潘大四

摘要：针对高校计算机类课程实践教学传统模式存在的不足，结合大学计算机类课程教学改革，提出一种基于虚拟化技术的实践教学建设方案。该方案利用新兴虚拟化技术，整合资源构建虚拟服务器和虚拟桌面实验环境，突破教学环境的时空限制，实现可持续协作学习，并且学习全过程和学习效果可以进行实时监测和控制的教学模式，对创新实践教学模式具有重要的意义。

关键词：虚拟化；实践教学；可持续学习

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）12-0175-03

一、引言

教学模式是在一定的教学思想或教学理论的指导下构建的教学活动结构框架和活动程序[1]。信息技术的迅猛发展为教学模式的革新提供了良好的契机。建构主义认为，知识不是通过教师传授就能得到，而是学习者在一定的情境及环境下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资源，通过意义建构的方式而获得的。这里既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是学习的帮助者、促进者，而不是知识的灌输者，它强调“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是教学环境的四大要素[2]。学习主体之间、师生之间的交互对于知识意义的建构起着关键性的作用。这一理念中包含的环境条件对计算机类课程的实践教学而言尤为关键，实践教学着重培养学生实际动手能力，仅仅依靠在固定的实验室或机房中进行有限时间的训练，无法达到培养学生解决问题能力的教学目的，需要突破教学环境的时空限制，在开放、统一软硬件环境下实现持续性的可交互协作学习，延伸教学至课堂之外。云计算的基础——虚拟化技术为突破实践教学的各种限制提供了技术可行性和保障，促进师生之间的交流，促进学生协作学习。

二、虚拟化技术

虚拟化（Virtualization）本质上是一种物理资源封装手段，是构建云计算的基础技术之一。通过虚拟化技术可以最大限度地屏蔽软硬件资源的差异性，根据需要灵活分配这些资源，减少总体成本[3]。虚拟化将计算机的各种实体资源，如服务器、网络、内存及存储等，予以抽象、转换后呈现出来，打破实体结构间的不可切割的障碍，使用户可以比原本的组态更好的方式来应用这些资源。虚拟化技术有很多种类型，通常包括硬件虚拟化、应用虚拟化、桌面虚拟化和服务器虚拟化。利用软件创建一个虚拟机来模拟底层硬件的服务和功能，能在一台机器上运行多个操作系统。当这项技术应用在服务器上时被称为服务器虚拟技术；而桌面虚拟化是指将计算机的桌面进行虚拟化，以达到桌面使用的安全性和灵活性[4]。用户只需要连入互联网，借助轻量级客户端，例如手机、PAD、瘦客户端或PC，就可以在任何地点、任何时间访问在网络上的属于个人的桌面系统或服务器，完成各种计算任务，包括程序开发、科学计算、软件使用乃至应用的托管。提供这些计算能力的资源对用户是不可见的。

三、虚拟环境下创新实践教学模式

1.虚拟桌面突破时空限制，实现可持续学习。传统的计算机类课程的实践教学环境需按照教师或课程的要求事先统一配置，因公用性导致大量不同的软件安装在同一台PC机中，运行速度得不到保证。同时，为防止病毒感染或学生的误操作导致系统破坏，公共机房环境中的设备一般设置了自动还原功能，导致实验的配置无法保留，对于软件测试（由于需要长时间连续运行）的课程，实验过程的中断更令人无法接受。即使可以在同一设备上开展后续工作，也要自行保存阶段性成果，并依赖相关软件工具进行恢复，既费时费力，又无延续性。学生在非教学环境中如寝室、家中继续进行学习，还需自行搭建环境。将操作系统、应用程序和用户数据封装到相互隔离的层次，以改善桌面管理，并为用户提供各自桌面的个性化视图，这样的视图称之为虚拟桌面。桌面虚拟化技术集成了远程桌面和服务器虚拟化等技术的优点，主要是通过桌面虚拟化将数据的运行存储与桌面呈现进行分离，所有的用户桌面系统由数据中心进行托管并统一管理，用户通过远程访问协议来访问自己的操作系统。利用桌面虚拟化技术可以突破时空限制，解决实验延续性的一种较好的方案。每个学生自入学之日起，便为其设置独属的桌面机。学生可以通过账号登录“自己的桌面机”，学生在机房、寝室甚至家中都能实现此操作，继续完成本人的实验、作业、测试等。

