（计算机应用技术专业论文）基于uml的网上实验教学系统模型研究与应用.pdf

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、安全的专业实验教学管理系统，已经成为近几年研究人员所关心的热点问题之一。 实验教学管理系统将高校的实验教学和管理相结合，可以解决一系列长期以来困扰实验 室管理人员的问题，实现实验教学与管理的现代化。 本文提出了一种实验教学系统模型。运用u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 建立了 系统的用例模型、静态结构模型、动态行为模型、数据模型和物理模型，并在这些模型 基础上，设计了系统模型数据库。本文分析了w i n d o w s 、i i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o n s e r v e r ) 、n e t 、a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ) n e t 和数据库的安全性，着重讨论了数据存 储的安全性。经过研究，提出了适合本系统模型的安全机制，利用a s p 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 数掘库技术，实现了实验教学原型系统。原型系统的预 约、排课、教学、管理等模块，不仅能辅助实验室管理者提高管理效率与质量、实现管 理工作的现代化，还能为师生提供一个良好的、开放式的专业实验教学和交流环境。 该原型系统提供一种辅助实验教学的通用系统框架，以解决各高校实验教学系统相 对孤立且不统一的问题。原型系统可以灵活、便捷的添加和修改某些功能，以便使其能 够更适合各高校的实验教学的实际特点。另外，本文设计的安全机制能从多个方面有效 保证系统的安全性，所开发的具有在数据存储中加密、解密功能的类库可对系统中涉及 的一些重要的敏感信息起到很好的保护作用。 关键词：网络教育；实验教学系统模型；预约；排课；u m l ；a s p n e t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g yc o n c e r n i n gn e t w o r ke d u c a t i o n ，t h e r e s e a r c h e r sa r ep a y i n gm u c ha 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 de s t a b l i s ha l l a l l r o u n d ，e f f e c t i v e ，s a f es y s t e mo ft e a c h i n ga n dm a n a g e m e n to fp r o f e s s i o n a le x p e r i m e n ti na n e t w o r ke n v i r o n m e n ti nr e c e n ty e a r s t h e e x p e r i m e n tt e a c h i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e m c o m b i n e dw i t ht h et e a c h i n ga n dm a n a g e m e n to fe x p e r i m e n to fc o l l e g e s ，i sa b l et os o l v ea s e r i e so fp r o b l e m s ，w h i c hh a v ec o n f u s e dt h el a b o r a t o r i a lm a n a g e r sf o ral o n gt i m e ，a n d r e a l i z e st h em o d e m i z a t i o no f e x p e r i m e n tt e a c h i n ga n dm a n a g e m e n t t h i st h e s i sp r e s e n t sam o d e lo fe x p e r i m e n tt e a c h i n gs y s t e m i te s t a b l i s h e sm a n yt y p eo f m o d e l sl i k eu s ec a s em 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 a m i cm o d e l ，d a t am o d e la n dp h y s i c a l m o d e lb 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 ) ，a n dd