呂鵬輝 張起貴

關(guān)鍵詞： 信息技術(shù); 教學(xué)平臺(tái); Socket; TCP/IP通信; 多線程; 數(shù)據(jù)交換

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP311 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0080?05

Design of Socket?based information teaching system using C#

L? Penghui， ZHANG Qigui

（Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030600， China）

Abstract： An information teaching platform based on the C/S multithreading architecture is designed and established by using the .NET based Winform framework， Socket?based TCP/IP communication mode， and extensible markup language XML， so as to bring more learning convenience to teachers， students and parents. Two functions are mainly realized on the information teaching platform： stand?alone testing and online learning. During stand?alone testing， students select question types from the preset question library for self?practice. During online learning， the client and server exchange data in the same local network by means of the Socket?based TCP/IP communication mode. The Microsoft Access database in the server is used to store student information， and students′ names， IDs and scores can be directly exported in the form of .xls file. The whole system has good robustness in switches between various modules and data exchange efficiency between client and server.

Keywords： information technology; teaching platform; Socket; TCP/IP communication; multithreading; data exchange

0 ?引 ?言

自2016年開始，山西省把信息技術(shù)的考試（Office，Photoshop，F(xiàn)LASH）納入中學(xué)生升學(xué)考試科目中，本文在對(duì)市場(chǎng)上信息技術(shù)教輔產(chǎn)品的充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)各類產(chǎn)品參差不齊，功能上、質(zhì)量上不能很好地切入教師、學(xué)生的學(xué)習(xí)生活中，單一的做題模式難免會(huì)讓教師、學(xué)生產(chǎn)生排斥心理[1?2]。

針對(duì)以上需求，本文借助Microsoft開發(fā)的.NET Framework[3]平臺(tái)及開源控件集CSkin開發(fā)簡(jiǎn)易活潑的學(xué)生端界面和教師端界面，并且利用基于Socket的TCP/IP通信模式及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫語言實(shí)現(xiàn)服務(wù)端（教師端）和客戶端（學(xué)生端）的多線程學(xué)習(xí)交互，使學(xué)習(xí)更加有趣高效[4]。

1 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由兩部分組成：教師服務(wù)端和學(xué)生客戶端。教師服務(wù)端的主要功能是：監(jiān)聽學(xué)生客戶端的上線、提交作業(yè)等一系列請(qǐng)求，同時(shí)向?qū)W生發(fā)放試卷，開啟考試等操作，將學(xué)生作業(yè)下載到本地轉(zhuǎn)成特殊格式的文件進(jìn)行批改評(píng)分，將學(xué)生成績(jī)存儲(chǔ)在Microsoft Access數(shù)據(jù)庫[5]，還有值得提及的功能是教師端可以開啟學(xué)生的互評(píng)模式[6]。學(xué)生客戶端的主要功能分為兩大模塊：自學(xué)自測(cè)模塊和課堂互動(dòng)模塊。自學(xué)自測(cè)模塊屬于完全的單機(jī)模式，是學(xué)生自己課前課后自行操作學(xué)習(xí)的模塊。課堂互動(dòng)模塊則需要基于Socket的通信協(xié)議，在局域網(wǎng)中與教師服務(wù)端及其他學(xué)生端進(jìn)行互動(dòng)式學(xué)習(xí)模式[7]。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 ?教師服務(wù)端總體設(shè)計(jì)

