基于JAVA的小學(xué)數(shù)學(xué)四則運(yùn)算教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

劉 濤 閔鵬瑾肖 漢

（1.鄭州師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 鄭州 450044）（2.吉林大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院 長春 130012）

1 引言

多媒體技術(shù)的普及促使多媒體教學(xué)廣泛應(yīng)用于課堂教學(xué)中。好的多媒體教學(xué)軟件更能使教學(xué)效果事半功倍，而目前的多媒體教學(xué)軟件往往只是將多媒體信息在教學(xué)中展現(xiàn)與播放，大多缺少靈活性和交互性［1］。加、減、乘、除四則運(yùn)算是小學(xué)數(shù)學(xué)課程中的基礎(chǔ)內(nèi)容［2］，在小學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)體系中占有舉足輕重的地位。由于四則運(yùn)算具有一定的抽象性，而小學(xué)生的思維又以具體形象思維為主，對(duì)較抽象內(nèi)容的理解存在一定的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。因此，在實(shí)際的教學(xué)中，運(yùn)用一些符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的且具有交互性和靈活性的多媒體教學(xué)軟件來幫助學(xué)生學(xué)習(xí)是十分必要的。本文針對(duì)小學(xué)數(shù)學(xué)四則運(yùn)算的教學(xué)實(shí)際，設(shè)計(jì)了一種具有隨機(jī)出題、交互解答，并能對(duì)答案進(jìn)行自動(dòng)測評(píng)的教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能更好地完善教與學(xué)的過程，滿足教學(xué)的實(shí)際需求。

2 MVC模式與事件處理機(jī)制

MVC就是指模型-視圖-控制器（Mod?el-View-Controller），是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其目的是以會(huì)話方式為GUI（圖形用戶接口）設(shè)計(jì)提供支持［3］。MVC模式使GUI設(shè)計(jì)更具有對(duì)象化特性，也更便于維護(hù)。因此，在GUI程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以將存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)的某個(gè)對(duì)象作為模型，然后為模型指定合適的顯示組件，該組件就是視圖。為了響應(yīng)用戶的交互操作，應(yīng)選用某個(gè)組件作控制器使用，當(dāng)控制器觸發(fā)事件時(shí)，啟動(dòng)事件處理機(jī)制來對(duì)視圖修改或獲取模型中所維護(hù)的數(shù)據(jù)，最后使視圖更新顯示。

GUI設(shè)計(jì)中除了要完成靜態(tài)設(shè)計(jì)，還要為作為控制器的組件提供響應(yīng)與處理事件的能力，從而使程序具備與用戶或外部程序進(jìn)行交互的能力，使得程序“活起來”。事件處理關(guān)注程序的動(dòng)態(tài)特征，控制器組件依據(jù)用戶交互操作來產(chǎn)生不同類型的事件對(duì)象［4］。在處理事件時(shí)，控制器組件本身并不參與，而是交由第三方即事件監(jiān)聽器來處理。這一處理方式緣于JAVA采用了委托事件處理模式。事件處理過程中執(zhí)行相關(guān)的處理方法，以完成預(yù)定任務(wù)。圖1即展示了JAVA中事件產(chǎn)生和處理的過程。

圖1 事件處理流程

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于JAVA語言實(shí)現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循MVC模式，整個(gè)系統(tǒng)按功能模塊劃分為四大模塊：年級(jí)模塊、運(yùn)算模塊、選題模塊、測評(píng)模塊。其中年級(jí)模塊用于教師設(shè)定授課年級(jí)，年級(jí)不同該模塊中設(shè)置的試題難度系數(shù)（maxCount）不同，年級(jí)越高難度系數(shù)越大，試題也就越難，該模塊確保了系統(tǒng)能夠勝任更多年級(jí)學(xué)生的教學(xué)工作。運(yùn)算模塊又分為加、減、乘、除，四則運(yùn)算五個(gè)子模塊，前四個(gè)模塊用于設(shè)定單一運(yùn)算模式。例如：教師當(dāng)前需要進(jìn)行乘法教學(xué)了，就可以設(shè)定乘法運(yùn)算模式，系統(tǒng)就處于乘法模式當(dāng)中，那么在之后隨機(jī)出題模塊中就只會(huì)產(chǎn)生乘法試題。第五個(gè)子模塊四則運(yùn)算模塊主要用于學(xué)生日常四則運(yùn)算測試練習(xí)使用，設(shè)定該模塊后，系統(tǒng)進(jìn)入四則運(yùn)算模式，那么隨機(jī)產(chǎn)生的試題就會(huì)包含加、減、乘，除各種運(yùn)算了。選題模塊用于自動(dòng)產(chǎn)生不同運(yùn)算模式的試題，用于教學(xué)或?qū)W生練習(xí)測試使用。測評(píng)模塊可以對(duì)學(xué)生輸入的答題結(jié)果進(jìn)行判斷，并顯示判斷結(jié)果。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 JAVA四則運(yùn)算教學(xué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)基于MVC模式，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)類，其中Teacher對(duì)象充當(dāng)監(jiān)視器，負(fù)責(zé)給出運(yùn)算題目，并判斷回答者的答案是否正確；Computer?Demo對(duì)象負(fù)責(zé)為運(yùn)算題目提供視圖，例如用戶可以通過ComputerDemo對(duì)象提供的GUI界面看到題目，并通過該GUI界面顯示題目的判定結(jié)果；Main_C是系統(tǒng)的主類負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行。