e s i g n st h ed a t a b a s eo fs y s t e m m o d e lo nt h eb a s i so ft h e s em o d e l s t h e nt h et h e s i sg i v e sa na n a l y s i so ft h es e c u r i t yo f w i n d o w s ，i i s ( i n t e m e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) ，n e t , a s p ( a c t i v e s e r v e rp a g e ) n e ta n d d 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 fd 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 m w h i c hg o e sw i t ht h i ss y s t e mm o d e li st h e nd e v e l o p e da f t 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 m o f e x p e r i m e n tt e a c h i n gi 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 ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g yo f a d o ( a c t i v ed a t ao b j e c t ) n e t t h ef u n c t i o n so fr e s e r v a t i o n ，a r r a n g e m e n t ，t e a c h i n ga n d 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 nn o to n l yh e l pm a n a g e r so fl a b o r a t o r i e st oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h em a n a g e m e n t ，a n dr e a l i z et h em o d e r n i z a t i o no ft h e m a n a g e m e n t ，b u ta l s oc a np r o v i d eag o o da n do p e np r o f e s s i o n a le x p e r i m e n tt e a c h i n ga n d e x c h a n g ee n v i r o n m 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 mf r a m e w o r ks oa st oa s s i s tt h e e x p e r i m e n tt e a c h i n g ，a n dr e s o l v et h es e p a r a t i o na n dd i s c o n n e c t i o no fe x p e r i m e n tt e a c h i n g s y s t e m so fc o l l e g e s t h ea r c h e t y p es y s t e mm a ya d da n dm o d i f ys o m ef u n c t i o n sf l e x i b l yi n o r d e rt oa d a p tt ot h ea c t u a lf e a t u r e so fe x p e r i m e n tt e a c h i n gi nc o l l e g e s i na d d i t i o n ，t h e s e c u r i t ym e c h a n i s mc a ne n s u r et h es e c u r i t yo ft h es y s t e me f f i 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 df u n c t i o n sa se n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o no fd a t as t o r a g ec a n p r o t e c ts o m es e n s i t i v ea n di m p o r t a n td a t a si nt h es y s t e mp e r f e c t l y k e y w o r d s ：n e t w o r ke d u c a t i o n ；m o d e lo fe x p e r i m e n tt e a c h i n gs y s t e m ；r e s e r v a t i o n ； a r r a n g e m e n t ；u m l ；a s p n e t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名 彩僻 日期：彩年r 月功日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 如傲 | 掳p 。 