摘 要

互联网发展浪潮下，教学方式和教学手段出现了巨大的变革，涌现出一大批远程教育平台和互联网辅助教学软件，各大高校也纷纷推出自己的网络教学平台打造精品课程，弥补传统的教学方式存在的课堂枯燥乏味和辅导资料匮乏的不足。本文以Jupyter Notebook(以下简称Jupyter)为基础，建立集交互式课件、实验平台、课堂笔记、在线交流以及学习检测为一体的动态模型学习与实践平台，帮助学生高效学习动态模型相关知识。

Jupyter是一个可以将文字、代码、数学公式和图片融为一体的笔记本，其内核是一个Web应用程序。安装相关的软件包后，它可以支持40多种编程语言。其中，Python是其最支持的编程语言，利用Python中的Math、Numpy和Matplotlib库可以完成从动态模型构建到求解的全过程，还可以实现交互式学习。

本设计中的动态模型学习与实践平台主要分为七个模块，分别是Jupyter基础、动态模型、微分方程、在线交流、学习检测、个人中心以及登录注册。前三个模块是主要的教学模块，学生可以在观看Jupyter课件之后进行实验、笔记和提问；在线交流板块让学生能够共同交流，分享心得，加快知识吸收进程；学习检测板块给学生提供了检测自己学习效果的机会；个人中心板块允许学生修改密码、查看笔记本和提问集。

系统开发运用多种前沿框架，数据库开发语言为Sql,使用 EF 框架，使得可以在不更改应用程序的代码的情况下更改概念性模型与特定存储的架构之间的映射。后端开发语言为Python,使用 MVC 框架，它有利于软件工程化管理，每层各司其职，不同层次的应用具有某些相同的特征。前端开发语言为 HTML。

本系统能够通过将交互式教学和实验结合的方式提高学生学习动态模型相关知识的效率。它的实施和推广很有可能革新现在学生的学习模式，也能够为其他数学建模或者编程类课程的教学创新提供一定的参考。

关键词：Jupyter；动态模型；MVC框架；Django框架

Abstract

Under the wave of Internet development, teaching methods and teaching means appeared a huge change and a large number of distance education platform and Internet aided teaching software emerged. Colleges and universities have also launched their own network teaching platform to make the high-quality goods curriculum, which makes up for the traditional way of teaching that is boring and lacks guidance information.Based on the Jupyter notebook(hereinafter referred to as Jupyter), this paper establishes a dynamic model learning and practice platform that integrates interactive courseware, experimental platform, class notes, online communication and learning detection, so as to help students learn relevant knowledge of dynamic model efficiently.

Jupyter is a notebook that combines text, code, mathematical formulas, and images. It is essentially a web application.After installed the relevant software package, it can support more than 40 programming languages.Among them, Python is the most supported programming language. The math, numpy and matplotlib libraries in Python can be used to complete the whole process of dynamic model from construction to solution, and interactive learning can also be realized.

The dynamic model learning and practice platform is mainly divided into six parts, namely Python foundation, dynamic model, differential equation, online communication, learning detection and personal center.The first three sections are the main teaching sections. Students can do experiments, take notes and ask questions after watching Jupyter courseware.The online communication section enables students to communicate with each other, share their experiences and accelerate the process of knowledge absorption.The learning test section provides students with the opportunity to test their learning effects.The personal center section allows students to change passwords, view notebooks, and ask questions.

I use a variety of cutting-edge frameworks to develop the system. The database development language is SQL, and the EF framework enables the mapping between conceptual models and specific storage architectures to be changed without changing the application code.The back-end development language is Python, and MVC framework is used, which is conducive to software engineering management. Different layers perform their respective duties, and different applications at each layer have some common characteristics.The front-end development language is HTML.

Key words: Jupyter;Dynamic model;The MVC framework;The Django framework

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的与意义 1

1.1.1 创建基于Jupyter的交互式学习平台 1

1.1.2 提升本科教学质量的新思路 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内本科教学现状及软件开发环境 2

1.2.2 国外将Jupyter用于教学的实例 3

1.3 研究内容与研究方法 3

1.3.1 利用Jupyter辅助学生学习 3

1.3.2 搭建内嵌有Jupyter的学习平台 4

第2章 系统分析 5

2.1需求分析 5

2.2业务流程分析 5

2.3数据流程分析 7

2.4 数据字典 9

第3章 学习与实践平台设计 14

3.1 Jupyter教案设计 14

3.1.1 Jupyter简介 14

3.1.2 Jupyter教案设计思路 14

3.1.3 Jupyter教案制作具体流程 15

3.1.4 Jupyter教案设计示例 23

3.2 平台开发总体设计 26

3.2.1 融合Jupyter、实验及交流的功能结构设计 26

3.2.2 物理配置方案设计 27

3.3 平台开发详细设计 28

3.3.1 编码设计 28

3.3.2 数据库设计 28

3.3.3 输入输出设计 33

3.3.4 基于Jupyter的界面设计 35

第4章 系统实施 37

4.1 系统调试 37

4.1.1 编程规范 37

4.1.2 模拟运行基于Jupyter的平台 37

4.2 系统测试 46

4.2.1 系统测试计划的制定 46

4.2.2 系统测试用例的设计 47

4.2.3 系统测试计划的执行 47

参考文献 47

附录 51

致谢 55

第1章 绪论

1.1 研究的目的与意义

1.1.1 创建基于Jupyter的交互式学习平台

随着信息化进程的推进，越来越多的行业开始进行信息化建设。在教育行业中这一点表现得尤为明显，从学校推行信息化管理到教学模式的信息化，各种网络教学平台上线，这些网站中不乏一些编程类和数学建模类的课程，提供给学生接受知识的新方式。

在数学建模中，动态模型一般用来描述对象特征随时间发展而演变的规律，如，空间飞行，电路，化学反应，疾病传播和污染控制等。一般而言，动态模型易于构造，但难于求解。因此，图形表示通常成为分析动态模型的方法。动态模型学习需要连续性和确定性的教学^{错误!未找到引用源。}，传统的数学建模课程存在以下几点不足：

（1）教师一般都采用“满堂灌”、“填鸭式”的教学方法，教学形式单一缺乏创新，学生与课堂互动不足^[1]。在这种氛围下，学生面对抽象难以理解的知识点很容易丧失学习的积极性，教学质量受到严重影响。