（系统工程专业论文）基于NET的实验室教学管理平台的建模与实现.pdf

基于n 盯的实验室教学管理平台的建模与实现 摘要 随着现代化网络教育技术的发展，如何在网络环境下研究并建立一个 全面的、有效的、安全的、专业实验室教学管理平台，已经成为近几年教 学工作者所关心的热点问题之一。实验室教学管理平台将高校的实验室教 学和管理相结合，可以解决一系列长期以来困扰实验室教学管理人员的问 题，实现实验室教学资源的有效利用、优化配置和教学管理的现代化。 本文提出了一种实验室教学管理平台的系统模型。按照软件工程的建 模思想，采用面向对象的程序设计方法，运用u l ( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ，统一建模语言) 建立了系统模型的用例模型、静态结构模型、 动态行为模型、数据模型和物理模型。在建立这些模型的基础上，更加明 确了系统需求、系统的架构、系统对象的分类、内部交互关系及数据之间 的结构设计及关系，规范化的设计了实验室教学管理系统模型。本文分析 了i i s ( i n t e m e t1 1 1 f o 彻a t i o ns e e r ，网络信息服务) 、a s p ( a c t i v es e e r p a g e ) n e t 和数据库的安全性，采用存储过程实现了数据存储的安全， 并提出了适合本系统模型的安全机制。另外，在实验室教学管理平台系统 模型的基础上，利用a s p n e t 技术及a d o ( a c t i v ed a t ao b i e c t ) n e t 数 据库技术，结合实际实现了实验室教学管理平台。该平台提供了实验预约、 北京化t 人学顺i ：学位论文 实验室实验时间安排、实验教学、实验成绩管理、实验室设备管理等功能， 不仅能辅助实验室教师提高管理效率与质量、实现了管理工作的现代化， 还能为师生提供一个良好的、开放式的实验教学环境。 该模型提供了实验室教学管理的通用系统框架，以解决各高校实验室 教学管理系统相对孤立且不统一的问题。模型采用面向对象的编程方法， 可以根据各个学校的不同需求，灵活、便捷的添加和修改相应的功能模块， 以便使其能够适合各高校的实验室教学管理的实际特点。另外，本文设计 的安全机制能够从多方面有效的保证系统的安全性，采用的存储过程的数 据存储方式可对系统数据库的重要信息起到很好的保护作用。 关键词：网络教育，实验室，平台，预约，u m l ，a s p n e t u a b s t r a c t m o d e l i n ga n di m p l e m e n t a t i o no f l a b o r a t o r yt e a c h i n ga n d m a n a g e m e n tf l a tb a s e do n n e t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e mn e t w o r ke d u c a t i o nt e c h n o l o g y ； t h e r e s e a r c h e r sa r ep a 姐n gm o r ea t t e n t i o nt ot h ei s s u eo fh o wt or e s e a r c ha n d e s t a b l i s ha na l l r o u n d ，e 脆c t i v e ，s a f en a to ft e a c h i n ga n dm a n a g e m e n to f p r o f e s s i o n a le x p e r i m e n ti nn e 佃o r ke n v i r o 衄e n ti 1 1r e c e n ty e a r s t h e1 a b t e a c h i n ga n dm a n a g e m e n tp l a tc o m b i n e dw i t ht e a c h i n ga n dm a n a g e m e n to f 1 a b o r a t o 巧i nc o ll e g e ，i s a b l et or e a l i z et h em o d e m i z a t i o no fl a b o r a t o q t e a c h i n ga n dm a n a g e m e n t ， a i l da l s os o l v eas 嘶e sp r o b l e m ，w h i c hh a v e c o n 如s e dt h el a b o r a t o 叮m a n a g e r sf o ral o n gt i m e t h i st h e s i sp r e s e n t sam o d e lo fl a b o r a t o r yt e a c h i n ga i l dm a n a g e m e n tp l a t a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to