基于UML學習管理系統的軟件建模

摘要: UML是一種易于表達、功能強大的面向對象的標準建模語言，在信息管理系統開發中得到了廣泛的應用。本文在分析UML建模機制基礎之上，根據學習管理系統的軟件開發需求，以UML為建模工具，構建了學習管理系統的靜態結構模型和動態行為模型。

關鍵詞: UML學習管理系統軟件建模

學習管理系統是網絡教學系統中的重要子系統之一，它可以實現發送、報告和管理學習內容，了解、追蹤、分析和記錄學習者的學習情況與學習進度等功能。學習管理系統的應用提高了網絡教育學習管理的效率和水平，為學習者提供了良好的網絡化學習環境。然而，近年來，隨著網絡教育應用的不斷深入，學習管理系統的規模、復雜程度不斷增加，原有的學習管理系統暴露出許多缺點，如系統擴充不便、功能難以實現擴展、不利于軟件的重用等。因此，我們有必要對現有學習管理系統進行改造或開發新型學習管理系統。

現代主流軟件工程技術主張采用模型驅動的軟件開發方法。模型是現實系統的一個抽象，它提供了系統的藍圖，每個系統都可以從不同的方面用不同的模型來描述。所謂軟件建模就是構建軟件模型的過程，它是用戶與開發者之間最主要的溝通渠道，同時也是整個軟件系統開發過程中最重要的環節之一。

一、UML的建模機制

UML是由Rational公司三位著名的信息系統和面向對象方法學專家Grady Booch、James Rufnbaugh和Ivar Jacoboson聯合開發的面向對象的建模語言，1997年被OMG批準作為面向對象建模語言的標準。UML作為一種通用的標準建模語言，易于表達、功能強大，不但適用于任何以面向對象技術來描述具有靜態結構和動態行為類型的軟件系統，而且能夠應用于從需求規格描述至系統測試和維護等軟件系統開發的不同階段。因此，UML被廣泛應用于可視化描述和構造軟件系統，在信息管理系統的建模與開發中得到較為廣泛的應用。

作為一種建模語言，UML的定義包括UML語義和UML表示法兩個部分。UML語義用于描述基于UML的精確元模型定義。元模型為UML的所有元素在語法和語義上提供了簡單、一致和通用的定義性說明，使開發者能在語義上取得一致，從而消除了因人而異的表達方法所造成的影響。而UML表示法定義了UML的表示方法，為開發者或開發工具使用這些符號和文本語法進行系統建模提供了標準。

UML用模型來描述系統的靜態結構或動態行為特征，共定義了5種視圖，包含了9種描述系統的圖，可以從不同的視角為系統構架建模，從而形成系統的不同視圖。

1.用例視圖

用例視圖用于描述系統應該具有的功能集，強調從用戶的角度看到的或需要的系統功能，是對系統的抽象表示。用例視圖通常用用例圖表示，用例圖用于顯示若干角色，以及這些角色與系統提供用例之間的連接關系，主要從用戶的角度描述系統的功能，并指出各功能的操作者。用例圖有助于系統開發者與用戶進行交流，以獲取系統需求。

2.靜態視圖

靜態視圖用于對應用領域中的概念，以及系統實現有關的內部概念建模，靜態視圖包含類圖、對象圖、包圖三種圖。類圖描述系統的靜態結構，用于模擬保證系統正常工作的所有必要資源;對象圖描述系統在某個時刻的靜態結構，用于模擬資源的示例或事實;包圖用于描述系統的分層結構。

3.動態視圖

動態視圖包含以交互的名義對行為進行建模的圖，有順序圖、狀態圖、協作圖和活動圖。順序圖表示對象之間在時間和順序上的一種動態協作關系，主要目的是表現隨著時間推移發生在對象之間的交互情況;協作圖描述對象之間的交互關系，以及對象之間的聯系;狀態圖描述的是一個單獨的對象，在其生命周期中，由外部激勵所導致的狀態變化;活動圖顯示系統中從一個活動到另一個活動的流程，強調對象之間的流程控制。

4.構件視圖和配置視圖

構件視圖體現系統實現環境的結構和行為特征，用構件圖表示。構件圖描述系統的元素的組織，用于模擬實現視圖，是實際的軟件模塊。配置視圖體現系統實現環境的結構和行為特征，用部署圖表示。部署圖描述了環境元素的配置，并把實現系統的元素映射到配置上，它模擬的是硬件環境，圖上的每個節點都代表某種類型的硬件。構件圖和配置圖都是對面向對象系統的物理方面建模時使用的圖形。

從應用的角度看，當采用面向對象技術進行系統設計時，我們第一步應用用例視圖進行系統的需求分析;第二步根據需求建立系統的靜態結構;第三步是描述系統的動態行為。其中第一步和第二步都是靜態的，是UML的靜態建模機制，而第三步中所建立的模型，或者是可執行的，或者表示執行時的時序狀態和交互關系，是UML的動態建模機制。因此，標準建模語言UML的主要內容可以歸納為靜態建模機制和動態建模機制。