日期：彩年j 一月加日 日期：舔j 月易日 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 发展使之很快运用于教育领域，网络教学应运而生，它为学生的学习提供了广阔自由的 环境和丰富的资源，拓延了教学时空的纬度，这些都是传统教学模式不可比拟的。 开放式实验教学是实验教学领域的重要改革途径和未来发展趋势。作为网上教学系 统的一部分，网上实验教学系统也逐渐取代传统的实验教学管理模式，成为各大高校进 行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。开放式实验教学系统将成 为远程教学技术的重要应用领域之一。 1 1课题来源与选题背景 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一“网上专业实验辅助教学系统的 设计与实现”。该实验辅助教学系统作为一个子系统与其它三个子系统：专业课程资源 管理系统、课程教学信息获取系统、课程教学网站一同构成我校的网上教学系统。课题 针对我校弹性学分制模式下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，以更好的满足教 学实践的任务需求。 2 选题背景 目前，国内各高校对实验课的教学和管理，大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，特别是在实验选课、实验排 课方面，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。实验保障条 件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展、实验管理的进行和学生实践创新能力的 培养。从制约实验室管理水平的这些问题可以看出，造成实验室管理落后最主要的原因 就是管理手段落后。所以，在实验室管理中应当坚持以信息化带动标准化、科学化，最 终实现现代化的思路。通过推动信息化进程，建立完善的综合实验教学管理系统，利用 计算机的辅助管理将管理者从繁杂的手工劳动中解放出来，推进实验室的管理模式走向 现代化，促使实验室各项任务顺利、高效地完成。 目前，各大高校都在陆续丌展实验教学系统的相关研究和建设工作，其中有一部分 已经建好并投入使用。这些实验教学系统各有特色，能较好的解决常规的实验室教学管 理工作，而实验排课是实验教学管理工作中难度较大的一个子系统。它涉及到教学计划、 教师、场地、设备等因素，计算机处理难度较大，是一项复杂的系统工程。现有的排课 系统仍然存在以下不足f 2 】： 重复录用信息多： 不能保存每个学期的历史数据，不便于对以前的课表进行查询； 未提供用户的分级使用制度： 自动排课速度较慢： 排课因素考虑不全面，适应性差； 针对高校实验排课的系统较少。 所以，专业实验教学系统仍然需要一个通用性强、使用良好的实验排课子系统，以 更好的解决实验排课工作难的问题。因此，研究、开发网上实验教学系统可以缓解实验 仪器设备不足等问题，摆脱以往靠手工排课的繁杂劳动，解决已有的排课子系统的不足， 实现真正意义上的实验室教学管理自动化，为进一步加强实验教学，提升实验教学对学 生创新能力和实践能力培养的力度，同时降低实验教学对客观物质条件的依赖都有积极 的促进作用。基于网络的实验教学系统具有比传统实验教学更为灵活多样的表现形式， 在提高学生素质、促进实验教学技术手段创新发展等方面将发挥重要作用，必将有力地 推动教学内容与教学方法的深刻变革，是实验教学技术的发展方向。 1 2国内外研究发展状况 1 2 1 网络教育研究发展状况 基于w e b 的网络教学是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型教育形式。它 是利用现代信息技术和教育技术，创设计算机、卫星电视和现代通信相结合的网络环境， 综合运用多媒体和远程学习的支持服务，为继续教育的人们提供学习机会和条件的一种 教育形式。这种教学方式能更好地打破时空界限，提供个体化学习的环境和丰富的教学 资源，实现远程交互学习，并能有效地扩大教育范围，提高教学质量和效率【3 j 。目前， 世界各国对网络教育的发展给予了前所未有的关注，都试图在未来社会中让教育处于一 个优势的位置，从而走在社会发展前列。 