复合虚拟技术在实践教学的运用

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1计算机虚拟技术

虚拟技术是一种通过分区组合的形式，使得计算机资源满足一个或多个操作环境，从而提供优于资源配置的访问技术。虚拟化是把物理资源变换为逻辑上的可管理资源，从而打破硬件上的物理壁垒，拓展可用资源的一种模拟化方式。现代计算机系统是一个庞大而又繁杂的整体，对于计算机实验环境下的教学而言，其复杂性不言而喻。由于整个计算机系统由网络相连接，分成多个自下而上的层次，因此通过各映像连接接口，以层级的管理模式使得各抽象资源相互交互运用，大大改善了系统的单一性和逻辑性，增强了教学环境的移植性。

2计算机实验教学现状

为了应对信息化时代的到来、拓展大学生的操作技能，有必要通过计算机教学来提升当代大学生的计算机素养。在这种教学要求下，计算机实验室已经难以满足不同的教学需求，必须增强计算机设备的多样性，创建不同的教学环境。就高校计算机实验室建设而言，不仅需要引进大量的设备、增加设备投入成本，而且还要进行大量的维护与更新工作。具体表现在以下几个方面：（1）在软件安装或网络攻防的教学环境下，学生并未完全正确掌握计算机操作技能，不可避免地对计算机硬件和计算机系统产生一定的影响。（2）在有限的硬盘资源条件下，统一部署多样化的操作环境和专业化的操作软件，同时满足多人在不同时段对同一台设备的使用需求，会影响设备性能、降低使用效率。（3）大量不同的系统环境与教学软件需求，带来大量的人工干预。

3虚拟技术在教学环境中的运用分类

当前计算机实验室运用的虚拟技术从底层到高层大致可分为硬件层、编程语言层和操作系统层三个方向的管理模式。（1）硬件层的虚拟化是指通过硬件抽象层来实现指令集的虚拟化，起到硬盘保护卡的作用，通过PCI插槽安装硬件设备，通过底层驱动引导扇区写入信息，对硬盘资源进行分区设置。通过接管BIOS中断表进行硬盘参数修改，达到数据临时存储或永久存储的目的，从而实现磁盘的保护[1]。虽然硬件层的虚拟化应用在日常教学中能起到保护的作用，但伴随着应用系统的升级和教学软件的更新，设备本身的硬件资源越来越被各类软件所占用，教学系统的运行性能会受到一定的影响，因此硬件层的虚拟化运用更多的是依靠设备本身性能的支持来延长它的使用周期。硬件层的虚拟化虽然保护了分区和数据的完整性，但在传输大量增量数据或整区克隆时，由于其对硬件的稳定性依赖较大，容易产生丢包、断点和蓝屏等现象，导致更新速率降低、维护周期延长。（2）编程语言层的虚拟化是指通过软件模拟具有完整硬件功能且可独立运行的计算机系统环境。这类虚拟化是通过虚拟还原点的形式达到进程级作业的目的，不同于硬件层的分区模式管理，还原点通过虚拟的体系结构生成各类进程层级，通过调用和改写母进程形成一个又一个新的子进程系统环境。以一个母进程为还原点设置多个子进程，不同的子进程安装各类不同需求的教学软件，通过优化系统和网络环境，在克隆增量方面以虚拟进程的方式进行数据传输，大大提高了教学部署的工作效率。编程语言层面的虚拟化，在保护数据完整性的同时，又降低了数据传输的大小，以进程的方式提高了速率。由于子进程层级可以无限堆叠，在管理模式上需要管理人员具有统一的安排部署和逻辑管理标准；由于这类虚拟化在网络克隆方面主要依靠软件优化来提高网络传输速度，因此要求管理人员有能力对实验设备系统和BIOS进行优化。（3）操作系统层的虚拟化是指操作系统内核可模拟出多个用户，这些用户各自独立，其本身具有真实的计算机功能，拥有独立的文件和网络系统。通过服务器和网络端，可将系统资源分散建立在各个下端计算机设备中，形成现在流行的云平台技术。云平台技术是虚拟化技术走向成熟的表现，通过在服务器端创建与部署相关教学软件，由镜像引导依据母镜像系统复制生成多个子镜像系统并提供给各个分机，镜像本身可立即开放、还原、清空，做到定时设置、定时清理[2]。操作系统层的虚拟化虽然易于管理、方便维护，但其本身面临的一个主要挑战则是来自教学软件的相互独立性和资源互操作之间的矛盾。大型的教学软件如MATLAB、CAD等，其本身需要相对独立的操作环境，同时也需要独立显卡等设备的支持。当用户数量不断增加、教学软件生成的变量文件增多时，其需求资源对服务器端不断发出分配申请，若其中一台出现问题会很容易造成大面积的系统崩溃，因此这类虚拟化无法满足教学的多样化需求，须进行有针对性的部署和使用。

