虚拟机在网络教学及实验中的应用研究
时间：2023-02-01 10:15:06 来源：天一资源网 本文已影响 人 
李 悦
天津公安警官职业学院，天津 300382
计算机网络技术的发展，为人类的生活带来了全方位的改变。学会使用计算机网络相关技术，已经是现代人必不可少的一项技能。目前，全国各个大中院校都开设了《计算机技术及计算机网络技术》课程，为计算机网络知识的普及提供了良好的平台。虚拟机技术，是为了使教学手段更加丰富，教学效果更加直观而设计的一套计算机软件。这种软件技术，打破了原有的多媒体式教学方式，为学生提供了直观、可靠、易行的操作方式，使学生能够获得更好的学习体验，从而更牢固掌握所学的内容。
随着计算机相关课程在学校里的开设，越来越多的实践教学都依赖于计算机网络的教学环境之中。与实践性关联紧密的实验实训等内容，也逐渐加大了其在教学内容中的比例。只要是与计算机相关的课程，无论是什么专业，都依赖于计算机与网络技术，网络教室成为不可或缺的教学设备［1］。
网络教室的技术是构架于机房之上的，笔者对于自己所在学校以及一些外校的计算机机房进行了走访与调研，发现在计算机技术高速发展的今天，几乎所有学校都投入了大量的资金用以建设机房。
这些机房大多是优缺点并存，主要体现在：机器数量充足、操作平台多样、应用软件丰富、系统故障时现、软件版本多样。
在使用方面，许多高校对于计算机机房的利用率是非常高的。经常是一间机房要被安排承担多种计算机课程的实验实训教学工作。因此，对于这种多用途的机房来说，就必须给其安装各种课程所需的操作系统及应用软件，这势必会给机房的管理和维护带来了许多困难。在教学实践的环节中，经常会遇到要求学生改变硬件设置及系统环境配置，这些操作往往会造成计算机系统的崩溃，甚至是硬件损伤，从而使计算机无法工作，影响正常的教学工作。
为了保证教学工作的顺畅进行，许多院校的机房维护人员会对机房采取统一管理的形式，将学生的操作权限限制在一定的范围之内，禁止他们做任何有可能造成计算机毁坏性的操作。采用统一管理、定期修复的方式，在一定程度上保持了机房内计算机系统的稳定性和安全性，保证了实验与教学工作的顺利进行。
但是，这种管理机制仅仅适用于那些较通用的、较普遍的计算机系统，对于一些专业的课程，例如，计算机网络操作系统，就需要学生们直接改变计算机系统的配置，若权限被限制，便无法进行实践操作了。于是我们就不得不考虑更为适用的方式方法。
虚拟机技术的出现，恰恰完美地解决了这些困扰我们的问题。
虚拟机是指使用系统虚拟化技术，在独立的环境中运行的具有完整硬件功能的逻辑计算机系统，包括客户端操作系统及其应用程序［2］。
它借助于已有的计算机空间，使用软件来模拟出完备的软硬件环境，在功能上与实际的计算机系统完全一样，在使用上对用户是透明的。这种虚拟机的系统，实际上是真实系统中的子系统，它的运行完全依赖于主系统的运行。并且，他们拥有自己的虚拟内存、虚拟硬盘、虚拟CPU，以及虚拟声卡、网卡等［3］。在虚拟机中，可以安装各种操作系统及应用程序，甚至，可以在一台主机上同时安装2～3个不同的操作系统。此外，在虚拟机上安装运行的程序，可以不去考虑主机系统是否能够兼容，虚拟机可以完全独立地去配置自己的个性选项。
（一）硬件独立性
虚拟机是一种特定软件，它是依附于主机而运行的一个特定文件。教学过程中对虚拟机的所有操作都限于在此文件中。它可以将自己完全独立，与主机的操作系统及主机上所有应用软件都完全隔离。教师可以根据自己的需求，预先安装各不相干的虚拟机操作系统，并且可以根据教学需要进行复制和使用。在教学过程中，由于操作不当造成的对虚拟机系统的任何损坏都可以采取软件的方式迅速恢复。
