广东轻工职业技术学院实验实训管理系统的设计与实现工程硕士学位论文1 精品Word格式文档下载.docx

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摘要

实验教学管理系统是按照教育部对实验教学示范中心的要求来建设的。

目前，教育部对其如何建设和建设的要求及标准现还没有提出具体规定，因此，实验教学管理系统的设计和开发具有一定的创新性。

本研究课题主要根据实验教学示范中心的建设目标需要，设计实现一个实验教学网络服务系统，实现实验室使用预约实验室，实现仪器资源共享、开放服务的实验教学平台，提高实验教学水平。

系统在软件方面采用采用面向对象和面向过程的方法，实现遵循组件化和模块化的原则，采用ASP.NET语言、Oracle数据库的技术，完成了系统主要功能分析和系统设计。

系统采用当前流行的MVC框架，减弱了业务逻辑接口和数据接口之间的耦合，整个系统基于三层的架构来实现。

由于系统处理的业务较多，业务之间有较大的差异，要协调各业务开展目前有一定的困难，因此，系统设计的重点在于保证在各业务处理流程上尽可能统一，通过制定数据文件格式、规则等方式，在保证流程统一的基础上，实现各业务的差异处理。

与此同时，本研究中对于实验课程的排课采用的是遗传算法来实现，对实验报告文件传输服务设计了实验报告传输服务客户端CFTP，经过测试整体性能达到要求。

本系统的开发遵循ASP.NET规范，采用由Web服务器、应用服务器和后台数据库形成的S/A/D三层结构，具备了大型机系统稳定、安全和处理能力高等特性，同时拥有开放式系统成本低、可扩展性强、开发周期短等优点。

实际运行结果表明。

系统具有良好的可靠性、服务开放性、示范性、较高的保密性和安全性的优适用于高等院校实验教学中心管理，能满足高等院校未来的业务需求和支持新业务的开展工作。

关键词实验教学，管理系统，ASP.NET，数据库系统

ABSTRACT

ExperimentalteachingmanagementsystemisinaccordancewiththeMinistryofEducationoftheexperimentalteachingdemonstrationcentertotheconstructionrequirements.Currently,theMinistryofEducationonhowtobuildandconstructionofitsrequirementsandstandardsarealsonospecificprovision,therefore,experimentalteachingmanagementsystemdesignanddevelopmentofacertaininnovation.

Thisresearchmainlybasedonexperimentalteachingdemonstrationcenterofthegoalofbuildingneeds,designedandimplementedanexperimentalteachingnetworkservicesystem,toachieveanappointmentforlaboratoryuse,theuseofbilling,appointmentinassurancesystems,collection,billingaccuracyandtimelinessofthepremise,therealizationoflaboratoryequipmentusedinmanagement,resourcesharingdevices,openservicesplatformfortheexperimentalteaching,toimprovetheexperimentalteaching.

Systemsoftwareusingobject-orientedandprocess-orientedapproach,enablecompliancewiththeprinciplesofcomponent-basedandmodular,usingtheASP.NETlanguage,Oracledatabasetechnology,completedthemainfunctionsofthesystemanalysisandsystemdesign.SystemusesthepopularMVCframework,weakenedthebusinesslogicinterfaceanddatainterfacebetweenthecoupling,theentiresystemisbasedonathree-tierarchitecturetoachieve.

Becausethesystemhandlemorebusiness,therearelargedifferencesbetweenthebusiness,tocoordinatethebusinessdevelopmenttherearecertaindifficulties,therefore,focusonsystemdesignistoensureallbusinessprocessesinauniformaspossible,throughthedevelopmentofdatafilesformat,rules,etc.,toensureaunifiedprocessonthebasisofdifferencesintheachievementofthebusinessprocess.

