USING UNIX-LIKE OPERATING SYSTEMS VIRTUALIZATION TECHNOLOGIES IN TRAINING THE BACHELORS OF COMPUTER SCIENCE

Cover Image
Oleg M. Spirin, Olena S. Holovnia

Abstract

Despite the widespread use of virtualization technologies in education the problem of individual selection of virtualization tools for teaching certain courses, including teaching operating systems to Bachelors of Computer Science, remains scarcely studied. Research of operating systems teaching process to Bachelors of Computer Science found a range of issues in using virtualization technologies. These are as listed: hardware and software failures; low performance of virtualized operating systems; lack of adapted instructions; dependence on specific computer laboratories; unequal conditions of independent work with virtualized operating systems. Comparison of Bachelors of Computer Science scores in Operating Systems course which included studying Linux and Windows operating systems and also Fundamentals of Operating Systems Theory, resulted in general lower level of learning outcomes in Linux compared to the ones of the entire academic subject. A survey of Ukrainian teachers of Operating Systems course shows a number of differences in teaching process. It includes differences in teachers’ experience of using virtualization technologies, variety of virtualization technologies applied during the course, factors estimation for selecting virtualization tools. The article proposes the methodology of using unix-like operating systems virtualization technologies in professional training of Bachelors of Computer Science based on the variable approach to using mentioned technologies. The approach involves combining several virtualization tools in the frames of one course of Operating Systems to meet specific features of teaching the course as well as individual students’ needs and ensures hardware and software fault tolerance. Didactic model underlying the proposed methodology is described in the article. Experimental results on methodology effectiveness are provided.

Keywords

virtualization; operating systems; Bachelors of Computer Science



References

G. J. Popek, and R. P. Goldberg, "Formal Requirements for Virtualization Third Generation Architectures", Communications of the ACM, vol. 17, No. 7, pp. 412-421, 1974.

J. P. Buzen, and U. O. Gagliardi, "The evolution of virtual machine architecture", in Proceedings of the AFIPS'73 National Computer Conference and Exposition, New York, NY, USA, 1973, pp. 291-299.

M. Rosenblum, "The Reincarnation of Virtual Machines", Queue, vol. 2, No. 5, pp. 34-40, 2004.

A. Whitaker, R. Cox, M. Shaw, and S. Gribble, "Rethinking the design of virtual machine monitors", Computer, vol. 38, No. 5, pp. 57-62, 2005.

S. Nanda, and T. Chiueh, "A Survey on Virtualization Technologies", Experimental Computer Systems Lab, SUNY Stony Brook, SUNY RPE Report TR-179, 2005.

Y. Li, W. Li, and C. Jiang, "A Survey of Virtual Machine System: Current Technology and Future Trends", in Proceedings of the Third International Symposium on Electronic Commerce and Security, 2010.

J. E. Smith, and R. Nair, "The Architecture of Virtual Machines", Computer, vol. 38, No. 5, pp. 32-38, 2005.

M. Pearce, S. Zeadally, and R. Hunt, "Virtualization: Issues, security threats, and solutions", ACM Computing Surveys (CSUR), vol. 45, No. 2, Article 17, 2013.

R. Uhlig et al., "Intel Virtualization Technology", Computer, vol. 38, No. 5, pp. 48-56, 2005.

K. Adams, and O. Agesen, "A Comparison of Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization", in Proceedings of the ASPLOS’06, San Jose, California, USA, October 21-25, 2006.

J. Sugerman, G. Venkitachalam, and B. Lim, "Virtualizing I/O Devices on VMware Workstation’s Hosted Virtual Machine Monitor", in Proceedings ofthe 2001 USENIX Annual Technical Conference, Boston, Massachusetts, USA, June 25-30, 2001.

H. Oh, B. Kim, H. Choi, S. Moon,"Evaluation of Android Dalvik virtual machine", in Proceedings of the 10th International Workshop on Java Technologies for Real-time and Embedded Systems (JTRES '12), Copenhagen, Denmark, October 24-26, 2012,pp. 115-124.