（二）多操作系统并存
可以在同一台主机上安装多个不同的操作系统，并且可以同时运行。这一特点使得我们可以方便自如地去建立所需的教学实验环境，且不用重启主机。在多个操作系统同时运行的过程中，我们可以方便地互相切换，大大节省了反复调用系统而造成的时间占用，为学生节省了学习和实验的时间，增加了学生学习的空间和范围。
（三）突破单机系统局限性
使用虚拟机系统，可以方便地进行网络实验，配置虚拟网络环境，这是以往在单机系统上不可实现的功能。这种方式，节省了组网费用，可以不受品牌及型号限制地使用交换机、网卡等虚拟网络设备，大大减少了网络设备的资金投入和网络设备的调试维护费用，同时也降低了网络系统的维护工作量。此外，在使用虚拟网络系统进行实验操作的过程中，即便是发生了网络毁灭性的操作，也不用担心会影响主机的物理性能，只需要重新启用虚拟系统即可。
（四）显著提升教学质量
教师利用虚拟机技术可以自主创建所需要的虚拟机环境和虚拟网络环境，从而实现直观的教学模式。基于自身学习的要求，学生也可以来精准掌握软件装机、网络建设、系统维护等全方面的专业技能。显然，这种方式极大地挖掘了现有设备的潜力，提高了教学效率，节省了系统搭建时间，激发了学生学习的积极性，有利于帮助学生深刻地掌握学习的内容，为进一步进行研修和创新提供了良好的基础平台。
（一）常用的虚拟机软件［4］
虚拟机软件具有模拟真实计算机硬件环境及软件平台的功能。常用的虚拟机软件有VMware系列和Microsoft系列。这两种虚拟机软件功能大相径庭，在界面上稍有不同，但都非常友好，易于掌握。教师在选择的时候，可以根据自己的偏好来确定使用哪种。
（二）虚拟机技术在计算机网络专业教学中的具体课程应用
1.《计算机网络基础》：利用虚拟机软件在一台主机上建立多台虚拟主机，每个虚拟主机的操作系统可以相同，也可以不同。分别对各个虚拟操作系统进行网络配置，使他们彼此互连，这样就可以在同一台主机上实现多台虚拟主机的联网，由此构建的虚拟网络环境可以满足网络基础课程大部分教学和实践的需要。
2.《计算机组成原理及系统维护》：在这个课程中，学生们更多的要接触到计算机系统的硬件，例如对CMOS、BIOS、主板、声卡、网卡、视频卡等进行设置，对磁盘进行分区调整、对操作系统进行安装及删除或修复，对外设进行驱动程序的安装等等，这些操作，均可以通过使用虚拟机的虚拟操作来完成［5］。
3.《计算机网络系统的组建与管理》：针对网络的组建和与管理，均可以通过虚拟机进行教学和实验。例如，安装活动目录来对文件系统进行高效的管理；
设置用户和组的参数来实现对用户分层分级分权限的规范管理，安装DNS服务器用以学习IP地址的解析与反解析；
安装HTTP服务器来模拟电子邮件的收发过程，安装IIS服务器来建设属于自己的WEB网站，拥有自己个性化的主页［6］。
4.《网络操作系统》：目前国际上比较流行的网络操作系统主要有：Windows 2003 Server、Windows 2008 Server，UNIX以及Linux。对于Windows 2003 Server和 Windows 2008 Server，由于其界面与大部分功能与个人电脑版的Windows 2003和Windows 2008比较接近，所以学生在学习的过程中比较容易掌握。但是对于UNIX与Linux这两个操作系统而言，学生们平日几乎没有接触的机会，所以非常陌生，不易掌握。借助于虚拟机软件，我们可以在同一台主机上同时安装Windows、UNIX、Linux这三种完全不同的操作系统，并且在三个操作系统中来回切换。通过熟知的操作系统，对比着去学习不了解的操作系统，这样可以大大加快学生对新知识的领悟，提升教师的教学效果。
