前言：
在个人项目中，实现小初高数学出题程序只需要命令行，但在结对编程中需要带图形用户界面，并且用户对象不再是出题老师，而是小初高学生。因为在个人项目中，两人分别使用C++和Python语言来编写的，而C++的图形用户界面感觉晦涩难懂，所有一致决定使用Python来开发结对编程项目，使用的工具为Python自带的Tkinter
结对编程项目要求：
用户：
小学、初中和高中学生。
功能：
1、用户注册功能。用户提供手机号码，点击注册将收到一个注册码，用户可使用该注册码完成注册；
2、用户完成注册后，界面提示设置密码，用户输入两次密码匹配后设置密码成功。密码6-10位，必须含大小写字母和数字。用户在登录状态下可修改密码，输入正确的原密码，再输入两次相同的新密码后修改密码成功；
3、密码设置成功后，跳转到选择界面，界面显示小学、初中和高中三个选项，用户点击其中之一后，提示用户输入需要生成的题目数量；
4、用户输入题目数量后，生成一张试卷（同一张卷子不能有相同题目，题目全部为选择题），界面显示第一题的题干和四个选项，用户选择四个选项中的一个后提交，界面显示第二题，...，直至最后一题；
5、最后一题提交后，界面显示分数，分数根据答对的百分比计算；
6、用户在分数界面可选择退出或继续做题；
7、小初高数学题目要求见个人项目。
项目原型：
在正式动工前，我们首先在纸上画了软件原型图，如下：
其中用红色线将该项目分为三个部分，两人分工编写
第一部分，登陆：
由于未能掌握数据库的处理，在保存账号密码的时候，使用Excel表格实现
在登陆界面只会验证Excel中是否有该手机号，以及手机号对应的密码是否正确，若没有找到手机号，或者找到手机号但密码对不上，则会弹出一个对话框提示手机号或密码输入错误
若没有注册手机号，可以点击“注册账号”按钮进入注册界面。在注册界面里，当点击“注册”按钮后会验证手机号、密码是否满足格式要求，这里使用正则表达式来实现验证功能，然后会验证两次输入的密码是否一致，以及验证码是否与发送到手机号的验证码一致。点击“获取验证码按钮”会发送验证码到对应手机号上，这里使用了腾讯云的免费试用发送短信功能，免费试用100条短信。注册完成后，注册界面会关闭，在登陆界面输入正确的手机号和密码即可登陆。
第二部分，选择：
登陆成功后会进入选择界面，在界面右上角可以修改密码，可以在“小学”，“初中”，“高中”三种难度中选择一种，选择后输入生成题目数量，会验证题目数量是否大于0。
第三部分，做题：
会按照选择的难度和输入题目的数量生成题目，每次生成一道题，生成一道题的代码复用的是C++的，代码如下：
1 //level为0代表难度为小学，1代表初中，2代表高中
2 string GetOneQuestion(int level)
3 {
4 stringstream ss;
5 int bracketNum = 0; //括号的数量，单位为对
6 int operateNum; //操作数
7 bool leftBracket; //判断该操作数前是否有左括号，若有，则在该操作数后不加右括号，因为要避免出现“(?)”的情况
8 bool need = false; //判断是否满足备注要求，初中题目至少一个根号或平方(概率皆为1/2)，高中题目至少一个三角函数
9 if (level == 0)
10 {
11 operateNum = 2+rand()%4; //小学题目2~5个操作数
12 }
13 else
14 {
15 operateNum = 1+rand()%5; //初中和高中题目1~5个操作数
16 }
17
18 if (operateNum == 1)
19 {
20 if (level == 1)
21 {
22 if (rand()%2 == 0)
23 {
24 ss << "√" << 1+rand()%100;
25 }
26 else
27 {
28 ss << 1+rand()%100 << "^2";
29 }
30 }
31 else if (level == 2)
32 {
33 string fun;
34 int num;
35 //tan值要存在
36 do
37 {
38 fun = g_triFun[rand()%3];
39 num = g_triNum[rand()%46];
40 }
41 while (fun == "tan(" && (num+90)%180 == 0);
42 ss << fun << num << "°" << ‘)‘;
43 }
44 }
45 else
46 {
47 //生成第一个操作数
48 if (rand()%4 == 0)
49 {
50 ss << ‘(‘;
51 bracketNum++;
52 }
53
54 if (level == 1 && rand()%4 == 0) //根号
55 {
56 need = true;
57 ss <<"√";
58 }
59
60 if (level == 2 && rand()%4 == 0) //操作数，或者sin(?)cos(?)tan(?)
