（计算机应用技术专业论文）基于宽带ip的网络虚拟实验远程教学系统的设计与实现.pdf

主里型兰垫查查堂堡主兰垡垒奎 薹王壹望! 堕塑垩矍壅堕墼兰墨竺塑堡盐兰壅生 摘要 传统的教学模式是在课堂中通过面对面方式获取知识与信息，它受时间、空间的限制。 而基于i n t e m e t 的交互式远程教学是通过网络来实现教学的。在i n t e m e t 上，师生间可以随 时随地学习，并通过网络提问答疑，从而实现了教师与学生在学习中的交互。学生可以在线 选课，根据自身的条件进行个性化的学习，将教学活动看成是与教师一对一的交互，提高了 学习的效率。通过w e b 上的论坛( b b s ) ，聊天室( c h a t r o o m ) l l 视频交互系统把参与远程 教学的学生带入一个对等的通信团体，同时也可以从上网的同学那里获取信息。在i n t e r n e t 上的交互式教学，可以实现图文并茂，音画共享，提高了学生的学习兴趣，更易被接收d 本文跟踪远程教学的最新动态，利用本实验室现有的技术积累，通过完成远程实验系统 的设计与实现，对这种新型的教学方式的系统体系结构进行分析研究并提出新的设计思想， 提出网上实验的新模式。重点解决了目前实验教学中的交互问题和选课管理问题。介绍了虚 拟实验远程教学系统需求分析、系统结构设计与实现的全部过程，对业务逻辑作了分析和描 述。力求做到设计新颖、实用性强，交互能力优秀。在技术实现上重点介绍系统的应用体系 结构的构建、面向对象的建模技术和目前处于w e b 技术前沿的j s p 技术、数据访问技术等 以及这些技术在本项目中的应用。 关键字：远程教学。交互b s c su m lj s pj a v a b e sj d b co d b cw i n s o c k ， a b s t r a c t t r a d i t i o n a lt e a c h i n gm o d ei sm a s t e r i n gk n o w l e d g ea n di n f o r m a t i o nf a c et of a c ei nt h e c l a s s r o o m i ti s1 i m i t e db yt i m e s p a c ea n dm e nm u t u a li n t e r n e t b a s e de l e a r n i n g s y s t e mi m p l e m e n t st e a c h i n gb yn e t w o r ki ni n t e r n e t ，u s e r s ( s t u d e n t sa n dt e a c h e r s ) c a n a s ka n da n s w e ri n a n yt i m ea n dp l a c e ，a n dc o m m u n i c a t ee a c ho t h e r s t u d e n t sc a n s e l e c tt h ec o u r s e sa tw i l ia n ds t u d yw i t hp e r s o n a l i t y u s i n gs o m ef u n c t i o ns u c ha s f o r u m ( b b s ) ，c h a t r o o mo rv i d e oi n t e r a c t i n gs y s t e ml e a ds t u d e n t st op e e rt op e e r c o m m u n i c a t i n gt e a m s t u d e n t sc a l l a c q u i r ei n f o r m a t i o nt h r o u g ht e a c h e r so ro t h e r s t u d e n t sa n de n g e n d e ri n t e r e s tb ym u l t i m e d i a i nt h i sa r t i c l e ，1w i l lt a i la f t e rt h en e w e s td e v e l o p m e n ti ne l e a r n i n ga n du t i l i z em y l a b sh a r v e s tt oa n a l y s es y s t e m sa r c h i t e c t u r e a n dih a v eb r o u g h tf o r w a r dn e w d e s i g n t h o u g h ta n dn e wm o d e m yp a p e ri n t r o d u c ev i r t u a le x p e r i m e n te - l e a r n i n gs y s t e m s r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，a r c h i t e c t u r ed e s i g na n di m p l e m e n t i nt h et e c h n o l o g ys