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README.md

@@ -1,2 +0,0 @@
-# projectone
-

doc/README.md

@@ -0,0 +1,125 @@
+# 数学试卷自动生成程序
+
+一个在命令行运行的数学试卷生成器，支持小学/初中/高中三种难度，按用户维度避免题目重复。
+
+## 目录
+- [功能特点](#功能特点)
+- [运行环境要求](#运行环境要求)
+- [快速开始（推荐分发）](#快速开始推荐分发)
+- [使用说明](#使用说明)
+- [账户信息](#账户信息)
+- [题目难度说明](#题目难度说明)
+  - [小学](#小学)
+  - [初中](#初中)
+  - [高中](#高中)
+- [文件保存](#文件保存)
+- [项目结构](#项目结构)
+- [开发与构建（IntelliJ IDEA）](#开发与构建intellij-idea)
+- [常见问题与排查](#常见问题与排查)
+- [注意事项](#注意事项)
+
+## 功能特点
+- 支持三个教学阶段：小学、初中、高中
+- 预设 9 个教师账户（每个阶段 3 个账户）
+- 自动生成不重复的数学题目（以用户为维度）
+- 按用户分类保存题目文件
+- 支持类型切换功能（无需重新登录即可切换难度）
+
+## 运行环境要求
+- 已安装 Java（推荐 JDK 18；JDK 17 也可）。
+- Windows 命令行环境（PowerShell 或 CMD）。
+
+## 快速开始（推荐分发）
+将以下文件打包并发送给使用者：
+- projecttest.jar（已构建的可运行 JAR）
+- 运行数学试卷生成器.bat（中文名启动脚本）
+
+使用方式：
+1. 解压后保证 .bat 与 projecttest.jar 在同一文件夹。
+2. 双击任意一个 .bat 即可启动；脚本会自动寻找 JAVA_HOME 或 PATH 中的 java.exe，并以 UTF-8 输出。
+3. 如未安装 Java，脚本会给出提示，请先安装 JDK 17/18 并配置环境变量。
+
+## 使用说明
+程序启动后将显示提示：
+- 输入题目数量（10–30）生成试卷；
+- 输入“切换为 小学/初中/高中”来切换难度；例如：切换为 初中；
+- 输入 -1 退出当前用户并重新登录；
+- 同一用户生成的题目不会重复。
+
+## 账户信息
+### 小学账户
+- 用户名：张三1，密码：123
+- 用户名：张三2，密码：123
+- 用户名：张三3，密码：123
+
+### 初中账户
+- 用户名：李四1，密码：123
+- 用户名：李四2，密码：123
+- 用户名：李四3，密码：123
+
+### 高中账户
+- 用户名：王五1，密码：123
+- 用户名：王五2，密码：123
+- 用户名：王五3，密码：123
+
+## 题目难度说明
+- 不同阶段的题目难度与运算比例不同：小学加减比例高，高中乘除比例高。
+- 括号会根据是否改变运算顺序而决定是否出现。
+
+### 小学
+- 运算符：+、-、*、/
+- 操作数：1–5 个
+- 数值范围：1–100
+- 运算结果不会出现负数
+
+### 初中
+- 包含小学所有运算
+- 新增：平方运算、开根号运算
+- 题目中至少包含一个平方或开根号运算
+- 题目中的开根号运算都是可以计算出来的
+
+### 高中
+- 包含初中所有运算
+- 新增：sin、cos、tan 三角函数
+- 题目中至少包含一个三角函数运算
+- 题目中的三角函数都是可以运算出来的
+
+## 文件保存
+- 生成的题目会保存在 `math_papers` 文件夹下
+- 每个用户有独立的文件夹
+- 文件名格式：`年-月-日-时-分-秒.txt`
+- 每道题目有题号，题目之间空一行
+
+## 项目结构
+- META-INF/MANIFEST.MF：清单文件（Main-Class: MathPaperGenerator）。
+- out/production/projecttest：模块编译输出（.class）。
+- out/artifacts/projecttest_jar/projecttest.jar：构建产物（JAR）。
+- run_math_paper_english.bat、运行数学试卷生成器.bat：启动脚本。
+- math_papers/：生成的试卷与历史记录（按用户分文件夹）。
+
+## 开发与构建（IntelliJ IDEA）
+1. 项目结构（Ctrl+Alt+Shift+S）：
+   - Project SDK 设为 JDK 18（或 17）；Project language level 与 Bytecode version 保持一致。
+   - Modules > Sources：将 d:\projecttest 标记为 Sources Root；.idea 与 math_papers 标记为 Excluded。
+   - Modules > Paths：选择“继承项目编译输出路径”，输出到 d:\projecttest\out。
+2. 构建项目：Build > Build/Rebuild Project，确认 out/production/projecttest 下生成 .class。
+3. 构件（Artifacts）：projecttest:jar
+   - 输出布局包含“模块输出（projecttest）”与 META-INF（MANIFEST.MF）。
+   - Build > Build Artifacts > Build projecttest:jar，生成 JAR 于 out/artifacts/projecttest_jar/。
+4. 运行：
+   - 命令行：`java -jar d:\projecttest\out\artifacts\projecttest_jar\projecttest.jar`
+   - 或双击两个 .bat 启动脚本。
+
+## 常见问题与排查
+- 不支持的标志: 21：JDK 与语言级别不匹配。将 Project SDK/Language level/Bytecode 统一到 18（或 17）。
+- 没有为模块指定输出路径：在 Modules > Paths 中启用“继承项目编译输出路径”。
+- 没有主清单属性：确认 META-INF/MANIFEST.MF 存在并包含 `Main-Class: MathPaperGenerator`；构件输出布局包含清单与模块输出。
+- 找不到主类：主类名必须与清单一致，且 .class 已编译到 out/production/projecttest。
+
+## 注意事项
+- 题目数量必须在 10–30 之间
+- 同一用户生成的题目不会重复
+- 程序会自动创建必要的文件夹
+- 支持中文界面，操作简单直观
+
+如需重新打包分发版，直接使用 zip：`MathPaperGenerator_release.zip`，包含 JAR 与两个启动脚本，解压即用。

