基于网络的计算机辅助教学系统的分析与设计.docx
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基于网络的计算机辅助教学系统的分析与设计
硕士研究生学位论文
题目基于网络的计算机辅助教学系统的设计与分析
学院（所、中心）软件学院
专业名称软件工程
声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云南大学或其他教育机构的学位或证明而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：
日期：
论文使用和授权说明
本人完全了解云南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文和论文电子版；允许论文被查阅或借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文；授权学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
研究生签名：
导师签名：
日期：
摘要
目前，高校中多媒体教学已经非常普遍，投影、幻灯、录音、录像、计算机等教学方式已经开始替换传统的黑板加粉笔教学模式，多媒体技术让课堂教学变得形象、生动，唤起学生对学习的兴趣，提高教学质量。
目前高校中运用比较好的是PPT课件，但多媒体教学的意义远大于此。
基于Internet网络的计算机教学辅助系统（CAI），是利用多媒体、计算机、网络等硬件优势，在多媒体教学的基础上，增加了多媒体课件、作业、测试等管理模块，实现网上作业解答、网络测试，可以随意查看学生作业完成情况、测试情况，实现无纸化教学；并对各种教学资源进行开发、整合，形成资源库、知识库，更好的进行知识累计，方便广大师生；BBS留言、实时对话等模块可以增进师生互动，提高师生感情，方便学生解决问题、困难。
计算机教学辅助是对教学方式的改变，打破了传统意义上的教师课堂教学的模式。
学生可以利用系统，实时查看课件、自定义测试、实时信息交流，进行主动的学习。
资源库、知识库等“网上图书馆”可以让学生更加方便的获取专业知识，提高学习效率。
计算机教学辅助系统可以建设成为一个实时的课件。
本文重点是基于网络的计算机辅助教学系统的可行性分析、业务分析、功能分析及功能模块的设计，在需求分析中采用了领域模型、业务流程图、用例图、实例描述分析表，在功能设计中采用了类图和数据库表格设计，同时也对CAI的理论知识作了一些介绍。
最后对本次研究进行了总结，并对系统以后的研究进行了展望，同时也希望对后续研究者有所帮组。
关键词：
计算机辅助教学系统CAI，系统分析，B/S架构,课件管理，知识库
Abstract
Multimediatechnologyispopularinhighschool,techerslikeuseprojection/slides/recording/video/computermorethanblackboardandchalk,becausemultimediamakeclassvividandimprovestudent’sstudyInterestingandthequalityofteaching.CurrentlyisusinggoodPPTcoursewareinCollege,butthesignificanceofmultimediateachingmuchmorethanthis.
InternetComputerAidedInstruction（CAI）,Useofmultimedia,computer,networkandsoonhardwareadvantage,Onthebasisofthemultimediateaching,Increasedthemultimediacourseware,assignments,andtestingofmanagementmodule,Toallsortsofteachingresourcesdevelopment,integration,formdatabase,knowledgebase,betterknowledgeaccumulated,facilitatethemajorityofteachersandstudents.BBSmessage,real-timecommunicationmodulecanpromotetheinteractionbetweenstudentsandteacher,improvetheteachersandstudentssentiment,convenientstudentssolveproblemsanddifficulties.
Computerauxiliaryteachingisateachingwaytochange,tobreakthetraditionalclassroomteachingmode.Computerauxiliaryteachingisateachingwaytochange,tobreakthetraditionalclassroomteachingmode.Database,knowledgebase,etc"onlinelibrary"canmakethestudentsmoreconvenientforprofessionalknowledge,improvethelearningefficiency.Computerauxiliaryteachingsystemcanconstructionbecomeareal-timecourseware.
Thispaperisbasedonthenetworkcomputeraidedteachingsystemoffeasibilityanalysis,businessanalysis,functionanalysisandfunctionmoduledesign,Thispaperisbasedonthenetworkcomputeraidedteachingsystemoffeasibilityanalysis,businessanalysis,functionanalysisandfunctionmoduledesign,Inthedesignofthefunctionoftheclassdiagramandthedatabaseformdesign.AtthesametimealsotothetheoreticalknowledgeofCAImadesomeisintroduced.Intheendthisissummarized,andafterthesystemstudyisforecasted,andatthesametime,alsohopetofollow-upresearcherstohelpgroup.
