计算机操作系统可视化教学手段的分析

彭城

摘要：之前微软公司向科研机构和高等院校提供了真实操作系统的研究素材——WRK（Windows Research Kernel），它是微软为高校操作系统课程提供的可修改和跟踪的操作系统教学平台。这一平台的引入也为Windows操作系统的可视化带来可能，这种可能性将提高职业院校学生对于操作系统原理、操作系统分析等知识点的理解力。

关键词：操作系统；可视化；教学

操作系统是计算机系统中的重要系统软件，它不仅是计算机系统的管理者，而且还是用户和计算机硬件间的有效接口，为用户提供操作平台，使用户能够灵活、方便、有效的使用计算机。作为计算机科学的重要学科，计算机系统操作的相关课程已经成为计算机专业的基础核心课程，掌握操作系统的工作原理、设计方法、数据结构及算法会为后续计算机课程奠定专业基础。同时对操作系统的深入研究，也会对实际应用，尤其是对系统软件的开发产生重要的影响。

由于人们获取知识分方式相当一部分是来自视觉，而可视化方法恰恰是将各种抽象的数据信息转化成便于理解的图形图像信息，与人们的认知心理更加贴近，因此对改善人们的认知能力有极大帮助。因而将可视化技术引入操作系统教研领域，采用动画演示操作系统相关抽象概念和工作，这不失是一种有效的学习途径。

操作系统的教学方法大多是基于课本的纯理论教学，或者辅以适当的实验环节。操作系统最普遍最传统的教学方法是基于课本的纯理论教学，这种教学方法手段单一，以书本为核心、理论传授为主要内容，缺少实例教学，教学过程笼统抽象，缺乏互动性，难以达到良好的教学效果。由于操作系统的理解比较抽象，所以很难达到到理解系统完整性的要求。除了纯理论教学外，有些职业院校会采用让学生完成较独立的小型项目教学来达到学习操作系统的目的。其方法主要是利用系统提供的相应作为编程接口来进行项目编程，从而实现某个算法或观察操作系统的一些内部机制。这些项目的实验目的往往只局限于理解操作系统某个功能或机制，彼此间相互独立，故缺乏对操作系统的整体认识。虽然这种任务驱动式的学习方式可以提高学生动手能力和解决问题的能力，但要求学生具备扎实的理论基础和较好的编程能力，这对于职业院校的学生有一定难度。为了便于理解和掌握操作系统原理，在教学过程中我们可以采用一些比较直观的教学辅助手段如演示动画或系统模拟器。利用动画可以演示操作系统某些工作机制和过程，例如管理、存储器管理及设备管理中的重要算法等，使用模拟器，可以由用户输入数据，然后模仿操作系统的某种机制运行并输出结果。不过从实际教学过程中也暴露出了这两种方式的不足：或是缺乏真实性，或是侧重于操作系统的某种机制而缺乏整体性。

学生在学习和实验过程中多以Linux和Unix操作系统为主，这是因为Linux和Unix操作系统公开源代码，可以自由研究和广泛修改，学生在实验过程中可以得到大量的数据，为课程学习提供支撑。而对于广泛使用的如Windows，其源代码并不是公开的，因此利用可视化技术来帮助学生对Windows进行分析、研究就显得尤为重要了。其过程主要是在操作系统的运行过程中收集指定的时间段内有效的关键信息，再将数据加以整理和分析，并依据可视化理论，将内核的运行过程用动画的方式真实再现。

可视化的真实含义是把本来用文字、数字等表达方式改用图形、图像、动画等方式，并进行交互处理的理论、方法和技术。借助可视化方法可以把复杂的问题变简单，把枯燥的理论变生动，把抽象的原理变得容易理解，从而可以帮助人们快速、深刻并且全面的理解数据并作出决策分析，是一种很好的数据表达和数据处理的手段。如今可视化技术已经涉及了计算机辅助设计、计算机视觉、计算机图形图像处理多个方面，并已在各种工程和计算领域得到了广泛的应用和发展。

可视化的分类目前可视化技术已有了长足的发展和壮大，已产生科学计算可视化、知识可视化、信息可视化、数据可视化等一系列的分支。

1、科学计算可视化是将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解存入计算机的大量数据。

2、数据可视化技术是指把数据经过计算机图形学和图像处理技术的加工，借助交互的手段以圖形图像的方式进行表示。帮助人们从全新的角度，形象、生动且便捷的研究分析数据规律及关系。

3、信息可视化的关键是用图形图像表示重要数据，其目的是借助形象的图形图像把抽象的理论变具体，把复杂的关系变简单，把枯燥的内容变生动，从而帮助用户分析数据，发现本质规律以便解释数据或做出决策。信息可视化可用于知识发现、决策制定、信息理解、数据挖掘、信息检索、软件和程序理解等各种应用中。

4、知识可视化是可视化技术的新兴研究领域，以科学计算可视化，数据可视化，信息可视化为基础。它应用视觉表征手段促进群体知识的传播和创新，研究视觉表征在提高群体之间知识传播和创新的作用，目的在于传输见解、经验、态度和价值观、期望、预测等，并帮助他人正确的重构记忆和应用这些知识。知识可视化正改变了人们传统学习方法，降低学习难度，缩短学习时间，改善学习效果。

基于上述可视化技术的特点，我们可以看出如果在教学中采用可视化技可以在很大程度降低学习难度，提高学习效率，是一种很好的教学辅助手段。因而，将可视化技术应用在操作系统教学过程中，无疑会改善教学效果，帮助学生更好地的理解操作系统工作原理并加以实践。

为了能够真实有效地反应Windows操作系统的工作原理和功能，在选择可视化系统时要严格遵循真实、直观、动态的原则。可视化系统应该由内核关键信息处理模块和可视化处理模块两部分组成，这两部分相互独立但又彼此制约。内核关键信息处理模块主要应包含三方面内容：运行的WRK、磁盘文件和数据预处理。主要完成的工作一是提取操作系统运行过程中的关键信息，为保证可视化结果真实可信；二是对采集的信息进行可靠性和完整性分析；三是简化关键信息的表描述方式，以便可视化的实现。可视化处理模块的主要任务是把内核关键信息处理模块采集并处理好的关键数据可视化。内核关键信息处理模块和可视化处理模块虽功能独立但又密不可分。因为信息处理模块把CPU工作过程的中重要数据以特殊格式进行输出，而可视化处理模块则以信息处理模块的结果为数据来源。同时，可视化处理模块也影响着信息处理模块，因为信息处理模块以可视化处理模块的主要可视化内容为依据进行数据采集。

由此可见，实现Windows操作系统运行过程可视化是可行的，在实际教学过程中需要研究Windows内核调度机制，深入WRK代码，设计提取内核运行关键信息的方法，并将采集的数据进行处理后就可实现可视化。与其它的操作系统教学方法相比，可视化教学手段具有直观和真实的特点，并使理论学习和实际应用更为贴近。其直观体现在，以图形图像的方式动态地展现了操作系统工作机制和运行过程中的关键状态。其真实体现在，从内核出发，提取内核运行的重要信息，数据来源真实可靠，一方面为学生提供了真实可靠的实验数据，另一方面也便于职业院校学生掌握与学习。

参考文献：

[1]（美）Julie Steele；NoahIliinsky著，祝洪凯；李妹芳译.数据可视化之美.机械工业出版社，2011第一版.

[2]（美） Scott Murray著，李松峰译.数据可视化实战.人民邮电出版社，2013第一版.

[3]程向前、陈建明.可视化计算.清华大学出版社，2013第一版.