張曉紅，薛培軍，周曉莉

(中州大學(xué) 實驗中心，鄭州450044)

一、引言

實驗教學(xué)是高等院校教學(xué)工作的重要組成部分，它在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面有著不可替代的重要作用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，高校實驗室的功能已經(jīng)由過去單一的“做實驗”功能，發(fā)展為集教學(xué)、科研、開發(fā)等多種功能為一體的功能，其工作也隨之復(fù)雜，主要包括設(shè)備管理、教學(xué)任務(wù)、試驗項目、規(guī)章制度等。為此，本文分析研究了集方便性、實用性和易操作性于一體的實驗管理系統(tǒng)。

UML(Unified Modeling Language)是一種標準的圖形建模語言，是一種用于對軟件系統(tǒng)模型繪制可視化描述的工具，它是面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計過程中重要的建模工具，不僅支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計，還支持從需求分析開始的軟件開發(fā)的全過程。使用UML建模有助于軟件開發(fā)人員繪制出有利于交流的清晰模型，使軟件開發(fā)易于實施。本文以實驗室管理系統(tǒng)為實例，討論如何使用UML進行面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)建模。

二、統(tǒng)一建模語言UML

統(tǒng)一建模語言UML是面向?qū)ο筌浖_發(fā)中的一種可視化的、通用的、統(tǒng)一的圖形模型語言，是面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計過程中重要的建模工具。UML的定義包括UML語義和UML表示法兩部分。

(1)UML語義通過其元模型來嚴格定義，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(fā)者能在語義上取得一致，消除了因人而異的表達方法所造成的影響，并且還支持對元模型的擴展定義。

(2)UML表示法 定義了UML符號的表示法，為軟件開發(fā)者或者開發(fā)工具使用這些圖形符號和文本語法為系統(tǒng)建模提供了標準。這些圖形符號和文字所表達的是應(yīng)用級的模型，在語義上，它是UML元模型的實例。

標準建模語言UML共包括10種圖:用例圖、類圖、對象圖、包圖、狀態(tài)圖、活動圖、順序圖、協(xié)作圖、組件圖和配置圖。

三、UML建模機制

UML是一種通用的標準建模語言，其建模機制包括靜態(tài)建模和動態(tài)建模兩大類。

靜態(tài)建模機制定義了系統(tǒng)中重要對象的屬性和操作以及這些對象相互之間的關(guān)系，包括用例圖、類圖、對象圖、包圖、構(gòu)件圖和配置圖。其中用例圖主要描述系統(tǒng)的外部行為;類圖和對象圖分別定義類和對象以及它們的屬性和操作;包圖描述系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu);組件圖描述代碼組件的物理結(jié)構(gòu)及各部件之間的依賴關(guān)系。配置圖定義了系統(tǒng)中軟硬件的物理體系結(jié)構(gòu)，動態(tài)建模機制定義了對象的時間特性和對象為完成目標任務(wù)而相互進行通信的機制，用狀態(tài)圖、順序圖、協(xié)作圖、活動圖來表示。其中狀態(tài)圖描述了類的對象所有可能的狀態(tài)以及事件發(fā)生時狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件;順序圖用于顯示對象之間的動態(tài)合作關(guān)系，它強調(diào)對象之間消息發(fā)送的順序，同時也顯示對象之間的交互過程;協(xié)作圖與順序圖相似，它描述對象間的動態(tài)合作關(guān)系，除顯示信息交換外，協(xié)作圖還顯示對象以及它們之間的關(guān)系。活動圖描述滿足用例要求所要進行的活動以及活動間的約束關(guān)系，有利于識別并行活動。

四、UML建模技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

1．項目簡介

本系統(tǒng)主要針對實驗室管理中需要解決的各種具體問題進行開發(fā)。系統(tǒng)主要功能模塊為基本信息管理、實驗管理、教學(xué)管理、資產(chǎn)管理、系統(tǒng)維護等，實現(xiàn)對實驗室基本信息提供在線維護和查詢。而在進行數(shù)據(jù)交換及客戶端數(shù)據(jù)顯示時，采用WEB技術(shù)，集課程安排，課程演示及答疑、考試，管理員、教師、學(xué)生互動等多種功能為一體。系統(tǒng)能產(chǎn)生較好的社會經(jīng)濟效益和廣泛的應(yīng)用前景。

以實驗管理系統(tǒng)為例，結(jié)合UML工具軟件繪制圖形，主要使用UML中的用例圖、順序圖來進行系統(tǒng)分析。

2．UML用例圖描述

UML是用來建立模型的，用模型來描述系統(tǒng)的靜態(tài)特征及其動態(tài)特征。用例圖強調(diào)從用戶的角度看到的或需要的系統(tǒng)功能，被稱為參與者的外部用戶所能觀察到的系統(tǒng)功能的模型圖。因此在分析階段針對不同參與者在實驗過程中所承擔(dān)的角色和工作內(nèi)容的不同，采用用例圖作為與用戶的溝通方式，建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型。

(1)發(fā)現(xiàn)參與者(Actors)

參與者是指與系統(tǒng)交互的人或物。參與者也叫角色，它觸發(fā)用例，并與用例進行信息交換，分為3類:系統(tǒng)的使用者(即用戶)，外部系統(tǒng)，時間。其中系統(tǒng)使用者是最重要的參與者，要弄明白誰是參與者首先要確定系統(tǒng)的邊界，可以通過詢問用戶以下問題來幫助確定參與者:

誰使用系統(tǒng)的主要功能(主要使用者是誰)?