i d e1w i l l e m p h a t i c a l l yp r e s e n ta p p l i e da r c h i t e c t u r ec o n s t r u c t i o n ，o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n g a n dd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yb a s e dw 曲 k e yw o r d ：e - l e a r n i n g i n t e r a c t i o nb sc su m lj s p j a v a b e m sj d b co d b c o e k 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速口网的远程实验教学系统的设计皂实堡 v1 1 远程教育概述 第l 章绪论 “实施现代远程教育工程形成开放式教育网络，构建终身学习体系，是充分利用和优化 我国教育资源，普及与提高全民素质，降低教育成本与让全民享有充分受教育权利的项重 大工程。远程教育工程以现代化的信息技术为手段；以适合远程传输和交互式学习的教育软 件为教材，在政府的启动和支持下，逐步建立起公益性和产业性相结合、最终实现自主滚动 发展的现代化教育产业的管理新模式。l - 载自现代远程教育资源建设技术规范( 试行版) 。 现代远程教育是随着计算机网络技术和多媒体技术等新的信息技术的发展而产生的一 种新型教育方式，是传播信息、知识，构筑人们学习体系的教学手段，能够快速、有效和便 宜地满足国家教学需要的手段，具有集视听教育( 广播、录像、电视) 、卫星、计算机、通 讯网络于一体的多种”教育教学资源共享、信息交流、网上教学”等功能，打破了传统教育 时间和空间的限制，使得人们可以不在学校、教室里学习，使最好的老师、最好的学校、 最好的课程能为校外的学习者所享用，使更多的社会成员获得受教育的机会。 世界远程教育的历史最早可以追溯到本世纪3 0 年代。历经了整个2 0 世纪直到现在经 过近四代技术的发展，技术更加先进，促使学生之间、师生之间的交流得到了加强，进行 交换的信息的数量和种类显著增加，操作需要时间变得更短。这减少了远程教育对时间和 空间的依赖性，实现真正意义上的虚拟学校。 远程教育在中国的发展经历了三代：第一代是函授教育。这一方式为我国培养了很多人 才；第二代是8 0 年兴起的广播电视教育。我国的这一远程教育方式和中央电视大学在世界 上享有盛名；9 0 年代，随者信息和网络技术的发展，我国产生了以信息和网络技术为基础 的现代远程教育。远程教学为更广大的学习者提供了高质量、低成本、灵活开放又多样、互 动的教育和培训。通过建立庞大的教育资源库，实现了资源共享和规模经济。 国外的网络教育，尤其是美国、加拿大、英国、澳大利亚等西方发达国家的网上教育已 发展的相当成熟，一般的网络教育包括这样几个方面：专门针对基础教育方面的、专门针对 师资培训方面的、专门面向高等教育方面( 包括成人教育、继续教育和部分职业教育) 的、 其它的教育形式和教育信息等。其中每一方面都涉及到各门各类学科和全套的服务设施。 目前国外的远程教育所采用的技术平台和我国的技术平台基本上是样的，主要有以下 几种形式： l 、基于计算机网络的远程教育 2 、基于卫星电视系统的远程教育 3 、基于有线电视系统的远程教育 4 、基于邮政发行系统的远程教育 5 、基于广播发送系统的远程教育 3 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速p 网的远程实验教学系统的设计与实现 6 、基于视频会议系统的远程教育 7 、基于电信通信网的远程教育 对远程教育的有了这些认识，才能够根据我们现有的能力和积累，开发适用的远程教学 系统。无疑，基于互联网的网络教学是高校利用校园网发展远程教学的一种必然趋势。 通过对网络教学的研究，我认识到个成功的网络平台应以宽带i p 网为依托，提供多点 音频和视频实时传输或点播服务，以及各种虚拟的实验环境，在网上轻松实现教、学、管的 各个环节。具备实用性、开放性、创新性等特点，涵括丰富的教育教学信息资源。教育教学 信息资源库( 网站) 应该包括各学科教学资料库、各类教育软件资料库、优秀教案、各学科 教育教学实践交流、专家论坛、教师论坛、网上观摩课、网上图书等。对学生提供的教学服 务可包括：各科教师答疑、各科学习材料、复习指导、名校练习题、学生习作交流、学生论 坛等。 我们所开发的远程教学系统，是基于i n t e r n e t 的远程实验平台，在这个平台上，将运 行我们自行开发的实验课件。大学物理仿真实验以及由此衍生的多学科实验，是一系列 优秀的教学软件，在国内外享有盛誉。它由一组涵盖大学物理实验各主要课程的软件组成， 软件通过模拟仪器、实验过程和实验环境，能使学生完成虚拟实验。利用该系统，教师可以 在不同地点上网进行教学管理，组织分布式教学，回答学生的问题，批改实验报告等；学生 可根据自己的时间安排在校园或在家中进入i n t e r n e t 网进行在线选课，完成各项虚拟实验 内容和接受教师的指导并上交实验报告。