N. Penneman et al.,"Formal virtualization requirements for the ARM architecture", Journal of Systems Architecture, vol. 59, No. 3, pp. 144-154, 2013.

M. Beham, M. Vlad, and H. P. Reiser,"Intrusion detection and honeypots in nested virtualization environments", in Proceedings of the 43rd Annual IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks (DSN), 24-27 June, 2013.

M. Ben-Yehuda et al.,"The Turtles Project: Design and Implementation of Nested Virtualization", in Proceedings of 9th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 2010), Vancouver, BC, Canada, October 4-6, 2010, pp. 423-436.

Т. А. Вакалюк, "Структурно-функціональна модель хмарно орієнтованого навчального середовища для підготовки бакалаврів інформатики", Інформаційні технології і засоби навчання, т. 59, №3, с. 51-61, 2017.

Т. Я. Вдовичин, "Навчання бакалаврів інформатики з використанням мережних технологій відкритих систем у педагогічному університеті", Інформаційні технології і засоби навчання, т. 58, №2, с. 169-181, 2017.

А. П. Кузьменко, Н. Б. Єпік, та В. М. Кузьменко, "Математичні компетенції у підготовці бакалавра з інформатики", Психолого-педагогічні основи гуманізації навчально-виховного процесу в школі та ВНЗ, №1, с. 47-53, 2013.

У. П. Когут, "Класифікація та критерії вибору програмних засобів для фундаменталізації підготовки бакалаврів інформатики з інформатичних дисциплін", Інформаційні технології в освіті, №11, с. 88-97, 2012.

А. М. Гуржій, Р. С. Гуревич, Л. Л. Коношевський, та О. Л. Коношевський, Мультимедійні технології та засоби навчання: навчальний посібник. Вінниця: Нілан-ЛТД, 2017.

М. І. Жалдак, "Проблеми фундаменталізації змісту навчання інформатичних дисциплін в педагогічних університетах", Науковий часопис Національного педагогічного університету імені М. П. Драгоманова. Серія 2:Комп`ютерно-орієнтовані системи навчання,№17(24), с. 3-15, 2015.

N. Morze, O. Barna, O. Kuzminska, and V. Vember, "In what way should modern computer science teachers improve their teaching skills to develop students' key and IC competence?", Open Educational E-Environment of Modern University: Collected Scientific Works, №1, pp. 189-200, 2016.

Ю. С. Рамський, та М. В. Рафальська, "Формування компетентностей майбутніх вчителів інформатики та математики у галузі моделювання", Науковий часопис НПУ імені М. П.Драгоманова. Серія 2: Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання, №12, с. 117-126, 2012.

В. Ю. Биков, "Технології хмарних обчислень, ІКТ-аутсорсінг та нові функції ІКТ-підрозділів навчальних закладів і наукових установ", Інформаційні технології в освіті: Зб. наук. праць, №10, с. 8-23, 2011.

С. Г. Литвинова, "Теоретико-методичні основи проектування хмаро орієнтованого навчального середовища загальноосвітнього навчального закладу", дис. доктора пед. наук, Інститут ІТЗН, К., 2016.

О. В. Мерзликін, "Хмарні технології як засіб формування дослідницьких компетентностей старшокласників у процесі профільного навчання фізики", дис. канд. пед. наук, Інститут ІТЗН, К., 2016.

М. В. Попель, "Хмарний сервіс SageMathCloud як засіб формування професійних компетентностей вчителя математики", дис. канд. пед. наук, Інститут ІТЗН, К., 2017.

З. С. Сейдаметова, и С. Н. Сейтвелиева, "Облачные сервисы в образовании", Інформаційні технології в освіті, №9, с. 105-111, 2011.

М. П. Шишкіна, "Теоретико-методичні засади формування і розвитку хмарно орієнтованого освітньо-наукового середовища вищого навчального закладу", дис. доктора пед. наук, Інститут ІТЗН, К., 2016.