Step1：使用 JFrame、JMenuBar、JMenu、JMenu?Item、JLabel、JTextField、JButton、FlowLayout、Con?tainer等類設(shè)計(jì)GUI界面。該GUI中包含有9個(gè)事件源組件，其中2個(gè)年級(jí)菜單項(xiàng)組件；5個(gè)表示加、減、乘、除以及四則運(yùn)算模式的菜單項(xiàng)組件；用于隨機(jī)出題的選題按鈕組件；進(jìn)行智能測評(píng)的查看答案按鈕組件。

Step2：調(diào)用 addActionListener（new Teacher（））方法為這些JMenuItem對(duì)象、JButton對(duì)象注冊(cè)監(jiān)聽器。

Step3：在Teacher類中通過重寫ActionListener接口中 actionPerformed（ActionEvent e）方法，對(duì)事件源對(duì)象產(chǎn)生的ActionEvent事件進(jìn)行處理。因?yàn)橄到y(tǒng)中存在觸發(fā)同一事件的多個(gè)事件源，所以當(dāng)它們觸發(fā)事件時(shí)，在 actionPerformed（ActionEvent e）方法中處理代碼也不相同。當(dāng)菜單項(xiàng)“三年級(jí)”或“四年級(jí)”觸發(fā)ActionEvent事件時(shí)，處理該事件的代碼用于設(shè)定試題難度系數(shù)（maxCount），maxCount是Teacher的類成員變量，在Teacher類定義setMax?Count方法為maxCount賦值，該方法定義如下：

public void setMaxCount（int num）｛

maxCount=num；｝

maxCount大小由num來確定，當(dāng)菜單項(xiàng)選中“三年級(jí)”或“四年級(jí)”時(shí)就可以調(diào)用setMax（num）方法來設(shè)定不同的試題難度系數(shù)。Teacher類還定義了public void setLeap（String str）方法用于當(dāng)加、減、乘、除、四則運(yùn)算菜單項(xiàng)觸發(fā)ActionEvent事件時(shí)，設(shè)置計(jì)算模式變量temp。

Step4：在Teacher類中定義public void createR?andom（String s）方法，該方法滿足以下功能：

1）產(chǎn)生兩個(gè)用于計(jì)算的操作數(shù)，并將其顯示在對(duì)應(yīng)的文本框中；

2）獲取計(jì)算模式變量temp，并將其顯示在對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽中；

3）激活智能測評(píng)按鈕，為下一步測評(píng)解答結(jié)果作好準(zhǔn)備；

4）調(diào)用pack（）方法，是窗口能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)大小。

Step5：對(duì)解題結(jié)果進(jìn)行智能測評(píng)。點(diǎn)擊“查看答案”按鈕組件可以對(duì)學(xué)生輸入的答案進(jìn)行對(duì)錯(cuò)判斷，并顯示判斷結(jié)果。在Step4呈現(xiàn)出來的2個(gè)操作數(shù)、運(yùn)算符，被放置在2個(gè)JTextField和1個(gè)JLa?bel組件上，學(xué)生將此試題的答案輸入到第3個(gè)JTextField組件中。利用智能測評(píng)功能模塊，可以方便快捷地獲取JTextField組件中操作數(shù)與JLabel中的運(yùn)算符。接著對(duì)運(yùn)算符進(jìn)行判斷，并按判斷結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的算數(shù)運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果與學(xué)生輸入的答案進(jìn)行驗(yàn)證，顯示驗(yàn)證結(jié)果。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 加法運(yùn)算子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)年級(jí)設(shè)定、加法運(yùn)算選擇、隨機(jī)出題以及對(duì)輸入的結(jié)果進(jìn)行正無誤評(píng)判等功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