src/AbstractProblemGenerator.java

@@ -0,0 +1,125 @@
+import java.text.DecimalFormat;
+import java.util.Random;
+
+/**
+ * 抽象题目生成器：封装公共工具方法与共享状态
+ */
+public abstract class AbstractProblemGenerator {
+    protected final Random random;
+    protected final DecimalFormat df;
+
+    protected AbstractProblemGenerator(Random random, DecimalFormat df) {
+        this.random = random;
+        this.df = df;
+    }
+
+    /**
+     * 子类实现具体题目生成逻辑
+     */
+    public abstract MathProblem generate();
+
+    // 构建带括号的表达式（只包两个操作数）
+    protected String buildExpressionWithBrackets(int[] operands, String[] operators, int startPos) {
+        StringBuilder expression = new StringBuilder();
+        for (int i = 0; i < operands.length; i++) {
+            if (i == startPos) {
+                expression.append("(");
+            }
+            expression.append(operands[i]);
+            if (i == startPos + 1) {
+                expression.append(")");
+            }
+            if (i < operands.length - 1) {
+                expression.append(" ").append(operators[i]).append(" ");
+            }
+        }
+        return expression.toString();
+    }
+
+    // 计算带括号的表达式结果（只合并两个操作数）
+    protected double evaluateExpressionWithBrackets(int[] operands, String[] operators, int startPos) {
+        double bracketResult = applyOperator(operands[startPos], operands[startPos + 1], operators[startPos]);
+        int newOperandCount = operands.length - 1;
+        int[] newOperands = new int[newOperandCount];
+        String[] newOperators = new String[newOperandCount - 1];
+        for (int i = 0; i < startPos; i++) newOperands[i] = operands[i];
+        newOperands[startPos] = (int) bracketResult;
+        for (int i = startPos + 1; i < newOperandCount; i++) newOperands[i] = operands[i + 1];
+        for (int i = 0; i < newOperandCount - 1; i++) {
+            if (i < startPos) newOperators[i] = operators[i];
+            else newOperators[i] = operators[i + 1];
+        }
+        double result = newOperands[0];
+        for (int i = 0; i < newOperandCount - 1; i++) {
+            result = applyOperator(result, newOperands[i + 1], newOperators[i]);
+        }
+        return result;
+    }
+
+    /** 应用运算符（整数右操作数） */
+    protected double applyOperator(double left, int right, String operator) {
+        switch (operator) {
+            case "+": return left + right;
+            case "-": return left - right;
+            case "*": return left * right;
+            case "/": return right != 0 ? left / right : left; // 避免除以零
+            default: return left;
+        }
+    }
+
+    /** 计算三角函数值 */
+    protected double calculateTrigFunction(String function, int angle) {
+        double radians = Math.toRadians(angle);
+        switch (function) {
+            case "sin": return Math.sin(radians);
+            case "cos": return Math.cos(radians);
+            case "tan":
+                if (angle == 90) return Double.POSITIVE_INFINITY; // tan(90°)未定义
+                return Math.tan(radians);
+            default: return 0;
+        }
+    }
+
+    /** Double 版本的运算符应用（用于包含三角函数的计算） */
+    protected double applyOperatorDouble(double left, double right, String operator) {
+        switch (operator) {
+            case "+": return left + right;
+            case "-": return left - right;
+            case "*": return left * right;
+            case "/": return right != 0.0 ? left / right : left; // 避免除以零
+            default: return left;
+        }
+    }
+
+    /** 将 int 数组转 double 数组 */
+    protected double[] toDoubleArray(int[] arr) {
+        double[] out = new double[arr.length];
+        for (int i = 0; i < arr.length; i++) out[i] = arr[i];
+        return out;
+    }
+
+    /**
+     * 选择括号起始位置：仅当能改变优先级，并且括号内结果不为 0 时返回有效下标，否则返回 -1
+     */
+    protected int findBracketStart(double[] values, String[] operators, double probability) {
+        if (values == null || operators == null) return -1;
+        if (values.length <= 3) return -1; // 至少 4 个操作数才有加括号的意义
+        if (random.nextDouble() >= probability) return -1;//有括号的情况为人为设置，现在概率为0.3
+        int maxStart = values.length - 2; // 仅包两个操作数
+        int[] candidateStarts = new int[Math.max(0, maxStart + 1)];
+        int candidateCount = 0;
+        //只有改变运算顺序的括号才有意义
+        for (int s = 0; s <= maxStart; s++) {
+            boolean insideLow = "+".equals(operators[s]) || "-".equals(operators[s]);
+            boolean leftHigh = (s - 1) >= 0 && ("*".equals(operators[s - 1]) || "/".equals(operators[s - 1]));
+            boolean rightHigh = (s + 1) < operators.length && ("*".equals(operators[s + 1]) || "/".equals(operators[s + 1]));
+            if (insideLow && (leftHigh || rightHigh)) {
+                candidateStarts[candidateCount++] = s;
+            }
+        }
+        if (candidateCount == 0) return -1;
+        int candidate = candidateStarts[random.nextInt(candidateCount)];
+        double bracketResult = applyOperatorDouble(values[candidate], values[candidate + 1], operators[candidate]);//避免括号内结果为0
+        return (bracketResult != 0.0) ? candidate : -1;
+    }
+}