А. Є. Батюк, Д. Є. Ванькевич, та Г. Г. Злобін, "Використання технологій віртуалізації в спецкурсі "Системне адміністрування ОС Linux"", Електроніка та інформаційні технології, № 3, с. 220-225, 2013.

М. П. Павленко, та Л. В. Павленко, "Використання технологій віртуалізації для навчання інженерів-педагогів IP-телефонії в комп'ютерних мережах", Науковий вісник Мелітопольського державного педагогічного університету, № 1(14), с. 269-274, 2015.

О. Г. Глазунова, та О. В. Якобчук, "Проектування архітектури хмарно-орієнтованого інформаційно-освітнього середовища для підготовки майбутніх фахівців з інформаційних технологій", Інформаційні технології та засоби навчання, т. 44, № 6, с. 141-156, 2014.

В. П. Олексюк, "Застосування віртуальних хмарних лабораторій у процесі підготовки майбутніх учителів інформатики", Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія 2: Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання, № 15, с. 76-81, 2015.

О. П. Горбачевська, Г. С. Драган, С. В. Єгоров, В. В. Лапінський, та Д. В. Сподарець, "Хмарні та ґрід-технології у навчальному процесі університетів", Вища освіта України, т. ІІІ, с. 143-153, 2014.

J. Nieh, and C. Vail, "Experiences Teaching Operating Systems Using Virtual Platforms and Linux", in the 36th ACM Technical Symposium on Computer Science Education (SIGCSE 2005), 2005, pp. 520-524.

O. Laadan, J. Nieh, and N. Viennot, "Teaching operating systems using virtual appliances and distributed version control", in the 41st ACM technical symposium on Computer science education (SIGCSE '10), 2010, pp. 480-484.

F. Giraldeau, M. R. Dagenais, and H. Boucheneb, "Teaching operating systems concepts with execution visualization", in 121st ASEE Annual Conference and Exposition, Indianapolis, IN, USA, 2014.

S. Duignan, and T. Hall, "Using Platform Virtualisation to Teach System Architectures in Undergraduate Computer Science – An Evaluation of Student Learning Experiences", in Innovative Techniques in Instruction Technology, E-learning, E-assessment, and Education, M. Iskander, Ed. Dordrecht: Springer, 2008, pp. 479-484.

A. Garmpis, and N. Gouvatsos, "Innovative teaching methods in Operating Systems: The Linux case", in Innovative approaches in Education: Design and Networking, 2012.

В. Брязкун, "До уточнення поняття "віртуалізація" як філософської категорії", Наукові записки Національного університету "Острозька академія" (Серія: "Філософія"), № 8, с. 93-103, 2011.

М. В. Шугуров, "Виртуальная герменевтика", Труды лаборатории виртуалистики, № 13, 2011.

О. С. Головня, "Систематизація технологій віртуалізації", Інформаційні технології в освіті, № 12, с. 127-133, 2012.

О. С. Головня, "Критерії добору програмних засобів віртуалізації у навчанні unix-подібних операційних систем", Інформаційні технології в освіті, № 24, с. 119-133, 2015.

О. С. Головня, Технології віртуалізації у навчанні операційних систем бакалаврів інформатики: Методичні рекомендації для викладачів вищ. навч. закл.. Житомир: Рута, 2017, с. 15-20.

Міністерство освіти і науки України (2010). Галузевий стандарт вищої освіти України. Освітньо-професійна програма підготовки бакалавр. Галузь знань 0403 Системні науки та кібернетика. Напрям підготовки 040302 Інформатика. Київ.

Computer Science Curricula 2013. Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Computer Science. The Joint Task Force on Computing Curricula Association for Computing Machinery IEEE-Computer Society. (2017). [online] Available at: https://www.acm.org/binaries/content/assets/education/cs2013_web_final.pdf. Accessed on 25 Dec. 2017.

О. М. Спірін, Теоретичні та методичні засади професійної підготовки майбутніх учителів інформатики за кредитно-модульною системою: Монографія. Житомир: Вид-во ЖДУ ім. І. Франка, 2007, с. 212.