2.虚拟化服务器可满足客户端/服务器模式的实践教学。目前高校计算机类课程的教学多数都已经实施“教学做”合一的教学方法，即使满足人均一台PC机，但对运行在客户端/服务器模式下的课程，如数据库管理系统、Web程序设计、服务器的配置、软件测试等课程，都因服务器数量条件限制安装在本地PC机中，学生在学习过程中感受不到网络环境的存在，也无法进行安全角色授权与控制等实验，更无法进行DNS服务器、安全认证服务器的实验。若要真正让每一位学生模拟企业实际环境，保证教学与实训的真实性，唯一解决办法只能增加服务器的数量，但由于资金、场地、维护人员的限制，无法实现人均一台服务器状况下进行各种课程的实践教学，致使实训脱离真实的环境。虚拟化技术用于在单台或多台物理服务器集成实体上，利用使用时间差异、瞬时计算量差异平衡服务器的处理能力，生成多个虚拟服务器，提升资源使用率，从功能、性能和操作方式上，等同于传统的单台物理服务器，从而达到降低成本，提高系统的灵活性和快速响应的效果，使得每一位学生都可以拥有独立的服务器。

3.对学生的学习全过程和学习效果可进行监测和控制。为了让学生更好更熟练地掌握技能，通常都会布置课后作业。计算机类课程作业有不同于其他专业的地方，如有些作业是对软件操作，或者只是参数的配置，有些是程序的调试等，训练结果往往无法以电子文档或作业本的方式提交。教师在实践教学课堂上可以直接监测到学习效果，但很难掌握学生课余的训练效果。若能够实时观测结果，及时、准确、全过程地掌握学生对知识的接受和理解程度，随时调整教学进度和方式，对促进教学模式的良性循环极为有利。虚拟桌面和虚拟服务器让计算主体与界面分离，同一个虚拟机体可以映射多个虚拟桌面，教师可以直接登录到学生主体虚拟机上查看学生的完成情况及批改实验作业，过程化控制学习进度，也可多方在同一个虚拟桌面下进行问题的讨论。

4.虚拟化降低实验室维护成本。将软硬件资源通过虚拟化技术进行统一整合，统一引擎调度，从而有效避免教学资源分布散乱不均、重复建设严重、资源孤岛现象严重的问题和缺陷，实现灵活的、可靠易扩展的统一运维。虚拟桌面的提出最小化了终端设备的需求，极大地降低终端用户成本，实现前所未有的性能价格比。任课教师根据自己实践教学内容，制作特定的教学软硬件配置模板机，复制发布自己的虚拟机文件（在云计算环境下虚拟机文件等同于实际设备如PC、服务器等），教师根据授课学生数量可以迅速克隆出同样数量的虚拟机文件，极大提升实验环境部署的响应时间，可以为学生提供丰富、灵活、多变的实验环境，并且当这些设备不再需要的时候，只需删除虚拟机文件，提升资源的利用率。

四、基于虚拟化技术的可持续实践教学的环境构建与实践

实践教学对提升学生职业能力至关重要，如今计算机类课程的实践教学都在机房中完成。随着我校的办学规模不断扩大，学生的数量也在不断增加，造成学生机房的管理维护复杂、更新频率高、系统稳定性差等问题，尽管在不断增加计算机的购置和计算机教室的数量，但依然无法满足实际需求。从管理角度来看，学生机房面向的学生多，科目多，学生流动性大，所以提出了很大的挑战。另外对于分布在各个计算机教室的服务器而言，服务器每当上课时才会被开启，在下课时物理资源就会被白白浪费。而如果学校需要提供新的教学，教师则必须到每一间教室进行服务器的重新配置。另外各教室所配物理服务器，性能好的资源利用率往往不到20%，性能差的服务器无法满足正常需求，因此学校急需平衡两者资源，保证硬件资源的平均利用。