61 {
62 need = true;
63 string fun;
64 int num;
65 //tan值要存在
66 do
67 {
68 fun = g_triFun[rand()%3];
69 num = g_triNum[rand()%46];
70 }
71 while (fun == "tan(" && (num+90)%180 == 0);
72 ss << fun << num << "°" << ‘)‘;
73 }
74 else
75 {
76 ss << 1+rand()%100;
77 }
78
79 if (level == 1 && rand()%4 == 0) //平方
80 {
81 need = true;
82 ss << "^2";
83 }
84
85 //生成后续运算符与操作数
86 for (int i = 0; i < operateNum; i++)
87 {
88 char c = g_operators[rand()%4]; //运算符
89 ss << c;
90
91 if (level == 1 && (rand()%4 == 0 || (!need && i == operateNum-1 && rand()%2 == 0))) //根号
92 {
93 need = true;
94 ss <<"√";
95 }
96
97 leftBracket = false;
98 if (rand()%4 == 0 && i != operateNum-1) //左括号
99 {
100 ss << ‘(‘;
101 leftBracket = true;
102 bracketNum++;
103 }
104
105 if (level == 2 && (rand()%4 == 0 || (!need && i == operateNum-1))) //操作数，或者sin(?)cos(?)tan(?)
106 {
107 need = true;
108 string fun;
109 int num;
110 //不能发生除0的情况，并且tan值要存在
111 do
112 {
113 fun = g_triFun[rand()%3];
114 num = g_triNum[rand()%46];
115 }
116 while ((c == ‘/‘ && ((fun == "sin(" && num%180 == 0) || (fun == "cos(" && (num+90)%180 == 0)))
117 ||(fun == "tan(" && (num+90)%180 == 0));
118 ss << fun << num << "°" << ‘)‘;
119 }
120 else
121 {
122 ss << 1+rand()%100;
123 }
124
125 if (level == 1 && rand()%8 == 0) //平方在操作数右边
126 {
127 need = true;
128 ss << "^2";
129 }
130 if (rand()%4 == 0 && bracketNum > 0 && !leftBracket) //右括号
131 {
132 ss << ‘)‘;
133 bracketNum--;
134 }
135 if (level == 1 && (rand()%8 == 0 || (!need && i == operateNum-1))) //平方有可能在括号右边
136 {
137 need = true;
138 ss << "^2";
139 }
140 }
141 while (bracketNum--)
142 {
143 ss << ‘)‘;
144 }
145 }
146
147 ss << ‘=‘;
148 if (g_questions.find(ss.str()) != g_questions.end())
149 {
150 return GetOneQuestion(level);
151 }
152 else
153 {
154 g_questions.insert(ss.str());
155 return ss.str();
156 }
157 }
转换为Python代码时会有些不同，因为在个人项目中，只需要考虑出题，而在结对编程中还需要考虑出正确答案与干扰选项。生成题目的流程还是一样的，然后会用到Python的内置函数eval()，函数会把字符串当作正确的表达式来运行，可以借此来获得随机生成的表达式的值，当然前提是在调用eval()函数前要把表达式的根号换成sqrt函数，把圆周率π变成p，其中p=pi，把平方符号换成**2，这样才符合Python的正确表达式形式。通过修改该表达式中某一运算符，分别改成加减乘除，可以得到四个表达式，也就得到四个值，返回四个表达式与四个对应的值。这里没有决定哪个是正确选项，返回之后，程序再生成随机数来决定哪一个表达式是正确答案。
具体Python代码如下：
1 operators = [‘+‘, ‘-‘, ‘*‘, ‘/‘] 2 triFun = [‘sin(‘, ‘cos(‘, ‘tan(‘] 3 triNum = [‘0‘, ‘π/6‘, ‘π/4‘, ‘π/3‘, ‘π/2‘] 4 5 def createOneQuestion(level): 6 question = ‘‘ 7 questions = [] 8 answers = [] 9 p = pi 10 bracketNum = 0 11 need = False 12 if level==0: 13 operateNum = randint(2,5) 14 else: 15 operateNum = randint(1,5) 16 17 if operateNum==1: 18 if level==1: 19 s = set() 20 while (len(s)<4): 21 if randint(0,7)==0: 22 s.add(‘√(‘+str(randint(1,100))+‘)²‘) 23 elif randint(0,6)==0: 24 s.add(‘√(‘+str(randint(1,100))+‘²)‘) 25 elif randint(0,1)>0: 26 s.add(‘√(‘+str(randint(1,100))+‘)‘) 27 else: 28 s.add(str(randint(1,100))+‘²‘) 29 questions = list(s) 30 for i in range(4): 31 answers.append(eval(questions[i].replace(‘√‘,‘sqrt‘).replace(‘²‘,‘**2‘))) 32 else: 33 s = set() 34 while (len(s)<4): 35 fun = triFun[randint(0,2)] 36 