虚拟化技术在实验教学中的应用

陶媛　高洪皓　王萍

摘 要： 实验教学以能力培养为核心，有利于培养学生的创新精神和创新实践能力。将新兴技术应用于实验教学中有利于促进教育的创新，使教学质量和管理水平日益提高，有效地弥补传统实验教学中的设备资源不足等实际问题，创建更适合培养创新性人才的实验环境。本文概述了虚拟化技术基本概念及特点，结合虚拟机、云计算等实例阐述了虚拟化技术在实验教学中应用的潜在优势，和取得的较好的教学效果。

关键词： 虚拟化技术； 实验教学； 云计算； 虚拟机

中图分类号：G421 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）03-15-03

Application of virtualization technology in experiment teaching

Tao Yuan， Gao Honghao， Wang Ping

（Computation Center， Shanghai University， Shanghai 200444， China）

Abstract： The core of experiment teaching is ability training. Experiment teaching is helpful to cultivate innovation spirit and practice ability of students. The application of new technology in experiment teaching is beneficial for promoting the innovation of education. It helps improving the teaching quality and management level and finding the solutions to the lack of experimental equipment in traditional experiment teaching. It creates an experimental environment which is more suitable for cultivating innovative talents. This paper summarizes the basic concepts and characteristics of virtualization technology， and expounds the potential advantages of virtualization technology in the applications of experiment teaching in combination with the instances such as virtual machine and cloud computing， and the better teaching effect obtained.

Key words： virtualization technology； experiment teaching； cloud computing； virtual machine

0 引言

创新是一个国家兴旺发达的不竭动力。21世纪是创新性人才的创新速度和创新效率竞争的世纪。世界各国都非常重视创新性人才的培养。《中华人民共和国高等教育法》明确规定：“高等教育的任务是培养具有创新精神和实验能力的高级专门人才。”

实验教学以能力培养为核心，推进学生自主学习、合作学习、研究性学习，培养学生的创新精神和创新实践能力，是高等教育的一个重要组成部分。实验教学在培养学生能力方面起着理论教学不可替代的作用。

突破实验教学在时间和空间上的限制，创建更符合人才培养的实验教学模式的方法，在先进性和效率方面取得更大的突破，是目前实验教学改革的重点。虚拟化技术为实验教学改革提供了新的思路[1]。

1 虚拟化技术在实验教学中应用的特征

就教育理论而言，虚拟现实技术实现了人的临场化，参与者与虚拟环境是互相作用、互相影响的一个整体的两个方面，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之以学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式[1]。虚拟化技术充分利用了计算机技术，完善了数据传输、交换、模式识别、语言处理、智能技术等性能，对实验系统的运行进行仿真。将虚拟化技术应用到实验教学中具有以下特性。

1.1 延伸性

课堂实验教学内容得到延伸。虚拟化技术应用在课堂教学中，能有效延伸课堂实验教学内容，需要在实验室完成的实验在课堂展示，有利于将抽象的概念和理论更直观、真实的效果展示给学生。

1.2 开放性

突破时间和空间的束缚。虚拟化技术打破过去受时空限制的实验环境，实现学生在任何时间、任何地点可以多次反复实验，充分利用一切资源。使实验教学资源得到最大限度的优化和利用。

1.3 创新性

培养学生的创新精神。学习过程中提出的各种假设进行虚拟并能直观地观察到这一假设所产生的结果， 这种探索式的学习方式有利于激发学生的创造性思维， 培养学生的创新能力[2]。

1.4 主动性

使学生从被动学习到主动学习。虚拟化技术为学生构建一个能充分发挥主观能动性的实验环境。在这种学习环境中，学生为主体，这既有助于充分调动学生实验的积极性，也有助于激发学生的聪明才智进行有创意的设计。

1.5 多层次性

解决“共性”与“个性”问题。基于虚拟化技术的实验可以结合学生层次特点，构建基础型实验、设计综合型实验、创新型实验等多层次的实验结构体系，满足学生不同层次的需求。学生可以根据自己的实际情况选择和设计实验。

1.6 大规模性

扩大实验的承载能力。虚拟化技术相当于为学生提供了一个可移动的实验教学平台，学生不必担心实验室设备不足、新的实验技术不能实施而造成的无法满足学生的整体实验要求等困难。这使实验教学不再局限于实验室，摆脱设备不足、人员同一时间过于拥挤的缺陷。

