中小学数学卷子自动生成系统 - 项目说明文档

## 项目概述

本项目是一个基于 Java 开发的中小学数学卷子自动生成系统，为不同学段的数学教师提供智能化的题目生成和试卷管理服务。系统支持小学、初中和高中三个难度级别，具备完整的用户认证、题目生成、历史记录和文件管理功能。

## 系统架构

### 核心类设计

| 类名                | 职责描述                                   |
| ------------------- | ------------------------------------------ |
| `Main`              | 程序主入口，负责用户交互和流程控制         |
| `User`              | 用户实体类，存储用户信息和权限             |
| `DifficultyLevel`   | 难度级别枚举，定义小学、初中、高中三个等级 |
| `QuestionGenerator` | 题目生成器，根据难度生成不同类型的数学题目 |
| `QuestionPaper`     | 试卷类，管理题目集合和格式化输出           |
| `FileManager`       | 文件管理器，负责试卷的保存和目录管理       |

### 类关系图

```
User → DifficultyLevel
    ↓
Main → QuestionGenerator → QuestionPaper → FileManager
```

## 功能特性

### 1. 分层用户系统
- **小学用户**: 张三1, 张三2, 张三3 (密码: 123)
- **初中用户**: 李四1, 李四2, 李四3 (密码: 123)  
- **高中用户**: 王五1, 王五2, 王五3 (密码: 123)

### 2. 智能题目生成
- **小学题目**: 基础四则运算（+、-、×、÷），支持括号
- **初中题目**: 在小学基础上增加平方（²）和开根号（√）运算
- **高中题目**: 在初中基础上增加三角函数（sin、cos、tan）

### 3. 高级去重机制
- 实时检测当前会话中已生成的题目
- 自动加载用户历史题目并进行去重检查
- 防止题目重复生成，确保试卷多样性

### 4. 灵活的操作模式
- 支持动态切换难度级别（"切换为小学/初中/高中"）
- 题目数量可配置（10-30题）
- 支持用户退出重新登录（输入-1）

### 5. 智能文件管理
- 按用户名分目录存储试卷文件
- 时间戳命名格式：`yyyy-MM-dd-HH-mm-ss.txt`
- 自动创建目录结构，确保文件组织有序

## 核心算法说明

### 题目生成策略

```java
// 基础题目生成
private String generateBasicQuestion(int operandCount, String[] operators, boolean useParentheses)

// 难度特定增强
private String addPowerOrRoot(String originalQuestion)      // 初中：平方/开根
private String addTrigonometricFunction(String originalQuestion) // 高中：三角函数
```

### 去重算法
```java
// 双重检查机制
while (generatedQuestions.contains(question) || userHistoryQuestions.contains(question)) {
    // 重新生成题目
}
```

## 使用指南

### 启动程序
```bash
java Main
```

### 操作流程示例

1. **用户登录**
   ```
   请输入用户名和密码（用空格隔开）:
   张三1 123
   当前选择为小学出题
   ```

2. **生成试卷**
   ```
   准备生成小学数学题目，请输入生成题目数量（输入-1将退出当前用户，重新登录）:
   15
   试卷已保存至: papers/张三1/2025-09-28-14-30-25.txt
   已生成15道小学数学题目
   ```

3. **切换难度**
   
   ```
   切换为初中
   准备生成初中数学题目，请输入生成题目数量
   ```
```
   
4. **退出系统**
   
```
   -1
   请输入用户名和密码（用空格隔开）:
   ```

## 文件存储结构

   ```
项目根目录/
├── papers/                          # 试卷存储根目录
│   ├── 张三1/                      # 用户个人目录
│   │   ├── 2025-01-20-10-15-30.txt
│   │   └── 2025-01-20-14-20-45.txt
│   ├── 李四1/
│   │   └── 2025-01-20-11-25-10.txt
│   └── 王五1/
│       └── 2025-01-20-09-10-20.txt
├── DifficultyLevel.java
├── FileManager.java
├── Main.java
├── QuestionGenerator.java
├── QuestionPaper.java
└── User.java
```

## 技术特色

### 1. 面向对象设计
- 清晰的类职责分离
- 枚举类型管理难度级别
- 实体类封装核心数据

### 2. 算法优化
- 智能题目生成，确保符合难度要求
- 高效去重算法，避免重复题目
- 随机数合理分布，保证题目多样性

### 3. 用户体验
- 中文界面，操作直观
- 实时反馈，错误提示明确
- 历史记录持久化，跨会话保持

### 4. 健壮性保障
- 输入验证和异常处理
- 文件操作安全可靠
- 内存管理优化

## 扩展性设计

系统采用模块化设计，便于后续扩展：
- 可轻松添加新的难度级别
- 支持扩展新的数学运算类型
- 文件存储格式易于解析和处理
- 用户管理系统可集成数据库

## 环境要求

- **JDK版本**: 17
- **编码格式**: UTF-8
- **操作系统**: Windows
- **存储空间**: 至少 10MB 可用空间

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*本系统专为中小学数学教育设计，致力于为教师提供高效、便捷的试卷生成工具。
```