利用虚拟机技术,优化实验教学资源

摘 要： 操作系统实验对实验资源要求往往较高，在实验资源不足的情况下，一些关键实验不易开展。设本文以操作系统课程为例，介绍了如何利用虚拟机技术通过对现有资源的有效利用，来达到优化实验教学资源的目的，这也为其他专业课实验提供了参考依据。

关键词： 虚拟机技术 优化实验教学资源 操作系统

操作系统在计算机科学的知识体系结构中占据重要的地位，该课程以操作系统中经典的算法和成熟的设计思想为核心教学内容，具有概念抽象、系统性差、原理性强，但却对实验环境和学生知识掌握要求高等特点。面对这样一门课程，如何利用虚拟机技术将有限的教学资源作用发挥到极致，让教师和学生普遍都觉得困难的一门课程变得易于操作和理解，是本文要探讨的根本所在。

一、操作系统实验环境及实验特点

1.实验环境

操作系统实验环境选择易于实现的Windows+Linux实验环境。Linux是一套类Unix操作系统，具有Unix全部特征，且系统的源代码完全公开我们通过该系统可以使学生容易获取并剖析核心模块源程序。具体的实验是基于Windows还是Linux来实现，可以根据具体需求来选择，因同一个实验虽然实验重点相同，但在具体实现时会因实现环境不同而有很大不同的。所以对求知欲和个人能力强的学生也可以选择两种操作系统，通过对比来进一步加深对操作系统原理的领悟。

2.实验特点

（1）对实验教学资源要求高。有时需要同时在不同操作系统环境下实验，即使是同一操作系统下的实验，也有可能需要不同版本的，这些需要在有限的资源易于实现。

（2）对系统具有修改和破坏性。实验室为方便管理和维护，往往将系统分区写保护，而很多实验又需要修改系统设置，安装软件。一些涉及计算机的某些系统维护实验，如CMOS、磁盘分区、格式化、安装操作系统、系统备份与恢复等，因要对磁盘进行破坏性实验，担心损坏硬件设备，教师多采取课堂演示或以讲代练的方式进行教学。

（3）实验连续性强。操作系统的有些实验内容较多、耗时长，各实验间联系较多，本次的实验状态往往是下一个实验的起点，这就需要对实验某个时点的状态加以保护。而实验室机器不是专用的，很难保存实验状态以便下次实验继续。

（4）网络实验实施受限。诸如局域网的组建、网络配置与管理、网络服务配置、远程访问和路由设置、Web开发等网络实验，因网络访问需要多台机器，而几人一组，实验效果又难达预期目的，使学生学完课程却无法解决实际问题。

二、VMWare虚拟机技术的引入

VMware实际上是一个虚拟机软件，安装在已有操作系统的主机上，可以在现有操作系统上虚拟出一个新的主机。这个虚拟主机一方面是建立在正在运行的操作系统之上的，同时它又拥有自己独立的CPU、硬盘、内存及各个硬件。在虚拟出来的子机上安装操作系统后，可以像使用普通机器一样对它们进行分区、格式化、安装系统、对硬件进行配置和应用软件等操作；还可通过虚拟网卡实现主机和虚拟机之间的虚拟网络连接，从而构建出虚拟的双机互连网络环境。所有的这些操作都不会对真实主机的硬盘分区和数据造成任何影响和破坏，而仅仅是在主机上将硬盘和内存的一部分拿出来虚拟出若干台虚拟机，而且虚拟操作平台可以同时支持运行多个虚拟机操作系统而互相不干扰。

三、虚拟机技术对实验资源的优化

1.简便的系统安装和系统复原

一台机器的整个环境就是一个文件夹，不同的操作系统之间可以实现文件共享以及复制粘贴等功能，允许真实主机与虚拟机之间或者虚拟机与虚拟机之间进行文件复制和粘贴操作。把VMWare安装在系统盘上，设置系统盘为写保护，把虚拟计算机复制到可写的硬盘分区，该虚拟计算机能够照常运行。

