计算机辅助教学系统的开发与应用毕业设计.doc

扬州大学信息工程学院函授专升本毕业设计 课题名称 计算机辅助教学系统的开发与应用 学生姓名 徐 正 东 专 业 计算机科学与技术 班 级 2013级 指导教师 朱 范 德 扬 州 大 学 信 息 工 程 学 院目 录中文摘要.1 ABSTRACT.21.绪论.3 1.1 研究背景 . 3 1.2 问题的提出和意义 .3 1.3 主要工作内容 .4 2.计算机辅助教学系统的理论基础.5 2.1 建构主义理论 .5 2.2 积件思想 .52.3 面向对象的思想.6 2.4 本章小结. 8 3.计算机辅助教学平台的需求分析与总体设计.8 3.1 平台的总体需求 . 8 3.2 平台数据库的设计与实现 .10 3.3 系统的特点 . 13 3.4 本章小结 . 13 4. 计算机辅助教学平台的详细设计与实现.14 4.1 平台的设计思路 . 14 4.2 平台的设计与实现 . 16 4.3 本章小结 . 38 参考文献.41 致谢.43 中文摘要 建构主义理论的不断成熟与发展为计算机辅助教学带来了新的契机与挑战，在该理论的指导下开发更具实用性、更有利于学生自我建构的计算机辅助教学系统是非常必要的。因此本文尝试开发基于建构主义的计算机辅助教学软件平台，且为了更好的体现该软件的应用价值，选取计算机图形学作为该软件的应用举例。该课程理论性强，涉及算法多,不少学生在学习过程中被困扰，感到难于理解。因此将该软件应用到计算机图形学的教学中，一方面拟改善该课程教学难的现状，另一方面也使之更具实用价值。 为了更好的研究该问题，本文在研究过程中从课堂教学与课外教学同时入手，以建构主义理论为指导思想，以积件理论为指导方法，首次搭建了具有通用性的计算机辅助教学软件平台。在详细分析计算机辅助教学系统功能需求的基础上，采用面向对象的软件工程方法进行了全方位的系统设计，然后利用 JAVA 技术和 JBuilder2006 集成开发环境，分前台客户端和后台服务器端两部分实现了计算机辅助教学平台软件系统。其中前台客户端主要实现课件新建、放映、检索等功能，而后台服务器端主要实现对课件、积件库的管理工作。 在搭建通用计算机辅助教学软件的基础上，以计算机图形学为例，分课堂和课外两部分对系统功能进行了验证。受时间限制，在教学内容的取材上，针对计算机图形学发展迅速的特点，以计算机图形生成为线索选取了课堂教学的部分基本图形的生成和课外教学的复杂图形的生成。 本文完成了预期的所有工作，但由于时间有限，系统还有许多问题有待于进一步研究，例如在今后的研究中可以尝试将系统发布在网络上，供更多人使用，也可以让更多人参与到积件库的建设中。 关键词：计算机辅助教学；计算机图形学；建构主义；积件 Abstract The continuous maturity and development of constructivism bring new chance and challenge for computer assisted instruction, develop the computer assisted instruction software under this theory which have more practicability and is propitious to students self-construct is necessary. So, I try to develop the computer assisted instruction platform that based constructivism, and for better incarnates this platforms practical value, choose computer graphics as application example. Because, this curriculum has strong theoretical and involves many algorithms, it puzzles students with the massive algorithms in the learning process, makes them feel that it is difficult to understand .So apply this platform in the teaching of computer graphics, on the one hand, plan to change the actuality