DevelopmentofthissystemfollowstheASP.NETstandard,usedbyWebservers,applicationserversanddatabaseformationofS/A/Dthree-tierstructure,withamainframesystemstability,securityandhigherprocessingpowercharacteristics,havebothopensystemslowcost,scalable,shortdevelopmentcycleandsoon.Theresultsshowthattheactualoperation.Systemhasgoodreliability,serviceandopeningup,exemplary,highconfidentialityandsecurityoftheadvantagesofexperimentalteachingcenterforhighereducationmanagement,highereducationinstitutionstomeetfuturebusinessneedsandworktosupportnewbusiness.

KEYWORDSExperimentalTeaching，MIS，ASP.NET，DatabaseSystem

第一章绪论

1.1课题背景及意义

根据教育部启动的《新世纪高等教育改革工程》实验室建设和发行项目，结合《高等学校基础课实验室管理示范中心建设标准》的执行，宏观指导并规范高等学校基础课实验室的建设与管理，推进实验室体制和实验室管理改革，推动高等学校加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验室管理改革和实验室建设，促进优质资源整合和共享，提升办学水平和教育质量[1]。

教育部从2005年至2007年将分批建立100个国家实验示范中心，采取由学校自主建设、自主申请，省级教育行政部门选优推荐，教育部组织专家评审的方式产生[2]。

国家实验室管理示范中心是在高等学校实验室管理中心建设的基础上评审，本系统是建立实验示范中心的必须配套项目[3]。

由于实验室管理示范中心网络系统仅仅是建设实验室管理的一个辅助项目，教育部没有对其如何建设和建设的要求及标准没有提出具体要求，如何建设实验室管理网络系统，是建设实验室管理中的一个研究课题，各高等学校也正处于探讨中[4]。

因此，本项目选题设计、开发具有一定的创新性和示范性。

目前，我国教育事业发展迅速，对教学提出的要求也越来越高。

现有的实验教学网络系统已不能满足发展的需要，主要体现在以下几个方面：

（1）实验内容偏重于验证性实验，缺乏创新性实验；

（2）实验室缺乏开放性。

实验室只根据教学计划来使用，许多实验因实验时间限制而无法完成；

（3）实验时间没有自主性；

（4）实验教学资源缺乏共享[5-7]。

通过设计开发，本系统可以为学生提供实验选课的网上平台，学生只要在任何一台上网的计算机上就可以浏览所要了解的实验信息，并通过用户验证登录后，找到自己感兴趣的实验进行预约、查询等[8]。

促进学生学习的积极性。

本系统为教师提供在线查看学生的实验报告、批改实验报告、查看学生做实验的记录等。

系统管理员可在线进行系统信息更新和维护[9]。

实验室教学管理系统把教师从繁重的实验管理工作中解脱出来，投入到实验室管理方法和内容的研究上来，从而提高实验管理水平[10]。

1.2课题国内外研究现状

近年来，随着国家对教育事业发展越来越重视，经费投入不断增加，教育部提出了建立实验教学示范中心的思路和建设标准，拟在全国高等学校建设100个左右具有辐射、示范作用的基础课实验教学示范中心，每间实验教学示范中心必须体现其具有网络化、信息化，为高等学校培养适应新世纪国家经济建设与社会发展需要的、具有国际竞争能力的高素质创新性人才创造条件[11-13]。

全国各高校为了全面贯彻落实教育部《关于加强高等学校本科教学工作提高教学质量的若干意见》文件精神，进一步提高高等学校基础课实验室的建设和管理水平，推进实验教学改革，先后建立了实验教学示范中心[14]。

根据教育部建立实验教学示范中心的标准和要求，建立实验教学示范中心，必须有其网络服务系统相配套。

目前，全国各高等学校的实验教学管理系统通常只有单一的浏览功能，无法满足当前实验教学的需要。

根据现阶段的情况和实际需要，研究开发适合子当今实验教学需要的系统，是很有必要的[15]。

目前，从国内发展来看，实验教学管理系统建设要从体制与管理、实验教学、实验教材、实验人员、仪器设备、环境与设施六个方面规范来考虑。

实验教学管理系统要从现有的具有浏览实验教材、实验课程、实验室制度管理等单一功能向教学资源浏览、信息发布、仪器在线管理、仪器设备在线开放、实验教学在线、计费管理等多功能发展，以进一步推进实验室体制和实验教学改革，促进教学资源共享[16]。