1.整合服务器资源，构建虚拟化资源平台。本方案采用VMware vCenter实现X86平台下虚拟化引擎管理，实现虚拟资源的供给、部署和管理，通过vCenter调用底层基于vSphere的虚拟化资源。另外，通过存储虚拟化管理组件、节能管理等组件与vCenter的结合，可以实现物理资源和虚拟资源的统一管理。由8台X86平台的PC服务器构成虚拟资源池，由一台或以上磁盘阵列或存储服务器构成，由存储虚拟化引擎进行统一管理，从而实现存储资源虚拟化、为服务器系统池提供自动化供给的基础设施管理功能。网络资源池由两台以上网络交换机构成，网络的IP资源根据机房的IP资源管理来分配，带宽资源是根据实际需求决定，由网络交换机产品的网络管理来进行分配。网络资源池的调度、分配和计量，取决于网络设备的功能。

2.服务器虚拟化。利用平台强大的处理能力，生成多个虚拟服务器，而每一个虚拟服务器，从功能、操作方式上，等同于原来的单台物理服务器，性能则根据实际负载进行自动调整，这样原来单独的每个性能偏低的物理服务器就变身为服务器上的虚拟机，如图1所示。从而大大提高资源利用率，降低成本，增强了系统和应用的可用性，提高系统的灵活性和快速响应，很好地实现了服务器虚拟架构的整合。

虚拟化极大地提高服务器整合的效率，大幅度简化了服务器管理的复杂性，提高了整体系统的可用性。同时还明显地减少了投资成本，具有较好的技术领先性和性价比。虚拟化技术针对应用和访问量灵活部署，降低系统总成本。资源动态调整、虚拟HA、虚拟机动态部署迁移、虚拟备份以整合服务器、操作系统、应用平台，对服务器资源进行统一管理，实现按需分配资源。

对于需要服务器完成实践教学的课程，通过虚拟化技术可以生成足够数量的虚拟服务器，虽然每台物理配置仅仅限于2内核CPU、2G内存这样的低配环境，不考虑并发性，但足以满足实际需要，使得每一位学生都可以拥有独立的服务器进行实验。

3.桌面虚拟化。桌面虚拟化依赖于服务器虚拟化，在物理服务器（集群）上进行服务器虚拟化，生成大量的独立的桌面操作系统（虚拟桌面），同时根据专有的虚拟桌面协议发送给终端设备。用户终端通过以太网登陆到虚拟主机上，只需要记住用户名和密码，即可随时随地地通过互联网访问自己的桌面系统。机房的桌面全部由虚拟桌面机取代，虚拟机快照技术可以完全取代硬盘保护卡。如图2所示。桌面虚拟化将运行实体与桌面得以分离，对用户端的设备要求很低，只要有一台可以上网的电脑、上网本或手机就可以获得所需的资源和服务，教学活动不受时空的限制，教师可以在家里、办公室或者在路上都可以随时进入到学生界面在统一环境下回答学生的问题，学生可以在任何具备网络的环境下继续实验室中未完成的内容，若遇到无法解决问题，可以邀请教师进入同一界面中进行答疑，也可以邀请其他同学进入讨论，实现可持续协作学习。

五、结语

虚拟化技术使得实践教学环境突破时空限制，为可持续协作学习提供技术支撑；对学生的学习全过程和学习效果可进行监测和控制；可降低实验室管理维护成本，使机房管理员能从大量的管理维护工作中解放出来。随着虚拟化技术的不断发展，将会对教育环境和教学模式的变革产生积极的影响。

参考文献：

[1]Calhoum E.教学模式[M].荆建华，宋富钢，花清亮，译.北京：中国轻工业出版社，2009.

[2]潘晓南.美国大学利用数字化教学环境实践建构主义教育思想的探讨[J].中国大学教学，2006，（12）：38-39.

[3]张青，杜召阳，白佳.采用虚拟化技术优化IT基础架构，有效提升IT服务提供能力[J].电信技术，2010，（3）：82-84.

[4][美]赫斯，纽曼.虚拟化技术实战[M].北京：人民邮电出版社，2012：132-142.