【毕业学位论文】（Word原稿）基于遗传算法的交互式教学管理系统的设计与实现-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于遗传算法的交互式教学管理系统的设计与实现 姓名：马赛 学号： 1134830 所在学院：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师：金伟祖 副指导教师 ： 哈贵庭 二 一 三 年九月 A in 2013 马赛 1134830 金伟祖 贵庭 基于遗传算法 的交互式教学管理系统的设计与实现 马 赛 同 济 大 学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件 和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：马赛 2013 年 9 月 20 日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签 名： 马赛 2013 年 9 月 20 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 近年来，我国高校教育改革在不断推进，全国各大高校的教育竞争也越来越激烈，归根结底，这些竞争的重点是教学质量的竞争，教学质量的最终归结点是交互式模式的不断创新。高校教学管理系统是实现高校 交互的重要方式。因此，建立健全教学管理系统对于推进高校教育竞争具有重要的实际意义。宁夏司法警官职业学院从自身实际出发，提出了构建一套数据共享、覆 盖范围大、教学内容多样化、教学模式新颖和远程教学于一体的教学管理系统对于促进全校教学改革和提高招生竞争力方面具有很总要的社会意义和应用价值。 计算机数据高度共享化的课程整合教学模式是当今全球积极发展的教学管理系统属性之一。本文通过分析宁夏司法警官职业学院教学实际需求，为全校教师与学生交互教学提供了一个可借鉴的方法。交互式教学管理系统首次基于遗传算法将智能选课、教室查询、选修课自助调整和移动终端在线教学资源查询等移植到交互式教学管理系统的设计过程中，真正实现了全方位交互的目标。基于遗传算法的交互式教学管理系统 在功能上主要包括系统设置模块、智能选课管理模块、考试管理模块、教学资源管理模块、高级检索模块和成绩管理等基本功能。交互式教学管理系统在设计架构上基于 层架构，采用流行的 量级框架和基于 接口实现最终完成了在线和终端的双通道教学服务。 本文结合基于遗传算法的交互式教学管理系统的设计与实现，在软件工程理论的指导下，详细阐述了交互式教学管理系统的架构设计和功能设计。本文在详细分析了交互式教学管理系统需求分析的基础上，基于 宁夏司法警官职业学院建立交互式教学综合管理平台提供 了有效的方案，并在此基础上，重点研究了以下几个方面的内容。第一，遗传算法在教学资源管理和排课系统中的算法改造。第二，视频交互关键技术分析。第三，课程资源的高度共享技术。第四，移动终端设备的数据共享。第五，多用户交互下的安全管理技术分析。 关键词 ： 共享，交互式， 遗传算法， I n s in is in is of of is is an to a of is is in of to in of is of of to In by of XX a of in to of of of in of VC SH of on of of on of in II on of of ML to to on on in of on of of of of of 1 章 绪论 录 第 1 章 绪论 . 6 题研究的背景与意义 . 6 题研究背景 . 6 题研究意义 . 7 内外研究现状 . 7 文主要工作 . 9 文组织架构 . 10 章小结 . 11 第 2 章 关键技术 . 12 传算法概述 . 12 传算法定 义 . 12 传算法基本要素 . 12 传算法的基本运算过程 . 13 层架构设计 . 14 层架构概述 . 14 层架构的实现 . 16 于 教学资源发现机制应用 . 21 章小结 . 23 第 3 章 需求分析 . 