VMware的快照和恢复功能可在任意时刻为虚拟机进行快照，快照将保存进行快照时刻虚拟机的所有状态，然后在任意时刻恢复到虚拟机任何一个快照状态。在虚拟机启动关闭或暂停时都可进行快照。

2.轻松实现网络实验

服务器的配置往往需要有一个网络环境，最好是Linux做服务器，Windows系统做客户端来测试服务器的运行效果。但学生实验时很难为每个学生配备两台机器来满足实验。而VMware可以安装多个虚拟机的特点，就可以很好地解决这一问题。可以再装一个Windows虚拟机来形成一个网络环境。这时候只需要设置Linux和Windows在同一个网段上就可以形成一个网络，以满足这类实验的要求，却无需启动多台计算机。

3.多系统运行，无需重启即可切换

使用VMware可以在一台机器上真正同时运行两个或更多个独立的操作系统，一个是本机的操作系统，另外的可以运行于虚拟机上。而使用了VMware安装的新的操作系统可以和原操作系统同时运行而不需要来回重启系统，只需要简单的切换即可。在使用上，这台虚拟机和真正的物理机没有太大区别，都需要分区、格式化、安装操作系统、安装应用程序和软件。

4.大型实验可以分步实现

可以虚拟计算机不关机的状态下离开，下次实验直接继续。系统会自动保存虚拟机器的内存信息，再次运行的时候，自动恢复到该状态。这样就使得一些大型耗时比较长的实验在一次无法完成的情况下，保存好断点，下次继续，而不至于半途而废。

四、使用虚拟机优化实验资源的优点

与传统实验环境和实验方式相比，使用VMWare搭建实验环境进行操作系统实验教学有如下优点。

1.经济性

虚拟机实验平台是共享主机的硬件资源，仅需利用现有的少量设备即可构建复杂的网络结构和实验环境，同时虚拟机采用软件方式。因此也不会增大实验室的硬件维护工作量，这也就大大地减少了“维护维修实验室”的经费投入。用虚拟环境可以构造出当前硬件并不支持的操作系统或其他软件，使得一些原来无法进行的实验得以完成。

2.可靠性

虚拟设备不存在兼容性问题，因此由虚拟的设备和虚拟的网络组成的实验系统，最大限度地排除了外界因素对实验结果的影响，使实验环境的可靠性大大提高并最大限度地减小了实验过程中造成硬件损坏或系统瘫痪的可能性。同时虚拟机具有硬件无关性，虚拟出的硬件都是相同的，可以简单地在不同的主机之间复制后直接使用，而不用考虑硬件之间彼此的差异。

3.实用性

虚拟机实验平台多是建立在高性能物理机上的。因此实验过程中极少出现硬件类故障，因而确保了实验的顺利进行，加快了实验进程，使学生能在一次实验中对相应实验进行多次验证而提高熟练程度。同时VMWare模拟出来的硬件是固定型号的，与主机实际硬件无关，虚拟系统实际上就是物理计算机上的一个文件夹以及下面的文件，需要删除的时候，只要删除这个文件夹就可以了。

4.还原性

在进行Linux操作系统的系统设置及修改实验时，涉及用户管理、文件系统创建、磁盘管理、磁盘配额等诸多实验，其中有些对系统极具危险性。而VMware中的快照和恢复功能很好地解决这一问题。当实验过程中因不当操作而造成对系统破坏时，就可以利用保存的快照来对系统进行恢复，方便易行。

五、结语

利用虚拟机技术可以充分地挖掘现有设备的潜力，由于是通过软件来实现的一个逻辑上的计算机。这样硬件上的操作对计算机并不造成损害，在不添加额外硬件设备的条件下，可以增加学生的实践动手机会，加强学生的实践技能。虚拟机技术的引入提高了现有资源得以优化，提高了和扩展了其利用率，对计算机科学与技术专业深入学习和实践操作系统起到了事半功倍的作用。

参考文献：

［1］姚华，黄芸，胡剑锋.Linux课程教学方法探讨［J］.电脑知识与技术，2007，（5）.

［2］贾礼远，李.基于VMware的虚拟机技术在计算机教育中的应用［J］.中国现代教育装备，2008，（2）.