实验课件在互联网上发布，使更多的人能够在没有 实验仪器的条件下，了解物理实验的原理和操作过程。 基于i n t e r n e t 的远程教学系统，除了能图文并茂外，最主要的特点就是能够进行网上 教学管理、网上选课和远程交互。而这是相当重要的，因为我们知道，没有管理和交互的教 学活动不是真正的教学活动。 1 2 系统的设计目的和主要特点 国内的网上教学系统普遍存在交互能力不足，尤其是实验类远程教学系统无法真正做到 在线操作、在线视频指导，无法实现较理想的实验教学管理模式。本系统的设计思想基于新 颖的教学管理模式，、7 l 阿m r 在线选课，客户端应用程序实现在线实验和实验指导，实用性 很强。 系统的实现是基于宽带i p 网的，因而对带宽的要求相对比较严格的，尤其是视频交互 的实现需要相当的带宽资源，也正是由于有这些要求才使得这个系统具有较多和较强的功 能。来看看系统的主要特色： 1 b ，s 和c s 模式两种应用体系结构的混和使用 系统采取两种模式并用的方案，将实验部分和管理部分进行有机的分离，分别实现相关 的功能，这种设计有利于系统功能的合理分配，即，将消耗资源较多的在线实验和视频交互 4 中国科学技术大学硕士学位论文 基于高速i p 网的远程实验教学系统的设计与实现 采用c s 模式实现，对资源相对要求不是很高的教学管理、用户管理和在线选课等采用b s 模式实现。据我所知，这种方案在实验类远程教学系统中是领先的。 2 注重实时和非实时的实验交互 任何方式的教学活动都需要实时的或非实时的交互。在远程实验中更是如此。在基于 i n t e r n e t 的大学物理仿真实验中，学生遇到问题需要及时得到解答；而教师也需要及时了解 学生学习的情况这样在远程教学中，就需要个交互系统来解决这个问题。本系统具有两 种交互方式：文字交互、视频交互。其中视频交互是系统重点解决的一个问题。 3 系统的可扩展性 b s 模式下的多层体系结构的基础，使得数据信息对于数据操作者来说更加透明，打破 了数据操作对于数据信息处理的依赖性。并且对系统的扩展提供了系统架构层面的保障。 同时，网络结构的优化设计以及负载平衡技术的应用，使得系统的伸缩性大大增强， 在负载加重或者需要提供更多新的功能时，在资源扩展上留有很大余地。 可以看到，在设计该应用系统方案时，已经考虑了许多系统未来的发展方向和系统功能，因 此，整个方案对于第一期的应用系统来说有非常大的发展空间。为系统的升级和功能扩展打 下了坚实的结构基础。 4 采用先进的技术 应用系统方案中，大量运用了许多当前非常先进、流行的新技术，包括应用体系结构多 种模式的混合使用、面向对象的建模、j s p 技术、负载均衡技术等等。使应用系统的新技术 含量高，符合当前应用系统开发的潮流和未来的发展方向。 作者在人工智能与计算机应用研究室学习期间，负责远程教学系统的设计开发，深刻体 会到一个好的系统的开发，离不开科学的工程化概念和软件管理的理念。软件系统的开发同 样是一项工程，需要好的管理思想和研究态度。 本文从软件工程的角度，阐述了如何构建一个教学系统，如何实现预期的设计目标。 、 里登兰垫查盔兰堡主兰壁丝茎 薹三壹望! 璺塑墨矍壅竺墼堂墨竺塑堡生：! 塑一 第2 章系统体系结构的构建 远程教学是现代化教学中的个热点课题，其中基于互联网的远程实验系统，由于本身 特有的交互性和可操作性的要求成为研发的难点。本章节阐述基于互联网的远程实验系统的 体系结构的构建过程，采用了b s 和c s 的混合方式，两种模式有各自的特点，在系统中起 互补作用根据系统的功能采用不同的模式，提供物理仿真实验的支撑环境，提供文字、视 频等网上交互手段，支持网上选课，实验报告的上传下载，给学生提供自主的实验环境，培 养学生的实验操作能力。 2 1 网络应用体系结构的模式 c s 和b s 模式都是网络技术发展的产物，它使得网络资源从局部和本地延伸到互联网 和外部，将信息世界快速的展现在我们面前，提高了效率，也有利于资源的配置，改变了我 们工作的环境和观念。首先从发展过程来了解两种体系结构模式的各自性能和特点。 2 1 1 c s 模式 c l i e n t s e r v e r 模式相比于主机集中式处理模式，其优越性是不言而喻的：丰富的最终用 户界面、极大的灵活性、对业务需求变化的适应性等。c s 模式主要由客户应用程序( c l i e n t ) 、 服务器管理程序( s e r v e r ) 和中间件( m i d d l e w a r e ) 三个部件组成。客户应用程序是系统中用户 与数据进行交互的部件。服务器程序负责有效地管理系统资源，其主要工作是当多个客户并 发地请求服务器上的相同资源时，对这些资源进行最优化管理。中间件负责联结客户应用程 序与服务器管理程序，协同完成个作业，以满足用户查询管理数据的要求 2 1 2 b s 模式 b r o w s e r s e r v e r 模式是一种以w e b 技术为基础的新型的系统体系结构。在这种结构下， 用户界面完全通过w w w 浏览器实现，一部分业务逻辑在前端实现，但是所有的安装、维护将 集中于服务器端，主要应用逻辑在服务器端实现，形成三层体系结构。