src/ElementaryProblemGenerator.java

@@ -0,0 +1,67 @@
+import java.text.DecimalFormat;
+import java.util.Random;
+
+public class ElementaryProblemGenerator extends AbstractProblemGenerator {
+    public ElementaryProblemGenerator(Random random, DecimalFormat df) {
+        super(random, df);
+    }
+
+    @Override
+    public MathProblem generate() {
+        // 小学题目要求：答案不得为负数。最多尝试若干次生成，若仍为负则回退到简单加法题。
+        int maxAttempts = 50;
+        for (int attempt = 0; attempt < maxAttempts; attempt++) {
+            int operandCount = random.nextInt(4) + 2; // 2-5个操作数
+            String[] operators = {"+", "-", "*", "/"};
+            int[] operands = new int[operandCount];
+            String[] selectedOperators = new String[operandCount - 1];
+            for (int i = 0; i < operandCount; i++) operands[i] = random.nextInt(100) + 1;
+            // 运算符选择（避免连乘/连除，调整概率）
+            String previousOperator = null;
+            double pPlus = 0.45, pMinus = 0.35, pTimes = 0.15, pDivide = 0.05;
+            for (int i = 0; i < operandCount - 1; i++) {
+                String operator;
+                if ("*".equals(previousOperator) || "/".equals(previousOperator)) {
+                    double randValue = random.nextDouble();
+                    double total = pPlus + pMinus;
+                    operator = randValue < (pPlus / total) ? "+" : "-";
+                } else {
+                    double randValue = random.nextDouble();
+                    if (randValue < pPlus) operator = "+";
+                    else if (randValue < pPlus + pMinus) operator = "-";
+                    else if (randValue < pPlus + pMinus + pTimes) operator = "*";
+                    else operator = "/";
+                }
+                selectedOperators[i] = operator;
+                previousOperator = operator;
+            }
+            // 括号选择
+            int startPos = findBracketStart(toDoubleArray(operands), selectedOperators, 0.3);
+            String expression;
+            double result;
+            if (startPos != -1) {
+                expression = buildExpressionWithBrackets(operands, selectedOperators, startPos);
+                result = evaluateExpressionWithBrackets(operands, selectedOperators, startPos);
+            } else {
+                StringBuilder expBuilder = new StringBuilder();
+                expBuilder.append(operands[0]);
+                result = operands[0];
+                for (int i = 0; i < operandCount - 1; i++) {
+                    expBuilder.append(" ").append(selectedOperators[i]).append(" ").append(operands[i + 1]);
+                    result = applyOperator(result, operands[i + 1], selectedOperators[i]);
+                }
+                expression = expBuilder.toString();
+            }
+            if (result >= 0) {
+                return new MathProblem(expression, df.format(result), "小学");
+            }
+            // 如果为负数，继续下一次尝试
+        }
+        // 回退：生成一个保证非负的简单加法题
+        int a = random.nextInt(100) + 1;
+        int b = random.nextInt(100) + 1;
+        String expression = a + " + " + b;
+        double result = a + b;
+        return new MathProblem(expression, df.format(result), "小学");
+    }
+}