圖3 加法運(yùn)算子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先選擇年級(jí)模式，設(shè)定教學(xué)年級(jí)，如果未設(shè)定教學(xué)年級(jí)，那么運(yùn)算模式、選題、查看答案等對(duì)象均處于未激活狀態(tài)；接著選擇運(yùn)算模式，這時(shí)選題按鈕處于激活狀態(tài)，查看答案按鈕仍處于未激活狀態(tài)；接下來選擇選課按鈕，產(chǎn)生加法運(yùn)算習(xí)題，查看答案按鈕由未激活變?yōu)榧せ顮顟B(tài)；最后輸入計(jì)算結(jié)果，點(diǎn)擊查看答案按鈕可以對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正誤判斷。該加法運(yùn)算子系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖4所示。其它運(yùn)算子系統(tǒng)的執(zhí)行流程與此類似。

圖4 加法運(yùn)算子系統(tǒng)執(zhí)行流程

在加法的計(jì)算表達(dá)式中，需要呈現(xiàn)出來的有操作數(shù)、加法運(yùn)算符以及計(jì)算結(jié)果，其中操作數(shù)和加法運(yùn)算符由系統(tǒng)中選題模塊來隨機(jī)生成，計(jì)算結(jié)果需要首先存儲(chǔ)下來，以便與學(xué)生輸入的題目解答結(jié)果進(jìn)行測評(píng)。

在系統(tǒng)中，通過“選擇年級(jí)”來設(shè)定教學(xué)的難度系數(shù)。將int型難度系數(shù)變量maxCount通過set?MaxCount方法設(shè)定難度值，然后選定“加法運(yùn)算”菜單項(xiàng)，該菜單項(xiàng)觸發(fā)ActionEvent事件，將“+”運(yùn)算符存儲(chǔ)在字符串變量temp中，并激活選題按鈕為下一步生成加法運(yùn)算練習(xí)題作好準(zhǔn)備。其設(shè)計(jì)代碼如下：

public void setLeap（String s）｛

temp=s；

bt1.setEnabled（false）；

bt2.setEnabled（true）；//激活選題按鈕｝

接下來通過單擊“選題”按鈕來隨機(jī)生成加法運(yùn)算習(xí)題。該運(yùn)算習(xí)題生成步驟如下：

Step1：使用new Random（）生成隨機(jī)類對(duì)象r，r調(diào)用nextInt（int x）方法來隨機(jī)生成操作數(shù)，該操作數(shù)取值范圍由難度系數(shù)maxCount決定。難度系數(shù)越大，操作數(shù)取值范圍越大，生成的加法運(yùn)算題也越難。

Step2：定義 createRandom（String s）方法來生成操作數(shù)和運(yùn)算符，將操作數(shù)放進(jìn)文本框?qū)ο髏ext1、text2中，將運(yùn)算符放進(jìn)標(biāo)簽對(duì)象lab1中。字符串s表示運(yùn)算符。該代碼定義如下：

public void createRandom（String s）｛

int i=r.nextInt（maxCount）+1；

int j=r.nextInt（maxCount）+1；

text1.setText（String.valueOf（i））；

text2.setText（String.valueOf（j））；

lab1.setText（s）；

bt1.setEnabled（true）；

text3.setText（null）；

pack（）；｝

Step3：單擊“選題”按鈕觸發(fā)ActionEvent事件，調(diào)用createRandom方法將temp存儲(chǔ)的運(yùn)算符傳遞給s。代碼如下：

else if（e.getSource（）==bt2）｛//bt2表示選題按鈕

if（temp.equals（“+”））｛

createRandom（temp）；｝

最后進(jìn)行結(jié)果判定，該過程由“查看答案”按鈕bt1觸發(fā)ActionEvent事件，該事件處理將對(duì)兩個(gè)操作數(shù)求和與學(xué)生輸入的結(jié)果進(jìn)行比較，如結(jié)果相等則給出正確結(jié)果，相反給出錯(cuò)誤結(jié)果。設(shè)計(jì)代碼如下：

else if（e.getSource（）==bt1）｛

String s=lab1.getText（）；

if（s.equals（“+”））｛

int i=Integer.parseInt（text1.getText（））+Inte?ger.parseInt（text2.getText（））；

if（String.valueOf（i）.equals（text3.getText（）））｛

lab3.setText（“恭喜！答對(duì)了！”）；

pack（）；｝

else｛lab3.setText（“抱歉！答錯(cuò)了，再想想！”）；

pack（）；｝｝

至此，加法測試子系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成，下面對(duì)加法測試子系統(tǒng)進(jìn)行測試。在菜單中分別設(shè)定“四年級(jí)”和“+”菜單項(xiàng)后，用鼠標(biāo)單擊“選題”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)100以內(nèi)的加法運(yùn)算習(xí)題。當(dāng)交互輸入一個(gè)計(jì)算結(jié)果后，單擊“查看答案”按鈕，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所填答案，自動(dòng)地給出正確或錯(cuò)誤的評(píng)判結(jié)果，并顯示在lab3中。如圖5所示。

