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1、科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第一章 前言q科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现天津市南开中学 张汉泉摘要：为配合天津市南开中学科技创新体验中心的实验教学工作，设计开发了科技创新实验在线学习考察系统。本论文介绍了系统开发的技术背景，包括 ASP.NET 技术，C#语言，数据库软件 SQL Server 和三重架构的思想；阐述了系统的需求背景和需求分析；阐述了系统功能的设计与实现；详细介绍了系统的数据库结构。在论文的最后对我们做的工作的成果和不足之处进行了总结，对系统的应用前景作了展望。关键词：物理实验教学；在线学习考察系统；ASP.NET；C#语言第一章 前言信息技术和计算机网

2、络技术的迅猛发展是现代社会的重要标志之一，信息化已经成为人类社会经济发展的关键因素，这也使得我们的教育手段发生了很大的变化，各种在线教学系统应运而生，在线教学系统打破了教学过程的空间限制，使得学生可以在任意地点、任意时间进行自主学习，极大地方便了教学的实施。第一节 系统开发的背景及意义天津市南开中学 2011 年开始创建了学生科技创新体验中心，建立了现代工坊，传统工坊，量子信息实验室，4D 影像实验室，航模实验室，航天体验实验室，录音实验室等 7 个设备先进的实验室，这些实验室面向全校学生开设选修课程。这些实验的教学过程包括实验预习、实验操作、实验的总结三个阶段，实验的预习是其中一个重要的学习

3、阶段，这一阶段的学习效果关系到学生是否可以顺利地完成实验和实验的收获如何。开发科技创新实验在线学习考察系统就是为了帮助同学们进行实验预习和预习效果的检测，配合学生科技创新体验中心的教学工作。科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第一章 前言q学生科技创新体验中心的教学工作有以下两点特点：1、由于受到实验室场地和设备套数的限制，使得物理实验的教学安排需要分组轮换进行，这就意味着学生每周学习的内容都不同，对于某一个实验来说，每周的学生也都不同，这就要求我们的教学系统可以让学生自主选择学习的内容并进行测试；2、在实验成绩方面，学生的预习成绩也需要作为学期成绩的一部分计入学生的选修课成绩，故系统会

4、把学生的成绩写入数据库，由管理员进行调阅和维护。开发科技创新实验在线学习考察系统的意义体现在以下两个方面：1、该系统可以引导学生对实验内容进行预习，并对学习效果进行在线的考察，通过让学生在线做题，启发学生对所预习内容进行深入的思考，以保证实验预习的效果，做好实验的准备工作，考察结束之后将考察结果和正确答案信息提供给学生作进一步的思考检查；2、该系统允许学生将在预习过程中遇到的问题通过系统提交给对应的老师，老师登陆系统就可以知道学生所遇到的问题，方便教师进行有针对性的备课，并在课堂上进行有针对性的讲解。第二节 物理实验在线教学考察系统开发的技术背景目前比较流行的网络信息系统开发技术包括 ASP、

5、ASP.NET、PHP、JSP等，几种网络技术各具特色，在综合比较了几种网络信息管理系统开发技术后，决定采用 Microsoft 公司的 ASP.NET 技术和 SQL 数据库，并主要使用 C#语言开发物理实验在线教学考察系统。1.2.1 .NET 技术概述.NET 技术是新平台 + 标准协议 + 统一开发工具。它是为简化在第三代英特网的高分布式环境下的应用程序开发，基于开放互联网标准和协议，实现异质语言和平台高度交互性，而构建的新一代计算和通信平台。NET Framework 最主要用来产生一个可以用来快速开发、部署网站服务及应用程序的开发平台。它具有以下特点：科技创新实验在线学习考察系统的

6、设计与实现 第一章 前言q1、对因特网的标准做整合，以 XML（eXtensible Markup Language，扩展标记语言）及 SOAP（Simple Object AccessProtocol，简单对象存取协议）等标准通讯协议，将各种由不同环境所组成的应用程序及组件整合在一起工作。2、松散的整合组件，大多数可扩充功能的系统，现阶段是以异步讯息为架构而建立的。要建立这种多层的架构非常复杂，而且工具很少。.NET Framework 不需要很严谨的定义每个组件的结构即可很轻松的整合，这样可提高程序的延展性。3、支持多种程序语言，一个管理系统的解决方案可以采用使用多种语言来开发，这是因为每