fs o 行w a r ee n g i n e e r i n g ，i tu s e do b je c to r i e n t e d s o r w a r ed e s i 印a n dm e t h o d ，a 1 1 de s t a b l i s h e dm a n yt y p eo fm o d e l sl i k ec a s e m o d e l ，s t a t i cs t r u c t u r em o d e l ，d y n 锄i cm o d e l ，d a t am o d e la n dp h y s i c a lm o d e l i l l 北京化丁人学顾i ：学位论义 b yu s i n gu m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) b a s eo nt h i sm o d e l ，w eb e c o m e m o r ed e f i n i t e l ya b o u ts y s t e mr e q u i r e m e n t ，s y s t e ms t r u c m r e ，c l a s s e so fs y s t e m o b je c t ， c o m m u n i c a t i o no fi n s i d er e l a t i o n s h i pa n dd a t as t l l j c t l l r e t h e nt h e t h e s i sg i v e sa na n a l y s i so ft h es e c u t yo fi i s ( i n t e m e ti n f o n i l a t i o ns e e r ) ， a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) n e ta n dd a t a b a s e ，a n dd i s c u s s e st h es e c u r i t yo f d a t as t o r a g ei np a r t i c u l a r as e to fs e c u r i t ym e c h a n i s mw h i c hg o e sw i t ht h i s s y s t e mm o d e l i st h e nd e v e l o p e da r e rr e s e a r c h ，a n dt h ea r c h e t y p es y s t e mo f l a b o r a t o 呵t e a c h i n ga n dm a n a g e m e n ti sr e a l i z e db yu s i n ga s p n e tt e c h n o l o g y a n dd a t a b a s et e c h n o l o g yo fa d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t ) n e t t h e 如n c t i o n so f b o o k i n ge x p e r i m e n t ，a r r a n g e m e n te x p e r i m e n t ，t e a c h i n g a i l d e q u i p m e n t m a n a g e m e n to ft h i sa r c h e t y p es y s t e mc a nh e l pt e a c h e r so fl a b o r a t o r i e st o i m p r o v e t h e e f j 丘c i e n c y a n d q u a l i t y o ft h e m a n a g e m e n t ， r e a l i z et h e m o d e m i z a t i o no ft h em a n a g e m e n t ，a i l dp r o v i d eag o o da n do p e np r o f e s s i o n a l e x p e r i m e n tt e a c h i n ga n de x c h a n g ee n v i i o i n e n t t h ea r c h e t y p es y s t e mp r o v i d e sau n i v e r s a ls y s t e m 疗a m e w o r ks oa st o a s s i s tt h el a b o r a t o 巧t e a c h i n gm a n a g e m e n t ，a n dr e s o l v et h es 印a r a t i o na 1 1 d d i s c o i m e c t i o no