基于UML的輔助教學系統建模與實現

吳慧林

(馬鞍山師范高等專科學校，安徽 馬鞍山 243041)

21世紀，隨著現代教學模式的不斷改革，傳統的以教師為主導的教學模式不再適應當前的教學需求，如何將學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系統使用當前廣泛流行的UML(Unified Modeling Language，統一建模語言)建模技術，服務于高校師生，包括選課管理模塊、學籍管理模塊、考務管理模塊、成績管理模塊等模塊。UML的基本構造包括事物、關系和圖三個模塊，其中事物是指最有代表性的成分抽象；關系是指將事物結合在一起；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，首先需要描述系統需求，然后根據需求建立相應的系統靜態模型，構造系統的結構，最后補充系統的行為。本文采用面向對象的思想搭建輔助教學系統，以降低各模塊之間的耦合度，為后期的開發和維護減輕壓力。

1 系統功能模塊設計

根據系統需求，該輔助教學系統主要面向高校學生和教師，同時需要系統管理員進行信息維護和監督。因此，該系統的用戶角色分為學生、教師、管理員3種，主要包括7個功能模塊，即學籍管理模塊、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、教學資源管理模塊。學籍管理模塊用于管理學生在校期間所有的個人信息，包括學生檔案信息、學生校園卡流水信息、學生獎助學金信息、學生學歷學位信息、學生在校跟蹤信息等。同時，該模塊與學校財務系統、招生就業系統、學信網等系統互連，以保證信息的完整性和真實性。課程管理模塊負責管理高校每個學期所開授的課程。該模塊是后續學生選課、學生成績統計、教學質量評估等環節的數據來源。選課管理模塊是輔助教學系統的關鍵環節。考試管理模塊是高校教學任務正常運行的重要環節，是對學生的學習情況以及教師的授課質量進行考核的重要標準。成績管理模塊負責管理學生在校期間的考試成績，并提供相應的查詢、統計與分析的功能；根據學生的成績排名曲線為學生制定學習路線，同時為教師制定教學計劃和方案提供數據支撐。排課管理模塊根據開授課程的信息、學生學習計劃、教師授課任務、教室使用情況等因素，統一安排高校課程。該模塊可以最大化利用已有的教學資源，保障教學計劃的順利進行。教學資源管理模塊負責教學資源的發放和共享。為了適應疫情期間學生居家學習的現實情況，該模塊開放了學生和教師的互動窗口，允許學生和教師通過該模塊進行在線問答，促進學生和教師的交流。

2 系統詳細設計

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期教學計劃、管理開授課程信息、查詢開授課程信息、學期教學任務安排，如圖1所示。其中教學計劃制定模塊由系統管理員操作，系統管理員可以設定高校上課的年級、院系、專業、班級等信息，并根據學生自身制定的培養計劃生成學校公共的專業計劃和素質計劃。開授課程信息管理模塊亦由系統管理員操作，包括設定開授課程的起止時間、選擇授課教師、設定課程學時學分等。

2.2 排課管理模塊

排課管理模塊是該系統功能最多、最復雜的模塊，如圖2所示。該模塊中的管理員分為教務管理員和院系管理員，其中教務管理員可以對全校課程進行統一管理，可以根據學院信息等劃分排課校區、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。排課完畢后，學生和教師角色均可登陸系統查看排課結果，若教師角色有特殊原因需要對課表進行調整，需要填寫調課申請，待系統管理員審批后，方可進行局部調整，否則教師角色無權限操作排課系統。

3 系統實現

3.1 登陸模塊的實現

根據系統需求，系統用戶分為學生、教師、管理員3種。這3種角色使用統一的登錄頁面，在登錄頁面，用戶輸入賬號和密碼，前端JavaScript會驗證用戶數據，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發給后端邏輯代碼，進而與數據庫中的用戶信息進行比對。若用戶登錄信息合法，則根據用戶身份信息進入相應的用戶主頁；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 輔助教學系統登陸模塊時序圖

3.2 課程管理模塊的實現

圖4 輔助教學系統課程管理模塊時序圖

在該模塊中，教務管理員首先輸入自身管理員賬號密碼進入輔助教學系統，在其主頁面內，可以通過JDBC技術查詢學生培養方案中的課程設置信息，并對課程添加開課參數等(如開課院系、開課年級專業、開課學年、開課學分等)，最終生成開授課程的完整信息，這些信息是后續功能模塊的重要數據來源。當輔助教學系統中生成開授課程信息后，院系管理員可以登錄系統，進入教學安排頁面查詢開授課程的詳細信息，并且可以對每門課程配置相應的教學資源(如授課教師、授課教材、課后作業信息等)，最終生成開授課程的詳細通知單，隨后發送到學生用戶賬號。具體流程如圖4所示。

3.3 排課管理模塊的實現

在該模塊中，教務管理員首先登錄系統，進入排課資源管理頁面設置排課類別，此處的排課類別根據院系進行區分，不同的院系屬于不同的排課類別，教務管理員在該模塊可以對不同的排課類別設置不同的院系管理員和可安排的教學資源。院系管理員可以登錄輔助教學系統查看開授課程的詳細信息，并對排課數據進行局部編輯與微調，如設置排課時間段、課程優先級、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，系統進入自動編排界面，待自動排課結束后，教務管理員和院系管理員均可查看排課結果。為了保證排課的準確性，需要對排課結果進行沖突檢測和手動微調。具體流程如圖5所示。其中排課功能是一個多約束、多目標的優化問題，是典型的NP(Non-Deterministic Polynomial)非確定性完全問題，本系統采用遺傳算法來解決該NP問題。

圖5 輔助教學系統排課管理模塊時序圖

4 結束語

本文分析了當前高校教學模式改革需求，設計并實現了一套基于UML的輔助教學系統。該系統采用Java作為開發語言，以MySQL作為后臺數據庫，針對管理員、教師、學生3類目標用戶，分別完成了學籍管理、課程管理、選課管理、考試管理、成績管理、排課管理和教學資源管理等7個功能模塊。該系統打破了傳統教學模式的局限性，將大幅降低教師的教學和管理壓力，提高教師的教學效率和學生的學習效率，并為同類系統的開發提供借鑒作用。