全国各省高等学校现已进入建立和评审实验示范中心的工作，建立和评审工作将按照国家教育部的要求进行。

我省高等学校已进入实验教学示范中心的评审阶段，将进入下一阶段国家级实验教学示范中心。

实验教学管理系统的建设，将会大大地促进实验示范中心的发展[17]。

实验教学系统的发展经历了很多的阶段尤其是近几十年来，随着信息技术和计算机的迅猛发展，也对实验教学系统的发展起到了促进的作用。

特别是其他的领域的发展也带动了实验教学系统往更加强大的功能满足复杂实验环境下的需求，实验教学系统也进入到了一个大发展的阶段。

实验教学系统的第一个发展阶段是由于各种原因所开发出来的系统只是普通的实验样品管理，普通的实验报告的打印等，可以说是功能简单，同时系统结构也不够完善，在后续的系统维护和进一步的功能扩展方面显得困难。

实验教学系统的第一代系统目前来说已经在国外很少见到，逐渐被其他定制的系统所取代，但由于我国实验教学系统的发展相对比较晚和不够完善，还有部分单位在使用[18]。

实验教学系统的第二个发展阶段出现在上个世纪的八十年代，主要是二种架构模式组成，一是终端/服务器模式，一是客户/服务器（C/S）模式，也是由主要的商业公司进行开发和设计。

经过前一个阶段的使用，实验教学系统的各种需求也比较完善，因此在实验教学系统的第二个阶段的开发过程中基本可以满足用户的需求[19]。

另外，商业公司所开发的产品系统升级和维护可以实现，还有一些特定的需求也可以满足，如某些特定的分析仪器的管理以及连结等。

实验教学系统的第三个发展阶段出现在九十年代中，是基于B/S结构的商业化产品，同时用户也不需要另外再写任何程序就可以满足需求。

同时采用B/S结构的话，用户不需要进行用户化的操作就是上线进行使用[20]。

实验室管理的核心目的是培养和提高学生的实践能力和创新能力。

传统的实验室管理模式仅是完成教学大纲规定的实验内容，且验证性实验较多，不利于学生创新精神与实践能力的培养。

在以素质教育和创新教育为核心的新的高等教育形势下，这种培养方式远不能满足学生能力发展的需求[21]。

为解决这一矛盾，实验室实行开放教学已势在必行。

而实验室的使用，使实验室管理出现了新情况、新问题。

实验设备维护、实验教师工作量、实验安排等问题使得开放实验室建设受到极大的阻碍[22]。

为实现开放实验室建设得以顺利开展，开放实验室管理得以高效、有步骤地进行，更新实验室管理体制，实施开放式管理是实行开放式实验室管理的保证。

结合开放式实验室建设，利用Internet建立开放实验室管理系统是急需解决的问题[23]。

它改革了旧的教学模式，建立了新的体系，大大提高了实验室的利用率和学生学习的积极性，并把管理人员从繁重的管理工作中解脱出来。

为此针对以上情况，设计和实现了此系统[24]。

随着信息技术的迅速发展个全球化的不断发展，实验教学系统的发展不仅仅在实验中心的一个很小的范围，而是可以连结到互联网上，各种应用也随之增多，对于用户来说，也希望在异地进行相关的业务的操作[25]。

因此，各个软件开发公司也加入到第四代实验教学系统的设计和开发，开发出完全的适应互联网信息化要求的实验教学系统产品。

这样的话就可以实现多个实验中心的联网实现资源的共享，甚至管理员可以在其他地方进行管理业务的操作，扩展了实验中心管理的范围[26]。

另外，随着无线网络的覆盖和应用普及，实验教学系统还可以支持通过无线的方式进行管理和操作，极大的方便了实验中心管理人员对实验中心的信息和情况进行掌握。

1.3本文的研究内容

本研究课题主要根据实验教学示范中心的建设目标需要，设计实现一个实验教学网络服务系统，实现实验室使用预约、使用计费，在保证系统预约、采集、计费的准确性和实时性的前提下，实现实验室对仪器使用的管理，实现仪器资源共享、开放服务的实验教学平台，提高实验教学水平。