src/FileManager.java

@@ -0,0 +1,137 @@
+import java.io.*;
+import java.nio.file.*;
+import java.nio.charset.StandardCharsets;
+import java.time.LocalDateTime;
+import java.time.format.DateTimeFormatter;
+import java.util.*;
+
+/**
+ * 文件管理类，负责题目的保存和历史题目的管理
+ */
+public class FileManager {
+    private static final String BASE_DIR = "math_papers";
+    private DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd-HH-mm-ss");
+    
+    /**
+     * 保存题目到文件
+     * @param user 用户信息
+     * @param problems 题目列表
+     * @param difficulty 难度级别（当前选择）
+     * @return 保存的文件路径
+     */
+    public String savePaperToFile(User user, List<MathProblem> problems, String difficulty) throws IOException {
+        // 创建用户文件夹
+        String userDir = BASE_DIR + File.separator + user.getUsername();
+        Files.createDirectories(Paths.get(userDir));
+        
+        // 生成文件名
+        String timestamp = LocalDateTime.now().format(formatter);
+        String fileName = timestamp + ".txt";
+        String filePath = userDir + File.separator + fileName;
+        
+        // 写入题目到文件
+        try (PrintWriter writer = new PrintWriter(new FileWriter(filePath, StandardCharsets.UTF_8))) {
+            writer.println("数学题目卷子");
+            writer.println("用户: " + user.getUsername());
+            writer.println("类型: " + difficulty);
+            writer.println("生成时间: " + timestamp.replace("-", "/").replace("-", ":"));
+            writer.println("题目数量: " + problems.size());
+            writer.println("=" + "=".repeat(50));
+            writer.println();
+            
+            for (int i = 0; i < problems.size(); i++) {
+                writer.println((i + 1) + ". " + problems.get(i).toString());
+                writer.println(); // 每题之间空一行
+            }
+        }
+        
+        return filePath;
+    }
+    
+    /**
+     * 获取用户历史题目，用于重复检测
+     * @param username 用户名
+     * @return 历史题目集合
+     */
+    public Set<String> getUserHistoryProblems(String username) {
+        Set<String> historyProblems = new HashSet<>();
+        String userDir = BASE_DIR + File.separator + username;
+        
+        try {
+            Path userPath = Paths.get(userDir);
+            if (!Files.exists(userPath)) {
+                return historyProblems;
+            }
+            
+            // 遍历用户文件夹中的所有txt文件
+            Files.walk(userPath)
+                .filter(path -> path.toString().endsWith(".txt"))
+                .forEach(path -> {
+                    try {
+                        List<String> lines = Files.readAllLines(path, StandardCharsets.UTF_8);
+                        for (String line : lines) {
+                            // 提取题目表达式（格式：数字. 表达式 = ?）
+                            if (line.matches("^\\d+\\. .+ = \\?$")) {
+                                String expression = line.substring(line.indexOf(". ") + 2, line.lastIndexOf(" = ?"));
+                                historyProblems.add(expression);
+                            }
+                        }
+                    } catch (IOException e) {
+                        System.err.println("读取文件失败: " + path);
+                    }
+                });
+        } catch (IOException e) {
+            System.err.println("访问用户目录失败: " + userDir);
+        }
+        
+        return historyProblems;
+    }
+    
+    /**
+     * 检查题目是否重复
+     * @param username 用户名
+     * @param problem 要检查的题目
+     * @return 是否重复
+     */
+    public boolean isDuplicateProblem(String username, MathProblem problem) {
+        Set<String> historyProblems = getUserHistoryProblems(username);
+        return historyProblems.contains(problem.getExpression());
+    }
+    
+    /**
+     * 生成不重复的题目列表
+     * @param user 用户信息
+     * @param generator 题目生成器
+     * @param count 题目数量
+     * @param difficulty 难度级别
+     * @return 不重复的题目列表
+     */
+    public List<MathProblem> generateUniqueProblems(User user, MathProblemGenerator generator, 
+                                                   int count, String difficulty) {
+        List<MathProblem> problems = new ArrayList<>();
+        Set<String> historyProblems = getUserHistoryProblems(user.getUsername());
+        Set<String> currentProblems = new HashSet<>();
+        
+        int attempts = 0;
+        int maxAttempts = count * 10; // 最多尝试次数，避免无限循环
+        
+        while (problems.size() < count && attempts < maxAttempts) {
+            MathProblem problem = generator.generateProblem(difficulty);
+            String expression = problem.getExpression();
+            
+            // 检查是否与历史题目或当前题目重复
+            if (!historyProblems.contains(expression) && !currentProblems.contains(expression)) {
+                problems.add(problem);
+                currentProblems.add(expression);
+            }
+            
+            attempts++;
+        }
+        
+        if (problems.size() < count) {
+            System.out.println("警告: 只生成了 " + problems.size() + " 道题目，可能存在重复限制。");
+        }
+        
+        return problems;
+    }
+}

