果的影響，同時可通過網絡對所使用的設備進行遠程監控，實時發現進程故障或查看設備運行效果[4]。此外，在用戶長時間使用網絡系統或使用設備執行較為復雜的操作時，可利用虛擬技術的高性能特征，避免對軟硬件設施造成嚴重損壞，進而降低軟硬件設備的故障發生率。

5虛擬技術在教學實踐中的測試

在實踐教學中對多臺計算機設備進行測試。測試對比參數主要包含三類參數：響應時間、傳輸速度、傳輸耗時。其測試環境如下：千兆網卡、千兆網線、300臺電腦設備和多臺交換機設備（同一品牌型號）、均在Win10操作系統中進行測試。（1）通過FTP文件傳輸協議，對操作系統層和硬件層的虛擬技術進行文件傳輸對比。當所占用設備在100臺以內時，其傳輸速度、耗時與響應時間無明顯差別；當占用設備達到300臺以上時，硬件層面的傳輸速度受設備硬件性能的影響，其耗時與響應時間均高于操作系統層面的虛擬技術應用[5]。（2）通過多分區操作系統克隆進程，對100臺設備多個層面的虛擬技術進行對比。由于多分區操作系統容量巨大，同時存在多次斷點現象，在多次測試后，硬件網絡克隆的傳輸耗時和速度均大大低于進程類虛擬技術的克隆，操作系統層面的進程克隆速度平均可達到4～6G/min。（3）本地300臺設備通過網絡連接遠端服務器，在相對集中的時間內同時發出提交指令，接著對300位學生進行問卷調查以分析使用者的相對感受。問卷主要由三類問題組成：①同時發出提交指令時，使用者對設備響應時間的直觀感受。②使用不同的虛擬技術，對實踐教學的幫助。③利用教學管理軟件，獲取300位學生對設備的整體評價。在本次測試中，通過遠端監控軟件對部分測試設備的數據進行提取，對啟動時間、CPU的使用占比、物理內存占比及硬盤使用率等數據進行進一步的模擬對比，發現系統層級的虛擬技術評分整體略高于硬件層級。雖然本次測試和問卷調查對多種虛擬技術的應用具有一定的研究意義，但由于實驗設備的誤差性和實驗系統的局限性，其測試結論有待進一步驗證。

6結語

當前虛擬技術發展迅速，將實用的虛擬技術運用于實踐教學環節勢在必行，且需要管理者的知識構成以及學校相關部門的政策支持。管理者自身的知識儲備和對新技術的不斷涉獵，決定著軟硬件設備的維護效果；學校相關部門的高度重視以及資金、人力、政策的支持，都將促進虛擬技術在實踐教學環節的運用。虛擬技術的變革將帶來實驗室管理模式的改變，同時也將促進教學模式的改變。作為計算機教學工作者，有必要進一步研究將虛擬技術應用于實踐教學這一課題。

參考文獻

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[3]趙建軍.計算機虛擬技術在計算機教學中的應用探析[J].電子技術與軟件工程,2015,61(11):187-188.

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[5]李寧.虛擬化技術在計算機網絡教學中的應用[J].福建電腦,2021,37(12):129-132.

作者：楊清 殷明 何鵬 單位：中原工學院現代教育技術中心