num = triNum[randint(0,4)] 37 while (fun==‘tan(‘ and num==‘π/2‘): 38 fun = triFun[randint(0,2)] 39 num = triNum[randint(0,4)] 40 s.add(fun+num+‘)‘) 41 questions = list(s) 42 for i in range(4): 43 answers.append(eval(questions[i].replace(‘π‘,‘p‘))) 44 45 return questions, answers 46 else: 47 #第一个操作数 48 if randint(0,3)==0: 49 question += ‘(‘ 50 bracketNum += 1 51 if level==1 and randint(0,3)==0: 52 need = True 53 question += ‘√(‘ 54 bracketNum += 1 55 56 if level==2 and randint(0,3)==0: 57 need = True 58 fun = triFun[randint(0,2)] 59 num = triNum[randint(0,4)] 60 while (fun==‘tan(‘ and num==‘π/2‘): 61 fun = triFun[randint(0,2)] 62 num = triNum[randint(0,4)] 63 question += fun+num+‘)‘ 64 else: 65 question += str(randint(1,100)) 66 67 if level==1 and randint(0,3)==0: 68 question += ‘²‘ 69 70 #生成后续运算符与操作数 71 indexs = [] 72 for i in range(0,operateNum): 73 c = operators[randint(0,3)] 74 question += c 75 indexs.append(len(question)-1) 76 77 if level==1 and (randint(0,3)==0 or (not need and i==operateNum-1 and randint(0,1)==0)): 78 need = True 79 question += ‘√(‘ 80 bracketNum += 1 81 82 if randint(0,3)==0 and i!=operateNum-1: 83 question += ‘(‘ 84 bracketNum += 1 85 86 if level==2 and (randint(0,3)==0 or (not need and i==operateNum-1)): 87 need = True 88 fun = triFun[randint(0,2)] 89 num = triNum[randint(0,4)] 90 while ((fun==‘tan(‘ and num==‘π/2‘) or (c==‘/‘ and (((fun==‘sin(‘ or fun==‘tan(‘) and num==‘0‘) or (fun==‘cos(‘ and num==‘π/2‘)))): 91 fun = triFun[randint(0,2)] 92 num = triNum[randint(0,4)] 93 question += fun+num+‘)‘ 94 else: 95 question += str(randint(1,100)) 96 97 if level==1 and randint(0,7)==0: 98 need = True 99 question += ‘²‘ 100 if randint(0,3)==0 and bracketNum>0: 101 question += ‘)‘ 102 bracketNum -= 1 103 if level==1 and (randint(0,7)==0 or (not need and i==operateNum-1)): 104 need = True 105 question += ‘²‘ 106 107 question += ‘)‘*bracketNum 108 # print(indexs)#输出题目的运算符的位置 109 index = indexs[randint(0,operateNum-1)] 110 temp = operators.copy() 111 shuffle(temp) 112 for i in range(4): 113 question = question[:index]+temp[i]+question[index+1:] 114 try: 115 if level==0: 116 answers.append(eval(question)) 117 elif level==1: 118 answers.append(eval(question.replace(‘√‘,‘sqrt‘).replace(‘²‘,‘**2‘))) 119 elif level==2: 120 answers.append(eval(question.replace(‘π‘,‘p‘))) 121 except (ZeroDivisionError, ValueError): 122 answers.append(‘不存在‘) 123 questions.append(question) 124 if len(set(answers))<4: 125 # print(‘有相同答案‘) 126 # for i in range(4): 127 # print(questions[i], answers[i]) 128 return createOneQuestion(level) 129 return questions, answers
做题时会记录正确与否，做完题后会按照百分制输出分数。然后可以退出程序或者继续做题。
经验教训：
在开发图形用户界面的时候，先画出一个软件原型图会使得工作事半功倍，编程界面的时候一下子就完成了。但画完原型图还有一个工作要做，因为是分工合作，需要给出互相调用的接口，命名要一致。比如我做了登陆界面，登陆成功要跳转到选择界面，选择界面是队友在搞，这时候需要调用他写的类，类名要一致，这样当我们编好程后直接导入模块就可以进行测试了。
编写用户界面的时候，最好使用类来编写，这样类成员变量就相当于全局变量，类成员函数之间就可以直接使用类成员变量，而不需要global全局变量，也不需要考虑不同函数摆放的位置。一开始我们直接用函数来生成图形用户界面，但遇到了很多bug，换成类来编写逻辑就十分清晰明了。
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