fl a b o r a t o 巧t e a c h i n ga i l dm a n a g e m e n ts y s t e mo f c o l l e g e s t h e a r c h e t y p es y s t e mm a ya d da n dm o d i 矽s o m e 向n c t i o n sn e x i b l yi no r d e rt o a d a p tt ot h ea c m a lf e a t u r e so fl a b o m t o 叫t e a c h i n ga n dm a n a g 锄e n ti nc o l l e g e s i na d d i t i o n ，t h es e c u r i t ym e c h a n i s mc a ne n s u r et l l es e c u r i t yo ft h es y s t e m e m c i e n t l yi na l la s p e c t s ，e s p e c i a l l y t h ec l a s sb a s ew i t hs u c hd e v e l o p e d 如n c t i o n sa s e n c 叫p t i o na j l dd e c r y p t i o no fd a t as t o r a g ec a np r o t e c ts o m e i v a b s t r a c t s e n s i t i v ea n di m p o n a n td a t ai nt h es y s t e mp e r f e c t l y ： l ( e y w o r d s ：n e t w o r ke d u c a t i o n ， l a b o r a t o w ， n a t ， a p p o i n t m e n t ， u m l ， a s p n e t v 北京化t 人学学位论文原创忡声i 如 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：叁：! 磐 日期：作者签名：坠：! 兰芏日期： 关于论文使用授权的说明 啪毯。s ” 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 型垒玺 导师签名：主么遐叠日期：巡! 皇! ! 第一章绪论 第一章绪论 随着通信技术和计算机技术的发展，网络技术获得了巨大进步。计算机网络的迅 速发展很快运用于教育领域，网络教育随之而生，它为学生的学习提供了广阔的环境 和丰富的自由，拓展教学的空间，这些都是传统教学模式不可比拟的。 开发式实验教学管理系统是实验教学管理领域的重要改革途径和未来的发展趋势 j 。作为开发式实验教学管理系统的重要组成部分，网上实验室教学管理平台也逐渐 取代传统的实验教学管理模式，成为各个高校进行预约实验、辅助实验教学和实验室 相关管理工作的新型教学管理手段。 j 1 1 课题来源 本文所研究的课题来源于我校教学改革研究项目“关于实验室仿真平台、实验室 开放网上预约系统专项项目”。课题针对我校实验教学和管理的需要，致力于提高实 验室资源利用率、减轻管理人员的劳动强度、方便学生与实验室及教师之间的交互和 沟通，更好的满足教学实践的任务需要。 1 2 研究背景及意义 教育是立国之本，是国家发展的基石，为培养优良的人才提供了保证，国力是否 强盛，教育是一个非常重要的因烈2 1 。随着计算机和互连网技术社会的信息化程度越 来越高，教育业也必须适应这种发展趋势，增强适应能力和竞争能力，才能不断发展 壮大。作为高等院校，是高等教育的会培养高质量人才的土壤，一个高水平的大学首 先必须为学生创造好的更好条件，使他们得到更好的教育。现在社会对人才素质要求 日益提高，促使更多的人走进大学校园接受高等教育，这不仅使学校的教学工作繁重， 而且，对它提出了更高的要求，要求学校的工作越来越周到、全面高效。 国内传统的高等教育体系历来就存在着偏重理论、忽视实操性的弊端，大学毕业 生普遍“只会空谈理论，不能动手做事情”【3 j 。例如，以工业中常见的p l c 为例， 绝大多数自动化专业学生都只明白原理，却不懂得如何进行实际操作。正由于动手能 力非常差，离社会的要求存在着很大的差距。如何培养学生的动手能力，已经成为现 代化教育发展的关键问题之一。 基于以上问题，我校领导从0 5 年起尝试着从教师、教学内容和教学设施三方面入 手，以教学改革为切入点。教师方面，在保证教学质量的基础上，注重课堂教学和实 北京化t 人学顾l j 学位论义 践教学的结合，使学生在接受课堂教育的同时，受到必要的实践能力的培训，使理论 教学和动手能力并举；同时，注重操作技能的培养与理论理解培养的结合，注重理论 教学与实践教学的结合，构建合理的理论教学与实践教学的体系。教学内容方面，对 教学内容进行整合，突出教学的实践性，一切以培养学生掌握高新技术并能熟练运用 为出发点。教学设施方面，完善实验室资源，专业实验室向学生开放，突出培养学生 的实践动手能力。 