of computer graphics teaching difficulty and on the other hand, can make this platform have more practical value For better research on this problem, this paper intend to research both on the classroom instruction and the extracurricular teaching, take the theory of constructivism as guiding ideology and the thought of integrableware as guiding method to build a computer assisted instruction platform that have the general use firstly. On the basis of particular analysis with the requirement of computer assisted instruction system, adopt the object-oriented methodologies of software engineering to do the omnibearing system design. And then use JAVA technology and one of integrated development environment-JBuilder2006 to realize the computer assisted instruction platform software both in client-side and server-side. Thereinto, the client-side mainly realize the creation, showing and retrieve of the cousreware, whereas the server-side mainly realize the management of the courseware and integrableware. On the basis of build the computer assisted instruction software that have general use, this paper take computer graphics as example, validate the function of this system both in classroom and extracurricular. Because the time is limited, when choosing the teaching content, aim at the character of rapid development of computer graphics, take computer figure generation as the clue to choose part of fundamental figure generation in classroom instruction and complex figure generation in extracurricular teaching. This article accomplishes all works that intend to do, but because the time is limited, the system also have many problems to be researched, for example we can try to publish this system on the internet to use by more people and also can let more people participate in the construction of integrableware library in future research. Keywords: Computer-Assisted Instruction, Computer Graphics, Constructivism, Integrableware 计算机图形学辅助教学系统的开发与应用 以计算机图形学为例 1.