24 统应用对象概述 . 24 统总体需求 . 25 统可行性分析 . 26 济可行性 . 26 术可 行性 . 26 统功能分析 . 27 键业务流程分析 . 28 务管理流程分析 . 29 堂交互流程图分析 . 30 绩管理业务流程图分析 . 32 系统用例图分析 . 32 统管理员用例分析 . 34 师用户用例分析 . 35 生用户用例分析 . 36 非功能性需求 . 37 本章小结 . 37 第 4 章 系统设计 . 39 体架构设计 . 39 统主要功能设计 . 40 统管理功能设计 . 40 试管理功能设计 . 41 同济大学 硕士学位论文 目录 V 于遗传算法的排课功能设计 . 42 籍管理功能设计 . 46 库管理功能设计 . 47 据库设计 . 48 户身份信息实体类 . 49 程信息实体 . 50 试信息实体 . 50 动评价信息实体 . 51 统数据库逻辑设计 . 51 章 小结 . 56 第 5 章 系统实现 . 57 于遗传算法的排课功能实现 . 57 素编码 . 57 色体 . 58 法初始化 . 58 传算法实现 . 59 应度函数设计 . 59 群操作 . 60 传算法伪代码 . 61 统功能实现 . 61 户管理实现 . 61 料管理实现 . 63 业管理实现 . 65 程排考实现 . 66 籍管理实现 . 68 试管理实现 . 69 绩管理实现 . 70 章小结 . 71 第 6 章 总结与展望 . 错误 !未定义书签。 结 . 72 望 . 72 参考文献 . 74 致 谢 . 77 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果 . 78 同济大学 硕士学位论文 基于遗传算法的交互式教学管理系统的设计与实现 6 第 1 章 绪论 题研究的背景与意义 题研究背景 近年来，我国高校教育改革在不断推进，全国各大高校的教育竞争也越来越激烈，归根结底，这些竞争的重点是教学质量的竞争，教学质量的最终归结点是交互式模式的不断创新。高校教学管理系统是实现高校交互的重要方式。伴随着计算机技术和软件技术的不断发展，我国教育教学系统依托软件技术的发展 进行计算机辅助教学具有重要的指导作用。 高校一直以来是全国培养高素质人才的场所。我国高校伴随着我国高校教育体制改革不断扩展，高校之间的竞争也在不断增加。这种竞争不仅来自学生评价的社会影响还有来自于市场就业需求的压力。现今市场就业是高校招生和教学的重要目标。高校生在下时间固定，高校必须提高自身教学效率，提高学生动手能力和知识创新能力，才能够真正将自身建立成全国一流的大学。高校只有通过不断改革教学模式，增强教学实力才能够从根本上提高自身社会影响力，培养出符合市场需求的高素质人才。 我国高校教育无论从授课模式还是 从辅助工具上都经历了一个从无到有，从简单到多样化的模式。交互模式的变革更多的体现了计算机软件技术和管理理论的执行程度。交互式教学最初是从手工板书发展起来的，伴随着我国计算机技术的发展，计算机辅助教学在大学校园中不断的应用。交互式教学的模式在高校教学实践中不断得到认可，借助先进的计算机软件技术和管理理论，融合视频技术、数据共享技术和网络技术建立多通道交互式教学管理系统已经是当今各大高校教学改革的重要出发点和落脚点。因此，建立健全教学管理系统对于推进高校教育竞争具有重要的实际意义。 宁夏司法警官职业学院正处于教 学改革的重要时期，交互式教学管理系统的建设是迫在眉睫的重要任务。学校校务会议一致通过建立符合当今学校发展的教学管理系统。学校在前期教学改革的过程中，建立了一些基本的网络教学系统和选课系统，这些系统相互独立，教师和学生信息资源存在严重的不对称性。教师和学生交互性基本不能实现。因此，宁夏司法警官职业学院建立统一的交互式教学管理系统是教学改革的重要组成部分。宁夏司法警官职业学院从自身实际出第 1 章 绪论 7 发，提出了构建一套数据共享、覆盖范围大、教学内容多样化、教学模式新颖和远程教学于一体的教学管理系统对于促进全校教学改革和提高招 生竞争力方面具有很总要的社会意义和应用价值。 题研究意义 交互式教学系统是从宁夏司法警官职业学院的教育教学改革实际出发设计和实现的交互式教学系统。