然而，目前国内各高校对实验室的教学与管理，大部分都存在着实验形式和内容 要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾。我校也存在类 似情况。 首先，教学设施的完善需要资源资金大量投入。就自动化系来说，工业自动化的 装置普遍价格不菲，如：我校仿真实验室新配置的西门子d c s 系统就近百万。如果 要购置新的教学设备，资金的投入量就是一笔很客观的数目。另外，目前的设备、仪 器仪表普遍针对现场实际情况设置，例如大多数仪器仪表都具有抗干扰，抗震动、防 腐蚀等特性，但是这些功能实验室里都不需要，采购了这些装置，对装置来说，是一 种功能上的浪费，对学校来说，也是一种资源上的浪费。而且，自动化的设备技术更 新比较快，可能耗费几百万资金投入购置的实验装置过不了多久就被淘汰，但是科研 经费有限又使得实验室无法更新设备，于是学生在学校里学习实验的东西实际工业中 早已不用了，造成了教学与实践的脱节的尴尬局面。 因此，从实践教学的角度，从教育优化和资源合理利用的角度，在对各个高校教 育资源配置及利用率调研的基础上，我校仿真实验室利用仿真技术，自主开发了m p c e 实验教学系统( m u l t i 缸1 c t i o n a ls y s t e m 氨竹p r o c e s sa i l dc o n t r o le x p e r i m e n t ，多功能过程控 制实验教学系统) ，在保证教学质量，提高学生动手能力和创新意识的基础上，实现了 教育优化和资源合理配置的目的。 m p c e 半实物仿真实验系统的主要优点如下： 为学生提供了充分的动手机会，可以在m p c e 上反复进行开车，停车训练， 这是在真实工厂中难于实现的。 高质量的m p c e 仿真系统具有很强的交互性，使学生在仿真实习过程中能充 分发挥学习的主动性。 学生变为学习的主体。可以根据自己的具体情况有选择的学习。如：自行设 计不同的开、停车方案，试验复杂控制方案、优化操作方案等。 安全性。其一学生在m p c e 仿真系统上训练不会发生人身危险。其二使不会 造成实际设备破坏和环境污染等经济损失。 m p c e 半实物仿真实验系统的研制成功并投入实际教学工作虽然从一定程度上缓 解了教学实践中面临的问题。但对于实验室的管理工作，特别是在实验室实验时间安 排方面，传统的手工操作繁杂、效率低，无法满足实验教学现代化的要求，又带来了 2 第一币绪论 一系列新的问题。 首先，m p c e 半实物仿真实验系统负责每届大三学生的认识实习和生产实习及高 级过程控制实验和复杂过程与控制动态仿真实验这门课程的实验，教学任务庞大，实 验室的实验时间安排是很重要的工作，关系到整个学期的教学工作。面对这么一项复 杂而繁重的工作，实验室的时间预约却都是由手工完成，主要采用教师安排实验，学 生做实验，提交实验报告或者学生直接去仿真实验室登记预约等人工的方法。经常发 生老师安排了实验，但是与学生的时间发生冲突，学生无法完成实验，造成当天当时 机器空闲，但其实还有很多同学在等待做这个实验。而再次为这个错过实验时间的同 学安排实验又会影响别的同学已经安排好的实验时间。另外，在实验室设备管理方面， 如果机器突然出现故障需要检修，但这些信息都无法及时反馈给学生，如此都会给教 学工作带来种种不便。 其次，教师不仅要花费大量的时间组织实验，还需要给实验报告评分，登记分数， 统计考试结果。这些繁重的工作，传统的做法都是纸质完成，数据重复抄写，工作效 率低下，浪费大量的人力、物力和财力。而且，由于学校要求教务管理的信息化和网 络化，教师又要花费大量的时间把纸上的成绩登录到教务网上去，再次重复劳动，使 得每学期结束的时候，大量的时间浪费在一些机械的重复劳动上，使得工作效率低下， 影响教师工作的主动性。图1 1 是建立实验室教学管理平台之前和之后的预约实验流 程对比图，可以很明显的看出工作流程的简化。 另外，校园网的普及和网络教育的发展，为实验室教学管理平台的实现提供了有 利的条件。而其实现，为学校、教师、学生三方都提供很大便利。 对学校来说，优化管理体制，实现资源合理配置，节约更多的资金用于教学 及校园设旌；便于教务教学信息的快速传递和充分共享，提高职能部门的工 率，减轻教务人员工作负担；推动学校管理机制进一步完善，适应现代化工 要求，充分体现高校管理工作的先进性。达到了教育优化和资源合理利用的 目的。 对教师来讲，完善了对实验室的管理工作。利用校园网络，随时查看及修改 实验预约信息，以及其他任务安排，发布公告信息等相关内容，以供学生参 考，提高了工作效率。 对学生来讲，能够及时了解实验室可预约机器情况，合理的安排实验时间、 提高时间利用率，有利于培养学习的主动性和自主性，更好的完成学习任务。 综上所述，建设一套完整的实验室教学管理平台是非常有必要的。在充分保证教 学质量的前提下，可以最大化的发挥m p c e 仿真实验系统的优势，合理的利用教学资 源，优化资源的使用率。虽然我校各个学院已经陆续开展实验教学管理平台的相关研 究和建设工作，并且其中由一部分已经投入使用，但仍然存在以下不足： 平台之间相互独立，不具备通用性； 北京化t 人学颀i ：学位论文 平台设计模式固定，可扩展性差； 平台模块代码不能复用，重复性建设严重； 因此，研究、开发一套通用性强的实验室教学管理平台将成为今后实验教学管理 工作的趋势和手段。 