b s 模式主要是利用 了不断成熟的w w w 浏览器技术，结合浏览器的多种s c r i p t 语言( v r s c r i p t 、j a v a s c r i p t 等) 和a c t i v e x 技术以及j a v a 技术，用通用浏览器实现原来需要复杂专用软件才能实现的强大 功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技术。 6 、 生里型兰苎垄查兰堕主兰竺笙奎 苎三壹婆里塑塑垩堡壅竺塾兰墨堕塑堡! 墨壅墨 2 13 两种模式的比较 e 憾：德裁j 1 优秀的交互性和处理复杂应用的能力 在c s 中客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功 能并且可以在子程序间自由切换，实现复杂的功能。b s 虽然由j a v a s c r i p t 、v b s c r i p t 和 a s p 、j s 口技术提供了一定的交互能力，但与c s 的一整套客户应用相比还是太有限了。 2 提供更安全的存取模式 c s 一般都是面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力很强。c s 是配对的点对 点的结构模式，采用适用于局域网、安全性比较好的网络协议( 如n t 的n e t b e u i 协议) ， 安全性得到较好的保证。而b s 采用点对多点、多点对多点这种开放的结构模式，并采用 t c p i p 这一类运用于i n t e m e t 的开放性协议，其安全性只能靠数据服务器上管理密码的数据 库来保证。 3 降低网络通信量 b s 采用了逻辑上的多层结构，而在物理上的网络结构仍然是原来的以太网或环形网。 层与层结构之间的通信都仍需占用同一条网络信道。而c s 网络通信量只包括c l i e n t 与 s e r v e r 之间的通信量。由于c s 在逻辑上的结构层次比b s 少，对于相同的任务，c s 完成 的速度总比b s 快。使得c s 更利于处理大量数据。 参毽。特意蠢 1 简化了客户端 无需c s 模式那样安装客户端应用程序，只需安装通用的浏览器软件。这样不但可以 节省客户机的硬盘空间与内存，而且使安装过程更加简便，网络结构更加灵活。 2 简化系统的开发和维护 系统的开发者无需为不同级别的用户设计开发不同的客户应用程序，只需把所有的功 能都实现在w e b 服务器上，就不同的功能为各个组别的用户设置权限就可以了，使不同用 户界面的风格保持一致。用户通过h t t p 请求在权限范围内调用w e b 服务器上不同处理程序， 从而完成对数据的查询或修改。应用逻辑存在于服务器端，使得维护具有更大的灵活性。 3 用户的操作变得更简单 对于c s 模式，客户应用程序有自己特定的要求，使用者需要接受专门培训。而采用 8 s 模式时，客户端只是一个简单易用的浏览器软件，用户无需培训，就可以直接使用。b s 模式的这种特性，使网络系统维护的限制因素更少。 4 特别适用于对信息及应用系统的自由访问 网上信息发布，使网络系统的功能大大扩展，这是c s 所无法实现的。这种新增的网 7 、 ! 里型兰垫查奎兰堡主兰篁笙奎 墨三壹望里塑竺墨翌壅竺塾堂墨竺塑堡生量壅婴 上信息发布功能是系统用户所必须的，所有用户均可自主地访问信息和系统。 2 _ 2 在网络虚拟实验系统中的应用 2 2 4 问题的提出 在设计网络虚拟实验系统时，就面临了系统体系结构模式的选择问题。系统的设计目 的是作为是网络课件的支撑平台。由于网络虚拟实验系统程序内容很大，所要实现的功能很 多，较复杂，对交互性要求很高，单纯的采用一种模式无法实现所有的功能。尤其对于实验 教学这样人机交互频繁，具有实时和非实时状态的自主学习模式的系统，采用c s 与b s 模式相结合的解决方案是必然的选择。 2 2 5 问题的分析解决 考虑到上述实际的问题，我们采用c s 与b s 模式相结合的解决方案。这种方案的主 要特点表现在以下几个方面： 第一，将功能剥离，在线实验部分和视频交互部分等采用c s 模式实现，其余功能采用 b s 模式实现； 第二，采用c s 模式，保证关键数据的安全性，特别是对数据库的修改和新增记录加强了 控制： 第三，采用c s 模式，实现复杂的功能和良好的交互性，解决了浏览器对本地资源调用的 不足，将实验内容以光盘方式置放于本地执行，减少了通信量； 第四，采用b s 模式，可以在服务器端对系统功能进行不断更新和升级；有利于信息的发 布和学员一学员、教师一学员间的交互； 第五，提高网络效率，保证实验速度和交互效果。 基于以上的分析，构建应用系统体系结构。采用两种模式分别实现不同的系统功能。 系统架构图如图2 1 所示。 8 生里型堂堑查奎兰堡圭兰堡笙茎 墨王壹垄里堕塑垂堡壅丝塾堂墨竺竺堡笪量壅堡 鸽即 d bs e r v e l - s q ls e r v e r2 0 0 0 b r o w s e r s e r v e r 模型的四层结构 c l i e n t s e r v e r 模型的三层结构 图21 系统体系结构 数据和命令 上图采用m ss q ls e r v e r2 0 0 0 作为共同的数据库服务器，中间层的物理设备分别充当 两种模式下的应用服务器，客户端分别为浏览器和客户端应用程序。 图中，采用c s 模式实现在网上进行实验教学：服务端实现客户机用户的认证，管理 应用程序和数据，奄询共享资源。