計算機操作系統(tǒng)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(gòu)和高等院校提供了真實操作系統(tǒng)的研究素材——WRK（Windows Research Kernel），它是微軟為高校操作系統(tǒng)課程提供的可修改和跟蹤的操作系統(tǒng)教學平臺。這一平臺的引入也為Windows操作系統(tǒng)的可視化帶來可能，這種可能性將提高職業(yè)院校學生對于操作系統(tǒng)原理、操作系統(tǒng)分析等知識點的理解力。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；可視化；教學

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的重要系統(tǒng)軟件，它不僅是計算機系統(tǒng)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(tǒng)操作的相關(guān)課程已經(jīng)成為計算機專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，掌握操作系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計方法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法會為后續(xù)計算機課程奠定專業(yè)基礎(chǔ)。同時對操作系統(tǒng)的深入研究，也會對實際應(yīng)用，尤其是對系統(tǒng)軟件的開發(fā)產(chǎn)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(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)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(shù)引入操作系統(tǒng)教研領(lǐng)域，采用動畫演示操作系統(tǒng)相關(guān)抽象概念和工作，這不失是一種有效的學習途徑。

操作系統(tǒng)的教學方法大多是基于課本的純理論教學，或者輔以適當?shù)膶嶒灜h(huán)節(jié)。操作系統(tǒng)最普遍最傳統(tǒng)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(nèi)容，缺少實例教學，教學過程籠統(tǒng)抽象，缺乏互動性，難以達到良好的教學效果。由于操作系統(tǒng)的理解比較抽象，所以很難達到到理解系統(tǒng)完整性的要求。除了純理論教學外，有些職業(yè)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(tǒng)的目的。其方法主要是利用系統(tǒng)提供的相應(yīng)作為編程接口來進行項目編程，從而實現(xiàn)某個算法或觀察操作系統(tǒng)的一些內(nèi)部機制。這些項目的實驗?zāi)康耐痪窒抻诶斫獠僮飨到y(tǒng)某個功能或機制，彼此間相互獨立，故缺乏對操作系統(tǒng)的整體認識。雖然這種任務(wù)驅(qū)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(chǔ)和較好的編程能力，這對于職業(yè)院校的學生有一定難度。為了便于理解和掌握操作系統(tǒng)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(tǒng)模擬器。利用動畫可以演示操作系統(tǒng)某些工作機制和過程，例如管理、存儲器管理及設(shè)備管理中的重要算法等，使用模擬器，可以由用戶輸入數(shù)據(jù)，然后模仿操作系統(tǒng)的某種機制運行并輸出結(jié)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(cè)重于操作系統(tǒng)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(tǒng)為主，這是因為Linux和Unix操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)，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(shù)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(tǒng)的運行過程中收集指定的時間段內(nèi)有效的關(guān)鍵信息，再將數(shù)據(jù)加以整理和分析，并依據(jù)可視化理論，將內(nèi)核的運行過程用動畫的方式真實再現(xiàn)。

可視化的真實含義是把本來用文字、數(shù)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(shù)。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(shù)據(jù)并作出決策分析，是一種很好的數(shù)據(jù)表達和數(shù)據(jù)處理的手段。如今可視化技術(shù)已經(jīng)涉及了計算機輔助設(shè)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

可視化的分類目前可視化技術(shù)已有了長足的發(fā)展和壯大，已產(chǎn)生科學計算可視化、知識可視化、信息可視化、數(shù)據(jù)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(shù)、圖像處理技術(shù)和人機交互技術(shù)結(jié)合在一起，其主要功能是從復雜的多維數(shù)據(jù)中產(chǎn)生圖形，也可以分析和理解存入計算機的大量數(shù)據(jù)。

2、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是指把數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機圖形學和圖像處理技術(shù)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(shù)據(jù)規(guī)律及關(guān)系。

3、信息可視化的關(guān)鍵是用圖形圖像表示重要數(shù)據(jù)，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(guān)系變簡單，把枯燥的內(nèi)容變生動，從而幫助用戶分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)本質(zhì)規(guī)律以便解釋數(shù)據(jù)或做出決策。信息可視化可用于知識發(fā)現(xiàn)、決策制定、信息理解、數(shù)據(jù)挖掘、信息檢索、軟件和程序理解等各種應(yīng)用中。

4、知識可視化是可視化技術(shù)的新興研究領(lǐng)域，以科學計算可視化，數(shù)據(jù)可視化，信息可視化為基礎(chǔ)。它應(yīng)用視覺表征手段促進群體知識的傳播和創(chuàng)新，研究視覺表征在提高群體之間知識傳播和創(chuàng)新的作用，目的在于傳輸見解、經(jīng)驗、態(tài)度和價值觀、期望、預測等，并幫助他人正確的重構(gòu)記憶和應(yīng)用這些知識。知識可視化正改變了人們傳統(tǒng)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(shù)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(shù)應(yīng)用在操作系統(tǒng)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(tǒng)工作原理并加以實踐。

為了能夠真實有效地反應(yīng)Windows操作系統(tǒng)的工作原理和功能，在選擇可視化系統(tǒng)時要嚴格遵循真實、直觀、動態(tài)的原則。可視化系統(tǒng)應(yīng)該由內(nèi)核關(guān)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(nèi)核關(guān)鍵信息處理模塊主要應(yīng)包含三方面內(nèi)容：運行的WRK、磁盤文件和數(shù)據(jù)預處理。主要完成的工作一是提取操作系統(tǒng)運行過程中的關(guān)鍵信息，為保證可視化結(jié)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(guān)鍵信息的表描述方式，以便可視化的實現(xiàn)?？梢暬幚砟K的主要任務(wù)是把內(nèi)核關(guān)鍵信息處理模塊采集并處理好的關(guān)鍵數(shù)據(jù)可視化。內(nèi)核關(guān)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(shù)據(jù)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(jié)果為數(shù)據(jù)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(nèi)容為依據(jù)進行數(shù)據(jù)采集。

由此可見，實現(xiàn)Windows操作系統(tǒng)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(nèi)核調(diào)度機制，深入WRK代碼，設(shè)計提取內(nèi)核運行關(guān)鍵信息的方法，并將采集的數(shù)據(jù)進行處理后就可實現(xiàn)可視化。與其它的操作系統(tǒng)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(yīng)用更為貼近。其直觀體現(xiàn)在，以圖形圖像的方式動態(tài)地展現(xiàn)了操作系統(tǒng)工作機制和運行過程中的關(guān)鍵狀態(tài)。其真實體現(xiàn)在，從內(nèi)核出發(fā)，提取內(nèi)核運行的重要信息，數(shù)據(jù)來源真實可靠，一方面為學生提供了真實可靠的實驗數(shù)據(jù)，另一方面也便于職業(yè)院校學生掌握與學習。

參考文獻：

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