否 建设实验室管理平台 之前的预约实验流程 图1 1 预约实验流程 f i g 1 - la p p o i n 蛐钮te x p e 咖蚰tn o w 4 学生网上预约实验 上 学生来实验室做实验 上 i 提交电子版实验报告 上 l 教师网上评阅 上 i 成绩自动录入数据库 建设实验室管理平台 之后的预约实验流程 第一章绪论 1 3 国内外发展状况 1 3 1 网络教育发展状况 网络教育起源于2 0 世纪6 0 年代，是计算机辅助教学网络化的产物。经过几十年 的发展，现已形成运用多媒体技术、数据库技术、网络技术等现代信息技术手段，建 立在1 1 1 t e n l c t 基础上的一种通过音频、视频及包括实时和非实时在内的通过计算机网 络技术为接收教育的人们提供学习机会和条件的一种教学形式【4 1 。目前，世界发达国 家十分重视网络在学校教育、社区教育、社会教育及职业培训中的应用研究1 5 j 。 我国的网络教育起步于2 0 世纪9 0 年代中期，其标志是1 9 9 4 年底开始建设的“中 国教育和科研计算机网( c e r n e t ) 的示范工程【6 】。我国政府一直对发展教育信息化和 教育手段现代化高度重视。1 9 9 7 年以来，教育部先后把清华大学、北京邮电大学、浙 江大学、湖南大学、中央广播电视大学、中国人民大学、北京大学等高等院校作为网 络教育试剧7 引。 这些网络教育学院的建立，为我国的高等教育注入了新的力量，必将对我国的高 等教育的发展起到巨大的促进作用。至今为止，国家教育部批准的网络教育试点高校 已有6 8 所，网络教育在我国已初具规模，形成了一定的网络教育模式。因特网和多 媒体两大技术在我国的成熟，使网络教学具有更大的潜力，在我国网络教学的发展具 有更好的前景。 与此同时，作为开发式实验教学管理系统的重要组成部分，网上实验室教学管理 平台也逐渐取代传统的实验教学管理模式，成为网络教育技术的重要应用领域之一。 1 3 2 实验室管理信息系统发展状况 实验室管理信息系统( l a b o r a t o 巧i n f o n n a t i o nm a l l a g 锄ts y s t e m s ，l i m s ) 是随着计 算机技术的发展而产生的专门用于实验室各类信息管理的网络化系统，是计算机技 术、管理科学与分析技术相结合的产物0 1 。最早的l i m s 思想出现在2 0 世纪七十年 代，目前l i m s 已经发展到了第四代。 1 国外实验室管理信息系统的发展状况 发达国家已经普遍在制药、石油、化工、环保、供水、医疗、采矿、冶金、检疫、 海关、烟草、酿酒、饮料、食品、商检、电力及教育和科研单位等行业应用l i m s 】。 目前国外有很多比较著名且功能较成熟的l i m s 产品，它们都通过了严格的检验，这 些国外的成熟软件大多能够由用户设置工作流程，能够很快地适应实验室业务的需 要。 国外研究型实验室采用了l i m s 系统后，有效地缩短了实验周期，降低了实验开 北京化工人学硕： ：学位论文 销，将科研人员从效率低下的重复性劳动中解放出来，以便更多地把精力放在关键问 题的解决上，总体上提高了对资源的利用率。针对教学实验的特点，美国维吉尼亚工 艺学院州立大学于2 0 0 1 年为其进行晶片生产教学的无尘实验室开发了一套l i m s 系 统。整个无尘实验室l i m s 采用c s ( c 1 i e n t s e 客户机服务器) 和b s ( b r o w s 酬s e r v 盯 浏览器月艮务器) 模式结合的方式，得到授权的教员和学生可以通过 网络访问实验数据。这套l i m s 选用了m ss q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ，结构化 查询语言) s e r v e r 数据库，服务器采用w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，工作站使用w i n d o w s2 0 0 0 p r o f e s s i o n a l ，系统通过m si i s 向互联网上的用户提供信息服务。 1 国内实验室管理信息系统的发展状况 国内对于实验室管理信息系统的研究力起步不久，基本上采用学习，紧跟国外先 进管理技术的方法。我国实验室软、硬件条件都普遍严重落后于国外，加上在实验室 建设方面的投入难以与国外的水平看齐，这些都束缚了l i m s 理论的发展和管理系统 的规模应用。目前我国已经出现了几个比较成形的l i m s 商业软件，但是它们所具备 的一些功能模块并不适应高校实验室的教学需求。所以，我国在高校实验室管理系统 方面的研究工作主要是由系统使用者自行设计和开发。 针对高等院校实验室的管理需求，北京大学、长春光学精密机械学院( 理论研究) 、 贵州工业大学( 理论研究) 、中南大学( 理论研究) 、清华大学、浙江大学( 联合开发 网络化分布式国家重点实验室管理信息系统) 、北京航空航天大学等高等院校进行了 一系列研究开发工作，在理论和实践上推动了高校实验室管理信息系统的发展【1 2 1 。 