7、种语言都有它的长处。例如某些语言对于数值计算效率较好，某些语言对于数据库的操作较为方便，而某些语言提供了大量的库函数可供使用，NET Framework 将不同的程序开发语言整合起来，支持使用不同的程序语言来开发解决方案。4、开发快速快，基于.NET Framework 开发管理系统，可以大大减少程序编写，而把重点放在处理数据的规则的指定上。5、很好的数据安全性，基于网络的数据管理系统所关心的最大问题就是它的安全性。要开发安全性完善的基于网络的应用程序，在设计时就必须考虑所有组件的保全设计，而不能仅做一部分而已。.NET Framework 在这方面对所有的数据与程序代码做到了完善的安全防护。

8、6、可以利用 Windows 操作系统的服务，Windows 提供了比其它操作系统更丰富的服务及资源，例如众多的数据存取服务、使用系统所提供的整合安全模式来做身分验证及保全的工作、交互式的使用者接口、成熟的对象模块、交易程序监视以及信息队列服务。.NET Framework 将这些操作系统所提供出来的功能加以包装，在开发过程中可以更简单的方式被使用。1.2.2 NET 平台上的开发工具Visual Studio.NETVisual Studio.NET 是.NET 应用程序的开发环境，是一个功能强大、高效并且可扩展的编程环境。Visual Studio.NET 拥有一个支持所有语言的统一的代码

9、编辑器，而对每种语言又支持特定的特性。编辑器有了很大改进，如字提示、递增搜索、代码大科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第一章 前言q纲、重叠文本、行号、分色显示和快捷键。编辑器还提供了许多特定于语言的特性，如它能在输入时完成原型和函数调用。除了编程语言，编辑器还支持HTML 文档、层叠样式表单，甚至 XML 的开发。事实上，XML 文档中的关键字，如 XML 声明和属性，已经通过颜色高亮度显示。而且，编辑器提供了源视图和数据视图。在数据视图中，文档的结构在左侧窗口中显示出来。当在这种层次中选择一个 XML 元素时，窗口右部的表显示它的子元素，使你能够挖掘它的元素数据。 Visual S

10、tudio.NET 另一个方便的特性是解决方案。一个给定的方案涉及到多个工程。解决方案像独立的工程一样，在解决方案窗口中进行管理。因此，可以访问、创建、编辑和删除为解决方案定义的任何工程中的单个文件。Visual Studio.NET 有许多新功能，它提供统一的集成开发环境，在同样的开发环境里可以使用 Visual Basic、Visual C#、Visual C+、Visual J和其它数十种编程语言编写、调试和部署各种应用程序。1.2.3 SQL Server 2000 数据库SQL Server 是使用客户机 /服务器（C/S ）体系结构的关系型数据库管理系统。目前使用最多的版本是 SQ

11、L Server 2000。SQL Server 2000 支持几乎各种类型的客户应用程序。SQL Server 提供了一组标准应用程序，可以用它们来管理服务器和修改数据，它提供了一组标准，如 Open Database Connectivty（开放式数据库连接， ODBC）,可以建立一个定制的应用程序来连接到 SQL Server，或者通过驱动程序连接可用的其它类型的关系数据库管理系统（RDBMS） 。SQL Server 2000 支持数据复制，支持合并复制这种新的复制方法。除了保持以前的特色外，SQL Server 2000 具有以下的一些新的特性和特点，这些特性扩展了 SQL Serv

12、er 2000 作为一种具有丰富开发环境的高性能相关数据库系统的能力。（1）SQL Server 2000 支持分布式事务处理。分布式事务处理是指几个服务器同时进行的事务处理。如果分布式事务处理系统小红任意一个服务器不能响应所请求的改动，那么系统中的所有服务器都不能改动。进行分布式事务处科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第一章 前言q理，所有的计算机都必须能响应请求的改动。否则所有请求的改动都会取消。（2）SQL Server 2000 在处理大量数据方面已做了很多改进。这使 SQL Server 2000 在管理大型数据仓库方面相当完美。数据仓库通常是一些海量数据，这些数据库包含了来

13、自于面向事务的数据库的数据。这些大型数据库用来研究趋势，这些趋势决非是一般草率的检查可以发现的。（3）SQL Server 2000 将 OLAP(在线分析处理工具 )服务内建于服务器中。这些服务称为 Microsoft Decision Support Services（微软决策支持服务） 。与市场上的其他服务器不同，用户不用再购买一个第三方的通常很贵的应用程序，降低了花费在 SQL Server 上的总费用（4）在硬件、软件、客户许可证、管理费用、开发所需费用方面，SQL Server 均比市场上的其它 RDBMS 要低。1.2.4 C#语言概述C#是微软公司为它的 Microsoft.N