论文共分六章，各章所阐述的内容如下：

第一章绪论。

介绍课题的背景以及意义，课题在国内外的研究现状，论文的主要研究内容。

第二章相关技术分析。

介绍系统主要采用的技术，包括了ASP.NET技术，数据库技术，统一建模技术等内容。

第三章系统需求分析与设计。

介绍系统的需求分析，系统的总体设计，系统的业务模型设计等内容。

第四章系统详细设计与实现。

在前面各章分析的基础上上介绍了系统开发环境的选择，系统主要功能模块的设计与实现。

第五章预约模块的详细设计与实现。

在这一章中主要介绍预约模块的实现，包括了预约模块的概念模型，物理模型，用例实现和代码的设计等内容，最后还介绍了数据库访问的实现和性能的优化。

第六章总结与展望。

主要介绍的是课题工作的总结和下一步工作的计划。

第二章实训管理系统相关技术分析

本章简单阐述系统开发中应用的关键技术，包括开发系统所使用的遗传排课算法、数据库以及连接技术和在文件传输技术，作为系统开发所使用的主要技术环境。

2.1遗传排课算法

国外从20世纪50年代末就对排课问题开展了研究。

1963年Gotlieb对课程表问题做了形式化描述，提出了排课问题的数学模型。

但由于在实践中遇到的困难，人们对排课问题的了解是否存在产生了疑问。

1976年SEven和Cooper等人证明了排课问题是NP完全类问题，这就从理论的角度回答了排课实践中遇到困难的原因，正式确立了排课问题的学术地位，把人们对课表编排复杂性的认识提高到了理论的高度。

现代计算机尚未找到解决NP完全类问题的多项式算法，所以此后这一问题的研究大多离开理论研讨的轨道而转向经验方式，这使80年代的许多排课系统缺乏普适性。

自Gotlieb提出排课问题数学模型之后，人们又对排课问题的算法作了许多探索，但由于排课问题是NP完全类问题，并且易受实际问题边界的影响，大多数求解结果都不理想。

Ferland等人和吴金荣把排课问题化成整数规划来解决，但计算量很大，而且仅仅适用于规模很小的课表编排，对于大规模复杂的排课情况，至今没有一个切实可行的算法。

何永太和胡顺仁等人试图用图论中的染色问题来求解排课问题，可惜图的染色问题本身也是NP完全类问题。

由于问题的复杂性，研究者探索利用启发式函数来解决排课问题，通过模拟手工排课过程来实现计算机排课。

课程表是地方高校开展教学活动的指令性文件。

在地方高校的传统排课方式下，课表编排主要是靠手工完成的，排课人员需要花费大量的时间和精力，并且容易出错，同时手工操作也不能满足资源需求的经常变化。

当前地方高校普遍利用计算机进行自动排课，不但能使教务人员从繁杂的排课任务中解脱出来，提高教务管理工作效率，而且能改善教学管理质量，合理、高效地利用有限的教学资源，使学校的各种教学活动、教学管理及其它相关的工作能够有序、规范地进行，维持正常的教学秩序，同时对推动教务管理的信息、化起到非常重要的作用。

由此出现了众多的计算机排课软件。

但是当前地方高校再采用计算机进行排课过程中，大多采用传统方法进行程序设计，把程序作为系统核心。

系统中所使用的排课数据主要考虑了一般性排课原则，而对于不同学校的特点考虑不足，特别是学生层次的关注度不够。

并且数据与程序结合过于紧密，程序的修改维护有很大难度，不便于系统扩充和升级，因此限制了系统的通用性。

而且在发生特殊情形下，只能依赖于人工调整，虽然有很多地方高校先后购买过多个排课软件，但都不能圆满地解决课表编排的问题，造成了大量的浪费。

同时课表编排问题涉及教师、教室、学生、课程及教学时间等多种因素的组合规划，具有规模大、约束条件复杂以及不断变化等特点，根据上文的分析，缺乏人性化，没有对学校内的学生进行考虑是问题存在的原因。