绪论 1.1 研究背景 近年来，随着计算机和通信技术的快速发展，我国开始进入信息化社会，在信息化社会中信息成为比物质和能源更为重要的资源，以开发和利用信息资源为目的的信息经济活动迅速扩大，逐渐取代工业生产活动而成为国民经济活动的主要内容。以计算机、微电子和通信技术为主的信息技术已成为信息化社会中人们必须要掌握的技能之一。现代信息技术在各行各业的广泛应用对经济和社会发展产生了巨大而深刻的影响，从根本上改变了人们的生活方式、行为方式和价值观念。 特别是以多媒体、网络为代表的信息技术为高等教育改革提供了新的思路，对高等教育提出了新的要求。现代信息技术的不断发展，使建构主义理论在高等教育中的进一步深入成为可能，建构主义理论改变了传统的以教师为中心的教学模式，而强调以学习者为中心的新的教学模式，为学习者设计支持并激发学习者思维的学习环境。如果说，建构主义理论在教学中的应用将会带来一场教学的革命，那么现代教育技术就是这场革命的倡导者与推动者，因此，只有将二者有机的结合，才能为高等教育带来一场真正的革命。 计算机辅助教学是现代教育理论与现代信息技术结合的产物，它的出现犹如雨后的清新空气，给校园注入了新的气息，它促进了教学内容、教学方法和教学手段的改革，极大地震撼了传统的教学模式，对我国高等教育事业的发展起到了不可估量的推动作用。特别是建构主义理论的提出为计算机辅助教学的发展带来了新的契机，研究如何在建构主义理论的指导下，利用现代信息技术为学习者建立有助于自我建构的学习环境是非常有必要的，也是今后计算机辅助教学发展的重点与趋势。因此在这一背景下，本文从计算机专业课程中较难的计算机图形学课程入手，以校研究生创新基金计算机图形学辅助教学系统的研究为依托，提出计算机辅助教学系统的研究，旨在研究在建构主义理论指导下，采用积件思想的计算机辅助教学平台的搭建，并以计算机图形学教学为例来阐述该平台在学科教学中的应用，以解决长期存在于计算机图形学教学过程中的问题。 1.2 问题的提出和意义 近年来，随着计算机硬件及外围设备的不断发展，计算机图形学已成为计算机科学中，最为活跃的分支之一，并得到广泛的应用。计算机图形学是研究计算机生成、处理和显示图形的学科，主要研究利用计算机生成和处理与图形有关的专业问题。它的重要性体现在人们越来越强烈地需要和谐的人机交互环境：GUI 已成为软件的重要组成部分，以图形的方式表示抽象的概念或数据已成为信息领域的发展趋势。正是由于计算机图形学的高速发展和无限潜力，目前国内外各大高校均将计算机图形学列为计算机专业高年级学生及研究生必修的一门专业课，在我国 2006 年出版发行的高等学校计算机科学与技术专业发展战略报告暨专业规范(试行)中更是将计算机图形学作为计算机科学专业方向的 15 门核心课程之一24。 计算机图形学本身是一门内涵丰富，有趣的课程，但由于这门课理论性较强，涉及算法较多,使得不少学生往往被一些必须掌握的算法所困扰，感到它们难于理解、枯燥、难学，且实际教学内容与学生的期望存在一定的差距，这很大程度上降低了学生的学习积极性,不利于计算机图形学的教学。且在现代的计算机图形学课程中，除了要求掌握计算机图形学的基本原理和技术，熟悉人机交互技术外，还需要了解计算机动画、科学计算可视化、虚拟现实及计算机视觉等计算机图形学发展的前沿内容。这就对计算机图形学的教学提出了更高的要求，正是由于计算机图形学学科涵盖的内容较多，学科难度较大，知识更新速度快等原因，使得计算机图形学的教学工作在高校很难开展，许多高校将其作为计算机专业选修课，更有甚者由于师资缺乏等各种原因还无法开设计算机图形学课程，虽然已有学者发现计算机图形学教学难的问题，并且尝试在教学过程中采用计算机辅助教学的方法来提高教学效率，但经研究发现，现有的计算机图形学辅助教学系统多采用教学课件结合模拟的方法来模拟各种图形生成算法及图形变换等操作的实现，这在一定程度上提高了教学效率，使计算机图形学教学难的现状得到缓解，但同时也存在一定的问题，例如现有的课件在制作时多以行为主义理论为主要指导思想，且制作好的课件往往仅代表一个教师的教学思想及方法，其他教师很难将其拿来直接使用，且长期以来，计算机图形学的教学内容往往跟不上计算机图形学学科自身的发展，使学生与最新研究前沿脱轨，这样长此以往会大大降低学生对计算机图形学学习的积极性和对知识的探索欲望。因此，计算机图形学教学难的问题依然存在，教学效率有待于进一步提高，教学内容也有待于进一步改进。