二、學習管理系統軟件建模過程

1.學習管理系統的需求建模

學習管理系統是一個開放的、基于Web的自動化信息管理系統。系統不僅需要具備教師對課程、作業、考試等進行的管理功能，而且要通過計算機網絡向分布在不同地理位置的學習者提供課程瀏覽、課程學習、資源搜索、在線作業、在線考試等服務功能。同時，系統還要充分利用數字化網絡學習環境，方便學習者通過異步討論和實時交流進行協作學習。

為了正確獲取用戶需求并方便與用戶溝通，我們可使用UML用例圖建立模型表示系統的詳細需求。用例圖描述一組用例、參與者和它們之間的關系。參與者用人形圖標表示，用例用橢圓符號表示，連線描述它們之間的關系。一般情況下，我們可以先給出頂層用例圖，然后根據用戶的要求，進一步細化用例，在細化過程中利用泛化關系、包含關系和擴展關系等對用例進行分解和組織。

學習管理系統的角色有三類:管理員、教師和學生。管理員使用該系統進行用戶管理;教師使用該系統對學生課程學習、作業、考試試題和學生成績進行管理;學生則可以使用該系統來進行課程學習、在線作業、在線考試和成績查詢。教師和學生還可以利用該系統進行在線交流、離線討論、查看學習記錄和查看系統信息等活動。每一種活動代表一個用例，這些用例還可以進一步細化，如課程管理用例可進一步細化為課程登記、開設課程、課程查詢等用例。整個學習管理系統頂層的用例圖如圖1所示。

2.學習管理系統的靜態建模

完成系統需求建模后，對用例的分析推導，我們可以畫出系統的靜態模型。靜態模型用類圖、對象圖、包圖來定義系統中類(對象)與類(對象)之間的關系。類是具有相同屬性、操作、關系的對象集合的總稱，通常在UML中用矩形表示。類圖是描述類、接口、協作和它們之間關系的圖，主要用來描述軟件系統的靜態結構。因此，類圖在靜態視圖中是必須的，也是最為重要的。對象圖與類圖比較一致，對象之間的鏈接關系表明類之間的關系。包圖由包和類構成，描述系統類與包的分層結構。類圖、對象圖、包圖共同組成對系統靜態視圖的描述。

學習管理系統中“課程管理”用例的類圖如圖2所示。

在“課程管理”用例中，有“課程類(Course)”、“開設課程類(CourseOffering)”、“人員類(People)”、“教師類(Professor)”、“學生類(Student)”、“學生登記類(StudentRegistion)”、“課程登記類(CourseRegistion)”等。其中，學生類和教師類是人員類的子類，學生登記類和課程登記類是開設課程類的子類。父類和子類之間的關系用三角符號表示，一般的聯系用連線表示。

除了一般類外，系統還定義了“課程信息表單(CourseInfoForm)”、“查詢課程表單(SearchCourseForm)”、“課程登記表單(CourseRegistionForm)”等接口類，可以分別為教師、學生、管理員提供課程登記、課程查詢、課程信息管理等功能。

3.學習管理系統的動態建模

在系統靜態模型的基礎上，我們需要分析和設計系統的動態結構，并建立動態模型。動態模型描述系統隨時間變化的行為，在UML中，動態模型主要是建立系統的交互圖和行為圖。交互圖包括時序圖和協作圖，而行為圖則包括狀態圖和活動圖。時序圖用來顯示對象之間的關系，并強調對象之間的設計順序，同時顯示對象之間的交互;協作圖主要用來描述對象之間的交互關系;狀態圖描述對象所有可能的狀態及引起狀態轉換的條件;活動圖是一種特殊形式的狀態機，用于對計算流程和工作流程的建模。

學習管理系統中“在線作業”用例的時序圖如圖3所示。

各構件之間的依賴關系。一個構件可能是一個源代碼、二進制文件或一個可執行文件構件。構件不僅包含邏輯類或實現類的有關信息，而且構件之間存在依賴關系，這種依賴關系有助于分析和理解構件之間的相互影響程度。學習管理系統中部分構件的構件圖如圖4所示。

圖4中，“學習管理”構件包括系統執行程序(LearningManagement.exe)、“課程管理”構件實現課程管理的動態庫(Course.dll)、“成績管理”構件實現成績管理的動態鏈接庫(Score.dll)、“作業管理”構件提供作業管理的動態庫(HomeWork.dll)等。另外，學習管理系統中還存在“考試管理”構件、“分組管理”構件等構件。“學習管理”構件通過接口依賴于“課程管理”、“成績管理”和“人員管理”等構件，而“課程管理”構件依賴于“課程”、“開設課程”等構件。

配置圖主要用于對系統的構件視圖建模，主要描述系統中各個物理組成部分的分布、提交和安裝過程。學習管理系統基于Web網絡設計，將數據庫服務器、應用服務器、學習管理系統的相應構件配置在不同的節點上。各個部分通過網絡相互通信，實現一個“瀏覽器/服務器”結構的分布式系統。

在學習管理系統的設計和開發中，UML可以用于設計和開發的各個階段，能夠從更高的抽象層次對系統進行調整和維護，從而可以快速實現系統的重構和修改，大大提高開發效率。

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