О. С. Головня, "Аналіз зарубіжного досвіду навчання операційних систем у вищій школі", Комп'ютер у школі та сім'ї, № 1, с. 19-23, 2017.

О. С. Головня, "Варіативний підхід до застосування засобів віртуалізації unix-подібних операційних систем у підготовці бакалаврів інформатики", Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія 2: Комп'ютерно-орієнтовані системи навчання, №19(16), с. 228-233, 2017.

О. C. Головня, Операційні системи та системне програмування: Методичний посібник для студ. вищ. навч. закл., 2-ге вид.. Житомир: Рута, 2016.

Е. В. Сидоренко, Методы математической обработки в психологии. СПб.: ООО "Речь", 2000.


REFERENCES (TRANSLATED AND TRANSLITERATED)

G. J. Popek, and R. P. Goldberg, "Formal Requirements for Virtualization Third Generation Architectures", Communications of the ACM, vol. 17, No. 7, pp. 412-421, 1974 (in English).

J. P. Buzen, and U. O. Gagliardi, "The evolution of virtual machine architecture", in Proceedings of the AFIPS'73 National Computer Conference and Exposition, New York, NY, USA, 1973, pp. 291-299 (in English).

M. Rosenblum, "The Reincarnation of Virtual Machines",Queue,vol. 2,No. 5, pp. 34-40, 2004(in English).

A. Whitaker, R. Cox, M. Shaw, and S. Gribble, "Rethinking the design of virtual machine monitors", Computer, vol. 38, No. 5, pp. 57-62, 2005 (in English).

S. Nanda, and T. Chiueh,"A Survey on Virtualization Technologies", Experimental Computer Systems Lab, SUNY Stony Brook, SUNY RPE Report TR-179, 2005 (in English).

Y. Li, W. Li, and C. Jiang,"A Survey of Virtual Machine System: Current Technology and Future Trends", in Proceedings of the Third International Symposium on Electronic Commerce and Security, 2010(in English).

J. E. Smith, and R. Nair,"The Architecture of Virtual Machines", Computer, vol. 38, No. 5, pp. 32-38, 2005(in English).

M. Pearce, S. Zeadally, and R. Hunt, "Virtualization: Issues, security threats, and solutions", ACM Computing Surveys (CSUR), vol. 45, No. 2, Article 17, 2013 (in English).

R. Uhlig et al., "Intel Virtualization Technology", Computer, vol. 38, No. 5, pp. 48-56, 2005 (in English).

K. Adams, and O. Agesen,"A Comparison of Software and Hardware Techniques for x86 Virtualization", in Proceedings of the ASPLOS’06, San Jose, California, USA, October 21-25, 2006 (in English).

J. Sugerman, G. Venkitachalam, and B. Lim, "Virtualizing I/O Devices on VMware Workstation’s Hosted Virtual Machine Monitor", in Proceedings ofthe 2001 USENIX Annual Technical Conference, Boston, Massachusetts, USA, June 25-30, 2001(in English).

H. Oh, B. Kim, H. Choi, S. Moon, "Evaluation of Android Dalvik virtual machine", in Proceedings of the 10th International Workshop on Java Technologies for Real-time and Embedded Systems (JTRES '12), Copenhagen, Denmark, October 24-26, 2012,pp. 115-124(in English).

N. Penneman et al., "Formal virtualization requirements for the ARM architecture", Journal of Systems Architecture, vol. 59, No. 3, pp. 144-154, 2013 (in English).

M. Beham, M. Vlad, and H. P. Reiser,"Intrusion detection and honeypots in nested virtualization environments", in Proceedings of the 43rd Annual IEEE/IFIP International Conference on Dependable Systems and Networks (DSN),24-27 June, 2013(in English).

M. Ben-Yehuda et al.,"The Turtles Project: Design and Implementation of Nested Virtualization", in Proceedings of 9th USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI 2010), Vancouver, BC, Canada, October 4-6, 2010, pp. 423-436 (in English).

T. A. Vakaliuk, "Structural and functional model of cloud oriented learning environment for bachelors of informatics training", Information technologies and learning tools, vol. 59, no. 3, pp. 51-61, 2017 (in Ukrainian).