北京大学的高校校园网络环境下的仪器设备与实验室管理系统是在教育部高教司 的指导下开发的，旨在辅助北大资产管理部对全校仪器设备和实验室的管理工作。但 是系统没有考虑仪器设备与实验项目之间的联系，不能满足实验室设备新开实验项目 方面的需求。 清华大学开发的基于校园网的实验室管理信息系统可实现对实验室基本信息的管 理，加强了校内设备管理与交流，方便了与校外单位的交流，但是，该系统所管理的 信息没有涵盖实验室中不断变换的设备状态、维修历史、实验室实验时间安排等数据 内容，所以仍难以实现由手工转向计算机辅助管理的系统目标。 1 3 3 实验室教学管理平台发展状况 国内现已有部分高校正在研究开发或者已经开发并正在使用实验室教学管理平 台，经实践表明，该平台能使实验室实验教学效率和效果显著提高。作为本校“开发 式实验室”建设的一部分，本校的“信息类教学实验平台 面向自动控制、计算机、 信息类等专业，可以满足不同水平、不同要求的各专业学生的实验需求，也为师生们 开辟了一种新颖、有效的实验课程教学模式。在实验教学方面，该平台功能比较全面， 6 第一章绪论 实现了登录、实验介绍、选择实验、预约实验等功能，学生也可以通过网上预约自主 选择实验，但是该平台并没有涵盖实验室相关管理内容，如：实现实验室实验时间的 安排、实验室设备管理等功能，给实验室管理和实验预约工作造成不便，故仍有欠缺。 综上所述，尽管现有的实验教学管理平台不少，但真j 下涵盖实验室相关信息管理 的平台却不多：而且，在这些实验室教学管理平台当中，真正功能比较完备而且实用、 适合于高校教学型实验室的成型系统也屈指可数；另外，各个高校的实验室教学管理 平台相对独立，不具备通用性。所以，结合以上国内外研究发展状况的概况，可以得 出结论：结合高校辅助实验教学和实验室信息管理，并具有一定通用性的实验教学管 理平台仍有一定的可开发空间，存在很多要进行深入研究与探索的内容。 1 4 研究内容及创新之处 1 4 1 研究内容 随着网络教育的发展，为了达到优化教育、教育资源合理利用的目的，针对本校 实验室教学管理中存在的问题，引出了本课题。本课题研究采用面向对象的程序设计 方法，按照软件工程的建模思想，本着增强软件的可复用性和可扩展性的目的，对实 验室教学管理平台进行开发，保证软件开发进度和质量。 课题研究以实用为基本原则，解决实验室管理的需求为主要目标，考虑系统的通 用性，充分体现人性化、个性化。课题研究主要完成的工作有： 提出并建立了一种基于u m l 的通用性实验室教学管理平台的模型。 ? 完成了实验室教学管理平台模型架构和各个主要模块的设计和实现。 利用母版页和用户控件，通过页面继承类的方式实现了统一的页面式样和导 航系统。 完成了对模型安全机制的研究和不同角色访问权限控制的实现。 利用a s p ( a 以v e s c n ，e rp a g e ) n e t 技术及a d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t ) n e t 数据 库技术，采用s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 5 和s q ls e r v e r2 0 0 5e x p r e s s 开发工具构 建实验室教学管理平台。 完成了对实验室教学管理平台的实现及应用。 1 4 2 创新之处 本研究的创新之处如下。分别从平台的实用性的建模机制两个角度说明。 从实用的角度： 在实现优化教育和教学资源合理利用的基础上，开发了一个教师可以管理实 7 北京化t 人学硕i 二学位论文 验室设备和管理实验预约、管理实验成绩、教学管理、发布公告等功能；学 生可以查询实验室实验时间安排、预约实验、提交实验报告验、预习实验等 功能的实验室教学管理平台。 不仅支持在网络环境下，以学生自主预约为中心，而且支持以小组为单位的 协作预约，从而使教师和学生在教与学的过程中能够充分利用自主学习和协 作学习各自的优势，以期达到提高网络学习效率之目的。 有效的解决了实验室实验时间安排过程中可能出现的各种冲突，缓解了实验 室繁琐的管理工作和教学工作中遇到的问题。 从建模的角度： 提出并建立了一种通用性较强的实验室教学管理系统模型。模型可以根据各 个学校的不同需求，灵活、便捷的添加和修改相应的功能模块，以便使其能 够适合各高校的实验室教学管理的实际特点。 严格按照软件工程的思想，采用面向对象的建模方法，应用u m l 统一建模语 言分析和设计此系统，突出程序的复用性和扩展性的特点，为后续升级丌发 打下良好的基础。 建立了系统模型统一的安全机制，采取了身份验证、权限管理、数据保护等 多种安全措施保证系统模型安全。 完成了实验室教学管理平台的构建，并投入实际使用。 1 5 相关技术 1 5 1 瀑布式的开发过程 瀑布式系统开发过程是软件工程的基础模型。其核心思想是按工序将问题化简， 将功能的实现与设计分开，便于分工协作。采用结构化的分析与设计方法，将逻辑实 现与物理实现分开。