2.2数据库以及连接技术

目前，数据库有Oracle9i,Sybase,Informix,MicrosoftSQLServer2000,DB2,MySQL等众多的产品。

MircosoftSQLServer2000是Microsoft公司推出的大型数据库系统，能够与Microsoft公司的其他的产品很好地结合，也提供JDBC编程接口[37]。

但Oracle是目前国际上最流行的关系型对象数据库，它可以很好地支持各种信息，包括支持ASP.NET，己成为全世界大、中型管理信息系统首选目标之一[38]。

采用Oracle数据库，在实现数据库安全性管理方面，有以下优点:

（1）通过验证用户名称和口令，防止非Oracle用户注册到Oracle数据库，对数据库进行非法存取操作。

（2）授予用户一定的权限，授予用户对数据库实体

（3）限制用户操纵数据库的权力（如表、表空间、过程等）的存取执行权限，阻止用户访问非授权数据。

（4）提供数据库实体存取审计机制，使数据库管理员可以监视数据库中数据的存取情况和系统资源的使用情况[39-41]。

（5）采用视图机制，限制存取基表的行和列集合。

为防范系统采用假用户（即非数据库用户）身份来管理等，系统还可以利用角色功能，来防止出现上述的安全“漏洞”。

用户采用自己的标识和口令注册，但在未得到授权的角色前，是没有操纵数据库的任何权限。

授权用户的角色是埋在应用程序中的，只有应用程序才知道角色的名称和口令，从而激活角色，使用户拥有相应的权限[40]。

在应用系统之外，其他用户可以连接到Oracle，但没有激活相应的角色，是不能做任何事情的，而管理人员或开发人员不知道用户的标识和口令，是无法登录到Oracle，即使他能够推算出角色的标识和口令[42]。

基于Oracle数据库的安全性与功能完备性和扩充性，在处理大容量数据时与其他流行数据库相比具有明显的优势。

考虑高等院校规模日益增大，和今后系统功能的扩大，系统将选用Oracle数据库，是比较恰当的选择[43]。

2.3文件传输服务

随着现代教育技术的发展,教学理念和教学方式都发生了根本性变化,以学生为主体、教师为导向的教学观念正在形成,利用计算机网络进行自主学习,是当今课堂教学的发展方向。

学生在网上学习的过程中,客户端与服务器需要进行大量的数据交互传输,与一般文件传输系统不同的是,服务器在提供教学时传输的文件具有一定的次序性,该次序与教学过程中的知识点结构和学生类别有关。

本文提出的传输协议是为了实现网络教学而设计的,其目的是有效而安全地传输学生终端与服务器之间的交互信息。

因此该协议具有针对性强、程序精练、传输效率高及安全可靠等优点。

在大批量小文件的传输过程中，每个文件的传输过程都需要建立数据连接、传输数据和关闭连接，文件用于数据传输的时间较少，有大量的时间耗费在数据连接的建立和关闭过程，所以对于大批量小文件采用文件分簇与连接复用的方式进行传输，以提升传输效。

2.4本章小结

本章简单阐述了系统开发中应用的关键技术，包括开发系统所使用的ASP.NET语言技术、数据库技术和在工程设计上使用的UML建模技术，这些技术在后面的系统的实现中都会使用到。

第三章实训管理系统需求分析与设计

本课题研究开发的系统是一个基于教学科研实验、主要面向广东轻工职业技术学院实验中心管理人员的应用系统，适用于各类高等院校使用。

实验教学网络系统提供前台、后台管理。

系统由中心概况、仪器展示、仪器预约、实验教学、实验室管理、计费管理等几部分组成。

3.1总体说明

系统需求分析是在系统设计之前首先要进行的，是整个系统开发过程中最重要项目，全面调查是分析设计工作的基础。

由于编写程