为了从根本上解决计算机图形学教学难的问题，为了使教学内容与学科发展的速度相适应，使学生更加直观容易的学习计算机图形学，本文特针对以上问题，设计并开发一个基于 Java 的计算机辅助教学系统并以计算机图形学为例来展示该系统在学科教学中的应用，该系统采用建构主义作为理论指导，尝试搭建计算机图形学辅助教学平台，在搭建平台时，以积件思想作为主要指导思想，采用目前新一代高级程序开发语言 Java 语言作为框架开发语言，针对课堂基本教学内容搭建积件平台、积件库与基本算法模型，这样通过积件平台，积件库以及计算机图形学算法模型的组合，既可以不断将新的内容以知识点形式扩充进来，生成新的教学课件，又可以让学生直观的感受到算法实现的过程及结果。另外考虑到计算机图形学学科发展速度快的特点，针对计算机图形学中的前沿内容，特开设课外教学板块，这里主要以复杂图形生成为例，将一些最新的研究方法引入到计算机图形学教学过程中，如元胞自动机模型及分形几何技术，元胞自动机模型通过设置非常简单的规则就可以生成非常复杂美丽的图形，这些图形可以直接用于地毯，挂毯，纺织，服装设计等领域，这样一来学生可以真切的感受到计算机图形学的强大魅力和作用，且使用元胞自动机在生成模型时其过程是动态的，学生不仅可以看到最后生成的图形还可以看到图形生成的全过程；分形几何技术也是计算机图形学领域非常热门的一个技术领域，它描述了传统欧几里德几何无法表述的自然界的物体和现象，如自然界中的云彩，树叶，树林等现象。同元胞自动机模型一样，通过很简单的算法及程序，就可以生成许多让人叹为观止的图形。这样一方面弥补了传统书本的不足，使学生可以随时接触到计算机图形学的发展前沿，一定程度可以充分调动学生学习的积极性，另一方面更重要的是为学生认识世界提供了新的研究思路，即并非复杂才能生成复杂，简单也同样可以生成复杂。总之，通过本模型的搭建，尝试将建构主义理论更好的应用在计算机辅助教学软件的开发当中，改变计算机图形学教学难的现状，促进计算机辅助教学向更好的方向发展，同时也尝试将最新的研究前沿加入到计算机图形学的教学中来，使计算机图形学的教学与研究前沿接轨，最后尝试将模型生成的图形应用于各个领域，使计算机图形学真正发挥自身的重要意义和强大功能。 1.3 主要工作内容 计算机图形学辅助教学系统是课件生成、积件的组合及积件库的管理平台，是应用于高校计算机图形学课堂教学的软件。教师可通过使用本软件，选取积件库中的积件组合生成课件进行教学，而学生可随时根据教师的生成的课件来进行学习，也可通过复杂图形生成模型了解到计算机图形学发展的前沿知识，观看到复杂图形生成的过程及生成的美丽图形。该论文的主要工作归结为以下几点： （1）计算机辅助教学平台的搭建：本平台主要针对目前课件制作过程存在的问题，搭建一个可用于课件制作的通用平台，该平台主要由积件平台和积件库两部分组成，积件平台主要实现积件的自由组合、课件的放映、管理等功能，积件库主要完成对积件的统一管理，这里主要包括教学素材库与微教学单元库的管理，对于教学中所用到的各种素材及微教学单元进行管理，以达到方便查询，信息共享的目的。这样通过该平台，教师可以通过组合积件的方式快速生成具有个人特色的课件，并在课堂教学中将其放映，同时也为学生提供了自我学习的良好环境，本文将以计算机图形学为例来阐述计算机辅助教学平台在学科教学中的应用，但该平台制作完成之后也同样适用于其他学科的教学，具有较高的通用性。（2）图形生成模型的搭建：本模型主要考虑到计算机图形学教学的特殊性，针对计算机图形学教学的最主要的内容图形生成，搭建一个可用于计算机图形学教学的图形生成模型，对于基本图形的生成如点、线、面的生成，利用计算机图形学算法将其制作成一个个微教学单元，可供教师在使用计算机辅助教学平台新建课件时直接拿来使用，使学生在学习过程中能够直观的感受到图形生成的过程，而对于复杂图形，通过元胞自动机及分形几何学思想建立可交互的复杂图形生成模型，用以生成复杂、动态、美丽的图形以提高学生的学习兴趣，拉近学生思维与现实教学的差距，为图形生成领域的研究提供新的研究思路。2.计算机辅助教学系统的理论基础 本辅助教学系统以建构主义理论为主要指导思想，旨在为学生搭建一个有利于学生学习的良好环境，激发学生学习时的主动性，促使学生的学习由被动向主动转化，且在建构主义理论的指导下，充分考虑到教师在使用计算机辅助教学时存在的诸多困难与问题，以积件思想为原则，设计并开发积件组合平台与积件库管理系统，方便教师使用现有的资源建立符合个人教学需要的课件，以帮助学生更好的完成知识建构的过程。整个系统在开发过程严格遵守现代软件工程学中面向对象的程序设计方法，使系统开发过程更加科学、严谨、高效。 2.1 建构主义理论 建构主义理论是瑞士著名心理学家皮亚杰最早提出的，建构主义理论由建构主义学习理论与建构主义教学理论组成。