基于UML的輔助教學(xué)系統(tǒng)建模與實(shí)現(xiàn)

吳慧林

(馬鞍山師范高等?？茖W(xué)校，安徽 馬鞍山 243041)

21世紀(jì)，隨著現(xiàn)代教學(xué)模式的不斷改革，傳統(tǒng)的以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式不再適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)需求，如何將學(xué)生與教師間的信息交流、信息管理等功能融合在一起成為一個亟待解決的問題。本文擬搭建的輔助教學(xué)系統(tǒng)使用當(dāng)前廣泛流行的UML(Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語言)建模技術(shù)，服務(wù)于高校師生，包括選課管理模塊、學(xué)籍管理模塊、考務(wù)管理模塊、成績管理模塊等模塊。UML的基本構(gòu)造包括事物、關(guān)系和圖三個模塊，其中事物是指最有代表性的成分抽象；關(guān)系是指將事物結(jié)合在一起；圖是指模型元素的圖形表示，包括類圖、用例圖和活動圖。使用UML建模，首先需要描述系統(tǒng)需求，然后根據(jù)需求建立相應(yīng)的系統(tǒng)靜態(tài)模型，構(gòu)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最后補(bǔ)充系統(tǒng)的行為。本文采用面向?qū)ο蟮乃枷氪罱ㄝo助教學(xué)系統(tǒng)，以降低各模塊之間的耦合度，為后期的開發(fā)和維護(hù)減輕壓力。

1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，該輔助教學(xué)系統(tǒng)主要面向高校學(xué)生和教師，同時需要系統(tǒng)管理員進(jìn)行信息維護(hù)和監(jiān)督。因此，該系統(tǒng)的用戶角色分為學(xué)生、教師、管理員3種，主要包括7個功能模塊，即學(xué)籍管理模塊、課程管理模塊、選課管理模塊、考試管理模塊、成績管理模塊、排課管理模塊、教學(xué)資源管理模塊。學(xué)籍管理模塊用于管理學(xué)生在校期間所有的個人信息，包括學(xué)生檔案信息、學(xué)生校園卡流水信息、學(xué)生獎助學(xué)金信息、學(xué)生學(xué)歷學(xué)位信息、學(xué)生在校跟蹤信息等。同時，該模塊與學(xué)校財務(wù)系統(tǒng)、招生就業(yè)系統(tǒng)、學(xué)信網(wǎng)等系統(tǒng)互連，以保證信息的完整性和真實(shí)性。課程管理模塊負(fù)責(zé)管理高校每個學(xué)期所開授的課程。該模塊是后續(xù)學(xué)生選課、學(xué)生成績統(tǒng)計(jì)、教學(xué)質(zhì)量評估等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)來源。選課管理模塊是輔助教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？荚嚬芾砟K是高校教學(xué)任務(wù)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況以及教師的授課質(zhì)量進(jìn)行考核的重要標(biāo)準(zhǔn)。成績管理模塊負(fù)責(zé)管理學(xué)生在校期間的考試成績，并提供相應(yīng)的查詢、統(tǒng)計(jì)與分析的功能；根據(jù)學(xué)生的成績排名曲線為學(xué)生制定學(xué)習(xí)路線，同時為教師制定教學(xué)計(jì)劃和方案提供數(shù)據(jù)支撐。排課管理模塊根據(jù)開授課程的信息、學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)劃、教師授課任務(wù)、教室使用情況等因素，統(tǒng)一安排高校課程。該模塊可以最大化利用已有的教學(xué)資源，保障教學(xué)計(jì)劃的順利進(jìn)行。教學(xué)資源管理模塊負(fù)責(zé)教學(xué)資源的發(fā)放和共享。為了適應(yīng)疫情期間學(xué)生居家學(xué)習(xí)的現(xiàn)實(shí)情況，該模塊開放了學(xué)生和教師的互動窗口，允許學(xué)生和教師通過該模塊進(jìn)行在線問答，促進(jìn)學(xué)生和教師的交流。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 課程管理模塊

圖1 課程管理模塊用例圖

圖2 排課管理模塊用例圖

課程管理模塊是選課、排課、成績管理等模塊的前提，其完整流程包括制定學(xué)期教學(xué)計(jì)劃、管理開授課程信息、查詢開授課程信息、學(xué)期教學(xué)任務(wù)安排，如圖1所示。其中教學(xué)計(jì)劃制定模塊由系統(tǒng)管理員操作，系統(tǒng)管理員可以設(shè)定高校上課的年級、院系、專業(yè)、班級等信息，并根據(jù)學(xué)生自身制定的培養(yǎng)計(jì)劃生成學(xué)校公共的專業(yè)計(jì)劃和素質(zhì)計(jì)劃。開授課程信息管理模塊亦由系統(tǒng)管理員操作，包括設(shè)定開授課程的起止時間、選擇授課教師、設(shè)定課程學(xué)時學(xué)分等。