src/HighSchoolProblemGenerator.java

@@ -0,0 +1,85 @@
+ import java.text.DecimalFormat;
+import java.util.Random;
+
+public class HighSchoolProblemGenerator extends AbstractProblemGenerator {
+    public HighSchoolProblemGenerator(Random random, DecimalFormat df) {
+        super(random, df);
+    }
+
+    @Override
+    public MathProblem generate() {
+        int operandCount = random.nextInt(3) + 3; // 3-5 个操作数
+        double[] operandsVal = new double[operandCount];
+        String[] displayOperands = new String[operandCount];
+        String[] selectedOperators = new String[operandCount - 1];
+
+        // 生成基本操作数
+        for (int i = 0; i < operandCount; i++) {
+            int v = random.nextInt(100) + 1;
+            operandsVal[i] = v;
+            displayOperands[i] = String.valueOf(v);
+        }
+        // 运算符选择（更均衡，避免连乘/连除）
+        String previousOperator = null;
+        double pPlus = 0.35, pMinus = 0.25, pTimes = 0.25, pDivide = 0.15;
+        for (int i = 0; i < operandCount - 1; i++) {
+            String operator;
+            if ("*".equals(previousOperator) || "/".equals(previousOperator)) {
+                double randValue = random.nextDouble();
+                double total = pPlus + pMinus;
+                operator = randValue < (pPlus / total) ? "+" : "-";
+            } else {
+                double randValue = random.nextDouble();
+                if (randValue < pPlus) operator = "+";
+                else if (randValue < pPlus + pMinus) operator = "-";
+                else if (randValue < pPlus + pMinus + pTimes) operator = "*";
+                else operator = "/";
+            }
+            selectedOperators[i] = operator;
+            previousOperator = operator;
+        }
+
+        // 三角函数
+        int trigIndex = random.nextInt(operandCount);
+        String[] functions = {"sin", "cos", "tan"};
+        String function = functions[random.nextInt(functions.length)];
+        int[] angles = {0, 30, 45, 60, 90};
+        int angle = angles[random.nextInt(angles.length)];
+        if ("tan".equals(function) && angle == 90) angle = 60; // 避免 tan(90°)
+        double trigVal = calculateTrigFunction(function, angle);
+        operandsVal[trigIndex] = trigVal;
+        displayOperands[trigIndex] = function + angle;
+
+        // 括号选择（显示用 displayOperands，计算用 operandsVal）
+        boolean addedBracket = false;
+        int startPos = findBracketStart(operandsVal, selectedOperators, 0.3);
+        StringBuilder expBuilder = new StringBuilder();
+        for (int i = 0; i < operandCount; i++) {
+            if (startPos != -1 && i == startPos) expBuilder.append("(");
+            expBuilder.append(displayOperands[i]);
+            if (startPos != -1 && i == startPos + 1) expBuilder.append(")");
+            if (i < operandCount - 1) expBuilder.append(" ").append(selectedOperators[i]).append(" ");
+        }
+        String expression = expBuilder.toString();
+
+        // 计算结果（double）
+        double result;
+        if (startPos != -1) {
+            double bracketResult = applyOperatorDouble(operandsVal[startPos], operandsVal[startPos + 1], selectedOperators[startPos]);
+            int newCount = operandCount - 1;
+            double[] newVals = new double[newCount];
+            String[] newOps = new String[newCount - 1];
+            for (int i = 0; i < startPos; i++) newVals[i] = operandsVal[i];
+            newVals[startPos] = bracketResult;
+            for (int i = startPos + 1; i < newCount; i++) newVals[i] = operandsVal[i + 1];
+            for (int i = 0; i < newCount - 1; i++) newOps[i] = (i < startPos) ? selectedOperators[i] : selectedOperators[i + 1];
+            result = newVals[0];
+            for (int i = 0; i < newCount - 1; i++) result = applyOperatorDouble(result, newVals[i + 1], newOps[i]);
+        } else {
+            result = operandsVal[0];
+            for (int i = 0; i < operandCount - 1; i++) result = applyOperatorDouble(result, operandsVal[i + 1], selectedOperators[i]);
+        }
+
+        return new MathProblem(expression, df.format(result), "高中");
+    }
+}