建构主义学习理论的基本观点认为，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人(包括教师和他人)的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式获得26。在学习过程中帮助学生建构的意义，就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系，达到较深刻的理解。这种现象在大脑中的长期存储形式就是关于当前所学内容的认知结构。由于学习者是通过人际间的活动而实现知识意义的主动建构的过程，因此建构主义学习理论强调以学生为中心，认为“情景”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性27。建构主义的教学理论要求教师由知识的传授者、灌输者变为学生主动建构意义的帮助者、促进者。这就意味着教师应当在教学过程中采用全新的教学模式，彻底抛弃以教师为中心、强调知识传授、把学生当作知识灌输对象的传统教学模式，使用全新的教学方法和全新的教学设计思想，既要强调学生是教学的主体，使整个教学活动围绕学生而展开，又不能忽略教师的主导作用28。教师要努力给学生创设良好的学习环境，要帮助学生进行各种学习活动，要不断激发学生学习的内驱力。建构主义的学习和教学理论对教学的环境提出了很高的要求，传统教学手段是难以达到这个要求的。而现代信息技术的出现和发展所带来的教育手段则可以达到。特别是多媒体计算机所具有的媒体的集成性、信息的多维性、人际的交互性、学习的自主性、操作的灵活性、参与的积极性，以及学习的趣味性等特征，使得根据建构主义理论实施教学成为可能。它不仅可以用来提供真实的情景、典型的案例和大量的信息，还能够促进学习者的认知过程、问题解决和交流切磋。建构主义的计算机辅助教学是指在建构主义学习理论指导下的计算机辅助教学系统，其中心任务是构建能够帮助和促进学生主动建构知识的学习环境25。90 年代以来，建构主义的迅速发展真正立了建构主义理论在 CAI中的指导地位。 2.2 积件思想 2.2.1 积件的定义 1997 年黎加厚教授等学者首次提出积件思想，积件是构成课件的基本教学元件，它是基于某一识点的微教学单元、教学素材或微教学策略等，人们能根据教学需要对它们进行编排、组合和运用，成具有一定教学功能的多媒体教学程序。由积件构成的积件库以及对积件进行开发、管理、组合、生成、使用处理的软件环境(即原“积件组合平台”)统称为“积件系统”30-32。积件意在突以课时为单位进行孤立教学设计的狭隘视线，把目光放的长远，对学科课程进行整体设计，解决了教师自己动手制作优秀软件的后顾之忧，又为教师充分发挥自己的主动性、能动性和创造性提供了可能，是MCAI(Multi-media Computer Assisted Instruction多媒体计算机辅助教学)教学软件设计中崭新的指导思路。积件思想作为一种关于 CAI发展的系统思路，是对多媒体教学信息资源和教学过程进行准备、检索、设计、组合、使用、管理、评价的理论与实践。它不仅仅是在技术上把教学资源素材库和多媒体著作平台的简单叠加，而且也是从课件的经验中发展出来的现代教材建设的重要观念转变，是继第一代教学软件课件之后的新一代教学软件系统和教学媒体理论29。 2.2.2 积件的特点 积件发展至今，已形成了非常明确的结构与特点，积件的主要特点有30-32：积件与教育思想、教学方法、学习理论无关性积件与教材版本无关性基元性与可积性开放性，自繁殖性正是由于这些特点使得教师在使用过程中，只要懂一些计算机和软件平台操作的基本常识，就能像孩子玩积木一样，依据自己的教学经验、习惯、兴趣和爱好自行设计组合这些模块，可以任意的取舍，又可以添加自己的杰作。 2.2.3 积件的组成 目前已有的研究成果中对积件组成的看法主要分为两种：一种是以黎加厚教授为代表的学者们提出的经典理论30-32：积件由积件库与积件平台组成，积件库是教学资料和表达方式的集合，可将大量的知识信息素材提供给教师和学生在课堂教学中自由使用。其中包括多媒体教学资料库、微教学单元库、虚拟积件资源库、资料呈现方式库以及教学策略库。积件组合平台是供教师和学生使用来组合积件库并最终用于教学使用的软件环境。它具有无需程序设计，方便地组合积件库各类多媒体资，面向普通中小学教师，易学易用等特性。另一种则是由西南师范大学刘晓雪，李远蓉等人与 2004 年提出的新的看法29，她们认为一个好的积件系统应是多媒体数据库管理系统与多媒体编著系统的完美结合。