計算機操作系統(tǒng)可視化教學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)

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(xué)的重要學(xué)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(xué)習(xí)途徑。

操作系統(tǒng)的教學(xué)方法大多是基于課本的純理論教學(xué)，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(xué)方法是基于課本的純理論教學(xué)，這種教學(xué)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(xué)，教學(xué)過程籠統(tǒng)抽象，缺乏互動性，難以達到良好的教學(xué)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(xué)外，有些職業(yè)院校會采用讓學(xué)生完成較獨立的小型項目教學(xué)來達到學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)方式可以提高學(xué)生動手能力和解決問題的能力，但要求學(xué)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(xué)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(xué)過程中我們可以采用一些比較直觀的教學(xué)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(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)生在實驗過程中可以得到大量的數(shù)據(jù)，為課程學(xué)習(xí)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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(fù)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(xué)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(fù)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(xué)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(yù)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(xué)習(xí)方法，降低學(xué)習(xí)難度，縮短學(xué)習(xí)時間，改善學(xué)習(xí)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(xué)中采用可視化技可以在很大程度降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)習(xí)效率，是一種很好的教學(xué)輔助手段。因而，將可視化技術(shù)應(yīng)用在操作系統(tǒng)教學(xué)過程中，無疑會改善教學(xué)效果，幫助學(xué)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(yù)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)。可視化處理模塊的主要任務(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(xué)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(xué)方法相比，可視化教學(xué)手段具有直觀和真實的特點，并使理論學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生掌握與學(xué)習(xí)。

參考文獻：

[1]（美）Julie Steele；NoahIliinsky著，祝洪凱；李妹芳譯.數(shù)據(jù)可視化之美.機械工業(yè)出版社，2011第一版.

[2]（美） Scott Murray著，李松峰譯.數(shù)據(jù)可視化實戰(zhàn).人民郵電出版社，2013第一版.

[3]程向前、陳建明.可視化計算.清華大學(xué)出版社，2013第一版.