1 国外网络教育发展概况 由文献 4 可知，目前世界发达国家都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和研究。 美国是目前远程职业培训规模最大的国家。4 4 的高等学校向全社会提供各种远程 教育，接受远程高等教育的学员约占全同制在校学员3 2 ，此外，还有2 1 的高校计划 在今后3 年内丌展远程教育。近年来美国高校远程教育课程建设快速发展，达到了5 4 万种，其中本科课程3 5 万种，研究生课程1 4 万种，非学历学位课程5 0 0 0 种。 英国的丌放大学是一种面向全社会、全世界的全方位丌放的大学。实行免试入学， 实行学历教育和终身教育相结合的办学机制，采用学分制。从小学教育到高等教育、研 究生教育，每个层次的教学内容都应有尽有。开放大学的教学以网络为基础，采用多媒 体教学环境，应用c a i 课件。 澳大利亚具有世界一流的、建立在网络上的、满足不同教育层次需求的现代远程教 育系统。澳大利亚教育机构设有一流的提供远程教育的t a f e 学院。在澳大利亚6 个州 和2 个领地共有8 5 个t a f e 学院和1 1 3 2 个校区。2 0 0 0 年，全澳洲共有1 3 0 万人参加 t a f e 学习，占全国总人口的7 1 。 2 国内网络教育发展概况 近几年，我国远程教育发展迅速，主要表现在以下几个方面： 办学规模迅速扩大。1 9 9 8 年9 月，教育部正式批准清华大学、北京邮电大学、 浙江大学和湖南大学为国家现代远程教育第一批试点院校。它标志着我国现代远程高等 教育f 式拉开序幕。从1 9 9 8 年教育部启动高等学校现代远程教育试点至今，全国已有 北京大学、清华大学、中国人民大学、上海交通大学、复旦大学、中央广播电视大学等 6 8 所高等院校成为现代远程教育试点单位。2 0 0 5 年，6 8 所试点高校中的6 4 所被允许在 当年继续招生f 5 】。学生注册人数从1 9 9 9 年的3 2 万增至2 0 0 3 年的9 4 9 万，到2 0 0 4 年网 络高等教育的注册学生数量已达2 0 0 多万。 网络学习环境正在逐步形成。各部委对现代远程教育工程投入加大，基础设施 逐步完善，初步建成了计算机网络和卫星网络相结合、覆盖全国城乡的现代远程教育网 络。仅以陕西远程教育为例，到目前为止，国家远程教育工程己覆盖全省7 1 个县区的 农村中小学，覆盖率为5 8 ，到2 0 0 7 年，将覆盖全省所有农村中小学【6 】。 专业与课程建设不断加强。教育范围涵盖普通专科、专科起点本科和研究生课 程、二学位、非学历培训等各个层次，上百个专业。目前开设专业达1 5 3 个，课程总数 1 8 万门。 网络教学资源建设进展较快。2 0 0 0 年7 月，教育部开始实施新世纪网络课程建 设工程，至今3 2 0 门网络课程已基本完成；2 0 0 3 年启动了国家精品课程建设工程，计划 3 年内将1 5 0 0 门课程资源上网。 以网络技术为基础的现代远程教育大大扩展了人们接受高等教育的机会和选择，正 在成为我国继续教育的一支重要力量。 1 2 2 实验室管理信息系统研究发展状况 实验室管理信息系统( l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n 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i 一，。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 己经发展到了第四代。 1 国外实验室管理信息系统的研究现状 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【7 】，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暨 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1 8 l 。整个 无尘实验室l i m s 采用c s ( c l i e n t s e r v e r ，客户机服务器) 和b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏 览器服务器) 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 0p r o f e s s i o n a l ，系统通过m s i i s 向互联网上的用户提供信息服务 ”。 2 国内实验室管理信息系统的研究现状 国内对于实验室管理信息系统的研究才起步不久，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( 实验室管理者) 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l ，o 】、长春光学精密机械学院i ( 理论研 究) 、贵州工业大学m 】( 理论研究) 、北京化工大学 1 3 1 、中南大学】( 理论研究) 、清华大学 和浙江大学5 】( 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6 】等单位进行了一些研究开发工作，在理论和实践上推动了高校实验室管理信息系统 的发展。 