虚拟环境与真实环境相结合的计算机专业教学模式探究

黄紧德

[摘 要]虚拟环境在计算机专业教学中得到极大的应用，但是容易让学生实践的环境与真实的工作环境有一定差距。根据虚拟环境作用可以建立虚拟环境与真实环境相结合的教学模式，该模式既能方便理论教学，又可以让学生的实践环境离真实的工作环境更接近，更有利于培养学生解决实际问题的能力。

[关键词]虚拟环境 真实环境 计算机专业教育

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2013）09-0129-03

虚拟环境是利用软件模拟硬件和软件系统的环境。虚拟环境教学是利用仿真软件模拟出专门的硬件和软件系统来进行教学的一种教学手段。虚拟环境给教、学以及实训（实验）带来很大的变革，[1]并且随着计算机仿真软件对实际环境模拟的发展，很多虚拟环境基本上是真实环境的再现，可以完全模拟真实环境的所有功能，甚至可以实现真实环境的功能。因此模拟环境在现代教育中得到广泛的应用。

虚拟教学环境给教学带来了极大的便利[2]，但同时也将学生的实践教学环节设定得太理想化，不利于学生的实践动手和解决问题的能力。因此，本文在分析虚拟环境作用的基础上，从计算机专业的实践教学出发，提出了虚拟环境教学和真实环境相结合的模式，并在实际的教学中进行应用，提出了虚拟环境下和真实环境相结合的合理教学模式的建议。

一、计算机专业教学中虚拟环境使用的现状

虚拟环境是真实环境的模拟和仿真，在计算机专业教学中的应用，可以以分为：

（1）操作系统的模拟。操作系统的模拟是通过软件模拟出现常用的操作系统。如微软公司的VPC和已经在Windows2008内含有Hyper-v[3]。Hyper-v支持多种操作系统，与本身是微软公司操作系统Windows有好的兼容。其基于Hyperisor技术，虚拟机可以直接和物理设备进行通信和数据交换，因此Hyper-V虚拟机具有运行速度快和稳定性好的特点。当Hyper-V与虚拟桌面架构（VDI）联用时，Hyper-V可以实现客户端计算机虚拟化，如果Hyper-V单独使用时，可以实现服务端计算机虚拟化[4]。因此windows2008的Hyper-V不只是在实验中使用，在企业的服务器部署中也得到广泛的应用，其可以增强了企业服务器的可管理性和降低了服务器部署的成本。还有类似功能的Vmware公司的虚拟机软件。这些具有虚拟计算机操作系统的虚拟环境，可以被应用到计算机专业课程教学中。在教学中学生可以在虚拟机中进行操作系统的安装和设置，而不会破坏真实计算机中的其他应用软件和数据。同时还可以被应用到计算机网络相关的教学内容中，可以快速的在虚拟环境中搭建具有多台计算机的网络。在其中就可以进行网络协议的分析、网络服务的安装和设置。因此，在实训中需要对操作系统和数据进行安装、设置、修改的实训课程和内容都可以在操作系统模拟环境下进行。

（2）网络环境的模拟。通过软件模拟出网络的相关设备和线路。如CISCO的packettracer。在packettrace环境中包含了组网的所有基本元素，如PC、服务器、通信线路、网络设备[5]。可以组成有线局域网、无线局域网、广域网。在这个环境中，可以快速架设具有网络互联的虚拟网络，在其中对交换机和路由器进行配置，操作过程与真实交换机完全一样。当网络运行时可以跟踪和分析数据包。另外，CISCO还有BosonNetsim和NS2模拟软件。他们基本功能都是模拟CISCO的网络设备，通过这些模拟环境，辅助、设计、验证某种网络架构。因此在计算机专业课程教学中，学生可以在模拟环境中进行计算机网络的TCP/IP协议分析实验、路由器和交换机的组网实验。可以进行计算机网络安全课程的ACL、NAT、防火墙策略设置等实验。还可以进行网络工程的路由器、交换机设置的相关实验。

（3）电子电路的模拟。利用计算机软件，在计算机上模拟出模拟电路、数字电路、单片机应用系统。学生可以在计算机上进行电路设计、仿真、调试等通常在真实实验室才能完成的实验。典型的电子电路模拟软件是proteus，它可以模拟各种模拟、 数字电路芯片和各种处理器[6]。利用其强大的模拟功能，可以在其环境中设计各种模拟电路、数字电路、单片机和各种类型CPU组成的控制电路。利用模拟的信号源和模拟测量设备对模拟环境的各种电路进行测试。可以将各种编译成HEX文件的程序烧写到模拟的单片机和各种类型的CPU内，对其组成的控制电路进行模拟控制，查看程序运行状况、分析控制逻辑，结果以直观的方式展示出来。

虚拟环境在计算机专业教学中有着其独特的优点：

（1）教师随时可以备课。在计算机专业课程中，有些课程教师备课时必须在实验室中才能进行。例如有些课程需要对设备进行设置和验证、对计算机操作系统进行安装和配置。当这些课程所涉及的内容可以在虚拟环境下进行时，教师可以在个人计算机中安装相应的虚拟环境，就可以进行实验、实训的备课。甚至可以通过屏幕录制软件将教师实验步骤进行录制，上课时可以播放给学生参考。

