計算機操作系統可視化教學手段的分析

彭城

摘要：之前微軟公司向科研機構和高等院校提供了真實操作系統的研究素材——WRK（Windows Research Kernel），它是微軟為高校操作系統課程提供的可修改和跟蹤的操作系統教學平臺。這一平臺的引入也為Windows操作系統的可視化帶來可能，這種可能性將提高職業院校學生對于操作系統原理、操作系統分析等知識點的理解力。

關鍵詞：操作系統；可視化；教學

操作系統是計算機系統中的重要系統軟件，它不僅是計算機系統的管理者，而且還是用戶和計算機硬件間的有效接口，為用戶提供操作平臺，使用戶能夠靈活、方便、有效的使用計算機。作為計算機科學的重要學科，計算機系統操作的相關課程已經成為計算機專業的基礎核心課程，掌握操作系統的工作原理、設計方法、數據結構及算法會為后續計算機課程奠定專業基礎。同時對操作系統的深入研究，也會對實際應用，尤其是對系統軟件的開發產生重要的影響。

由于人們獲取知識分方式相當一部分是來自視覺，而可視化方法恰恰是將各種抽象的數據信息轉化成便于理解的圖形圖像信息，與人們的認知心理更加貼近，因此對改善人們的認知能力有極大幫助。因而將可視化技術引入操作系統教研領域，采用動畫演示操作系統相關抽象概念和工作，這不失是一種有效的學習途徑。

操作系統的教學方法大多是基于課本的純理論教學，或者輔以適當的實驗環節。操作系統最普遍最傳統的教學方法是基于課本的純理論教學，這種教學方法手段單一，以書本為核心、理論傳授為主要內容，缺少實例教學，教學過程籠統抽象，缺乏互動性，難以達到良好的教學效果。由于操作系統的理解比較抽象，所以很難達到到理解系統完整性的要求。除了純理論教學外，有些職業院校會采用讓學生完成較獨立的小型項目教學來達到學習操作系統的目的。其方法主要是利用系統提供的相應作為編程接口來進行項目編程，從而實現某個算法或觀察操作系統的一些內部機制。這些項目的實驗目的往往只局限于理解操作系統某個功能或機制，彼此間相互獨立，故缺乏對操作系統的整體認識。雖然這種任務驅動式的學習方式可以提高學生動手能力和解決問題的能力，但要求學生具備扎實的理論基礎和較好的編程能力，這對于職業院校的學生有一定難度。為了便于理解和掌握操作系統原理，在教學過程中我們可以采用一些比較直觀的教學輔助手段如演示動畫或系統模擬器。利用動畫可以演示操作系統某些工作機制和過程，例如管理、存儲器管理及設備管理中的重要算法等，使用模擬器，可以由用戶輸入數據，然后模仿操作系統的某種機制運行并輸出結果。不過從實際教學過程中也暴露出了這兩種方式的不足：或是缺乏真實性，或是側重于操作系統的某種機制而缺乏整體性。

學生在學習和實驗過程中多以Linux和Unix操作系統為主，這是因為Linux和Unix操作系統公開源代碼，可以自由研究和廣泛修改，學生在實驗過程中可以得到大量的數據，為課程學習提供支撐。而對于廣泛使用的如Windows，其源代碼并不是公開的，因此利用可視化技術來幫助學生對Windows進行分析、研究就顯得尤為重要了。其過程主要是在操作系統的運行過程中收集指定的時間段內有效的關鍵信息，再將數據加以整理和分析，并依據可視化理論，將內核的運行過程用動畫的方式真實再現。

可視化的真實含義是把本來用文字、數字等表達方式改用圖形、圖像、動畫等方式，并進行交互處理的理論、方法和技術。借助可視化方法可以把復雜的問題變簡單，把枯燥的理論變生動，把抽象的原理變得容易理解，從而可以幫助人們快速、深刻并且全面的理解數據并作出決策分析，是一種很好的數據表達和數據處理的手段。如今可視化技術已經涉及了計算機輔助設計、計算機視覺、計算機圖形圖像處理多個方面，并已在各種工程和計算領域得到了廣泛的應用和發展。