Keywords：
CAI,DesignAnalysis,B/SSchema,Coursewaremanagement,KnowledgeBase
摘要……………………………………………………………………………………………………..3
Abstract………………………………………………………………………………………………..4
第一章引言
1.1项目背景
随着高校教育改革的深入，除了对课程内容进行改革外，更重要的是对教学方式的改革，其中随着计算机的迅猛发展和日益普及，计算机辅助教学越来越成为教改中重要的一环[1]。
计算机辅助教学（CAI）是教师将计算机作为媒体给学生提供一个良好的学习环境,学生通过与计算机的交互作用进行学习的一种教学形式.CAI的兴起是整个教育界进行信息革命最具代表性的产物.如何让计算机辅助教学在高等教育中发挥更大的作用,是人们广泛关注的问题[2]。
1.2目的和意义
目前高校对信息技术的认识不少还仅仅停留在计算机、网络等硬件设备上，硬件固然重要，但要充分发挥其应用的作用，计算机辅助教学软件和网络必不可少。
而另一方面，符合高校需求的优秀教学软件却又少之又少，如何符合高校需求，这就要求软件设计者在教学实践和理论方面都有较深的研究。
目前教学软件都是非网络版的软件，这样不仅不利于教学管理、资源共享，而且时空受限，无法进行实时人机交互、人人交互。
目前高校都已经建立自己的网站、论坛，但学生、教师利用论坛交流还是很少，计算机辅助教学系统可以让学生、教师利用网络进行课件查看、评论，甚至考试，除了方便学生学习、教师教学，更是学习观念的更新、教学模式的变化。
1.3研究的内容
系统实现的主要功能有：
多媒体管理模块、测试管理模块、作业管理模块、信息交互模块、基础信息模块。
系统用户角色主要有系统管理员、学校管理层、教师、学生。
1.3.1多媒体管理模块
课件可以是PPT、WORD、Excel、TXT、JPG、PDF等格式的电子文档，也可以是AVI、RM、RMVB、SWF等格式的视频文档，系统需要支持以上格式的打开、播放等功能。
教师拥有课件的实时上传、修改、删除等权限，上传的课件必须符合国家相关法律；系统管理员需要对教师上传的课件进行审核，审核后才允许发布；学生拥有课件查看，查看后编辑意见、提问等权限，针对提问、意见，教师可以进行作答；学校管理层拥有查看、统计师生课件质量、使用情况、问答情况等，对师生、系统管理员有一定监督权力。
1.3.2测试管理模块
测试管理模块主要包括试题库管理、试卷管理、试卷自动生成、学生成绩管理等功能。
（1）试题库管理：
主要是教师对各自学科的试题管理，根据试题难易程度、试题类型进行分类，教师也可以自由的将试题共享给同类教师；
（2）试卷管理：
是对历史试卷、试卷答案进行管理、保存；试卷自动生成，根据教师要求系统可以自动从试题库中编排一定试题，组成试卷；
（3）学生成绩管理：
保存历史及现在学生的答题记录和试卷成绩，教师、学生只能进行查看。
1.3.3作业管理模块
作业管理模块主要是作业题库管理、作业管理、作业自动生成、学生作业管理等模块。
（1）作业题库管理：
教师在教学过程中形成的作业题库；
（2）作业管理：
历次作业及作业答案的管理；
（3）作业自动生成：
系统根据作业题库及教师要求，自动生成作业；
（4）学生作业管理：
保存生成的作业、答题记录、教师修改意见。
1.3.4知识百科模块
知识百科管理是指师生在日常积累的知识库，是学校日积月累的精华所在，知识百科可以是师生研究成果、毕业论文、报刊杂志、汇报总结、思想工作、科技文档等，学校师生可以在这里可以任意查看、下载资料。
1.3.5信息交互模块
信息交互模块主要包括：
即时通讯模块、留言板、人机交互模块。
（1）即时通讯模块：
学生、教师、管理层可以进行在线交流，历史信息可以在一段时间内保存；
（2）BBS留言板：