所有虚拟实验课件的关键数据、用户信息等都保存在服务 器端，由服务端程序统一管理，并接受与响应客户机端请求；客户端提供用户接口界面，实 现与用户的交互式操作，并通过网络接口向服务器发送请求，在通过身份认证及获取虚拟实 验课件相关文件及数据后，即可在客户机上运行虚拟实验课件。在这个结构下，需在客户端 安装专门的软件，可以实现复杂的功能，如，教师与学员间的一对一的流媒体传输。并且对 数据操纵灵活，具有良好的交互性。 采用b s 模式实现实验教学辅助功能：系统在常规的b s 三层结构下，将中间层 应用逻辑层，进行功能化分配，增加了一层应用服务器层。应用服务器a p p l i c a t i o ns e r v e r 的概念来源于三层结构模型，存在于中间层，为系统提供生命期管理，数据库链接池服务， 编译解释执行等服务 下面就具体的系统功能与相应的应用系统模式进行说明，以表达好的模式的选择对系 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速口网的远程实验教学系统的设计与实现 统功能实现的重要性。 2 2 6 不同模式下的系统功能 网络虚拟实验远程教学系统需要实现的功能如图2 2 所示 图22 系统功能 图中五大功能模块，分别由c s 模式和b s 模式实现。在一个功能模块中可以采用两种 模式实现不同的细节。例如，在交流互动系统中，采用c s 模式实现一对一的视频交互，采 用b s 模式实现在线讨论和答疑。 图23 是用图形化方法表示c s 模式下实现的功能，可以直观的了解各个模块间的相互 关系和技术实现方案。 。- 。1 。 i学生客户端j l 1 臣晒 图23c s 模式下的系统功能 从功能设计考虑，系统用户可分为两类角色，一类是学生，一类是教师，学生和教师在 1 0 ! 璺型兰苎查查兰堡圭兰堡笙奎 苎三壹望堡旦塑垄望壅鉴塾! 堡竺竺丝茎兰! ! 生 系统中都是客户端。图中s e n t a s 提供c s 模式下系统的应用服务，响应客户端对数据库 服务器数据的操作请求，事务的处理与协调等。通过5 e n t a s 实现分布式的操作，学生客 户端和教师客户端分别实现权限范围内的应用。在c s 模式下系统的功能实现主要基于 w i n s o c k 编程，完成教学管理、实验和交流互动模块中的重要功能。 c s 模式下，在线实验调用的是本地光盘中的实验课件，学生通过客户端程序访问 s e n t a s 应用服务器，应用服务器从数据源获得实验关键数据，并将关键数据及用户信息发 送至客户端。具体流程如图2 4 所示： 用户登录信息 学生客户端 身份认证 请求关键数据 l 应用服务器i 堡型童璺7i 幅肿脶i 一严一 j 得关键数据 认证反馈 确认关键数据 自动打开 仿真实验主界面 图2 4 在线实验操作授权流程 数据库服务器 ( s q ls e r v e r2 0 0 0 ) 客户端程序可以很好的调用本地资源，将实验课件放在本地而不是服务器端，可以避免 上线人数较多时，服务器会占用大量网络带宽，造成网络堵塞。 图2 5 是在b s 模式下，应用系统的功能基于w e b 的实现方式，友善的浏览器界面， 丰富的学习内容和相关信息，使学习者既获得了知识，又体会到实验操作的乐趣。 在实际的系统设计中，采用基于j a v a 语言的技术方案，如图2l 中所示，采用j s p 技术， 构建网络的应用平台。j s p 是种基于j a v a 的网络实现技术，j s p 能够快速开发出基于w e b 、 独立于平台的动态w e b 应用程序。它为交互式页面带来“一次编写，随处使用”的方式， 最大好处是能有效地把表达与内容分离开，开发可重用、跨平台的组件( j a v a b e a n ) ，执行 效率大大提高。系统中用户大量的访问结果是动态形成的，这些动态生成的页面，是由应 用服务器来完成。有关j s p 技术以及动态页面技术在以后的章节中将详细论述。 在整个系统的设计中c s 和b s 的有机融合，是系统实现的技术依据。这种设计方案发 挥了两种模式的特点，有效地避免了各自的不足，b s 优秀的展示能力和更新能力以及c s 高效的交互能力和对复杂问题的驾驭能力，既满足了系统功能的需求，又降低了开发周期和 开发成本，也便于系统的维护管理。是在现有技术条件下，实现c a i 远程教学系统行之有 效的方法。 、 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速m 网的远程实验教学系统的设计与实现 图25b s 模式下的系统功能 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文 基于高速舻网的远程实验教学系统的设计与实堡 第3 章实验教学系统软件设计方案 、3 1 软件系统的分析与设计 软件的开发和应用是影响计算机发展的主要因素，从低级语言到日臻完美的高级语言， 为人类社会提供了一个绚丽的数字化生存环境。在一次次的软件危机过后，人们开始逐步意 识到软件开发的过程是一个潘朵拉宝盒，提出了各种软件工程的思想和方法，软件的开发方 法也从传统的软件生命周期法发展到面向对象方法，提高了软件开发的效率和软件质量。 在远程教学系统的设计中，我们以工程的角度来规范化系统分析、设计和实现过程。 根据实际需要采用实用的软件开发方法。 