T. Ya. Vdovychyn, "Training of bachelors of computer science using open systems network technologies at pedagogical universities", Information Technologies and Learning Tools, vol. 58, no. 2, pp. 169-181, 2017 (in Ukrainian).

A. P. Kuzmenko, N. B. Yepik, and V. M. Kuzmenko, "Mathematical competencies in training of bachelors of informatics", Psychological and pedagogical foundations of humanization training and educational process in school and university, No. 1, pp. 47-53, 2013 (in Ukrainian).

U. P. Kohut, "Classification and selection criteria of software for fundamentalization of teaching computer disciplines to bachelors of computer science", Information technologies in education, No. 11, pp. 88-97, 2012 (in Ukrainian).

A. M. Hurzhii, R. S Hurevych, L. L. Konoshevskyi, and O. L. Konoshevskyi, Multimedia technologies and learning tools: Training manual. Vinnytsia: Nilan-LTD, 2017 (in Ukrainian).

M. I. Zhaldak, "Problems of fundamentalization of learning content in computer courses at pedagogical universities", Scientific journal of National Drahomanov Pedagogical University. Series 2: Computer-oriented learning systems, No. 17(24), pp. 3-15, 2015 (in Ukrainian).

N. Morze, O. Barna, O. Kuzminska, and V. Vember, "In what way should modern computer science teachers improve their teaching skills to develop students' key and IC competence?", Open Educational E-Environment of Modern University: Collected Scientific Works, №1, pp. 189-200, 2016 (in English).

Iu. S. Ramskyi, and M. V. Rafalska, "Formation of future computer science and mathematics teachers' competences in modelling", Scientific journal of National Drahomanov Pedagogical University. Series 2: Computer-oriented learning systems, No. 12, pp. 117-126, 2012 (in Ukrainian).

V. Yu. Bykov, "Technologies of cloud computing, ICToutsourcing, and new functions of educational and scientific institutions ICT departments", Information technologies in education, No. 10, pp. 8-23, 2011 (in Ukrainian).

S. H. Lytvynova, "Theoretical and methodological bases of designing cloud-oriented learning environment of educational institution", thesis, IITLT, Kyiv, 2016 (in Ukrainian).

O. V. Merzlykin, "Cloud technologies as tools of high school students’ research competences forming in profile physics learning", thesis, IITLT, Kyiv, 2016 (in Ukrainian).

M. V. Popel, "The cloud service SageMathCloud as a tool of mathematics teacher professional competencies formation", thesis, IITLT, Kyiv, 2017 (in Ukrainian).

Z. S. Sejdametova, and S. N. Sejtvelieva, "Cloud services in education", Information technologies in education, No. 9, pp. 105-111, 2011 (in Russian).

M. P. Shyshkina, "Theoretical and methodological principles of formation anddevelopment of the cloud-based educational and research environment of higher educational institution", thesis, IITLT, Kyiv, 2016 (in Ukrainian).

A. Batiuk, D. Vankevych, and H. Zlobin, "Using virtualization technologies in 'Administrating Linux OS' course", Electronics and information technologies, No. 3, pp. 220-225, 2013 (in Ukrainian).

M. Pavlenko, and L. Pavlenko, "Using virtualization technologies to teach IP-telephony to students of 'Professional education. Computing' specialization via computer networks",Scientific journal of Melitopol state pedagogical university, No. 1(14), pp. 269-274, 2015 (in Ukrainian).

O. H. Hlazunova, and O. V. Yakobchuk, "Designing the architecture of cloud-oriented informational and educational environment for future IT-professionals training", Information technologies and learning tools, vol. 44, No. 6, pp. 141-156, 2014 (in Ukrainian).

V. P. Oleksiuk, "Using virtual cloud laboratories in training of future computer science teachers", Scientific journal of National Drahomanov Pedagogical University. Series 2: Computer-oriented learning systems, No. 15, pp. 76-81, 2015 (in Ukrainian).