14、ET 计划推出的核心编程语言，是一种功能强大、简单、面向对象的全新语言。C#几乎综合了目前所有编程语言系统的优点，它和 C/C+一样强大，和 Java 一样提供丰富的网络编程支持和自动内存管理，并结合网络技术发展的需要，增加了丰富的新特性和功能。C#无论在语法、丰富的 Web 开发支持，还是自动化的内存管理上都和 Java 非常相似，是开发 VS.NET Framework 应用程序的最好语言。C#语言限制了 C+中如指针操作、内存回收等不安全的操作，增强了开发出的系统的安全性；C#是面向对象程序设计语言，在 C#中不再有函数或过程，只有类的方法，是一种比较简单的程序设计语言，它面向实体的设计

15、可以用来构建从高水平的商务目标到体系标准为应用程序的范围宽广的组件。使用 C#编程语言，程序员能够迅速地建造提供充分开拓计算和通信的工具和服务的新的Microsoft .NET 平台。同时 C#语言的组成部分使用简单的 C#语言结构体，能被转换成 Web 服务，允许人们通过 Internet 调用在任何操作系统上运行的任何语言。C#的主要特征有以下几个方面。（1）C# 是开创性语言，C#是 VS.NET 的关键性语言，它是整个 VS .NET科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第一章 前言q平台的基础。与 C#相比，VS .NET 所支持的其他语言显然是配角的身份。比如，VB .NET、

16、Jscript .NET 和 C+ .NET 只是为了习惯使用这些开发的程序员而存在的，（2）C# 是功能强大的语言，在 C#中，除了可以使用许多的 API，还能使用 VS .NET 类库。特别是，以处理 COM 的自动化和 C 类型的函数。C#还允许调用无管理的代码，也就是在 CLR (Common Language Runtime)引擎控制之外的代码。这种不安全的模式允许用户操作原始指针来读和写内置碎片收集控制以外的内存。（3）C# 与 Java，VS .NET 平台将 C#作为其固有语言，借鉴了许多 Java 的技术规则。C#中也有一个虚拟机 CLR，它的对象也具有相同的层次。 C#可以

17、使用全部的 Win32 API。C#本质上是 C+的进化产物，使用了包括声明、表达式及操作符在内的许多 C+特征，但是 C#还有更多的增强功能，比如类型安全（type-safe） 、事件处理、碎片收集、代码安全性等。1.2.5 ASP.NET 的三层架构思想简述三层架构思想是 ASP.NET 技术的核心思想，如图 1.2.1 所示，我们把系统功能的实现分为表示层、业务逻辑层和数据访问层。用户界面层负责处理用户的输入和向用户的输出，但并不负责解释其含义;业务逻辑层是上下两层的纽带，它建立实际的数据库连接，根据用户的请求生成 SQL 语句检索或更新数据库，并把结果返回给客户端;数据访问层负责实际的

18、数据存储和检索。图 1.2.1 三层架构示意图下面以用户的登陆这一模块阐述我们对三重架构的理解。图 1.2.2 所示是用户的登陆界面，用户看到的是执行前台文件后在浏览器中的窗口界面，即表示层；用户在这里输入自己的用户名和密码，并选择登陆角色之后点击确定按钮，系统将会调用相应的后台文件，获取用户所输入的信息，并对用户选择的登陆角色进行一个逻辑判断，确定应该向哪张表进行确认，即业务逻辑层；系统进科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第一章 前言q行判断之后，将会建立与数据库的连接，向相应的表进行数据库的操作，即数据访问层；数据访问层会向业务逻辑层反馈一个值代表数据库操作是否成功，业务逻辑层会根

19、据数据库返回的值确定该传给 Sesson 什么参数以及调用什么样的前台文件执行下一步操作，至此登陆操作完成。在科技创新实验在线学习考察系统的每项功能的实现中，基本上都会用到表示层、业务逻辑层和数据访问层，三个层面共同配合完成本系统的各项操作。三重架构思想也是 ASP.NET 技术的一个核心思想，有待在应用中继续加深对该思想的理解。图 1.2.2 用户登录界面图科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第二章 系统需求分析和设计q第二章 系统需求分析和设计在物理实验在线教学考察系统的开发过程中需要对系统的功能需求进行详尽的调研和分析，调研和分析是系统开发的关键环节，它决定了系统开发的成功与否。在

20、此基础上对整个系统构成进行合理的划分和结构设计。本章将对这方面的工作进行论述。第一节 科技创新实验在线学习考察系统的需求分析本系统的设计初衷是为了配合南开中学科技创新体验中心的教学工作，为科技创新体验中心设计一个能让学生进行实验的在线预习和在线考察的网络应用系统。由于科技创新体验中心在实验教学安排方面有自己的特点，所以在进行系统设计之前有必要对基础物理实验教学中心的教学特点进行一下分析。科技创新体验中心承担着全校选修课的教学工作，涵盖了初中、高中的学生，教学对象很多，实验仪器又十分有限，所以科技创新体验中心将学生的物理实验分别安排在了不同的教学周中，每个时间段的学生又被分为若干个小组，每个小组