可視化的分類目前可視化技術已有了長足的發展和壯大，已產生科學計算可視化、知識可視化、信息可視化、數據可視化等一系列的分支。

1、科學計算可視化是將圖形生成技術、圖像處理技術和人機交互技術結合在一起，其主要功能是從復雜的多維數據中產生圖形，也可以分析和理解存入計算機的大量數據。

2、數據可視化技術是指把數據經過計算機圖形學和圖像處理技術的加工，借助交互的手段以圖形圖像的方式進行表示。幫助人們從全新的角度，形象、生動且便捷的研究分析數據規律及關系。

3、信息可視化的關鍵是用圖形圖像表示重要數據，其目的是借助形象的圖形圖像把抽象的理論變具體，把復雜的關系變簡單，把枯燥的內容變生動，從而幫助用戶分析數據，發現本質規律以便解釋數據或做出決策。信息可視化可用于知識發現、決策制定、信息理解、數據挖掘、信息檢索、軟件和程序理解等各種應用中。

4、知識可視化是可視化技術的新興研究領域，以科學計算可視化，數據可視化，信息可視化為基礎。它應用視覺表征手段促進群體知識的傳播和創新，研究視覺表征在提高群體之間知識傳播和創新的作用，目的在于傳輸見解、經驗、態度和價值觀、期望、預測等，并幫助他人正確的重構記憶和應用這些知識。知識可視化正改變了人們傳統學習方法，降低學習難度，縮短學習時間，改善學習效果。

基于上述可視化技術的特點，我們可以看出如果在教學中采用可視化技可以在很大程度降低學習難度，提高學習效率，是一種很好的教學輔助手段。因而，將可視化技術應用在操作系統教學過程中，無疑會改善教學效果，幫助學生更好地的理解操作系統工作原理并加以實踐。

為了能夠真實有效地反應Windows操作系統的工作原理和功能，在選擇可視化系統時要嚴格遵循真實、直觀、動態的原則。可視化系統應該由內核關鍵信息處理模塊和可視化處理模塊兩部分組成，這兩部分相互獨立但又彼此制約。內核關鍵信息處理模塊主要應包含三方面內容：運行的WRK、磁盤文件和數據預處理。主要完成的工作一是提取操作系統運行過程中的關鍵信息，為保證可視化結果真實可信；二是對采集的信息進行可靠性和完整性分析；三是簡化關鍵信息的表描述方式，以便可視化的實現。可視化處理模塊的主要任務是把內核關鍵信息處理模塊采集并處理好的關鍵數據可視化。內核關鍵信息處理模塊和可視化處理模塊雖功能獨立但又密不可分。因為信息處理模塊把CPU工作過程的中重要數據以特殊格式進行輸出，而可視化處理模塊則以信息處理模塊的結果為數據來源。同時，可視化處理模塊也影響著信息處理模塊，因為信息處理模塊以可視化處理模塊的主要可視化內容為依據進行數據采集。

由此可見，實現Windows操作系統運行過程可視化是可行的，在實際教學過程中需要研究Windows內核調度機制，深入WRK代碼，設計提取內核運行關鍵信息的方法，并將采集的數據進行處理后就可實現可視化。與其它的操作系統教學方法相比，可視化教學手段具有直觀和真實的特點，并使理論學習和實際應用更為貼近。其直觀體現在，以圖形圖像的方式動態地展現了操作系統工作機制和運行過程中的關鍵狀態。其真實體現在，從內核出發，提取內核運行的重要信息，數據來源真實可靠，一方面為學生提供了真實可靠的實驗數據，另一方面也便于職業院校學生掌握與學習。

參考文獻：

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