学生、教师可以向全体人员或者单独人员留言，留言有提醒功能，看到留言后回复；
（3）人机交互：
输入搜索词汇，计算机根据词汇对库中的信息进行搜索、解答，如无正确答案，可以再BBS留言板留言，以待解决。
1.3.6基础信息模块
基础信息模块主要是对学生、教师、管理层及帐户密码权限等基础信息进行管理的模块。
主要管理包括姓名、年龄、性别、出生年月、籍贯、专业、入学时间等信息的管理，教师还包括职称、教学学科、科研状况等管理。
学生对系统拥有查看、试卷测试、留言等权限，教师拥有添加、删除、修改课件、试题的权限，管理层拥有统计、查看等权限。
基础信息模块也具有公告等功能。
1.4研究方法
本文主要采用的研究方法有：
观察法、经验总结法、个案研究法。
（1）观察法：
本人主要对所在院校的师生进行了为期1年观察，多媒体教育已经相当普及，大部分教师都采用PPT进行教学，很多PPT做的生动有趣，但PPT及资料都存放于教师个人，教师之间沟通较少，资源共享率较低；而师生作业的交流也比较少，很多学生上交作业，教师批改后也不进行修正；考试间问题师生的沟通就更少了，学生考完试只知道自己的分数，而分数是如何获取的基本上没人知晓。
（2）经验总结法：
计算机辅助教学是对师生学习观念、教育观念的改变，让学生自主学习，让师生加强沟通;也需要学校层面的重视，需要加强师生的宣传教育，提高系统认知度；计算机辅助教学也是一个知识库、材料库、数据库的建设过程，实现信息共享。
（3）个案研究法：
针对计算机辅助教学系统，学院内几个老师、学生各抒己见，教师主要对测试、作业管理、资源库建设发表了看法，学生则对成绩管理、师生信息交互给予了不少意见。
1.5特色和创新
（1）研究方法的多样性。
为能够更好的完成该系统的分析与设计，本人结合自己学院及教学、学习经验，长时间观察学院师生情况，也对多个师生进行了研究，同时阅读了大量关于计算机辅助教学的文章、书本。
（2）研究成果的实用性。
本研究立足于目前高校的实际情况和国家教改的策略，在方便高校师生的同时，也对以后其他人的研究有一定的帮助。
（3）教学方式改革的促进。
计算机辅助教学主要是学习观念、教育观念的变革，通过对计算机辅助教学系统的实施和运用，对师生的观念有很好的促进作用。
第二章综述与相关工作
2.1综述
美国是进行计算机辅助教学研究和应用最早的国家，所以CAI的历史基本上是以美国CAI发展历史为主线。
CAI的发展大体上经历了五个阶段。
（1）1958-1965年。
这是CAI发展的初期阶段。
（2）1965-1970年。
这一时期的特点是研究规模扩大，并且将以前的研究成果投入应用。
（3）1970-1975年。
这一时期，CAI的应用范围不断扩大，并进一步趋向实用化。
（4）1975-20世纪80年代后期。
微型计算机进入教育领域之后，形成了极大的冲击，使之成为多种教育环境中的理想工具。
（5）20世纪80年代末以后。
多媒体计算机的出现，被称为计算机的一场革命，它具有能够综合处理文字、图像、声音、图形的能力，显示了计算机在教育方面的非凡才能，很快成为CAI发展的重要方向。
[3]
2.2相关工作
2.2.1UML语言和要素
本文主要采用UML进行分析设计。
UML（UnifiedModelingLanguage）是一种绘制软件蓝图的标注语言。
可以用UML对软件密集型系统的制品进行可视化、文档化、详细描述、构造。
UML是一种富有表达力的语言，可以描述开发所需要的各种视图。
UML可以描述任何类型的系统，具有很宽的应用领域。
最常见用于软件系统的模型，也可用于企业信息系统、银行和金融服务、电信、运输、国防航天、医疗电子、基于web的分布式服务等。
UML模型图由事物（Things）、关系（Relationships）、图（Diagrams）的构成。
事物是UML模型中最基本的构成元素，是具有代表性的成分的抽象；关系把事物紧密联系在一起；图是事物和关系的可视化表示。