瀑布模型规定了各项软件工程活动，包括：制定开发计划，进行 需求分析和说明，软件设计，程序编码，测试及运行维护，并且规定了软件生存周期 的各个阶段如同瀑布流水，逐级下落，自上而下、互相衔接的固定次序【1 3 彤】。如图1 2 所示。 第一章绪论 1 5 2 面向对象的技术 图1 1 2 瀑布模型 f i g 1 2w a t e r f a nm o d e l 面向对象的技术作为一种程序设计的方法，它具有很多优点。面向对象的方法要 求建立一个系统时，首先建立一组类，然后通过增加已有构件的功能或者添加新的构 件来逐步扩充系统，最后在建立一个新系统时，你还可以重用已经创建好的类，可以 大大削减系统开发的时洲1 6 1 。面向对象程序设计中的概念主要包括：对象、类、封装、 继承、多态性【1 7 1 引，通过这些概念面向对象的思想得到了具体的体现。 面向对象的开发过程主要包括面向对象的分析、面向对象的设计和面向对象的实 现。 面向对象的分析的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，建立软件系统的对象模型。 面向对象的设计的主要任务是根据已确立的系统对象模型，运用面向对象的 技术，进行系统软设计。 面向对象的实现的主要任务是将面向对象的设计直接翻译成用某种面向对象 程序设计语言的面向对象程序。 9 北京化工人学硕i l ：学位论文 1 5 3 统一建模语言u m l 统一建模语占( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 是一个通用的可视化建模语言， 用于对软件进行描述、可视化处理、构件和建立软件系统文档。它记录了对必须构造 的系统的决定和理解，可用于对系统的理解、设计、浏览、配置、维护和信息控制【1 9 。2 1 1 ， 是一种面向对象的分析和设计语言。u m l 模型主要包括事物、关系和图。事物是模 型中最有代表性成分的抽象，关系把事物结合在一起，图聚集相关的事物。u m l 中 事物可分为结构事物、行为事物、分组事物、注释事物；关系可分为依赖、关联、泛 化和实现；图包括类图、对象图、用例图、顺序图、协作图、状态图、活动图、构件 图和部署图。其结构如图1 3 所示。 类图( c l 嬲sd i a 孕锄) 展现一组对象、接口、协作和它们之间的关系。 对象图( o b j e c td i a 孕锄) 展现一组对象以及它们之间的关系，用以说明类图中所 反应的事物实例的数据结构和静态快照。 用例图( u s ec a s ed i a 黟锄) 展现一组用例、参与者( 一种特殊的类) 及其之间的关 系。 顺序图( s e q u e i l c ed i a 伊a m ) 是一种强调消息的时间顺序的交互图。 协作图( c o l l a b o r a t i o nd i a 乒锄) 也是一种交互图，它强调收发信息的对象的结构 组织。 状态图( s t a t ed i 卿) 展现一个状态机，它由状态、转换、事件和活动组成。 活动图( a c t i v i t yd i a 伊a n l ) 显示了系统中从活动到活动的流，它对于系统的功能 建模特别重要，强调对象间的控制流程。 构件图( c o m p o n e n td i a 黟锄) 描述代码构件的物理结构及各构件之间依赖关系。 部署图( d 印l o y m 即td i a g r 锄) 定义系统中软硬件的物理体系结构。它可以描述 计算机和设备，展示它们之间的连接，以及驻留在每台机器中的软件。 1 0 第一章绪论 图l - 3u m l 结构图 f i g 1 - 3t h es t l l t i l 鹏d i a 董乒锄o f u m l 第二章需求分析 第二章需求分析 本章主要从系统需求和用例模型两方面分析构建实验室教学管理平台模型。 2 1 系统需求 软件项目的需求分析是软件项目开发的基础，需求分析直接影响着软件项目产品 的质量，有效的需求分析是软件开发项目中关键的成功因素。软件系统的需求一般可 以分为功能性需求和非功能性需求。软件项目开发的最终目标在于满足系统的功能性 需求和非功能性需求【2 2 1 。功能性需求是系统需要实现的，提供给用户使用的具体的功 能。非功能性需求是为了满足用户对系统功能的需求，系统正常工作所应当具备的系 统的特定特性，如性能、安全性、可用性、可扩展性等等，功能性需求决定着非功能 性需求，非功能需求又影响着功能需求。软件项目的需求分析是在项目开发的第一个 周期内开始进行的。 2 1 1 系统功能需求 构建网上实验室管理平台模型的目的是为了建立高校通用的实验室管理平台，利 用计算机网络辅助高校实验室的日常教学管理工作，以提高教学质量和工作效率，因 此，该系统模型应具有以下功能： 用户登陆：用户分类进行登陆。 用户管理：对不同权限的用户信息进行管理。 实验室实验管理：根据教学任务制定本学期的实验课程计划。 实验室设备管理：对实验室的设备的基本信息、使用日期和维护情况进行管理。 成绩管理：对学生实验成绩进行评估和考核，并可记录和查询成绩； 考勤管理：记录学生的出勤情况，并可查询或警告。 。 预约实验：对实验进行预约，记录预约相关信息。 