交互式教学系统通过为高校提供教学学习平台，实现了全校教学资源管理、教学资源分配优化、网络教学管理和基于移动终端的资源查询等功能。计算机数据高度共享化的课程整合教学模式是当今全球积极发展的教学管理系统属性之一。本文通过分析宁夏司法警官职业学院教学实际需求，为全校教师与学生交互教学提供了一个可借鉴的方法。交互式教学管理系统首次基于遗传算法将智能选课、教室 查询、选修课自助调整和移动终端在线教学资源查询等移植到交互式教学管理系统的设计过程中，真正实现了全方位交互的目标。基于遗传算法的交互式教学管理系统在功能上主要包括系统设置模块、智能选课管理模块、考试管理模块、教学资源管理模块、高级检索模块和成绩管理等基本功能。交互式教学管理系统在设计架构上基于 用流行的 接口实现最终完成了在线和终端的双通道教学服务。 教学资源是教学管理系统处理的重要对象。交互式教学管理系统涉及的教学资源无论从资源种类上还是从存在形态上都有 很大的差异。交互式教学系统处理的对象不仅包括文字、图像、动画、音频、视频等基本应用形态还包括素材、试题、课程、讯息、教案、索引目录等跨平台共享资源。分析当今高校资源。这些资源成为离散、孤立的“信息孤岛，不能进行有效的互动，对教育、教学的有效性、及时性，处理师生互动、人境互动、情知互动、生生互动、上下级互动、各部门互动、校内外互动等互动关系缺乏支撑。 本人长期从事大学教学工作，充分认识到交互式教学管理系统在推动教学质量提高和学生学习积极性方面的重要作用。在本年度校务会通过建立交互式教学管理系统以来，本人积极 参与，并担任项目经理，通过多方面协商，争取建立一套完整的教学管理系统，从而提升大大提升了宁夏司法警官职业学院社会知名度和教育教学管理服务水平。为本校建立全国一流大学奠定了基础。 内外研究现状 交互式教学管理系统的建立是伴随着网络技术和计算机软件技术的发展不断进行变革发展起来的。从目前国内外教学管理系统的研究可以看出，交互式教同济大学 硕士学位论文 基于遗传算法的交互式教学管理系统的设计与实现 8 学管理系统是不断地将网络技术、计算机软件技术、教学理论、教学手段创新和教育教学模式不断地应用到电子设备中的过程。 以美国为代表的西方国家非常重视高校教学改革，他们依托先进的计算机 理论，不断地提出理论创新和技术变革。美国哈佛大学最早与哈佛大学合作，借助本校先进的管理理论建立了一套全方位的教学管理系统 统。这套系统涵盖了全校选课系统、网上学习系统和考试系统。但是这套系统尚未实现数据的跨平台应用，从而造成了较大的数据共享障碍。英国的剑桥大学也在2006 年充分认识到全球高校扩张的重要意义，他们主要从网络教学出发，建立了一套面向全球的视频播放教学系统，这套系统无法实现实物资源管理工作，因此现在是很多交互式教学管理系统在线学习的基础，并没有真正的引入到国内各大高 校中应用。 我国教学管理系统的建立也是个不断发展的过程，清华大学最早将选课系统推上了系统建设中。这套系统是清华大学自身研制开发的，但是在应用过程中也出现了并发不足等问题。这套系统将学生选课、排课系统、成绩管理、补考管理和教师评价管理建设在系统中，但是这套系统并没有真正实现在线考试、在线学习和教学资源管理。清华大学在线教学管理系统是当今应用范围最广的教学管理系统之一。 近年来，我国其他高校一方面在不断提炼自身的教学需求，另一方面借助第三方软件工资以及自身软件研发实力在不断地推出适合自身发展的教学管理系统。分析 这些教学管理系统我们可以看出，现代教学系统主要是从交互性的实现方式出发，不断借助网络技术真正实现了教学管理的智能化、一体化、专业化、综合化和电子化。从国内外教学系统的设计和实现案例我们可以看出，未来教学管理系统建设主要从下面几个方面出发实现的。 第一，数据高度共享。 高校学生资源是高校发展的重要资源。高校教学管理必须从教室资源、课程资源、作业资源、教师资源和试题资源出发，不断进行资源优化和数据共享，才能够真正实现学生和教师的统一管理，节约教学资源，提高资源利用率，让教师和学生在全新的环境中学习和创新。 第二 ，借助高速网络资源实现视频教学 视频教学能够合理完成教学资源调配，帮助学生在合理的时间完成学习。