UML包含4种事物：
结构事物、行为事物、分组事物、注释事物。
结构事物是UML模型的静态部分，描述概念或物理元素,它包括类、接口、协作、用例、构件、节点等几种元素。
类是具有相同属性相同操作相同关系相同语义的对象的描述；接口是描述元素的外部可见行为，即服务集合的定义说明；协作是描述了一组事物间的相互作用的集合；用例是代表一个系统或系统的一部分行为，是一组动作序列的集合；构件是系统中物理存在，可替换的部件；节点是运行时存在的物理元素。
行为事物是UML模型图的动态部分，描述跨越空间和时间的行为。
其中交互是实现某功能的一组结构事物之间的消息的集合，涉及消息、动作序列、链接；状态机是描述事物或交互在生命周期内响应事件所经历的状态序列。
分组事物是UML模型图的组织部分，描述事物的组织结构。
注释事物是UML模型的解释部分，用来对模型中的元素进行说明，解释。
2.2.2常用的UML模型图
2.2.2.1用例图
用例图用来描述软件需求模型中的系统功能，通过一组用例可以描述软件系统能够给用户提供的功能。
用例图可以作为整个系统开发过程中的开发依据，指导和驱动其他模型。
2.2.2.2类图
类图（ClassDiagram）是由类、相关建模元素及其关系构成的图，用来描述类之间的静态关系。
类图在系统中处在核心位，也是UML中最为重要的一种图。
在系统的不同开发阶段，类图可以具有不同的抽象程度。
随着开发的深入，类图应该越来越详细、具体。
类图不仅定义系统中的类，表示类之间的联系如关联、依赖、聚合等，也包括类的内部结构（类的属性和操作）。
2.2.2.3活动图
活动图是UML的动态视图之一，用来描述事物或对象的活动变化流程。
活动图描述了一组顺序的或并发的活动。
活动图可以用来描述工作流或者业务流程、工程组织、算法流程等。
[4]
第三章系统需求分析
3.1需求概述
3.1.1操作可行性
目前高校的教学模式已经基本脱离了传统的粉笔加黑板的模式，所有的教室都已经多媒体，教室里拥有电脑、投影仪等多媒体设备，每个老师都已经拥有笔记本电脑，对电脑中课件制作（PPT、WORD、EXCEL）都有一定的熟悉，这些都是计算机辅助教学系统很好的基础。
由于目前没有计算机辅助教学系统进行管理，所有的知识都只存在教师的个人电脑里面，没有能随机、灵活、全方位的知识展现，没有很好的激发学生学习兴趣，发挥学生认知主体作用，教师与学生的互动性也无法表现。
3.1.2系统的目标
基于网络的计算机辅助系统，利用网络的特性，可以将辅助教学更好的发挥，通过系统，教师可以达到：
（1）只要有网络，可以随时随地管理课件、资料信息；
（2）可以不带任何课件进行授课；
（3）通过查看学生测试信息，可以很好的了解学生的知识掌握情况；
（4）可以很好的跟学生进行互动；
（5）发布公告、活动等信息。
学生可以达到:
（1）可以随时随地学习，给予学生无限的学习空间和宽裕的学习时间；
（2）通过随机测试，实时掌握知识掌握情况，针对性、自主性的学习，提高效率；
（3）可以跟老师、同学提问、互动；
（4）可以发表课程看法，经验以供同学、老师参考；
（5）最重要的是通过以上可以将学生的学习积极性进行调动。
另外，学生、教师也可以通过查看系统知识库，方便的搜索有用信息。
3.1.3系统可能带来的影响
系统可能带来的影响，主要有以下几点：
（1）形成“以老师为主导，以学生为主体”，充分发挥学生主动学习的精神；
（2）通过课件等教学信息的有效组织和管理，提高教学素质；
（3）有利于培养合作精神和创新精神，发挥学生的发散性思维和创造性思维，从而为培养高信息时代所需要的新型人才。
3.2系统数据流图
3.2.1业务对象分析
业务分析是需求分析的原始阶段，业务需求分析主要工作有：
（1）首先提取系统的业务角色、业务实体（业务角色代表在系统中承担的角色，业务实体表示业务角色需要处理的对象），就是提取需求中涉及的名词，名词是组成系统的基本元素；