src/MathPaperGenerator.java

@@ -0,0 +1,174 @@
+import java.io.IOException;
+import java.util.List;
+import java.util.Scanner;
+
+/**
+ * 数学卷子自动生成程序主类
+ */
+public class MathPaperGenerator {
+    private UserManager userManager;
+    private MathProblemGenerator problemGenerator;
+    private FileManager fileManager;
+    private Scanner scanner;
+    
+    public MathPaperGenerator() {
+        this.userManager = new UserManager();
+        this.problemGenerator = new MathProblemGenerator();
+        this.fileManager = new FileManager();
+        this.scanner = new Scanner(System.in);
+    }
+    
+    /**
+     * 程序主入口
+     */
+    public static void main(String[] args) {
+        MathPaperGenerator generator = new MathPaperGenerator();
+        generator.run();
+    }
+    
+    /**
+     * 运行主程序
+     */
+    public void run() {
+        System.out.println("欢迎使用中小学数学卷子自动生成程序！");
+        System.out.println("=" + "=".repeat(40));
+        // 使用说明（菜单提示）
+        System.out.println("使用说明：");
+        System.out.println(" - 输入题目数量（10-30）生成试卷");
+        System.out.println(" - 输入 切换为 小学/初中/高中 来切换难度，例如：切换为 初中");
+        System.out.println(" - 输入 -1 退出当前用户，重新登录");
+        System.out.println();
+        
+        while (true) {
+            User currentUser = login();
+            if (currentUser != null) {
+                handleUserSession(currentUser);
+            }
+        }
+    }
+    
+    /*用户登录*/
+    private User login() {
+        while (true) {
+            System.out.print("请输入用户名和密码（用空格隔开）: ");
+            String input = scanner.nextLine().trim();
+            
+            if (input.isEmpty()) {
+                System.out.println("输入不能为空，请重新输入。");
+                continue;
+            }
+            
+            String[] parts = input.split("\\s+");
+            String username = parts[0];
+            String password = parts[1];
+            
+            User user = userManager.authenticate(username, password);
+            if (user != null) {
+                System.out.println("登录成功！当前选择为 " + user.getUserType() + " 出题");
+                // 登录后提示如何切换难度
+                System.out.println("提示：您可以在数量输入处键入 切换为 小学/初中/高中 来切换难度，例如：切换为 初中");
+                return user;
+            } else {
+                System.out.println("请输入正确的用户名、密码");
+            }
+        }
+    }
+    
+    /**
+     * 处理用户会话
+     * @param user 当前登录用户
+     */
+    private void handleUserSession(User user) {
+        String currentDifficulty = user.getUserType();
+        
+        while (true) {
+            // 原提示替换为更详细的说明
+            System.out.println("准备生成 " + currentDifficulty + " 数学题目，请输入题目数量（10-30）。");
+            System.out.println("提示：输入 切换为 小学/初中/高中 可切换难度（例如：切换为 初中）；输入 -1 将退出当前用户并重新登录。");
+            String input = scanner.nextLine().trim();
+            
+            // 检查是否要切换类型
+            if (input.startsWith("切换为")) {
+                String newType = input.substring(3).trim();
+                if (userManager.isValidUserType(newType)) {
+                    currentDifficulty = newType;
+                    System.out.println("已切换为 " + newType + " 出题模式");
+                    continue;
+                } else {
+                    System.out.println("请输入小学、初中和高中三个选项中的一个");
+                    continue;
+                }
+            }
+            
+            try {
+                int count = Integer.parseInt(input);
+                
+                if (count == -1) {
+                    System.out.println("退出当前用户，重新登录...");
+                    System.out.println();
+                    return;
+                }
+                
+                if (count < 10 || count > 30) {
+                    System.out.println("题目数量必须在10-30之间，请重新输入。");
+                    continue;
+                }
+                
+                // 生成题目
+                generateAndSavePaper(user, currentDifficulty, count);
+                
+            } catch (NumberFormatException e) {
+                System.out.println("请输入有效的数字。");
+            }
+        }
+    }
+    
+    /**
+     * 生成并保存题目
+     * @param user 用户
+     * @param difficulty 难度
+     * @param count 题目数量
+     */
+    private void generateAndSavePaper(User user, String difficulty, int count) {
+        try {
+            System.out.println("正在生成 " + count + " 道 " + difficulty + " 数学题目...");
+            
+            // 生成不重复的题目
+            List<MathProblem> problems = fileManager.generateUniqueProblems(
+                user, problemGenerator, count, difficulty);
+            
+            if (problems.size() < count) {
+                System.out.println("注意：由于重复限制，实际生成了 " + problems.size() + " 道题目。");
+            }
+            
+            // 保存到文件
+            String filePath = fileManager.savePaperToFile(user, problems, difficulty);
+            
+            System.out.println("题目生成完成！");
+            System.out.println("文件已保存至: " + filePath);
+            System.out.println("题目预览:");
+            System.out.println("-" + "-".repeat(30));
+            
+            // 显示前5道题目作为预览
+            int previewCount = Math.min(5, problems.size());
+            for (int i = 0; i < previewCount; i++) {
+                System.out.println((i + 1) + ". " + problems.get(i).toString());
+            }
+            
+            if (problems.size() > 5) {
+                System.out.println("... 还有 " + (problems.size() - 5) + " 道题目");
+            }
+            
+            System.out.println("-" + "-".repeat(30));
+            System.out.println();
+            // 生成完成后的操作提示
+            System.out.println("提示：如需切换难度，请在下一次输入中键入 切换为 小学/初中/高中，例如：切换为 高中。");
+            System.out.println("直接输入新的题目数量（10-30）将继续使用当前难度；输入 -1 退出当前用户。");
+            
+        } catch (IOException e) {
+            System.err.println("保存文件时出错: " + e.getMessage());
+        } catch (Exception e) {
+            System.err.println("生成题目时出错: " + e.getMessage());
+        }
+    }
+}