通过课堂演示，可以让学生明白自己所学的理论知识不是脱离实践的，而是紧密联系的，这样可以更好地提高学生的兴趣，有效提高教学效果。
（三）虚拟机技术在网络实验教学中的应用
1.硬件系统操作、软件系统安装等实验室内容
当我们要进行磁盘分区、硬盘格式化、操作系统安装的时候，都会对物理计算机的磁盘具有破坏作用，如果使用虚拟机进行此类破坏性操作则可以避免其对真实硬件系统的损坏。在具体的操作过程中，我们可以选择虚拟光盘设置中的ISO镜像文件，启动虚拟机，然后进行相应的教学和实践［7］。这种方式，不仅保证了主机系统的安全性，而且，还很方便在教学结束后轻松地将系统恢复到原先的状态。
2.计算机网络技术实践教学
针对那些与计算机网络相关的课程，例如计算机网络基础、计算机网络安全、计算机组网技术等，这些课程的实践性比较强，如果将实践内容都安置于构建的虚拟网络环境中，将带来更多的安全性与便捷性。利用虚拟技术构建的虚拟网络可以实现真实网络系统中的所有功能，包括：局域网的组建；
网络地址的配置与分配；
WEB服务器、FTP服务器、Telnet服务区、Email服务器的创建与管理；
病毒、木马的仿真实验与查杀、黑客的攻击与防范实验；
防火墙、入侵检测系统的模拟等［8］。学生在实验的过程中，可以在同一台计算机上，同时扮演多种不同的身份，如管理员和用户、黑客和网管等，从而可以从不同的角度更深刻地理解所学习的内容。
当然，在实际使用的过程中，虚拟机网络环境技术的应用也不是十全十美的，它也有其自身的缺点，主要表现有：一、对于安装并且启用虚拟机的主机来说，对其CPU及内存和硬盘等的硬件要求都比较高，高配置的主机有利于虚拟机程序的运行。二、虚拟机的配置与启动需要一定的时间，为了能够给学生预留尽量多的上机时间，这就要求教师要提前做好启动的安排，避免在课堂上占用教学时间。三、学生在上机实验的时候，无法感受真实网络的故障，例如：带宽瓶颈、网络故障、掉线等［9］。
虚拟机技术的应用，积极推动了我们的教学工作，极大提升了教学质量，在我们的教学工作中发挥着巨大的作用，具体体现在以下几个方面：
（一）提升了理论教学效果
使用VMware可以将原来只能在实验室网络环境中进行的操作转移到教室的学生机屏幕上，非常直观，便于学生理解。
（二）扩展了实践教学手段
实验室的机房需要安装用于教学的所有软件，这些软件往往相互影响，严重影响系统运行速度。若是进行服务器操作系统的安装，便更是有可能破坏整个计算机系统。有了虚拟机软件，则不再需要格式化硬盘，只需要打开硬盘空间，将操作系统安装到虚拟系统中即可。一旦虚拟机崩溃，仅需删除安装文件，就像删除垃圾文件一样简单，完全不会影响物理主机系统，从而大大保证了实验室原有操作系统环境的稳定性。
（三）加强了实践教学效果
在实验课上，通过虚拟机教学方式，可以提供给学生更加独立的练习环境和思考空间，方便他们在基础理论的指导下进行实践性探索。虽然软件的使用屏蔽了虚拟环境中网卡、交换机、集线器等网络设备出错的可能性，但与传统的实验课程相比仍是一个很大的进步。
虚拟机技术广泛应用于计算机网络课程的教学实践中，不仅满足了当前节约型社会的要求，而且使教学更加方便灵活，易于创设教学和实验环境，提高了教学所需实验项目的开题率，提高了学生的实践能力。因此，进一步加强虚拟机技术在教学和实践中的学习和研究，不断提升虚拟机技术在教学应用中的广度和深度，是极其有益的尝试。
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