（2）分析业务实体间的关系，对于有共同属性的业务实体进行归类；
（3）分析业务角色和业务实体之间在执行业务时的关系，并用图列表示出来，进一步说明实现业务的工作流程，也用图列表示出来。
业务对象模型（也叫领域模型domainmodel）是描述业务用例实现的对象模型。
它是对业务角色和业务实体之间应该如何联系和协作以执行业务的一种抽象。
计算机辅助教学系统，对其主要涉及的业务对象进行分析如表1所示：
表1：
计算机辅助教学系统业务对象分析表
序号
对象名词
类别
1
EXCEL课件
实体
2
PPT课件
实体
3
WORD课件
实体
4
PDF课件
实体
5
视频
实体
6
Flash动画
实体
7
文本文件
实体
8
图片
实体
9
考试试卷
实体
10
试题库
实体
11
成绩
实体
12
日常作业
实体
13
作业库
实体
14
毕业论文
实体
15
研究成果
实体
16
汇报总结
实体
17
思想总结
实体
18
科技文档
实体
19
BBS留言版
实体
20
即时通讯
实体
21
人机交互
实体
22
学生
角色
23
教师
角色
24
系统管理员
角色
EXCEL课件、PPT课件、WORD课件、PDF课件、文本文件、图片属于电子课件，视频、Flash动画属于视频课件，都是课件的实例，课件是业务模型；考试试题、试题库都是测试的实例，测试是业务模型；日常作业、作业库都是作业的实例，作业是业务模型；毕业论文、研究成果、汇报总结、思想总结、科技文档属于知识百科，知识百科是业务模型；BBS留言版、即时通讯、人机交互属于信息交互模块，信息交互模块是业务模型。
计算机辅助教学系统的业务模型主要有：
课件、测试、作业、知识百科、信息交互模块，学生、教师、系统管理员、管理层等角色与模型通过泛化、依赖和关联等关系组成了系统的领域模型。
3.2.1.1课件业务
执行课件业务时主要关系描述如下：
（1）教师上传或编辑课件；
（2）管理员审核课件；
（3）学生、教师查看课件；
（4）课件主要包括PPT、EXCEL、WORD、FLASH、视频、文本文件、图片等类型；
（5）课件列表中显示课件信息。
采用UML表示课件的领域模型图，如图1所示：
图1课件领域模型图
图1中，课件管理是一个事件，代表上传、编辑、查看、审核，课件与PPT课件、EXCEL课件、WORD课件、图片、文本文件等是泛化关系。
课件信息用于描述课件的基础信息、大小、浏览次数等。
3.2.1.2测试业务
执行测试业务时主要关系描述如下：
（1）教师日常编辑试题库；
（2）系统根据教师要求通过试题库中自动生成试卷；
（3）教师调整自动生成的试卷；
（4）学生答题；
（5）教师批改，并生成学生成绩；
（6）学生查看成绩；
（6）试题列表中显示试题属性。
采用UML表示试题业务的领域模型图，如图2所示：
图2试题业务领域模型图
图2中，测试管理是一个事件，代表答题、批改、调整。
成绩管理也是一个事件，代表查看、编辑。
试卷属性用来描述试卷时间、难易程度、平均成绩等。
3.2.1.3作业业务
执行作业业务时主要关系描述如下：
（1）教师日常编辑作业；
（2）系统根据教师要求生成作业；
（3）教师调整自动生成的作业；
（4）学生完成作业；
（5）教师批改作业；
（6）学生修正错误；
（7）作业属性显示作业生成时间、要求完成时间、完成情况等。
采用UML表示作业的领域模型图，如图3所示：
图3作业领域模型图
3.2.1.4知识百科业务
执行知识百科业务时主要关系描述如下：
（1）学生、教师日常提交知识文档；
（2）管理员审核；
（3）学生、教师对知识文档发表评论、编辑错误；
（4）知识信息列表中显示知识信息。
采用UML表示知识百科的领域模型图，如图4所示：
图4知识百科领
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