誰需要系統(tǒng)支持他們的日常工作?

誰來維護、管理系統(tǒng)使它正常工作(輔助使用者)?

系統(tǒng)需要控制其他外部資源嗎?

系統(tǒng)需要與其他系統(tǒng)進行交互嗎?

有對系統(tǒng)產(chǎn)生的結(jié)果感興趣的人或事物嗎?

在本系統(tǒng)中通過分析得出系統(tǒng)參與者為學(xué)生、教師、管理員。在命名這些角色時，應(yīng)該注意是按照作用命名而不是按位置命名，這樣容易得到穩(wěn)定的角色，位置名隨時改變，而利用作用命名，就不必在每次增加新位置或改變位置時更新模型。

(2)用例(Use Case)的獲取

一旦獲取了參與者，就可以較為容易地對每個參與者提出問題以獲取用例。常見的問題有如下:

參與者要求系統(tǒng)必須提供哪些功能(也就是參與者需要做什么)?

參與者需要讀、產(chǎn)生、刪除、修改或者存儲的系統(tǒng)信息有哪些類型?

必須提醒參與者的系統(tǒng)事件有哪些?或者參與者必須提醒系統(tǒng)的事件有哪些?怎樣把這些事件表示成用例中的某項功能?

為了完整地描述用例，還需要知道參與者的某些典型功能能否被系統(tǒng)自動實現(xiàn)。在處理參與者和用例時，不必過分關(guān)心它們之間的確切關(guān)系，因為我們真正關(guān)心的是用例，參與者只不過是獲取這些用例的途徑之一。針對一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，要列出所有用例的清單常常十分困難，確定用例時有兩個準則:首先，每個用例都應(yīng)該對其角色提供有價值的服務(wù)，視角色實現(xiàn)預(yù)定的目標，這個準則有助于避免確定的用例太小;其次，確保每個用例都向主要角色提供有價值的服務(wù)，這個準則有助于避免用例太大。

通過分析確定出實驗管理系統(tǒng)的用例有基本信息管理、實驗管理、教學(xué)管理、資產(chǎn)管理、系統(tǒng)維護。

(3)創(chuàng)建參與者與用例關(guān)系圖

在參與者和用例之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，這種類型的關(guān)聯(lián)關(guān)系通常涉及到Actors和Use Case之間的通信關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過分析業(yè)務(wù)模型，結(jié)合上面我們提到的用例的獲取方法，在對整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有了大致了解之后，需要在不同層次上對實驗管理系統(tǒng)中的基本信息管理、實驗管理、教學(xué)管理、資產(chǎn)管理、系統(tǒng)維護的用例進行抽象，描述系統(tǒng)中用例的關(guān)系。如圖1所示頂層用例圖。

圖1 系統(tǒng)頂層用例圖

接下來對頂層用例圖進行細化，例如對教學(xué)管理用例細化如下:

圖2 教學(xué)管理用例圖

3．UML順序圖描述

表現(xiàn)系統(tǒng)流程以及系統(tǒng)元素之間的交互關(guān)系可以用兩種視圖:順序圖與協(xié)作圖。其中順序圖是最常用的動態(tài)模型，順序圖是按時間排序的交互圖，顯示對象之間消息的線性流動。而協(xié)作圖以對象實例為中心，著重顯示與對象之間的關(guān)系。在建模工具ROSE中可以利用功能菜單在兩個圖之間進行轉(zhuǎn)換，以學(xué)生查詢課表為例建立的順序圖如圖3所示。從該圖中可以清晰地看到各個對象的順序信息。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)在分析實驗室管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給出了采用UML和建模工具對其進行面向?qū)ο蟮慕７治?，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了軟件的開發(fā)質(zhì)量及效率。在對系統(tǒng)做核心的建模分析和設(shè)計后，本系統(tǒng)開發(fā)采用C#．net技術(shù)，后臺數(shù)據(jù)庫則采用微軟的SQL Server 2005系統(tǒng)，基于B/S模式實現(xiàn)。該系統(tǒng)可使廣大的師生都參與到實驗室管理中來，減少實驗室管理人員的工作量，有助于提高學(xué)生的實驗技能和自我管理能力;在規(guī)范實驗室的使用和管理上有很強的實用性。

圖3 查詢課表順序圖

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