积件库的构成、组织和管理应参照数据库管理系统的管理模式，积件的组合生成可采用基于页面，或流程、或时间序列的多媒体编著系统的模式。积件库主要应分为：教学内容库(以知识点为表达的中心)，教学策略库(模块化的基本教学策略)，微教学单元库(一个完整的知识点的教学过程)等。积件库以学科为基本的分类标准，各种类型的积件库有各自统一的结构，用户可根据自己的需要建立积件库或对积件库进行打开、添加、删除、合并等操作，能自己组织库的内容；而与教学内容无关的素材库则另外建立，由多媒体编著系统组织管理。这两种看法各有特色，一种是积件领域的经典理论，已被广泛接受，另一种则是对经典发出的挑战，是对经典理论的继承与发展，其见解的独到，看法的新颖，也已经开始被越来越多的人们所接受。本文将结合这两种看法，将系统分为积件平台与积件库分别予以实现，其中在系统后台即服务器端实现多媒体数据库管理系统即积件库的管理，而在前台即面向广大教师与学生的客户机上实现多媒体编著系统即积件组合平台，这样通过二者的结合，真正组成一个完整的积件系统。 2.3 面向对象的思想 2.3.1 基本概念及特征 oo方法(Object-Oriented Method，面向对象方法)是一种把面向对象的思想应用于软件开发过程中，指导开发活动的系统方法，是建立在“对象”概念基础上的方法学。对象是由数据和容许的操作组成的封装体，与客观实体有直接对应关系，一个对象类定义了具有相似性质的一组对象。而继承性是对具有层次关系的类的属性和操作进行共享的一种方式。所谓面向对象就是基于对象概念，以对象为中心，以类和继承为构造机制，来认识、理解、刻画客观世界和设计、构建相应的软件系统。 面向对象方法作为一种新型的独具优越性的新方法正引起全世界越来越广泛的关注和高度的重视，它被誉为研究高技术的好方法，更是当前计算机界关心的重点。十多年来，在对 OO 方法如火如荼的研究热潮中，许多专家和学者预言：正像 70 年代结构化方法对计算机技术应用所产生的巨大影响和促进那样，90年代 OO方法会强烈地影响、推动和促进一系列高技术的发展和多学科的综合33。它具有以下几个特征： （1）抽象 面向对象程序设计的基本要素是抽象，程序员通过抽象来管理复杂性。这些抽象的对象可以被看作具体的实体，这些实体对用来告诉我们作什么的消息进行响应。 管理抽象的有效方法是使用层次式的分类特性，这种方法允许用户根据物理含义分解一个复杂的系统，把它划分成更容易管理的块。 （2）封装性：封装是一种信息隐蔽技术，它体现于类的说明，是对象的重要特性。封装使数据和加工该数据的方法（函数）封装为一个整体，以实现独立性很强的模块，使得用户只能见到对象的外特性（对象能接受哪些消息，具有那些处理能力），而对象的内特性（保存内部状态的私有数据和实现加工能力的算法）对用户是隐蔽的。封装的目的在于把对象的设计者和对象者的使用分开，使用者不必知晓行为实现的细节，只须用设计者提供的消息来访问该对象。 （3）继承性：继承性是子类自动共享父类之间数据和方法的机制。它由类的派生功能体现。一个类直接继承其它类的全部描述，同时可修改和扩充。继承分为单继承（一个子类只有一父类）和多重继承（一个类有多个父类）。类的对象是各自封闭的，如果没继承性机制，则类对象中数据、方法就会出现大量重复。继承不仅支持系统的可重用性，而且还促进系统的可扩充性。 （4）多态性：对象根据所接收的消息而做出动作。同一消息为不同的对象接受时可产生完全不同的行动，这种现象称为多态性。利用多态性用户可发送一个通用的信息，而将所有的实现细节都留给接受消息的对象自行决定。多态性的实现受到继承性的支持，利用类继承的层次关系，把具有通用功能的协议存放在类层次中尽可能高的地方，而将实现这一功能的不同方法置于较低层次，这样，在这些低层次上生成的对象就能给通用消息以不同的响应。在 OOPL 中可通过在派生类中重定义基类函数（定义为重载函数或虚函数）来实现多态性。 2.3.2 面向对象的程序设计 面向对象设计是把分析阶段得到的需求转变成符合成本和质量要求的、抽象的系统实现方案的过程。从面向对象分析到面向对象设计，是一个逐渐扩充模型的过程。与瀑布模型类似，可以把面向对象设计再细分为系统设计和对象设计。系统设计确定实现系统的策略和目标系统的高层结构。对象设计确定解空间中的类、关联、接口形式及实现操作的算法。面向对象的程序设计遵循以下准则34： （1）模块化：面向对象开发方法很自然地支持了把系统分解成模块的设计原则：对象就是模块。它是把数据结构和操作这些数据的方法紧密地结合在一起所构成的模块。 （2）抽象： 面向对象方法不仅支持过程抽象，而且支持数据抽象。 （3）信息隐藏：在面向对象方法中，信息隐藏通过对象的封装性来实现。 （4）低耦合：在面向对象方法中，对象是最基本的模块，因此，耦合主要指不同对象之间相互关联的紧密程度。低耦合是设计的一个重要标准，因为这有助于使得系统中某一部分的变化对其它部分的影响降到最低程度。 （5）高内聚 2.4 本章小结 本章主要介绍了完成该系统所需的各项理论基础，通过积件思想及建构主义理论的指导使得整个系统更具科学性、灵活性。通过面向对象程序设计思想的指导，使得整个系统在设计过程中逻辑更加严谨，避免了大量的重复性工作。 3.计算机辅助教学平台的需求分析与总体设计 3.1 平台的总体需求 计算机图形学辅助教学平台作为计算机图形学辅助教学系统的主要组成部分，主要面向讲授计算机图形学课程的教师，旨在为教师及学生提供以教学为核心的教学环境，提供以教学内容为核心、基于用户角色的权限机制。协助教师完成计算机图形学的日常教学任务，其中包括针对前台客户端(教师和学生)完成各种教学任务的教学系统和存储各种积件、课件的教育资源库、对各种资源进行有效管理的后台教学资源管理系统。通过本平台，教师可灵活使用各种教学素材进行课堂教学，可对各种素材资源进行方便的查询与共享。学生也可在课下通过本平台观看教师事先做好的课件以达到自我学习的目的。平台的体系结构如图 3-1 所示。 该平台主要由课件管理及积件库管理两大模块组成，其中两大模块中的数据管理主要由后台数据库管理系统实现，而用户所涉及到的所有业务均由前台客户端完成。下面将分别阐述系统各模块所完成的具体功能。 3.1.1 课件管理模块 课件管理模块主要完成各种类型积件的有机组合，使其形成一个完整的整体，为教师提供一个方便快捷的制作课件的平台，并对生成的课件进行统一管理，主要包括： (1) 课件新建：课件新建过程中采用向导化程序，引导教师在系统提示下，按步骤完成课件新建的过程，首先由教师负责输入课件的基本信息，如课件名称、制作人等，然后进入积件选择界面，在积件选择界面中教师可根据教学需要自由地将所需积件添加到课件当中，最后确定无误后，生成课件信息，将课件保存至课件库中。课件新建的流程图如图 3-2 所示。 （2）课件放映：教师在授课过程中，选中将要使用的课件，将其打开，在打开的课件中根据需要选择将要播放的积件，并按播放按钮进行播放。这里授课教师除了可以观看自己的课件外，也可以观看其他任课教师的课件以作参考；作为学生可使用课件搜索引擎，按课件名称、教师姓名、关键词等字段搜索课件并点击观看课件的放映，来进行自我学习。课件放映的流程图如图 3-3 所示。 (3)课件维护：教师根据系统给予的权限对自己制作完成的课件进行维护，其中包括课件的删除，课件基本信息及所含积件的修改或重新选择，这里考虑到课件的安全，教师无权对他人制作的课件做任何改动。 3.1.2 积件库管理模块 积件库管理主要完成对五大积件库中的教学素材库和微教学单元库的统一管理，方便用户对积件库的检索及使用，主要包括： (1)教学素材库管理：这里所说的教学素材主要指的 CELTS-31: 教育资源建设技术规范中九大类教学资源类型中的第一大类媒体素材，将各种媒体素材划分为文本、图形、音频、视频、动画以及其他等几大类，供教师使用。教学素材的管理工作在前台、后台同时进行，在前台客户端教师可以使用搜索引擎，根据素材的类别、主题、名称、关键词等字段进行查询。使用检索到的素材，但对教学素材的维护工作主要交由后台，由系统管理员通过后台数据库管理系统对教学素材库中的素材随时进行更新或维护工作。 (2) 微教学单元库管理：微教学单元(Micro Teaching Unit MTU )是以帮助教师讲授某个教学难点，或帮助学生学习某个知识技能点为目的而设计的“小课件”，它是供教师学生在教学中重组使用而准备的资源，所以它一般不需要封面设计，也不需要多余的背景、多余的解说配音等，短小精悍，符合积件组合平台要求的接口格式，方便教师学生检索和组合在当前的教学情境中运用。本系统的微教学单元库主要是针对计算机图形学教学中的重点基本图形生成而开发，将计算机图形学中的图形生成算法设计成一个个小的微教学单元，供教师在授课时直接拿来使用，使学生能够身临其境，更加直观的观看到算法的执行过程。该模块也主要通过前台与后台相结合的方式来完成模块的主要功能，该模块的主要功能有：用户在前台客户端可按主题、名称、关键词等多个字段对微教学单元库中的微教学单元进行检索，对检索到的微教学单元可以直接拿来使用，而在后台，主要由系统管理员来完成微教学单元登记工作，即将制作好的微教学单元加入到库中；或对其基本信息进行维护。 3.2 平台数据库的设计与实现 在整个系统的设计过程中，数据库是不可缺少的一部分，计算机图形学辅助教学平台的实现需要数据库的参与，数据库结构设计得好坏将直接影响系统的效率及实现的效果。