网络化分布式国家重点实验室管理信息系统是运行在c e r n e t 环境中的分布式信 息管理系统，它采用w w w + c s 结构，面向教育部领导，使有关领导能够掌握分布在全 国各高校的重点实验室的情况i i m 。该系统己在部分重点实验室得到了使用，但是因为它 在实验室业务管理方面做得不够，尤其是设备资产的管理和实验项目的安排等内容都没 有有效地实现，而这些没有实现的功能j 下是高校实验室工作的重点内容。 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_ 丌发的，旨在辅助北大资产管理部对全校仪器设各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，不能满足实验室在开课能力和资源评估 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 息没有涵括实验室中不断变换的设备状态、维修历史、实验课程安排等数据内容，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 2 3 实验教学系统研究发展状况 国内现已有部分高校i f 在研究开发或者已经开发并正在使用专业实验辅助教学管 理系统，经实践表明，该系统能使实验教学效率和效果显著提高。以上海大学为例，它 的“多媒体实验教学与管理系统”，作为该校“开放式实验室”建设的一部分，面向全 校各院系，如：计算机学院、自动化学院、机械学院、理学院，可以满足不同水平、不 同要求的各院系学生的实验需求，也为师生们开辟了一种新颖、有效的实验课程教学模 式m 1 。但是该系统的功能有限，仅仅实现了注册、登录、选课及课程内容、进度的管理， 并没有实现实验排课、实验室管理等功能。 为适应丌放式实验教学的需要，上海交通大学也建设了内容丰富实用性强的物理实 验中一i i , 教学网站，经过前后两次改版，在全国高校物理实验中心网站中具有较高水平m j 。 网站主要分为实验中心介绍、实验预习、实验仪器、实验选课、实验互动等几个部分。 学生通过网上选课栏目可以在自己合适的时i 剞选择自己喜欢的实验。实验中心选课系统 将所有实验项目丌放，这些实验项目主要包括基本训练物理实验、基础物理实验、综合 设计性物理实验以及近代物理实验选修课、近代物理实验方法等课程，学生可以通过网 上选课自主选择实验。在实验教学方面，该网站功能比较全面，可是并没有涵盖实验室 相关管理等内容，故仍有欠缺。 综上所述，尽管现有的实验教学系统也有不少，但真正涵盖实验室所有相关信息管 理的系统却不多：虽然现有的实验室管理信息系统种类繁多，但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却屈指可数；并且各高校的实验教学管理系 统相对独立，不具备通用性。所以，结合以上国内外研究发展概况，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系统仍有一 定的可开发空问，存在很多要进行深入研究与探索的内容。 1 3网络实验教学优点及发展趋势 网络实验教学有着传统实验教学不可比拟的优势，它可以使网络教育的教师和学员 能够更加有效地参与到教学活动中来，提高教学信息、教学资源的利用率，提高教学效 率、降低教学成本，适应我国办“大教育”的现状9 j 。基于w e b 的实验教学系统具有以 下一些优势和特点1 2 0 1 ： 基于w e b 的教学信息传播量大、信息传递速度快； 使教育形式突破了空间和时间的限制，扩大了教育范围，可以实现远程实验教 学和终生学习； 减少教师大量的重复劳动，提高教学效果和授课质量：资源共享，可以扩大受 教育的范围，并使受教育者有接受高效、优质教育的平等权利，提高教育质量； 教学方式由原来以教为主变为以学为主，突出个别化教学，增强学习内容的选 择性，使受教育者有更大的自主学习的权利，培养自学能力，提高学习效率； 方便教学过程，优化教学结构：实验教学系统突破了学习空间和时间的局限， 提供了师生异地同步教学和丌放的教学内容，有利于教育的资源共享，提高教学效率和 效益。 今后，网络教育在高等教育中将成为学历教育的主流、科研资讯共享的平台、个性 化教育的主体、技能培训的先导，网络教育在高等教育中将为终身教育提供一种宽松的 环境1 2 1 l 。同时，网络教育开发技术也将随着网络教育的发展而不断发展，呈现出组件化、 工具化、标准化、智能化的发展趋势m i 。 