2 虚拟化技术在实验教学中应用的优势

虚拟化技术能将不可视的结构原理或是不可重组的精密设备操作以更直观、真实的效果展示。一方面培养学生自我训练的意识和创新能力，另一方面培养学生操作能力。虚拟化技术为实验教学开发提供了有效地的创新思路。

2.1 虚拟化技术在课堂实验教学中应用的优势

虚拟化技术应用到课堂实验教学中，相当于将实验室搬到课堂或是考场。以下是两个应用案例。

⑴ 路由模拟器

以华为路由模拟器v3.0为例。华为路由模拟器v3.0的界面，它模拟华为交换机、路由器和三层交换机运行，全真VRP操作系统；可随意组网络拓扑图；支持摸拟Serial，Ethernet网络接口，支持Console口，可添加主机PC；随模拟器附带12个基本实验，简明扼要，对照实验教程输命令，让你迅速成为TCP/IP网络高手；随模拟器附带TCP/IP理论学习教程，介绍TCP/IP基础、交换机和路由器原理及应用，动态路由协议。

如图1所示，利用华为路由模拟器v3.0，课上教师可以更直观地讲解路由器、交换机的配置和组网等关键技术；课后学生可以进行动态路由、地址转换配置等实验开发。如图2所示，在考试中，可以根据图示在模拟器中完成配置。

⑵ 虚拟机

虚拟化技术虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。虚拟机在学习技术方面能够发挥很大的作用。

以VirtualBox为例。VirtualBox是一款开源虚拟机软件。VirtualBox号称是最强的免费虚拟机软件，它不仅具有丰富的特色，而且性能也很优异。 利用VirtualBox，可以进行多种实验开发。可以在一台计算机上虚拟出多台计算机系统，并且可虚拟Windows、Mac OS X、Linux、OpenBSD、Solaris、IBM OS2，甚至Android 4.0系统等操作系统。如图3所示，实现一台计算机系统上安装不同的操作系统，学习操作不同的操作系统，很好地解决硬件不足的问题。通过VirtualBox，我们也可以在一台电脑上练习组网技术、架设Web 服务并检测服务、测试开发的软件在各个操作系统平台下的效果和可靠性、安装不可靠的软件、测试病毒等等。

2.2 虚拟化技术在在线实验教学中应用的优势

随着计算机信息技术和网络技术的飞速发展，在线教育中使用虚拟化技术的频率和程度越来越高。虚拟化技术的发展使得远程学习者获得真实教学环境成为可能[3]。云计算重要的特征之一即虚拟化[4]。云计算服务以开放为基础，将众多分散的资源整合在一起，用户以简单的硬件设备就可以方便地共享这些资源[5]。

如图4所示，利用云计算可以在现有的VLAN和实验设备等资源的基础上，对资源进行重构，建立具有交互性和个性化的虚拟实验教学平台。虚拟实验教学平台充分利用云平台提供的计算、存储和网络资源等功能，实现对实验教学资源的整体管控，为学生提供一个交互和自主的实验教学平台。

3 结束语

本文针对实验教学存在的问题，通过分析虚拟化技术在实验教学中的潜在优势，提出了将虚拟化技术应用到实验教学的教学思路。虚拟化技术为实验教学的创新提供了新的空间和平台，有效地弥补了传统实验教学中的设备资源不足等实际问题。基于虚拟化技术的实验教学为学生提供了一个交互和自主的学习环境，也为学生提供了多层次的实验体系，有利于培养学生的创新思维。

参考文献（References）：

[1] 郭凤英.虚拟现实技术在网络教学中的应用[J].北京联合大

学学报（自然科学版），2004.18：77-79

[2] 葛萱，王清.虚拟现实技术在教学中的应用模式探析[J].中国

医学教育技术，2007.21（3）：198-201

[3] 张伟东，王晓.虚拟与真实相结合的远程实训系统研究与实

践[J].现代教育技术，2014.24（4）：112-118

[4] 何永忠，王伟，黎琳.基于云计算的信息安全实验教学平台建

设[J].计算机教育，2014.1.

[5] 王庆.云计算环境下的区域性高校实验教学资源共享[J].实

验技术与管理，2014.31（9）：187-191