实验室实验安排：安排实验室的实验，排出时间表显示实验室实验的安排情况， 包括实验时间、实验设备等信息。 实验室教学：辅助日常的实验教学，提供一个教师授课、学生预习实验的良好的 实验教学环境。 系统管理：对系统数据进行备份、恢复管理 权限设置：出于对系统安全性的考虑，可设置系统使用权限。 1 3 北京化- t 人学颂i j 学位论文 2 1 2 系统非功能需求 软件产品的非功能需求是常常被忽视的一个重要方面。软件产品非功能性需求不 一仅决定产品的质量，而且还会影响到软件产品的功能需求的实现。所谓非功能性需求， 是指软件产品为满足用户业务需求而必须具有且除功能需求以外的特性。软件产品的 非功能性需求包括系统的性能、可靠性、可维护性、可扩展性和对技术和对业务的适 应性等【2 3 1 。作为一个教学应用系统，应具有以下的几个方面： 1 系统的性能指标 软件性能是软件质量优劣的一个重要指标。软件系统性能是指软件系统或构件对 于其及时性要求的符合程度。及时性用响应时间或吞吐量来衡量。响应时间是对请求 做出响应所需要的时间，系统吞吐量是指特定时间内能够处理的请求数量。本系统的 性能要求可以支持至少一门教师和学生的正常使用，可支持人数大于5 0 人同时在线。 响应时间较短，必须能够在用户期望的响应时间内为用户提供其需要的访问信息。在 线系统要求在用户按下回车键后的2 秒内产生结果。 2 系统的可扩展性 系统的可扩展性指系统对技术和业务需求变化的支持能力，能保证可持续增长以 满足用户需求和业务复杂性要求。对于教学系统来说，可扩展性是非常重要的。这种 扩展性就是，设计的教学系统，应该可以通过适当的调整而适应不同课程的教学需要， 并且为以后的系统升级留有空间。以便于在未来教学发展需要的时候，可以比较方便 地进行再次开发、扩充升级以改善或增加系统的功能。 3 系统的可靠性和安全性 系统可靠性是软件质量的关键因素之一，直接关系到教学的正常进行，因此从设 计之初就要考虑到这一点。系统在教学使用过程中，要求运行稳定，并具有一定的容 错功能，局部功能出现故障时候，不会影响其他功能，对用户的错误操作，有适当的 提示。 安全性是指系统能够通过信息的机密性，完整性和可靠性提供充分的保护来预防 风险，保障系统安全，是系统成功的基本要素。对于本系统的安全性要求主要是能够 阻止无论来自i n t e m e t 还是校园局域网内部的非授权用户，保护系统中的数据或基础 结构避免受恶意攻击或者盗用。因此，系统应提供身份认证、重要数据( 如用户的密码) 加密保护、存取控制等有效的安全机制。 4 系统的可维护性和可管理性 系统的可维护性是指在不影响系统其他部分的情况下具有修正现有功能中问题或 缺陷的能力。本系统在设计时应采用模块化的设计方法，方便系统的维护和扩展。客 户机和服务器应该采取b s 模式，这样系统的维护工作只需要在服务器端进行，不需 要在客户端进行任何的升级和维护。 1 4 第二章需求分析 系统的可管理性是指可以很方便地对系统进行管理。实验室教学管理平台有大量 的教学内容、学生信息需要发布、管理和维护。方便的系统管理、维护功能，可以及 时的处理系统信息，提高工作效率，对系统的正常运行至关重要。系统的主机是放在 学校的机房中，但是系统的管理员并不能2 4 小时在机房中，因此，系统应该具有进 行远程管理和监控的功能。 2 2 用例模型 统一建模语言u m l 推荐使用一种用例驱动的软件工程流程。用例驱动的分析方 法就是对用户的需求进行仔细分析，确定系统模型的参与角色，并将需求的功能抽取 为一个个的用例，对每个用例进行详细的描述，最终构造出系统模型的用例模型以及 用户界面原型、系统模型功能模块划分等【冽。构造用例模型和用户界面原型的过程室 一个反复迭代的过程，在迭代中不断的与用户进行交互，根据用户的反馈信息对模型 及界面原型进行修改。 2 2 1 系统模型的参与者 参与者是为了完成一个事件而与系统进行交互的实体，是与系统交互作用的外部 用户、进程和其他系统的理想化概念。参与者的特征是作为外部用户与系统发生交互 作用。在实际系统中，一个用户可能对应系统的多个参与者；不同的用户也可以只对应 一个参与者，从而代表同一参与者的不同实例【2 5 1 。 本系统模型的参与者主要分为三类：学生、教师( 包括任课教师和实验室教师) 、管 理员。系统用户需要先进行登陆通过相应的身份验证才能完成相应的系统功能。每个 用户的基本功能如下： 1 学生用户 学生可以在任意时间段预约实验，但是必须先授权登录后才能使用该预约系统。 学生可以通过选择日期查询自己想预约日期的预约情况，选择可预约时间进行预 约。 学生可以提交实验报告，并查询自己预约实验的实验报告成绩。 学生可以查询自己预约的实验。 学生可以查询相关实验及实验内容。 学生可以查询公告信息。 学生可以预习实验，下载实验信息资源。 2 教师用户 教学系统中教师作为教学管理者，需要使用的功能较多。主要有： 1 5 北京化t 人学顾l ：学位论文 教师可以添加或删除实验机器，可以规定任意机器的工作同期和维修r 期，并且 可以规定机器每天可预约的课程。 教师可以查看学生的预约情况， 教师可以给学生提交的实验报告评分。 教师可以标记并查询学生的考勤情况。如果学生实验