src/MathProblem.java

@@ -0,0 +1,44 @@
+/**
+ * 数学题目类，表示一道数学题
+ */
+public class MathProblem {
+    private String expression;  // 题目表达式
+    private String answer;      // 答案
+    private String difficulty;  // 难度级别
+    
+    public MathProblem(String expression, String answer, String difficulty) {
+        this.expression = expression;
+        this.answer = answer;
+        this.difficulty = difficulty;
+    }
+    
+    public String getExpression() {
+        return expression;
+    }
+    
+    public String getAnswer() {
+        return answer;
+    }
+    
+    public String getDifficulty() {
+        return difficulty;
+    }
+    
+    @Override
+    public boolean equals(Object obj) {
+        if (this == obj) return true;
+        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
+        MathProblem that = (MathProblem) obj;
+        return expression.equals(that.expression);
+    }
+    
+    @Override
+    public int hashCode() {
+        return expression.hashCode();
+    }
+    
+    @Override
+    public String toString() {
+        return expression + " = ?";
+    }
+}

src/MathProblemGenerator.java

@@ -0,0 +1,34 @@
+import java.text.DecimalFormat;
+import java.util.Random;
+
+/**
+ * 数学题目生成器，根据不同难度生成相应的数学题目（外观类）
+ * 将具体生成逻辑委托给对应子类，保持对外 API 不变。
+ */
+public class MathProblemGenerator {
+    private final Random random;
+    private final DecimalFormat df;
+
+    public MathProblemGenerator() {
+        this.random = new Random();
+        this.df = new DecimalFormat("#.##");
+    }
+
+    /**
+     * 根据难度生成数学题目
+     * @param difficulty 难度级别（小学、初中、高中）
+     * @return 生成的数学题目
+     */
+    public MathProblem generateProblem(String difficulty) {
+        switch (difficulty) {
+            case "小学":
+                return new ElementaryProblemGenerator(random, df).generate();
+            case "初中":
+                return new MiddleSchoolProblemGenerator(random, df).generate();
+            case "高中":
+                return new HighSchoolProblemGenerator(random, df).generate();
+            default:
+                throw new IllegalArgumentException("不支持的难度级别: " + difficulty);
+        }
+    }
+}