3 1 1 软件开发方法的应用 在系统开发的整个过程采用软件生命周期法( s o f t w a r el i f ec y c l e ) 控制项目的进展 和实现目标，严格的阶段性成果确保了软件开发的成功，保证系统达到预期的需求和质量要 求。虽然整个的模型都是以文档驱动的，对开发人员具有较高的要求，但基于效率考虑，采 取这种方法是最可行的。( 软件生命周期法经历的阶段：制定计划、需求分析、软件设计、 编码、测试、运行与维护) 在需求分析和系统设计中采用的面向对象技术是一种符合人思维的软件思想，我们使 用的开发环境和开发语言也都是适应面向对象的j a v a 和d 咖h i ，因而采用面向对象的开发 方法能够更好的构造系统、保证软件质量和提高开发效率。 面向对象是一种新的软件工程方法，基本技术是使用对象、类、继承、封装、消息等基 本概念进行程序设计和实现。如果一个软件系统采用这些概念来建立模型并予以实现，它就 是面向对象的。面向对象技术的基本思想是尽可能的运用人类的自然思维方式来构造软件系 统，现实世界的问题是由客观实体和实体间的联系构成的，对象就是客观实体的抽象。 通过对问题论域的分析和系统责任的理解，建立面向对象的系统模型，初步获得系统需 求，通过原型法将系统功能表现出来，原型是系统的一种简化表示，在功能上等价于产品的 一个子集。虽然原型不是完整的最终系统，但具备系统的重要特征。通过对原型的评价，系 统的开发能够沿着正确的方向前进。我们使用原型的目的主要是测试系统的需求，表现是否 达到预期的设计要求和功能全貌。 原型法的工作流程见图3 1 。 、 中国科学技术大学硕士学位论文 基于高速p 网的远程实验教学系统的设计与实现 图3 1 原型法工作流程 需指出的是，在系统分析中，原型法所获得的需求是通过面向对象的建模方式所得到的， 通过捕获用例，建立需求模型，为原型提供依据，需求分析和用例的捕获在文章的后面会详 细说明。 下面以系统中管理员的某些功能为例，根据原型法的一般特征我们获得管理员的功能原 型，在此通过最浅显易懂的表述，说明原型法的实用性。以h t m l 形式表现。 1 首先从系统管理员登录这个简单的动作开始 原型页面中表现了登录这个动作所能产生的两种后果：成功、失败。见图32 图32 管理员登录页面流程 1 4 、 主里型堂苎查奎兰堡主兰垡堕茎 茎三壹望里匣箜垄堡壅墼塾堂墨竺竺堡盐量壅墨 图3 , 3 系统功能显示 2 成功转向功能页面，失败转向错误页面 成功登录后，进入管理员功能页面，管理员系统是整个系统的核心，它担负整个远程教 学系统的初始化和系统配置以及教学管理、用户管理等重要功能。页面的左侧是所具有的相 关功能，右侧是具体功能实现。见图33 3 限于篇幅，我们只说明实体实体分类管理的功能模型 实体的概念，是指大学物理仿真实验中每一个具体的实验，它是无关系节点，也是 系统的最基本元素。点击连接进入相关页面进行管理。 实体的管理包括类别管理和实体管理，类别的层次在基础信息的配置中已经设置，通过 原型页面可以明白系统中进行的操作，将所有可能出现的结果呈现在页面上，并作出相应的 操作转向。下面的两附图分别是原型页面( 图3 4 ) 和实际动态页面( 图35 ) ，动态页面仅 仅是原型图的一个子集。 、 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速p 网的远程实验教学系统的设计与实现 图3 5 具体功能页面 、 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速口网的远程实验教学系统的设计与实现 在原型法的功能页面设计中，忽略了相当一部分的外在和内在的因素，主要关注的是 系统功能和系统流程。在原型完成之后，提交于项目无关人员和有关教师进行功能说明和流 程分析，得到反馈信息，继续进行修改。 3 1 2 面向对象的系统开发 按照面向对象思想进行系统开发的过程可以分为三个步骤： 1 面向对象的分析( o o a ) 面向对象的分析( o b j e c to r i e n t e da n a l y s i s ) 主要任务是分析问题论域，找出问题解决 方案，发现对象，分析对象的内部构成和外部关系，建立软件系统的需求分析模型和对象分 析模型。 2 面向对象的设计( o o d ) 面向对象的设计( o b j e c t o r i e n t e d d e s i g n ) 主要任务是根据已确定的系统对象模型，运 用面向对象技术，进行系统软件设计。面向对象的设计在系统分析的成果上进行，着重研究 系统的软件实现问题，它主要包括建立对象设计的静态模型与动态模型。 3 面向对象的实现( o o i ) 目的是实现设计阶段所规定的各个对象所应完成的任务，即编码实现。在面向对象的实 现中，必然会涉及到面向对象的程序设计( o o p ) ，面向对象的方法与传统方法最大的不同 是软件设计以数据为中心而不是功能。c + + 、j a v a 、d e l p h i 等程序设计语言可以标识对象， 定义对象的属性和方法，并在程序中通畅的表达出来。采用o o p 方法可以提高程序的可读 可写性、缩短软件开发周期、容易在不同平台上进行移植、软件升级也变得容易。 任何面向对象的系统开发过程都要遵循0 0 p l _ o o d o o i 这样的开发模式。 