O. P. Horbachevska, H. S. Drahan, S. V. Yehorov, V. V. Lapinskyi, and D. V. Spodarets, "Cloud and grid technologies in learning process of universities", Higher education in Ukraine, vol. ІІІ, pp. 143-153, 2014 (in Ukrainian).

J. Nieh, and C. Vail, "Experiences Teaching Operating Systems Using Virtual Platforms and Linux", in the 36th ACM Technical Symposium on Computer Science Education (SIGCSE 2005), 2005, pp. 520-524 (in English).

O. Laadan, J. Nieh, and N. Viennot, "Teaching operating systems using virtual appliances and distributed version control", in the 41st ACM technical symposium on Computer science education (SIGCSE '10), 2010, pp. 480-484 (in English).

F. Giraldeau, M. R. Dagenais, and H. Boucheneb, "Teaching operating systems concepts with execution visualization", in 121st ASEE Annual Conference and Exposition, Indianapolis, IN, USA, 2014 (in English).

S. Duignan, and T. Hall, "Using Platform Virtualisation to Teach System Architectures in Undergraduate Computer Science – An Evaluation of Student Learning Experiences", in Innovative Techniques in Instruction Technology, E-learning, E-assessment, and Education, M. Iskander, Ed. Dordrecht: Springer, 2008, pp. 479-484 (in English).

A. Garmpis, and N. Gouvatsos, "Innovative teaching methods in Operating Systems: The Linux case", in Innovative approaches in Education: Design and Networking, 2012 (in English).

V. Briazkun, "The definition of 'virtualization' as a philosophical category", The Proceedings of the National University of Ostroh Academy: Philosophy, No. 8, pp. 93-103, 2011 (in Ukrainian).

M. V. Shugurov, "Virtual hermeneutics", Works of the Laboratory of Virtualistics, No. 13, 2011.

O. S. Holovnia, "Virtualization technologies systematization", Information technologies in education, No. 12, p. 127-133, 2012 (in Ukrainian).

O. S. Holovnia, "Criteria for selecting virtualization software in teaching unix-like operating systems", Information technologies in education, No. 24, p. 119-133, 2015 (in Ukrainian).

O. S. Holovnia, Virtualization technologies in teaching operating systems to bachelors of Informatics: Methodological guidelines for universities teaching staff. Zhytomyr: Ruta, 2017, p. 15-20.

Ministry of Education and Science of Ukraine (2010). Higher education industrial standard of Ukraine. Educational and professional training program for bachelors. Knowledge area 0403 Computer and system sciences. Training direction 040302 Informatics. Kyiv (in Ukrainian).

Computer Science Curricula 2013. Curriculum Guidelines for Undergraduate Degree Programs in Computer Science. The Joint Task Force on Computing Curricula Association for Computing Machinery IEEE-Computer Society. (2017). [online] Available at: https://www.acm.org/binaries/content/assets/education/cs2013_web_final.pdf. Accessed on 25 Dec. 2017 (in English).

O. M. Spirin, Theoretical and methodological basis of credit-modular system of future teachers of Informatics training: Monograph. Zhytomyr: Zhytomyr Ivan Franko State University publishing, 2007, p. 212 (in Ukrainian).

O. S. Holovnia, "A varied approach to using of unix-like operating systems virtualization technologies in training of bachelors of Informatics", Scientific journal of National Drahomanov Pedagogical University. Series 2: Computer-oriented learning systems, No. 19(16), pp. 228-233, 2017 (in Ukrainian).

O. S. Holovnia, "Analysis of the experience of teaching operating systems in foreign higher education institutions", Computer at school and in family, No. 1, p. 19-23, 2017 (in Ukrainian).

O. S. Holovnia, Operation systems and system programming: Handbook for university students, 2nd ed..Zhytomyr: Ruta, 2016 (in Ukrainian).

E. V. Sidorenko, Mathematical processing methods in psychology. St. Petersburg: Rech', 2000 (in Russian).





Copyright (c) 2018 Oleg M. Spirin, Olena S. Holovnia


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.