src/MiddleSchoolProblemGenerator.java

@@ -0,0 +1,69 @@
+import java.text.DecimalFormat;
+import java.util.Random;
+
+public class MiddleSchoolProblemGenerator extends AbstractProblemGenerator {
+    public MiddleSchoolProblemGenerator(Random random, DecimalFormat df) {
+        super(random, df);
+    }
+
+    @Override
+    public MathProblem generate() {
+        int operandCount = random.nextInt(3) + 3; // 3-5 个操作数
+        int[] operands = new int[operandCount];
+        String[] selectedOperators = new String[operandCount - 1];
+        String[] displayOperands = new String[operandCount];
+        String[] operatorPool = {"+", "-", "*", "/"};
+
+        for (int i = 0; i < operandCount; i++) {
+            operands[i] = random.nextInt(100) + 1;
+            displayOperands[i] = String.valueOf(operands[i]);
+        }
+        for (int i = 0; i < operandCount - 1; i++) {
+            selectedOperators[i] = operatorPool[random.nextInt(operatorPool.length)];
+        }
+
+        // 平方或根号
+        int specialOperandIndex = random.nextInt(operandCount);
+        boolean useSquareRoot = random.nextBoolean();
+        if (useSquareRoot) {
+            int base = random.nextInt(24) + 2; //2-25
+            int perfectSquare = base * base;
+            operands[specialOperandIndex] = base; // √(base^2) = base
+            displayOperands[specialOperandIndex] = "√" + perfectSquare;
+        } else {
+            int base = random.nextInt(9) + 2; // 2-10
+            int square = base * base;
+            operands[specialOperandIndex] = square;
+            displayOperands[specialOperandIndex] = base + "²";
+        }
+
+        // 括号选择
+        boolean addedBracket = false;
+        int bracketStartIndex = findBracketStart(toDoubleArray(operands), selectedOperators, 0.3);
+        String expression;
+        double result;
+        if (bracketStartIndex != -1) {
+            // 构建带括号（显示用 displayOperands）
+            StringBuilder expressionBuilder = new StringBuilder();
+            for (int i = 0; i < operandCount; i++) {
+                if (i == bracketStartIndex) expressionBuilder.append("(");
+                expressionBuilder.append(displayOperands[i]);
+                if (i == bracketStartIndex + 1) expressionBuilder.append(")");
+                if (i < operandCount - 1) expressionBuilder.append(" ").append(selectedOperators[i]).append(" ");
+            }
+            expression = expressionBuilder.toString();
+            result = evaluateExpressionWithBrackets(operands, selectedOperators, bracketStartIndex);
+        } else {
+            StringBuilder expressionBuilder = new StringBuilder();
+            expressionBuilder.append(displayOperands[0]);
+            result = operands[0];
+            for (int i = 0; i < operandCount - 1; i++) {
+                expressionBuilder.append(" ").append(selectedOperators[i]).append(" ").append(displayOperands[i + 1]);
+                result = applyOperator(result, operands[i + 1], selectedOperators[i]);
+            }
+            expression = expressionBuilder.toString();
+        }
+
+        return new MathProblem(expression, df.format(result), "初中");
+    }
+}

src/User.java

@@ -0,0 +1,42 @@
+/**
+ * 用户类，用于管理账户信息
+ */
+public class User {
+    private String username;
+    private String password;
+    private String userType; // 小学、初中、高中
+    
+    public User(String username, String password, String userType) {
+        this.username = username;
+        this.password = password;
+        this.userType = userType;
+    }
+    
+    public String getUsername() {
+        return username;
+    }
+    
+    public String getPassword() {
+        return password;
+    }
+    
+    public String getUserType() {
+        return userType;
+    }
+    
+    @Override
+    public boolean equals(Object obj) {
+        if (this == obj) return true;
+        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
+        User user = (User) obj;
+        return username.equals(user.username) && password.equals(user.password);
+    }
+    
+    @Override
+    public String toString() {
+        return "User{" +
+                "username='" + username + '\'' +
+                ", userType='" + userType + '\'' +
+                '}';
+    }
+}

src/UserManager.java

@@ -0,0 +1,58 @@
+import java.util.HashMap;
+import java.util.Map;
+
+/**
+ * 用户管理类，负责用户验证和账户管理
+ */
+public class UserManager {
+    private Map<String, User> users;
+    
+    public UserManager() {
+        initializeUsers();
+    }
+    
+    /**
+     * 初始化预设用户账户
+     */
+    private void initializeUsers() {
+        users = new HashMap<>();
+        
+        // 小学账户
+        users.put("张三1", new User("张三1", "123", "小学"));
+        users.put("张三2", new User("张三2", "123", "小学"));
+        users.put("张三3", new User("张三3", "123", "小学"));
+        
+        // 初中账户
+        users.put("李四1", new User("李四1", "123", "初中"));
+        users.put("李四2", new User("李四2", "123", "初中"));
+        users.put("李四3", new User("李四3", "123", "初中"));
+        
+        // 高中账户
+        users.put("王五1", new User("王五1", "123", "高中"));
+        users.put("王五2", new User("王五2", "123", "高中"));
+        users.put("王五3", new User("王五3", "123", "高中"));
+    }
+    
+    /**
+     * 验证用户登录
+     * @param username 用户名
+     * @param password 密码
+     * @return 验证成功返回用户对象，失败返回null
+     */
+    public User authenticate(String username, String password) {
+        User user = users.get(username);
+        if (user != null && user.getPassword().equals(password)) {
+            return user;
+        }
+        return null;
+    }
+    
+    /**
+     * 检查用户类型是否有效
+     * @param userType 用户类型
+     * @return 是否有效
+     */
+    public boolean isValidUserType(String userType) {
+        return "小学".equals(userType) || "初中".equals(userType) || "高中".equals(userType);
+    }
+}