（2）学生可以随时实践。在真实实验环境下，学生课内进行有限次数的实验。课外没办法复习，因此学生对一些比较复杂的实验操作容易忘记。如果在虚拟环境下实验，学生可以在自己的个人计算机中安装虚拟环境，课外就可以复习实验操作，加固、加深对实验的理解。

（4）实验成本低。在真实环境的教学下，建设实验室需要实验场地、实验设备和相应的配套设备，这些会有很大的成本。虚拟环境下的教学，只需要在计算机中安装虚拟软件，并且各种虚拟软件可以在同一台计算机上安装。即同一台计算机可以实现计算机专业的很多课程的实验。

（5）是理论学习的好帮手。平时在真实环境中只能进行一次实验，不容易理解实验的原理。在仿真环境下可以放慢实验的步骤，充分分析试验原理。

（6）是真实环境的提前演练。在进行实验之前，学生可以在虚拟环境下对实验进行预习，对实验的步骤、命令、设置有了总体的了解。当到真实环境进行实验时就可以快速地对实验设备设置。当遇到问题时也能快速处理。

（7）是教学资源数字化的有效手段。教学资源的数字化是现代教学资源共享的前提。被数字化的教学资源可以通过数字存储设备进行共享，更多的是放到网络环境中进行共享。在虚拟环境中的教学，整个教学过程本身已经是数字化。因此在虚拟环境下，经过简单的记录整个教学过程（如进行屏幕录制），就可以得到数字化的教学资源。

（8）管理方便。真实环境下的教学，用到的实验室、设备，在应用前、后都必须维护、管理，耗费人力和成本。而虚拟环境，在计算机中只是一个个应用软件，甚至是一个文件。只要把应用软件和文件备份好，在发现虚拟环境受到破坏时，进行简单的复制和覆盖就可以恢复虚拟环境。

二、仿真环境与真实环境相结合的计算机专业教学模式设计

仿真环境只是真实环境的补充，不能完全代替真实的环境的教学。仿真环境由于平台的单一性、理想化，学习时不容易发现问题。但在真实环境里，由于平台的多样性、限制条件的多样性。在真实环境下学习，可以容易发现问题，进而思考解决问题的方法，最后动手去解决问题。因此真实环境比虚拟环境的实践性更强。在实际的工作环境下，如果学生在机器上架设Linux服务器，由于不同的计算机有不同的配置，在安装和配置Linux时需要不同的安装方式和配置手段，这时如果学生没有在真实环境下安装和配置过Linux，遇到的这些问题就没有办法解决了。因此，为了避免这种情况的出现，必须设置好模拟和真实教学环境的教学模式。教学模式的基本原则是让学生明白仿真环境的目的只是教与学的辅助手段，在真正应用时还必须回到真实环境中。因此，类似Linux操作系统课程的教学，应让学生先从真实环境开始学习，再到虚拟环境去重现真实环境中学过的内容。通过这样一个过程，学生更能意识到模拟环境下和真实环境的紧密关联。此后在模拟环境学习时，可以想象到真实环境下的操作。这样可以避免模拟环境的学习和真实环境学习的脱离。本文从课程特点出发，对虚拟环境和真实环境教学模式进行设计。

（1）模式一：操作系统、网络服务器操作类课程教学。这类课程，如果使用真实环境进行教学，必须在独立的计算机上进行实验。学生可以在独立的计算机上进行操作系统的安装、系统参数的设置、应用软件的安装、网络服务的安装与配置和系统故障的检查和排除。这类课程除了在安装操作体系时与计算机的配置相关比较大之外，其他的实验都是在操作系统之上进行的。因此，此类课程的教学模式设置为“1/3课时的实际环境教学+2/3课时的模拟环境教学”。顺序“实际-->模拟-->实际”。该模式可以让学生从实际出发，知道在以后的工作中的使用环境。当熟悉了实际环境并且搭建了操作系统后，可以在模拟环境中再安装操作系统，并对真实环境和模拟环境所搭建的操作系统的方法进行比较。从而体验模拟环境可以理想化的模拟真实环境，并在其上安装操作系统。接着后续操作系统上的实验可以在模拟环境中进行。最后在课程准备结束时回到真实环境中去验证一些在模拟环境中做过的实验。通过这样的模式，既方便教学又能理论联系实际。

（2）模式二：硬件和软件相结合类课程教学。这类课程特点是在进行教学时既需要对硬件进行操作也要对软件进行操作。实验无论是硬件配置错误还是软件配置有问题，都不能完成实验。在真实环境下，实验涉及的设备多、操作比较复杂，老师直接在这种环境下教学，教学的效率很低，学生在该环境下直接实验，实验的成功率比较低。因此这类课程的教学模式设置为“1/2课时的模拟环境教学+1/2课时的真实环境教学”，教学顺序是每个知识点“虚拟-->真实”。采用这样的教学模式，理论授课和教师的演示可以在模拟环境下进行，学生实验准备也可以在模拟环境下进行，之后在1/2的学习中在真实环境下进行，这样就可以提高教学的效率和实验的成功率。如微机原理及应用、网络工程设计。