同时，视频教学还能获取时间效益。伴随着网络环境的不断提升，教学资源以视频的为传播方式能够更好的利用教师和学生的时间，实现因时施教、因材施教。视频教学的推广必须依托视频压缩技术和高速网络技术，让教师和学生能够更好地利用时间。 第 1 章 绪论 9 第三，真正体现交互性 教学质量的提高才是高校教学管理系统设计的最终目的。交互性是教学管理系统建设的最终手段。当今国内外应用的教学管理系统并没有真正体现交互性。交互性应该将教学授课、教师评价、成 绩公示、资源查询和在线交流等真正结合起来，保证高校实时同步地共享教学资源，让更多的教师和老师体验教学和学习的快乐。 第四，借助移动设备提高教学资源的利用率 智能手机的不断发展，为全校教师和学生提供了更多的在线工具。教学管理系统应该能够通过移动设备的推广更好利用教学资源，保证了教学资源的合理利用。基于 移动终端操作系统的开源为这种假设提供了可能。基于遗传的交互式教学管理系统通过无线数据的共享，为全校师生提供了可用的教学资源查询功能。 第五，将教学管理理论这种融合到教学系统中，解放劳动力 高校选课 等问题一直是困扰高校的重点难题，如何让教学选课变成自动化的过程是教学资源管理系统重点解决的问题。遗传算法的实现大大提高了交互式教学管理系统排课和资源利用率和准确度。 因此，从高校教学实际出发，利用计算机网络技术、软件开发技术、教学管理理论、多媒体技术和无线数据技术开发交互式教学管理系统是每个高校必须解决的问题，是未来高校竞争的重要工具。 文主要工作 计算机数据高度共享化的课程整合教学模式是当今全球积极发展的教学管理系统属性之一。本文通过分析宁夏司法警官职业学院教学实际需求，为全校教师与学生交互教学 提供了一个可借鉴的方法。交互式教学管理系统首次基于遗传算法将智能选课、教室查询、选修课自助调整和移动终端在线教学资源查询等移植到交互式教学管理系统的设计过程中，真正实现了全方位交互的目标。基于遗传算法的交互式教学管理系统在功能上主要包括系统设置模块、智能选课管理模块、考试管理模块、教学资源管理模块、高级检索模块和成绩管理等基本功能。交互式教学管理系统在设计架构上基于 层架构，采用流行的 量级框架和基于 接口实现最终完成了在线和终端的双通道教学服务。 本文结合基于遗传算法的交互式教学 管理系统的设计与实现，在软件工程理论的指导下，详细阐述了交互式教学管理系统的架构设计和功能设计。本文在详细分析了交互式教学管理系统需求分析的基础上，基于 宁夏司同济大学 硕士学位论文 基于遗传算法的交互式教学管理系统的设计与实现 10 法警官职业学院建立交互式教学综合管理平台提供了有效的方案，并在此基础上，重点研究了以下几个方面的内容。 第一， 遗传算法在教学资源管理和排课系统中的算法改造。 第二， 视频交互关键技术分析 第三， 课程资源的高度共享技术。 第四， 移动终端设备的数据共享。 第五， 多用户交互下的安全管理技术分析。 文组织架构 基于遗传算法的交互式教学管理系统从宁夏司法警官职业学院 教学实际需求出发，通过功能分析和非功能性需求，采用 模语言为宁夏司法警官职业学院提供了一款功能齐全、数据高度共享的教学管理系统。为了详细说明交互式教学管理系统设计与实现关键技术和应用方案，本文主要分为绪论、相关技术介绍、需求分析、系统设计、系统实现与测试和总结与展望六章。具体组织结构如下所示。 第一章 绪论。 本章主要详细介绍了基于遗传算法的交互式教学管理系统研究背景、课题研究意义、国内外研究现状、本文主要工作和组织结构等内容。 第二章 关键技术。 本章主要讲述了基于遗传算法的交互式教学管理系统在设计 与实现过程中应用的关键技术，为后续章节提供理论基础。 第三章 需求分析。 本章通过 角度详细介绍了基于遗传算法的交互式教学管理系统的功能性需求和非功能性需求。 第四章 系统设计。 本章详细介绍了交互式教学管理系统的架构设计、功能设计与数据库设计等内容。 第五章 系统实现与测试。 本章主要展示了交互式教学管理系统的功能实现、算法实现、系统应用介绍、测试概述和实现效果展示等。 第六章 总结与展望 第 1 章 绪论 11 本章主要详细总结了基于遗传算法的交互式教学管理系