面向对象的思想是现在被普遍采用的一种软件开发思想，然而面向对象的分析与设计方 法却有很多，如何选择一种好的方法，对系统的开发很重要，好的方法可以提高效率、开发 出优秀的软件产品。 面向对象的开发过程首先是面向对象的建模过程，通过建立模型，帮助我们对软件系统 进行全面的描述，最终实现软件的开发全过程。 3 1 3 u m l 在系统分析与设计中的运用 初识u m l 是通过软件r a t i o n a lr o s r 统一建模语言的开发工具，r a t i o n a lr o s e 是套非 常好的c a s e 工具，让我从软件工程的角度来看待开发一套软件系统的着眼点和过程。采 用了面向对象技术的软件工程方法便可更有效地帮助我们设计软件系统了。 1 7 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速口网的远程实验教学系统的设计与实现 3 1 3 1 了解建模 建模是开发优秀软件的所有活动中的核心部分，其目的是把所要设计的结构和系统的行 为沟通起来，并对系统的体系结构进行可视化和控制。建模是为了更好地理解正在构造的系 统，并经常提供简化和复用的机会。同时建模还可以管理风险。 模型是对现实的简化，旨在提供系统的蓝图。模型既可以包括详细的计划，也可以包括 从很高的层次考虑系统的总体计划。个好的模型包括那些有广泛影响的主要元素，而忽略 那些与给定的抽象水平不相关的次要元素。每个系统都可以从不同的方面用不同的模型来描 述，因而每个模型都是一个在语义上闭合的系统抽象。模型可以是结构性的，强调系统的组 织；它也可以是行为性的，强调系统的动态方面。 3 1 3 2 u m l 的建模过程 u m l ( u n i f i e d m o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语言) 是一种通用的可视化建模语言，用 于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统的文档。u m l 适用于各种软件开发 方法、软件生命周期的各个阶段、各种应用领域以及各种开发工具。u m l 能够描述系统的 静态结构和动态行为：静态结构定义了系统中重要对象的属性和操作以及这些对象之间的相 互关系：动态行为定义了对象的时间特性和对象为完成目标任务而相互进行通信的机制。 u m l 不是一种程序设计语言，但我们可以用代码生成器将u m l 模型转换为多种程序设计 语言代码，或使用反向生成器工具将程序源代码转换为u m l 模型。 全面采用u m l 技术是一个复杂的过程，但u m l 的某些部分很容易使用，而且它能够 帮助我们用更少的时间构造出更好的系统。我采用u m l 来辅助规划和设计基于w e b 的远 程教学系统。 开发初始的系统分析模型是一个困难的任务，因为这是一个从无到有的过程，一个功能 齐全、完善的系统必须要有一个好的分析。 3 1 3 3 需求分析 系统根据功能分析可以划分为用户管理系统、教学管理系统、网上实验系统、交流互动 系统、网站管理系统等五个子系统。 用户管理系统： 学生部分：登录( 学员帐户由管理员建立) ，填写、修改个人信息 教师部分：教师登录( 教师帐户由系统管理员建立) ，填写、修改个人信息，建立、删 除学员帐户 管理员部分( 权限最大) ： 、 中国科学技术大学硕士学位论文 基于高速网的远程实验教学系统的设计与实现 管理员登录 班级管理：班级类别管理，建立、删除班级 学员管理：成批和单独建立、删除学员帐户 教师管理：教师类别管理，增加、删除教师 教学管理系统 管理现有班级资料 管理现有教师资料 学生部分：浏览实验介绍、登录后进行学习、查询、选课、聊天、讨论等。 选课有三种方式：1 学生选择实验( 主动方式) 2 学生选择课程( 主动方式) 3 老师指定班级( 被动方式) 教师部分：查询学生资料，教师自我实验设计，教师自我课程设计，教师选择班级上 课，实验报告模板上传，下载报告并批改评分再上传，答疑，讨论，一对 视频交互等。 管理员部分：原始系统配置和更改，实体类别管理，建立、删除实体，实验类别管理， 建立、删除实验，课程类别管理，建立、删除课程，教师授课的详细资 料等。 网上实验系统 实验操作( c s 模式) 实验报告的下载填写与上传提交( c s 模式) 实验报告结果的下载( c s ，w e b ) 交流互动系统 在线讨论答疑区( c h a t r o o m ) 论坛区( b b s ) 一对一的师生视频交流( c s 模式) 网站管理系统 页面管理 公告发布 3 1 3 4 角色分析 从上面的功能需求可以获得系统的操作角色有三类：学员、教师和管理员。 三种角色的功能需求通过用例视图中的用例图来表现。u l v i l 中，用例视图( u s e c a s e v i e w ) 由专门描述可被最终用户、分析人员和测试人员看到的系统行为的用例组成。用例视 图实际上没有描述软件系统的组织，而是描述了形成系统体系结构的动力。在u m l 中，该视 图的静态方面由用例图表现；动态方面由交互图、状态图和活动图表现。用例视图是u m l 中其他四种视图的核心和基础，其他视图的构造与发展依赖于用例视图中所描述的内容。 1 9 ! 