1 4研究目的及意义 1 研究目的 本文针对一个实际的教学改革课题进行研究，目的在于根据高校实验教学管理的特 点和实际情况，研究如何使用u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ，统一建模语言) 构架 科学合理的教学管理体系，设计和建立一个通用的实验教学系统模型，辅助实现各高校 的实验室日常业务、设备的全生命周期管理，实现实验教学的计划制定、课程安排、现 代化授课及信息管理，更新教学管理理念，减少教学管理成本，提高教学管理效率，最 终提高实验教学管理效益。最后，将该模型应用于我院实验室的教学管理工作，辅助实 现实验教学和管理的现代化。 2 研究意义 本课题的提出与完成，对如何在高校通过实施实验教学系统来规范实验室日常管 理、减轻管理人员的劳动强度、提高工作效率、促进实验室对外交流与信息共享、使实 验教学满足素质教育的需要进行一次很好的探索，为将来在各高校全面实施专业实验辅 助教学系统打下良好的基础。课题针对如何在管理基础较差、设备繁多、教学实验任务 繁重的高等院校，建立通用性强的实验教学系统模型进行了探索。加之课题所具有的学 科综合性，涉及管理学、系统工程、计算机技术、网络技术和数据库技术等多个学科领 域，因此，本课题具有一定的理论意义。 本课题针对各高校实验室的任务特点和实验室管理的需求，采用系统集成的方法建 立一个具有综合业务管理功能的实验教学系统模型。该系统模型的应用与实施将大大提 高实验教学的管理效率，将设备档案信息、设备维修信息、固定资产等信息集成起来， 并实现设备综合信息管理、实验课程信息管理、实验预约与确认、实验排课、学生成绩 评估等实验室业务的有机集成。出模型应用到具体的实验教学管理系统，能为申请预约 实验的个人提供交互界面，同时还可为实验互动教学提供良好环境，使实验室能够更好 地对外服务，为提高实验室管理效益、盘活国有资产、满足素质教育的需要提供强有力 的支持保障，具有较大的实际意义。 本文研究与丌发的实验教学系统模型不仅在理论上有一定的先进性，而且在实际应 用上也达到了实用化的阶段，经过一定的改造，它可以成为通用型的实验教学系统在各 高校全面推广使用。 1 5 研究内容及论文组织结构 1 系统概况 基于w e b 的实验教学系统模型是以辅助教师、学生进行实验教学，辅助实验室进 行相关管理工作的网络专业实验辅助教学系统模型。其中包括：教学计划制定、实验预 约、实验排课、实验教学、实验管理等。 2 本人主要工作和创新点 主要工作： 提出并建立一种基于u m l 的实验教学系统模型： 模型各主要模块的设计及其实现； 模型安全机制的研究： 应用模型实现我院的专业实验辅助教学系统； 系统测试。 主要创新点： 提出并建立了一种通用型的实验教学系统模型，有利于模块化和代码重用； 有效解决了排课过程中可能出现的各种冲突，实现了排课自动化，同时也可以 对排课结果进行手动调课； 建立了系统模型的统一安全机制，采取了身份验证、权限管理、数据保护、代 码保护等多种安全措施保障系统模型安全，创建了调用d p a p i ( d a t ap r o t e c t i o n a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，数据保护应用程序接口) 的类库，有效地保护了数据 存储安全。 3 论文组织结构 本文的章节安排如下： 第一章：绪论。介绍了课题来源与选题背景，陈述了国内外网络教育和实验室信息 管理系统的研究发展状况、网络实验教学的优点及网络教育技术的发展趋势，指出了研 究目的和意义。 第二章：相关技术分析。主要分析本文所涉及领域和研究内容相关的技术，主要包 括计算模式的发展、w e b 编程技术、w e b 数据库技术和u m l 技术。 第三章：模型设计。结合系统需求，采用面向对象的分析方法，利用u m l 建模工 具，建立了系统用例模型、静态结构模型、动态行为模型和物理模型，给出了系统的用 例图、类图、时序图、配置图等，并对数据模型进行了详细设计，分析了数据表索引的 设置和管理。 第四章：安全机制研究。对整个系统模型的安全机制进行了分析研究，并在此基础 上针对性地提出了具体的安全措施解决方案。 第五章：模型实现和应用。介绍了开发平台和开发工具，主要分析系统模型各模块 的主要存储过程和类的实现，并给出部分关键代码，应用模型实现了我院的专业实验辅 助教学系统，并对各主要页面进行了说明，最后进行了系统测试。 第二章相关技术分析 2 1计算模式的发展 信息技术的高速发展使计算模式不断更新。从单机时代的文件n 务器时代的共享数 据模式、客户机服务器时代的c s 模式，再到如今网络计算时代的b s 模式，计算模式 发生了巨大变化。 1 文件服务器结构 在f s ( f i l e s e r v e r ，文件月务器) 体系结构的应用软件中，网络以文件服务器为 核心，数据库和全部应用程序全部存储在文件服务器上，但应用程序的执行则全部在微 机工作站上进行，从而增加网络传输负担。这类软件由于受数据库性能以及f s 计算模 式的制约，其应用不能有太多的网络用户，也不能进行大数据量处理，一般不适合于在 大型企业应用。 2 客户机明日务器结构 c s 模式是一种将事务处理分丌进行的网络系统，服务器通常采用高性能的p c 、工 作站或小型机，并采用大型数据库系统，如o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 。 