4虚拟技术在计算机教学中所具有的优势

当前，大部分院校都面临着教学设备更新、教学场地拓展等困境。在有限的经费投入下，要想合理高效地增强计算机教学的周期性和需求性，可引入复合虚拟技术以延长实践教学的设备周期，同时降低维护成本[3]。虚拟技术在教学中的应用优势主要体现在以下几个方面：（1）复合性。在多种层级的虚拟技术环境下，根据不同的教学需求设置不同层级的虚拟环境，生成多个系统，在布控统一的情况下优化各层级的软件操作环境，提高克隆传输速率，降低周期，从而降低丢包概率。（2）嵌套性。随着硬件技术的快速发展，固态硬盘的使用为设备运转速率的提高提供了支持，由于固态硬盘和机械硬盘工作原理不同，因此为保障教学的顺利进行，需要从底层设置固态硬盘和机械硬盘均可使用的相关虚拟技术。目前市场上比较主流的相关保护卡公司均有涉猎。（3）共享性。传统的还原卡和当下流行的虚拟机技术在实践教学环节有着各自的优势和劣势，如何保障老旧设备的正常运行，同时又能在新购置设备的实验室实行统一的管理，使得新旧教学设备处于均衡和谐的运行状态呢？最佳的方案便是将还原卡与虚拟技术相结合，在管理上取得远程高效的云平台运行效果，而在个体设备维护上又能达到独立保护、联动传输克隆的目的。在传统管理模式下，硬件设备的运行频繁出现故障，究其原因在于用户频繁地切换系统或同时下达操作指令，由此引发硬件受损的情况，在检修中需要更换或重新安装硬盘、内存等硬件，从而增加了维护工作量和维护成本。在这一模式下，在虚拟子系统中对BIOS、CPU、内存等进行独立设置，可减小硬件性能落后对指令执行效果的影响，同时可通过网络对所使用的设备进行远程监控，实时发现进程故障或查看设备运行效果[4]。此外，在用户长时间使用网络系统或使用设备执行较为复杂的操作时，可利用虚拟技术的高性能特征，避免对软硬件设施造成严重损坏，进而降低软硬件设备的故障发生率。

5虚拟技术在教学实践中的测试

在实践教学中对多台计算机设备进行测试。测试对比参数主要包含三类参数：响应时间、传输速度、传输耗时。其测试环境如下：千兆网卡、千兆网线、300台电脑设备和多台交换机设备（同一品牌型号）、均在Win10操作系统中进行测试。（1）通过FTP文件传输协议，对操作系统层和硬件层的虚拟技术进行文件传输对比。当所占用设备在100台以内时，其传输速度、耗时与响应时间无明显差别；当占用设备达到300台以上时，硬件层面的传输速度受设备硬件性能的影响，其耗时与响应时间均高于操作系统层面的虚拟技术应用[5]。（2）通过多分区操作系统克隆进程，对100台设备多个层面的虚拟技术进行对比。由于多分区操作系统容量巨大，同时存在多次断点现象，在多次测试后，硬件网络克隆的传输耗时和速度均大大低于进程类虚拟技术的克隆，操作系统层面的进程克隆速度平均可达到4～6G/min。（3）本地300台设备通过网络连接远端服务器，在相对集中的时间内同时发出提交指令，接着对300位学生进行问卷调查以分析使用者的相对感受。问卷主要由三类问题组成：①同时发出提交指令时，使用者对设备响应时间的直观感受。②使用不同的虚拟技术，对实践教学的帮助。③利用教学管理软件，获取300位学生对设备的整体评价。在本次测试中，通过远端监控软件对部分测试设备的数据进行提取，对启动时间、CPU的使用占比、物理内存占比及硬盘使用率等数据进行进一步的模拟对比，发现系统层级的虚拟技术评分整体略高于硬件层级。虽然本次测试和问卷调查对多种虚拟技术的应用具有一定的研究意义，但由于实验设备的误差性和实验系统的局限性，其测试结论有待进一步验证。

6结语

当前虚拟技术发展迅速，将实用的虚拟技术运用于实践教学环节势在必行，且需要管理者的知识构成以及学校相关部门的政策支持。管理者自身的知识储备和对新技术的不断涉猎，决定着软硬件设备的维护效果；学校相关部门的高度重视以及资金、人力、政策的支持，都将促进虚拟技术在实践教学环节的运用。虚拟技术的变革将带来实验室管理模式的改变，同时也将促进教学模式的改变。作为计算机教学工作者，有必要进一步研究将虚拟技术应用于实践教学这一课题。

参考文献

[1]唐静武.还原保护技术在计算机实验室应用研究[J].电子世界,2020,603(21):183-184.

[2]赵冬琴.实验室桌面云平台虚拟化技术研究[J].山西电子技术,2021,218(5):83-86.

[3]赵建军.计算机虚拟技术在计算机教学中的应用探析[J].电子技术与软件工程,2015,61(11):187-188.

[4]戴冬生.虚拟化技术在计算机机房管理中的应用研究[J].南方农机,2021,52(23):171-173.

[5]李宁.虚拟化技术在计算机网络教学中的应用[J].福建电脑,2021,37(12):129-132.

作者：杨清 殷明 何鹏 单位：中原工学院现代教育技术中心