教師服務(wù)端最基本的任務(wù)就是監(jiān)聽學(xué)生的連接與斷開，在檢測(cè)到學(xué)生在線的前提下才可實(shí)現(xiàn)和學(xué)生客戶端交換信息。首先在這里引入.NET Framework中的System.Net.Sockets命名空間[8]，定義一個(gè)叫作SocketServer的類，調(diào)用Socket類創(chuàng)建socketWatch對(duì)象負(fù)責(zé)監(jiān)聽學(xué)生客戶端。其主要工作流程是：教師服務(wù)端開啟Socket服務(wù)，調(diào)用socketWatch對(duì)象中的Listen（）方法，設(shè)置監(jiān)聽隊(duì)列的長(zhǎng)度，然后調(diào)用Thread類創(chuàng)建threadWatch對(duì)象，設(shè)置threadWatch對(duì)象屬性IsBackground=true來啟動(dòng)后臺(tái)線程監(jiān)聽，調(diào)用threadWatch對(duì)象的Start（）方法啟動(dòng)監(jiān)聽線程;然后自定義一個(gè)方法SocketConnection（）負(fù)責(zé)持續(xù)不斷地監(jiān)聽學(xué)生端的請(qǐng)求，調(diào)用Socket類中的Accept（）方法實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生對(duì)應(yīng)信息的返回。最后調(diào)用threadWatch對(duì)象的Abort（）和socketWatch對(duì)象的Close（）方法終止線程和關(guān)閉連接并釋放所有資源。這里還添加了System.Data.OleDb命名空間，相比于其他數(shù)據(jù)處理類來說，OLE DB（Object Link and embed）[9]是微軟戰(zhàn)略性地通向不同數(shù)據(jù)源的低級(jí)應(yīng)用程序接口，不僅包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口開放數(shù)據(jù)庫連通性的結(jié)構(gòu)化問題語言（SQL）能力，還具有面向其他非SQL數(shù)據(jù)類型的通路。為了能夠更方便地使用Office軟件這里使用的數(shù)據(jù)庫是微軟提供的Access數(shù)據(jù)庫，利用其對(duì)學(xué)生的基本信息、學(xué)生作業(yè)成績(jī)及學(xué)生互評(píng)結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、修改與查詢。服務(wù)器主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

3 ?學(xué)生客戶端總體設(shè)計(jì)

3.1 ?學(xué)生客戶端結(jié)構(gòu)

學(xué)生客戶端可分為兩大模塊：自學(xué)自測(cè)和課堂互動(dòng)。自學(xué)自測(cè)主要實(shí)現(xiàn)學(xué)生課前、課外對(duì)課本知識(shí)的預(yù)習(xí)與回顧，這里主要用到了.NET Framework中的Winform模塊中的控件類與一些常見方法編寫的外部框架，利用XML（Extensible Markup Language）[10]和JSFL（FLASH JavaScript）[11?12]可讀取FLASH文件的屬性特性，進(jìn)行對(duì)FLASH及Office，Photoshop操作題的評(píng)分。課堂互動(dòng)模塊是學(xué)生客戶端的主要模塊，主要運(yùn)用了socket的TCP/IP通信模式及數(shù)據(jù)庫一系列知識(shí)搭建起來的多線程互動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生客戶端可以實(shí)時(shí)和教師服務(wù)端交換數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)教師服務(wù)端發(fā)放作業(yè)、試卷狀態(tài)，訪問教師服務(wù)端學(xué)生成績(jī)信息等?？蛻舳酥鞒绦蜍浖O(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

3.2 ?自學(xué)自測(cè)模塊

學(xué)生在進(jìn)入自測(cè)界面時(shí)可以選擇客觀測(cè)試與主觀測(cè)試?？陀^測(cè)試主要為單項(xiàng)選擇題、多項(xiàng)選擇題、判斷題和填空題四類客觀題型。主觀測(cè)試包含Microsoft Office（Word，PPT，Excel），Photoshop及FLASH操作題，這里主要討論FLASH操作題的評(píng)分算法。在分析了以往對(duì)FLASH操作題自動(dòng)評(píng)分的各類方案與算法后發(fā)現(xiàn)，以往的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)分算法存在很多需要改進(jìn)的地方，比如，在單純應(yīng)用JSFL（FLASH JavaScript）對(duì)FLASH文件進(jìn)行評(píng)分判斷時(shí)，只能做到一題對(duì)應(yīng)一個(gè)代碼塊。JSFL代碼沒有很好的擴(kuò)展性，加大了程序員以及使用者的工作量。在考慮到代碼的擴(kuò)展性與魯棒性的前提下，在應(yīng)用JSFL訪問FLASH作品的前提下引入XML（Extensible Markup Language）這個(gè)中間“傳遞因子”，利用在.NET Framework類庫中的System.Xml命名空間和JSFL能夠直接讀取指定XML文件（var xml=XML（FLfile.read（"file：///C|/test.xml"）.replace（/^<＼？xml＼s+[^>]*＼？>/i，""））;）來傳送FLASH作品的各個(gè)屬性值與傳出評(píng)分結(jié)果[13?14]。