21、做一个实验，然后随着周次进行轮换，这样在学期结束的时候就能够保证每个学生都完成了全部的实验学习。我们经过对教学过程的实际参与体验、分析，认为科技创新体验中心的需求有如下特点：1、科技创新体验中心的教学安排比较复杂，体现在每个学生在不同周次所进行的实验学习不同，学生和教师的对应关系比较复杂，一名学生每周都要换老师和实验内容，一名老师每周面对的都是不同的学生；2、实验教学有一个特点就是实验预习是非常重要的，预习是学习一个实验的开始，也是非常重要的一个组成部分，这样学生才能了解实验的背景知识，才能了解实验的操作规程，才能带着问题做实验，能够在实验中真正有所收获，同时避免在实验中发生不必要的危险，这就

22、要求本系统在设计中要兼顾实验的预习和考察两个方面，同时考察也是为了通过题目引导学生进行思考，为实验的预习服务；3、本系统的首要目的是帮助学生进行预习，这一目的要求我们在对学生进行考科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第二章 系统需求分析和设计q察之后，要由系统自动进行判题，将考察结果反馈给学生，学生可以在系统里查询自己哪里做错了以及正确的答案应该是什么，这样学生可以在考察之后进行错误总结，达到提高预习效果的目的；4、在进行实验预习时，要求我们的考察方法不仅局限于客观题，还要加入主观题。对客观题由系统自动进行评分，对主观题由教师进行评分，同时，实验的预习允许学生有一些疑问，可以向负责该实验

23、的老师提交，负责实验的老师可以根据学生的疑问进行有针对性的备课，以便在实验课上解决学生的疑问，进行有针对性的教学，这对于提高实验课的教学质量有帮助。4、本套系统作为服务学校教学的一个子系统并不是孤立的，需要与学校教务管理系统进行衔接，有一些数据需要调用学校教务管理系统的数据库，所以我们在进行系统设计的时候会尽量增强系统的可维护性，为与其他系统地对接留接口。第二节 科技创新实验在线学习考察系统的结构设计通过前面的调研和分析，科技创新实验在线学习考察系统按照用户可以被分为：学生用户登录子系统、教师用户登录子系统、管理员用户登录子系统等三个子系统，系统结构如图 2.2.1 所示：图 2.1.1 系统

24、结构图每个子系统都有若干相关联的子功能模块组成。下面对各子系统和功能模块的结构和所需实现的功能，以及它们之间的关系进行具体的分析。2.2.1 学生登录子系统物 理 实 验 在 线学 习 考 察 系 统教 师 登 录子 系 统 管 理 员 登 录子 系 统学 生 登 录子 系 统科技创新实验在线学习考察系统的设计与实现 第二章 系统需求分析和设计q学生登录子系统是面向学生的子系统平台，主要包括查询考试记录模块、选择实验开始学习模块、选择实验开始考试模块、修改密码模块，如图 2.2.2 所示：图 2.2.2 学生登录子系统结构图各功能模块要实现的功能分别为：查询考试记录模块：考生在一学期中会有多个

25、实验要参加考试，同时学生提交考试结果之后，系统对客观题部分进行自动评分，主观题部分要由任课教师评分，这些评分都要反馈给学生本人，系统提供查询考试记录模块，通过DataGrid 控件将符合条件的考试记录罗列出来，方便学生对自己的考试记录以及系统的判分、老师的判分进行查询，掌握自己的学习程度。选择实验开始学习模块：这个模块主要体现了本系统的在线教学功能，该功能通过本系统与已有的学校网站配合完成，学生通过本系统的下拉列表选择要进行学习的实验，然后点击开始学习，系统会写一个脚本，调出一个新页并链接到科技创新体验中心网站的相关网页，学生可以进行预习，预习结束之后，学生关掉学习网页回到系统既可以进行其他的操作。选择实验开始考试模块：这个模块主要体现了本系统的在线考试功能，学生通作本系统的下拉列表选择要进行考试的实验，然后点击开始考试，系统会获取实验的信息并且作为参数传给创建考卷的文件，创建考卷的文件会从数据库中调出相应的客观和主观考题信息，创建一份考卷，学生进行不限时答题，答题之后系统会将客观题答案传给系统自动判分的类，返回客观题成绩记入数学 生 登 录 子 系 统 查 询 考 试 记 录 模 块 修 改 密 码 模 块选 择 实 验 开 始 学 习 模 块 选 择 实 验 开 始 考 试 模 块