客户端采用p c 机，安装专用的客户端软件。在c s 模式下，通常将数据库的增、删、 改、查及计算等处理放在服务器上进行，而将数据的显示和界面放在客户端。其好处是 减轻了主机系统的压力，充分利用客户端p c 机的处理能力，加强了应用程序的功能。 c s 模式经历了两个阶段。第一代c s 系统是基于两层结构的，两层结构的c s 工 具仅能在各自的客户机和数据库服务器之阳j 使用，分割了界面和数据，使得客户机要管 理复杂的软件，导致“肥胖”客户机的产生。第二代c s 系统是多层c s 系统。这种系 统结构从客户机上取消了商业和应用逻辑，将它们移到中间层，即应用服务器上。客户 机上只需安装具有用户界面和简单的数据处理功能的应用程序，它负责处理与用户的交 互和与应用服务器的交互。应用服务器负责处理商业和应用逻辑，具体地说就是接受客 户端应用程序的请求，然后根据商业和应用逻辑将这个请求转化为数据库请求后与数据 库服务器交互，并将与数据库服务器交互结果传送给客户端应用程序。数据库服务器软 件根据应用服务器发送的请求进行数据库操作，并将操作的结果传送给应用服务器。虽 然三层c s 结构在两层c s 结构基础上改进不少，然而这两种c s 结构仍存在着很大的 局限性1 2 2 1 ： c s 结构的计算能力过于分散，网络中服务器和客户机的数目正发生“细胞” 分裂，使得系统的管理费用以几何级数的方式增长： c s 结构中数据库信息的使用，一般也只限于局域网的范围内，无法利用i n t e m e t 的网络资源： 在c s 结构中，无论多小的企业都必须安装自己的服务器，但是它们往往无力 购买高性能服务器和聘用专门人员进行相关管理和维护。因此，c s 结构不利于小企业 计算机应用的发展。 3 浏览器n 务器结构 b s 结构克服了c s 模式客户端多种程序所带来的企业资料的不一致性，而服务器 端的开放和基于标准的连接方案，大大加强了企业与外部的联系，同时，动态的、交互 式的信息发布改进了企业对客户的服务质量，增加企业的商业机会。 当企业网成为i n t e r n e t 的一部分之后，运行在客户端的应用软件将移植到服务器端。 客户端将不再需要应用程序，它们完全集中在服务器端，这将永久地简化实际应用，这 意味着用户完全可以通过浏览器来执行应用程序。同时，对诸如并行处理技术的支持也 会接踵而至，而它的数据库容量会变得越来越庞大。这些数据将统一集中在少数的大型 服务器上，而非大量的小型服务器上。如果将程序集中到服务器端，则情形大为不同， 可以使用低成本的网络，通过浏览器传递网上众多的数据，不再需要应用程序来完成客 户端与服务器端的通信，应用将以广域网而不是局域网为基础。其结构如图2 1 所示【2 2 】。 客户1 登录、动态f 载软件、运行 软件 客户2 客户3 麻用服务器 客户认证 权限管理 系统日志 系统监控 任务管理 与其它网络数据交换 业务逻辑软什 w e b 服务器 w w w 服务 s e r v l e t 数据访问_ 数据序 数据交换 其它网 络系统 图2 ib s 结构模型 逻辑上，它分成了四个层次：客户机、w e b 服务器、应用服务器、数据服务器。客 户端主要负责人机交互，包括一些与数据和应用关系的图形和界面运算；w e b 服务器主 要负责对客户端应用程序的集中管理；应用服务器主要负责应用逻辑的集中管理，即事 务处理，应用服务器又可以根据其处理的具体业务不同而分为多个；数据服务器则主要 负责数据的存储和组织、数据库的分布式管理、数据库的备份和同步等。在b s 结构中， 客户机的规模被压缩，成为一个简单的浏览器，应用逻辑被集中起来，置于一个或多个 服务器( 应用服务器) 上。总之，这种结构的特点如下： 分布式应用 以互联网技术为基础的b s 结构，通过应用服务器、数据库服务器的分布，前端客 户机的简化，解决了分布应用的问题。 跨平台应用 跨平台应用主要包含两种平台：操作系统平台、数据库平台。b s 结构通过应用服 务器的设计，在其上部署符合标准的应用逻辑部件，实现了应用的跨平台：由于应用逻 辑的集中，在服务器端可以选用诸多不同的硬件，可以使用各种网络操作系统、数据库 系统，而且以相当低廉的成本大大简化了管理工作。 容易部署和管理 若要升级程序的版本，那就在服务器端进行，因为它更有效且容易维护。在b s 结 构下，整个系统的管理、资源分配、数据库操作、业务逻辑部件的管理及动态加载等等 工作都集中于应用服务器。同时，由于工作集中，可以降低客户机的管理难度及客户计 算机配置。仅仅提高应用服务器及数据库服务器的品质就可以提高整个系统的运行效 率，从而有效地降低了应用系统部署和管理的难度。 2 2w e b 编程技术 1 a s p n e t 技术 a s r n e t 是m i c r o s o f t 推出的一种新的a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e ，动态服务页面) 技 术，它提供了一种统一的w e b 丌发平台，用于生成企业级w e b 应用程序和w e b 服务。 