3.3 ?課堂互動(dòng)模塊

課堂互動(dòng)主要是實(shí)現(xiàn)教師與單個(gè)學(xué)生、學(xué)生和多個(gè)學(xué)生之間的通信，主要流程是：

1） 學(xué)生進(jìn)入登錄界面LoginFrm，輸入對(duì)應(yīng)學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)及教師端服務(wù)器IP端口號(hào)，登入服務(wù)器。

2） 合法用戶登入系統(tǒng)后會(huì)首先進(jìn)入課堂互動(dòng)主界面ClassInteractionMainFrm。

3） 在進(jìn)入主界面后可以看到三個(gè)子模塊，分別為：課堂作業(yè)HomeworkFrm、聯(lián)網(wǎng)練習(xí)OnlineTest、作品互評(píng)MutualWorks。

4） 課堂作業(yè)功能模塊主要實(shí)現(xiàn)將學(xué)生完成的作業(yè)答案進(jìn)行DES加密，并提取有效關(guān)鍵字生成XML格式的文件發(fā)送至教師服務(wù)端，由教師服務(wù)端解析對(duì)其評(píng)分。這里調(diào)用OpenFileDialog類新建一個(gè)fileDialog對(duì)象，然后調(diào)用Enviroment.GetFolderPath（）方法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊提交作業(yè)按鈕打開指定文件夾，使用fileDialog的Filter屬性指定文件類型。

5） 聯(lián)網(wǎng)練習(xí)模塊首先需要學(xué)生在線點(diǎn)擊下載試題從教師服務(wù)端下載試題，教師端確認(rèn)學(xué)生成功下載試卷以后，學(xué)生客戶端可點(diǎn)擊開始答題進(jìn)行在線聯(lián)網(wǎng)練習(xí)。這里利用文件流類FileStream新建對(duì)象fileStm創(chuàng)建指定名稱的XML文件，用來存放成功下載的試卷[15?16]。成功下載試卷后點(diǎn)擊開始答題按鈕后，跳轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)答題界面OnlineExamFrm，引用System.Xml.Linq.XElement，調(diào)用XElement類新建strXml對(duì)象加載試卷XML文件。

6） 作品互評(píng)功能塊學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)上傳作品、更新作品庫和針對(duì)感興趣作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，真正做到學(xué)生與學(xué)生之間的學(xué)習(xí)交流。這里調(diào)用OpenFileDialog類新建一個(gè)fileDialog對(duì)象，設(shè)置fileDialog的Multiselect屬性為true，這樣既可對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行選擇同時(shí)上傳。學(xué)生作品以文件流FileStream的形式上傳至服務(wù)器端，服務(wù)器會(huì)以每個(gè)學(xué)生的學(xué)號(hào)為單位進(jìn)行儲(chǔ)存。在服務(wù)器端開啟互評(píng)后，學(xué)生客戶端可訪問服務(wù)器進(jìn)入作品互評(píng)界面WorksEvaFrm，學(xué)生可選擇其他同學(xué)的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)完成后點(diǎn)擊提交，評(píng)價(jià)結(jié)果上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歸類存儲(chǔ)。

3.4 ?客服兩端多線程Socket通信的實(shí)現(xiàn)

不論是服務(wù)器程序需要同時(shí)為多個(gè)客戶端提供服務(wù)，還是客戶端不同請(qǐng)求之間的相互跳轉(zhuǎn)，都必須要求系統(tǒng)提供多線程機(jī)制來滿足不同的需求。以服務(wù)器為例，每當(dāng)客戶端發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器程序就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)線程和客戶端建立一個(gè)套接字連接，以便客服兩端更加高效的工作。

C#.NET框架實(shí)現(xiàn)多線程的Socket通信需引入System.Net，System.Net.Sockets，System.Threading。在客戶端程序中首先需要?jiǎng)?chuàng)建用于接收服務(wù)端消息的線程Thread threadClient = null和創(chuàng)建用于交換數(shù)據(jù)的Socket對(duì)象[17?18]。然后使用指定的地址族、套接字類型和協(xié)議初始化System.Net.Sockets.Socket類的新實(shí)例對(duì)象socketClient，實(shí)例化接收服務(wù)端消息的線程threadClient = new Thread（RecMsg）。設(shè)置線程為后臺(tái)運(yùn)行threadClient.IsBackground=true，threadClient.Start（）下一步需要將當(dāng)前實(shí)例狀態(tài)修改運(yùn)行狀態(tài)：System.Threading.ThreadState.Running。同理，服務(wù)器端也是需要?jiǎng)?chuàng)建socket對(duì)象和thread對(duì)象，不同的是相較于客戶端，服務(wù)器程序需要處理來自不同IP、端口數(shù)據(jù)，這需要將監(jiān)聽到的所有客戶端的數(shù)據(jù)放置一個(gè)并發(fā)集合線程中。創(chuàng)建Dictionnary類的dictSocket通信集合對(duì)象和Dictionnary類的dictThread并發(fā)集合線程對(duì)象，并使用add（）方法將新建的線程添加至線程集合中去。