合理的数据库结构设计可以提高数据存储的效率，保证数据的完整和一致。因此在设计数据库时，其核心任务就是要确保所有数据都能正确保存，数据访问畅通。 3.2.1 数据库需求分析 用户对数据库的需求主要体现在对用户所关心的各种浏览、保存、添加、删除、更新和查询操作，这就要求数据库结构能充分满足各种信息的输入和输出。计算机图形学辅助教学系统的数据主要涉及到的是文本信息，因此本系统决定采用 Microsoft SQL Server 2000 作为后台数据库，Microsoft SQL Server 2000 是美国微软公司推出的使用相当广泛的数据库管理系统，包含一套图形工具，如服务器管理（用于启动和关闭数据库服务）、企业管理器（用于创建和修改数据库及备份数据库等）和查询分析器（用于交互执行 Transact-SQL 语句和过程并提供图形查询分析功能）等。SQL Server 2000是为迅速提供可伸缩性电子商务、企业及数据仓库解决方案而开发的完整数据库与分析软件产品。SQL Server 2000 定位于 Internet 背景下的数据库应用，它为用户的 Web 应用提供了一款完善的数据管理和数据分析解决方案。该数据库可以很好地支持文本和非文本信息，而且使用简单。并且它具有非常高的数据安全保障功能。通过以上对平台功能的分析，这里将用户对数据的需求总结如下： 使用系统的用户分为管理员和一般用户，其中一般用户包括教师和学生。 不同的用户类型拥有不同的访问权限。 教师可以新建课件，对自己的课件进行编辑，还可以向积件库中添加新的积件。 学生只能观看教师制作好的课件。 只有管理员可以对相应的信息进行维护。 3.2.2 E-R 图分析 该平台主要涉及三个实体类型，注册用户 User、课件 Courseware 和积件 Integrableware。系统涉及的两个联系类型：注册用户 User 与课件 Courseware 是 1：N 的关系，定义为 U-C； 课件与积件是 1：M 的关系，定义为 C-I。系统实体 E-R 图如图 3-4 所示。 3.2.3 数据表设计 经过以上对数据库所完成功能的分析，现将数据库结构详细阐述如下： 数据库名为 cgcai，共建有 5 个用户表，这些表的结构分别如下表所示： （1）课件信息表(CourseInfo) 主要记录和课件基本信息相关的数据，其逻辑结构如表 3-1 所示。 （2）积件信息表(IntegrableInfo) 主要记录和积件基本信息相关的数据，其中包括教学素材和微教学单元的基本信息，其逻辑结构如表 3-2 所示。 （3）课件数据表(CourseAttach) 主要记录已经制作好的课件的数据信息，主要包括该课件所包含的积件列表，其逻辑结构如表图 3- 4 数据库 E-R 图 （4）成员信息表(Member) 主要记录用户的基本信息，其逻辑结构如表 3-4 所示。 （5）用户表(yonghu) 主要记录用户登录时所需的用户名和密码，以及用户的权限信息，其逻辑结构如表 3-5 所示。 3.2.4 数据库中各表之间的关系 在本系统中，为了方便查询每个课件所包含的积件列表，特将课件数据表作为单独表提出，课件和积件的信息不仅要存放在基本信息表中，在新建课件时，被选择积件的信息和课件的名称等信息要同样记录到课件数据表中，这样就使三个表进行了联系，使得这三个表之间的数据可以互相访问，实现联动，其关联关系如图 3-5 所示。3.3 系统的特点 通过以上对系统的总体分析可以得出，该系统具有以下特点： (1)通用性与专用性的结合：该系统通过两大部分的实现，为用户提供了一个学习计算机图形学的良好平台，可以看出基于积件思想的辅助教学平台的开发，其目的是尝试为高校课堂教学提供一个良好的教学环境，此次开发虽然是针对计算机图形学一门课程，但该平台对其他课程也同样适用，同时针对计算机图形学研究前沿提出的复杂图形生成模型可以说是专门为计算机图形学教学服务的模型，通过二者的搭配，真正体现了通用性与专用性的结合 。 (2)交互性：该系统在总体设计过程中，充分考虑学生的认识水平，尽量向教师展示方便快捷的操作界面，向学生展示具有交互性的操作界面，使学生在学习的过程中不仅仅是旁观者，而成为学习的参与者，使学生真切的感受到参与创作的无限乐趣。 3.4 本章小结 本章通过对计算机图形学辅助教学平台的需求分析，阐述了计算机图形学辅助教学平台主要实现的功能及模块划分，另外还对平台设计中所用到的数据库技术做一简要概述。 4. 计算机辅助教学平台的详细设计与实现 4.1 平台的设计思路 4.1.1 平台的技术架