里型兰垫查奎兰堡主兰焦堡奎 茎王壹望里旦塑圣里壅堕塑堂墨竺塑堡生兰壅里 下面的用例图，从系统的三种角色的角度详细分析了系统的功能。当然，用例的捕获远 远比所表达出来的多，仅仅是提供了开发所需的基本信息。 1 管理员用例图 2 教师学员用例图 由于相当一些功能是教师、学员所共有的，因而用例图结合在一起。 菱警涵 未，、t 霭遥 、 中国科学技术大学硕士学位论文 基于高速p 网的远程实验教学系统的设计与实现 i j 7 零，j - ，o d ，t ， 日 * * 7；，7 荤7 ，-蔓。二二二二：二二一一一一一文：二： i。，+ 、 厂 ，7 ，l 、，+ 一一一一一一致、 ， 早二二一一一一一一 一 一般浏矗 ，歹7 7 i ；：，；：。：二二二二：、。，竺：? 操作 ? 删赭7 ：7 7 ，7a ( ) o ? j0 ij 、| | 、r 。j ? 7 j 、。? 77i 。 二：j 、二 ：j j = ：) ：) 姗舶矩础 叁、 u s ec a s e s 是非常有效的需求捕获技术，它能使需求变得容易回顾，并且避免在需求中 有实现细节的偏好出现。整个系统中管理员部分所具有的功能是最多的，也是系统实现的重 点，下面阐述的内容主要是以管理员部分的相关功能为例。 2 1 、 中国科学技术大学硕士学位论文 基于高速网的远程实验教学系统的设计与实现 3 1 3 5 用类图勾画网站大致结构 下面是管理员功能中的教师管理部分的类图( c l a s sd i a g r a m ) ，j s p 文件虽然不能直接 看成是类，但是经过编译以后，生成的是s e r v l e t 类，即j a v a 的一个类。 教师苗理类图 上面的教师管理类图可以看作是用户界面布局图，能够帮助我们避免网站混乱，对于规 划网站是很有用的。而且，一旦确定了一种有效的网站结构组织方式，它还可以作为一个固 定的模式在多个网站上应用。 3 1 3 6 系统体系结构图 我们采用的组合是i i s + j s p + m ss q l s e r v e r 2 0 0 0 ，下面是这种结构的构件图，它可以用 来说明网站的体系结构。这个图虽然简单，但它已经描述出了当前大多数网站的体系结构。 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速网的远程实验教学系统的设计与实现 3 1 3 7 系统的设计 系统体系结构组件图 设计阶段应该与分析阶段交迭。一旦对自己所要构造的系统有了较多的认识，就应该开 始拟定设计思路。需求的获得在分析阶段不可能做到完全，需求总是不断地发展，而设计本 身有时也会推动需求的发展( 反之亦然) 。所有的开发者都在进行某种类型的设计一只不过 有些开发者直接以编程代码的形式进行设计。虽然这也能够完成任务，但它使得管理复杂工 程和在工作组之内分配任务变得非常困难。先花一点时间通过设计图构造系统模型，以后将 获得巨大的回报。 u m l 作为一个建模工具，如果使用得法，能够帮助我们轻松地构造出更好的网站。然 而，要设计出优秀的网站，关键仍在于要有一个好的设计原则或理念。 i u m l 包定义 对网站进行设计规划，很有效的方法是画出类图。下面显示了包含类图的j a v a 包。 i j f m t , 包 j s p 包将包含应用中所使用的全部j s p 文件。可将j s p 归并为三种类型： 显示 返回到浏览器界面 不显示的中间过程中间处理过程 错误错误返回 b e a n s 包将包含应用中所使用到的j a v ab e a n s ，用来同j s p 之间传递数据。 2 对象设计 b e a n s 包 中国科学技术大学硕士学位论文基于高速口网的远程实验教学系统的设计与实现 w e b 系统中同数据库进行数据传送用到“d b c o n ”类，这个j a v a 程序处理与数据库的 连接及对数据库的执行操作。 用于表示d b c o n 类图如图所示。 d b c o n d b d r i v e r ：s t r in g = ”s u n j d b c o d b c j d b c o d b c d r i v e r ” 口u r l ：s t r i n g = ”j d b c ：o d b c ：s e n t a s ” 舀c o n n ：c o n n e c t i o n = n u l l 妒。s t m t ：s t a t e m e n t 2n u l l o c s t m t ：c a l l a b l e s t a t e m e n t = n u l l o r s ：r e s u l t s e t = n u l l o t o t a i n u m ：i n t o a l1 p a r e n t ：v e c t o t 妒s e l f ：i n t o n a m e ：s t r i n g d b c o n ( ) e x e c u t e q u e r y ( ) e x e c n t e u p d a t e0 邮r e p a r e c a l l0 7 9 e t p a r e n t ( ) ? g e a r e n t i d 0 e t b a r e n t n a m e0 系统中所用到的j a v a b