4 ?系統(tǒng)整體測(cè)試分析

軟件測(cè)試分析是軟件開發(fā)過程中最后也是關(guān)鍵的一步，其把握著軟件質(zhì)量關(guān)，在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，無論是對(duì)軟件安全性的保障，還是軟件功能性的檢驗(yàn)，都有著無可替代的地位。先后對(duì)服務(wù)器端、客戶端各個(gè)模塊及模塊之間的集成接口進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，最后對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試，在總結(jié)相關(guān)測(cè)試結(jié)果之后對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行記錄分析。

測(cè)試過程與結(jié)果分析：在同一局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，任意部署一臺(tái)電腦作為服務(wù)器，部署三臺(tái)電腦作為客戶端進(jìn)行測(cè)試。首先開啟打包好的服務(wù)器.exe文件，啟動(dòng)服務(wù)器應(yīng)用，開啟Socket服務(wù)，等待客戶端連接;客戶端打開服務(wù)端.exe文件，在與服務(wù)器連接之前先測(cè)試客戶端單機(jī)自測(cè)模塊的相應(yīng)功能，之后客戶端輸入服務(wù)器對(duì)應(yīng)的IP地址及端口與其建立連接。服務(wù)器端學(xué)生狀態(tài)和客戶端登錄狀態(tài)如圖4、圖5所示。

在客戶端登入服務(wù)器后點(diǎn)擊提交作業(yè)，彈出選擇對(duì)應(yīng)文件對(duì)話框，選定文件后點(diǎn)擊“確定”提交作業(yè)?？蛻舳藭?huì)提示提交成功，同時(shí)在服務(wù)器端也有狀態(tài)提示，并且對(duì)應(yīng)作業(yè)文件存儲(chǔ)至服務(wù)器端homework文件夾。服務(wù)器端接收學(xué)生作業(yè)狀態(tài)如圖6所示。

在服務(wù)器端的主界面點(diǎn)擊“批改作業(yè)”可查看學(xué)生作業(yè)的完成情況，并自動(dòng)評(píng)出分?jǐn)?shù)。在學(xué)生端界面點(diǎn)擊“聯(lián)網(wǎng)練習(xí)”，可看到兩個(gè)按鈕：“下載試卷”和“開始答題”，當(dāng)服務(wù)器端導(dǎo)入練習(xí)文件并且開啟考試時(shí)服務(wù)端才可以下載試卷成功并開始答題。服務(wù)器端學(xué)生考試狀態(tài)和客戶端考試界面如圖7、圖8所示。

在學(xué)生答完題提交試卷以后，服務(wù)器端可以自動(dòng)評(píng)分并且導(dǎo)出成績(jī)?yōu)閤ls文件進(jìn)行存儲(chǔ)。在“作品互評(píng)”模塊中，客戶端可以隨意從服務(wù)器調(diào)取其他客戶端的作品文件進(jìn)行評(píng)價(jià)評(píng)分并提交至服務(wù)器。

5 ?結(jié) ?語

本文利用C# .NET Framework的Winform框架和基于Socket的TCP/IP的通信模式搭建設(shè)計(jì)了信息教學(xué)平臺(tái)，其實(shí)質(zhì)上是一款圖形界面的系統(tǒng)軟件。C# .NET Framework的Winform框架和基于Socket的TCP/IP的通信模式搭建設(shè)計(jì)的信息教學(xué)平臺(tái)對(duì)于多線程的引入有效地提高了客服兩端數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多、多對(duì)多的實(shí)時(shí)操作。經(jīng)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)基本滿足了中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)的基本要求，為廣大師生的教學(xué)、學(xué)習(xí)帶來了極大的方便與樂趣。

注：本文通訊作者為張起貴。

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