2.2 排課管理模塊

排課管理模塊是該系統(tǒng)功能最多、最復(fù)雜的模塊，如圖2所示。該模塊中的管理員分為教務(wù)管理員和院系管理員，其中教務(wù)管理員可以對全校課程進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以根據(jù)學(xué)院信息等劃分排課校區(qū)、排課時間段、排課教師等；院系管理員只能參與本院課程的排課任務(wù)。排課完畢后，學(xué)生和教師角色均可登陸系統(tǒng)查看排課結(jié)果，若教師角色有特殊原因需要對課表進(jìn)行調(diào)整，需要填寫調(diào)課申請，待系統(tǒng)管理員審批后，方可進(jìn)行局部調(diào)整，否則教師角色無權(quán)限操作排課系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 登陸模塊的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)需求，系統(tǒng)用戶分為學(xué)生、教師、管理員3種。這3種角色使用統(tǒng)一的登錄頁面，在登錄頁面，用戶輸入賬號和密碼，前端JavaScript會驗(yàn)證用戶數(shù)據(jù)，若輸入格式不合法，會直接提示錯誤信息；若輸入格式合法，才會將用戶登錄請求轉(zhuǎn)發(fā)給后端邏輯代碼，進(jìn)而與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息進(jìn)行比對。若用戶登錄信息合法，則根據(jù)用戶身份信息進(jìn)入相應(yīng)的用戶主頁；若用戶登錄信息不合法，則提示用戶錯誤信息，并重新返回登錄頁面。具體流程如圖3所示。

圖3 輔助教學(xué)系統(tǒng)登陸模塊時序圖

3.2 課程管理模塊的實(shí)現(xiàn)

圖4 輔助教學(xué)系統(tǒng)課程管理模塊時序圖

在該模塊中，教務(wù)管理員首先輸入自身管理員賬號密碼進(jìn)入輔助教學(xué)系統(tǒng)，在其主頁面內(nèi)，可以通過JDBC技術(shù)查詢學(xué)生培養(yǎng)方案中的課程設(shè)置信息，并對課程添加開課參數(shù)等(如開課院系、開課年級專業(yè)、開課學(xué)年、開課學(xué)分等)，最終生成開授課程的完整信息，這些信息是后續(xù)功能模塊的重要數(shù)據(jù)來源。當(dāng)輔助教學(xué)系統(tǒng)中生成開授課程信息后，院系管理員可以登錄系統(tǒng)，進(jìn)入教學(xué)安排頁面查詢開授課程的詳細(xì)信息，并且可以對每門課程配置相應(yīng)的教學(xué)資源(如授課教師、授課教材、課后作業(yè)信息等)，最終生成開授課程的詳細(xì)通知單，隨后發(fā)送到學(xué)生用戶賬號。具體流程如圖4所示。

3.3 排課管理模塊的實(shí)現(xiàn)

在該模塊中，教務(wù)管理員首先登錄系統(tǒng)，進(jìn)入排課資源管理頁面設(shè)置排課類別，此處的排課類別根據(jù)院系進(jìn)行區(qū)分，不同的院系屬于不同的排課類別，教務(wù)管理員在該模塊可以對不同的排課類別設(shè)置不同的院系管理員和可安排的教學(xué)資源。院系管理員可以登錄輔助教學(xué)系統(tǒng)查看開授課程的詳細(xì)信息，并對排課數(shù)據(jù)進(jìn)行局部編輯與微調(diào)，如設(shè)置排課時間段、課程優(yōu)先級、教師特殊排課要求、單雙周要求等。在院系所有排課信息確定后，系統(tǒng)進(jìn)入自動編排界面，待自動排課結(jié)束后，教務(wù)管理員和院系管理員均可查看排課結(jié)果。為了保證排課的準(zhǔn)確性，需要對排課結(jié)果進(jìn)行沖突檢測和手動微調(diào)。具體流程如圖5所示。其中排課功能是一個多約束、多目標(biāo)的優(yōu)化問題，是典型的NP(Non-Deterministic Polynomial)非確定性完全問題，本系統(tǒng)采用遺傳算法來解決該NP問題。

圖5 輔助教學(xué)系統(tǒng)排課管理模塊時序圖

4 結(jié)束語

本文分析了當(dāng)前高校教學(xué)模式改革需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于UML的輔助教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Java作為開發(fā)語言，以MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫，針對管理員、教師、學(xué)生3類目標(biāo)用戶，分別完成了學(xué)籍管理、課程管理、選課管理、考試管理、成績管理、排課管理和教學(xué)資源管理等7個功能模塊。該系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，將大幅降低教師的教學(xué)和管理壓力，提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并為同類系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒作用。