圖5 加法運(yùn)算子系統(tǒng)運(yùn)行效果

4.2 其它子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

減法運(yùn)算子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與加法基本一致，系統(tǒng)里包含三個(gè)文本框?qū)ο蠓謩e為text1、text2和text3，它們分別用來存放被減數(shù)、減數(shù)和輸入結(jié)果。因?yàn)樾W(xué)數(shù)學(xué)還沒有學(xué)習(xí)到負(fù)數(shù)，所以在隨機(jī)產(chǎn)生操作數(shù)時(shí)，要確保大的操作數(shù)作被減數(shù)。因此，減法運(yùn)算初始化時(shí)，可以使用if判定語句比較操作數(shù)i和j的大小，然后將大的操作數(shù)放入text1中。其設(shè)計(jì)代碼如下：

int i=r.nextInt（maxCount）+1；

int j=r.nextInt（maxCount）+1；f

（s.equals（“-”）&&i＜j）｛//s表示運(yùn)算符

text1.setText（String.valueOf（j））；

text2.setText（String.valueOf（i））；｝

lab1.setText（s）；

bt1.setEnabled（true）；

text3.setText（null）；

pack（）；

類似地，可實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算和除法運(yùn)算子系統(tǒng)。需要注意的是除法運(yùn)算的答案可能存在余數(shù)，所以在text3中輸入結(jié)果時(shí)應(yīng)在商后帶上余數(shù)，例如：5…2這種形式的結(jié)果。這樣才能判定出除法答案的正確性。其設(shè)計(jì)代碼如下：

else if（s.equals（“/”））｛

int l=Integer.parseInt（text1.getText

（））%Integer.parseInt（text2.getText（））；

int i1=Integer.parseInt（text1.getText

（））/Integer.parseInt（text2.getText（））；

if（l！=0）｛

if（（（new StringBuilder（））.append

（i1）.append（“...”）.append（l）.toString（））.equals

（text3.getText（）））

｛lab3.setText（“恭喜！答對(duì)了！”）；

pack（）；｝else

｛lab3.setText（“抱歉！答錯(cuò)了，再想想！”）；

pack（）；｝

｝｝

運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 帶余數(shù)除法運(yùn)算解答、與判定

四則運(yùn)算子系統(tǒng)主要用于學(xué)生課下自測練習(xí)使用，該系統(tǒng)能夠通過“選題”按鈕隨機(jī)生成加、減、乘、除四種運(yùn)算類型的習(xí)題，能較為全面地幫助學(xué)生牢固掌握加、減、乘、除四則運(yùn)算法則。系統(tǒng)首先使用Math.random（）方法產(chǎn)生［0，1）內(nèi)的實(shí)數(shù)d，接著，根據(jù)d取值來確定運(yùn)算符s1是哪種類型的運(yùn)算符，最后調(diào)用createRandom（String s）方法將隨機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)算符傳遞給參數(shù)s。代碼如下：

double d=Math.random（）；

String s1=“”；

if（d＞=0.75D）｛

s1=“+”；｝

else if（d＞=0.5D&&d＜0.75D）｛

s1=“-”；｝

else if（d＞=0.25D&&d＜0.5D）｛

s 1=“*”；｝

else｛s1=“/”；｝

createRandom（s1）；

5 系統(tǒng)測試

在小學(xué)數(shù)學(xué)四則運(yùn)算教學(xué)系統(tǒng)測試中，功能測試部分是核心，該部分的測試要完成對(duì)系統(tǒng)各模塊的驗(yàn)證和檢查，主要包含選題、判定等按鈕的功能是否正常。以下對(duì)系統(tǒng)性能、功能進(jìn)行測試如表1～2所示。

表1 系統(tǒng)性能測試結(jié)果

表2 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

根據(jù)以上的測試結(jié)果，并結(jié)合多名學(xué)生進(jìn)行的300次以上的反復(fù)測試效果，可以證實(shí)該系統(tǒng)確實(shí)能方便地隨機(jī)出題，自行評(píng)判正誤，評(píng)判正確率達(dá)到100%。

6 結(jié)語

基于JAVA SE技術(shù)的小學(xué)數(shù)學(xué)四則運(yùn)算教學(xué)系統(tǒng)已真正用于教學(xué)實(shí)踐，受到教師、學(xué)生用戶的一致好評(píng)。因此，該系統(tǒng)符合最初的需求設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)界面友好、操作流程清晰簡練，整體運(yùn)行效果良好，為數(shù)學(xué)四則運(yùn)算教學(xué)工作帶來極大便利。

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