（3）模式三：电子电路设计类课程教学。这类课程的教学需要学生设计电路模块，强调学生的实际动手能力。这类课程的教学模式是“1/3课时的虚拟环境教学+2/3课时的实际环境教学”，教学的顺序是“每个知识点的局部（理论）部分进行虚拟环境教学-->实际设计电子电路”。

三、仿真环境与真实环境相结合教学模式实践

以计算机专业教学过程实践过程中涉及的《win？鄄dows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》、《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》和《单片机原理及应用》课程课程为例。这些课程教学时可以使用以上的教学模式，其中《windows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》可以使用模式一，《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》可以使用模式二，《单片机原理及应用》使用模式三。

《windows server 2008 服务器架设与管理》、《Linux服务器配置与管理》、《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》利用“计算机网络实验室”进行教学和实训，实验室有4个网络实验机柜，每个机柜有2个Cisco路由器、1个Cisco三层交换机、1个Cisco二层交换机、1个防火墙和8个具有双网卡PC机。4个实验机柜的32个PC机用其中的1块网卡连接成为1个局域网。PC机具有硬盘保护系统，安装多操作系统，和实验用的分区不保护（给学生学习安装操作系统），上课用的操作系统安装有vm、vpc、packet tracer、Boson Netsim、NS2和屏幕录制软件。

（1）进行《windows server 2008 服务器架设与管理》课程教学时，采样模式一，先给学生直接在PC未保护分区上安装windows server 2008（实际环境下实训），在windows2008熟悉相关的界面和环境，如IP地址设置、访问互联网等。接着在VPC虚拟机下用相同的步骤安装windows server 2008（虚拟环境），学生会发现在虚拟环境下安装和真实环境下按的步骤一样，同时备份好虚拟硬盘供以后实验使用。往后的服务器的安装与配置中在vpc虚拟机中进行。在实验过程中每次都可以从干净环境开始，可以进行快照，可进行屏幕录像。在本门课在模拟环境中完成所有内容的课程教学后，要求学生在真实环境中做一个比较大的网络项目，涉及WEB、FTP、DNS、NAT服务的安装与配置（回到真实环境）。这样的教学模式可以提高教学效率和降低实训难度。《Linux服务器配置与管理》的教学同样采用的是模式一。过程与windows2008类似。

（2）《基于Cisco路由器与交换机的网络工程实践》该课程是属于要对思科网络设备进行硬件的连接和设备软件的设置。因此采用教学模式二。在每个知识点教学时，可以先在模拟器上（如packet tracer）进行网络搭建和理论的讲解。当在模拟环境下实验成功后，接着将模拟环境下的网络结构和设置步骤、命令，在真实的环境下进行验证。通过这样的步骤，学生能很好地理解相关的理论知识同时可以较快速的在真实环境下实际，进而了解在真实环境下也有与模拟环境不同的地方，如接线是否牢固、网络设备是否原先有其他的设置。

（3）《单片机原理及应用》课程可以在“微机原理实验室”进行课程的实训。该实验室有11个实验桌，每个实验桌都配置有1台PC机、微机原理实验箱、单片机学习板、相关的电路模块和相关的测试仪器。软件有windows xp操作系统、proteus、masm、Keil、LabView和保护软件。这样的实验环境很适合模拟环境与真实环境的教学结合。《单片机原理及应用》的每个知识点都可以先在proteus仿真环境下进行理论讲解和实验，同时可以分析程序和电路运行是否符合要求。

四、结束

采用虚拟环境与实际环境相结合的教学模式，在计算机专业的相关课程中，增强了学生的理论知识的理解，加强了学生的实践动手能力和解决问题能力，提高了教学效率。本文提出的教学模式所使用的实验室，因为有了模拟环境的存在，有利于实验室的维护和管理。教师教学如果采用本文提出的模式，可以很好发挥教学效果的后续拓延，如录制教师上课操作步骤和学生操作过程，以便得到教学过程的数字化资源，并进行网络共享，以便学生复习使用，发挥该教学模式优势。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 何增颖，陈建锐.基于虚拟技术的计算机实验教学[J].实验室技术与管理，2012，（1）：79-82.

[2] 舒慧东.基于虚拟技术的实验室融合[J].实验室研究与探索，2011，（9）：206-209.

[3] 姚嵩.windowsserver2008服务器架设与管理教程[M].北京：电子工业出版社，2011.

[4] CharlieRussel.windowsserver2008高级管理应用大全[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5] 杨兵.基于packettracer5.3计算机网络仿真实验教学研究[J].软件，2012，（8）：113～116.

[6] 唐义思.Proteus软件在单片机仿真中的重要特性分析[J].中国科技信息，2012，（9）：76～77.

[责任编辑：戴祯杰]