a s e n e t 是己编译的、基于n e t 的环境，可以用任何与n e t 兼容的语言( 包括 v i s u a l b a s i c n e t 、c # 和j s c r i p t n e t ) 编写应用程序。a s p n e t 完全基于组件的进行w e b 开发的，所有的页面、c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 对象乃至h t m l 元素都可被视为对象。另外，任何a s p n e t 应用程序都可以使用整个n e t 框架提供的 各种运行环境服务和技术优点，其中包括托管的公共语言运行库环境、类型安全、数据 访问、继承等，从而大提高丌发效率【2 3 l 。a s p n e t 可用于开发新的w e b 应用程序和w e b 服务1 】。 a s p n e t 包括了大量用于丌发w e b 应用的控件，这些控件可以分为四类：h t m l ( h y p e rt e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文本标记语言) 服务器控件、w e b 服务器控件、验证 控件和用户控件m l 。 h t m l 服务器控件：对服务器公丌的h t m l 元素，可对其进行编程。 w e b 服务器控件：w e b 服务器控件不只包括窗体类型的控件，而且还包括特殊 用途的控件。 验证控件：验证控件可用于检查必填字段，对照字符的特定值或模式进行测试， 验证某个值是否在限定范围之内以及其他目的。 用户控件：作为w e b f o r m 创建的控件，w e b f o r m 用户控件可以嵌入到其他 w e b f o r m 中。 a s p n e t 内置的对象主要有p a g e 、r e s p o n s e 、r e q u e s t 、s e r v e r 、a p p l i c a t i o n 、s e s s i o n 、 e x c e p t i o n 等七个对象。 p a g e 对象：w e b f o r m 网页在执行时会被编译成p a g e 对象，p a g e 对象可以用来 设置与网页有关的各种属性、方法和事件。 r e s p o n s e 对象：这个对象可以用来决定服务端在何时或如何输出数据至客户端。 r e q u e s t 对象：这个对象可以用来捕获由客户端返回服务器的数据。 s e r v e r 对象：这个对象提供服务器端最基本的属性与方法。 a p p l i c a t i o n 对象：当有多个浏览器同时访问网页时，这个对象可以用来记录不 同客户端共享的变量。 s e s s i o n 对象：这个对象用来记录客户端的变量。 e x c e p t i o n 对象：用于获取或设置发生错误的信息。 为了更有效地生成动态w e b 应用，a s p n e t 提供了一种新的w e b 应用程序编程模 型，即一种包括了逻辑代码和多种控件的w e b f o r m 。w e b f o r m 由两部分组成：视觉元 素( h t m l 、服务器控件和静态文本) 和该页的编程逻辑，其中每一部分都存储在一个单 独的文件中。视觉元素在一个a s p x 文件中创建，而代码位于一个单独的从p a g e 类派生 出来的类文件中，该文件称作代码隐藏类文件( a s p x v b 或a s p x c s ) 。虽然一个w e b f o r m 由两个单独的文件组成，但这两个文件在应用程序运行时形成了一个整体。项目中所有 w e b 窗体的代码隐藏类文件都被编译成项目动态链接库( d 1 1 ) 文件。w 曲窗体a s p x 页文 件也会被编译，但编译的方式稍有不同。当用户第一次浏览到a s p x 页时，a s p n e t 自 动生成一个派生于项目动态链接库中的隐藏类，用于表示该a s p x 页的n e t 类文件，并 将其编译成另一个d 1 1 文件。只要w e b f o r m 收到请求，此d 儿文件就会在服务器上运行。 在运行时，此d l l 文件通过动态创建输出，并将其发送回浏览器或客户端设备来处理传 入请求和响应。图2 2 说明了a sp n e tw 曲应用程序的设计和运行过程1 2 5 1 。 a s p n e t 为w e b 服务提供了一层抽象，负责处理各种例如：h t t p ( h y p e rt e x t t r a n s p o r t p r o t o c o l ，超文本传输协议) 、s o a p ( s i m p l e o b j e c t a c c e s s p r o t o c o l ，简单对象 访问协议) 、w s d l ( w e bs e r v i c e sd e f i n i t i o nl a n g u a g e ，w e b 服务描述语言) 等协议的 具体事项。这样可使开发人员不必专注于w e b