الوحدة 8: تصميم النظام وتنفيذه

أهداف التعلم

"من النظرية إلى التطبيق: تحويل الأفكار إلى نظام فعّال"

بنهاية هذه الوحدة سيكون الطالب قادرًا على:

• ترجمة **متطلبات النظام** إلى تصميم تفصيلي (هيكلي، واجهات، قواعد بيانات).
• تطبيق مبادئ **التصميم المعياري (Modular Design)** لبناء أنظمة قابلة للصيانة.
• استخدام أدوات **النمذجة الهيكلية** (مثل Structure Charts، Wireframes).
• فهم مراحل **التنفيذ والاختبار** لضمان جودة النظام.

1. مرحلة التصميم التفصيلي

بعد جمع وتحليل المتطلبات، وبعد فهم كيفية نمذجة النظام من منظور وظائفه وبياناته (عبر Use Cases و ERDs)، ننتقل الآن إلى مرحلة حاسمة: **التصميم التفصيلي**. في هذه المرحلة، نُترجم "ماذا" يحتاج النظام إلى "كيف" سيتم بناؤه، مُحولين المتطلبات عالية المستوى إلى مخططات ومواصفات مفصلة.

أ. التصميم الهيكلي (Structural Design)

يركز التصميم الهيكلي على تقسيم النظام إلى مكونات أو وحدات (Modules) أصغر وأكثر قابلية للإدارة. الهدف هو إنشاء هيكل معياري (Modular) يُسهل التطوير، والصيانة، وإعادة الاستخدام.

أدوات النمذجة:

• **مخطط الهيكل (Structure Chart):**
  • يُظهر العلاقات الهرمية بين الوحدات البرمجية، وكيفية تمرير البيانات والتحكم بينها.
  • يُستخدم لتحديد مسؤوليات كل وحدة وعلاقات الاستدعاء.
• **مخطط التدفق (Flowchart):**
  • يُستخدم لوصف المنطق الداخلي لعملية معقدة داخل وحدة معينة.
  • يُبين تسلسل الخطوات، القرارات، والloops.

ب. تصميم واجهة المستخدم (UI/UX Design)

تركز هذه المرحلة على كيفية تفاعل المستخدمين مع النظام (واجهة المستخدم - UI) وكيف ستكون تجربتهم الإجمالية (تجربة المستخدم - UX). الهدف هو إنشاء واجهات سهلة الاستخدام وجذابة وفعالة.

المبادئ الأساسية:

• **سهولة الاستخدام (Usability):** يجب أن يكون النظام بديهيًا وسهل التعلم والاستخدام، مما يقلل من الأخطاء ويزيد من رضا المستخدم.
• **التجربة المرئية (Visual Hierarchy):** تنظيم العناصر على الشاشة بطريقة توجه عين المستخدم وتُبرز المعلومات الهامة.
• **الاتساق (Consistency):** الحفاظ على نفس التصميم، الألوان، وأنماط التفاعل عبر جميع أجزاء النظام.
• **الاستجابة (Responsiveness):** تصميم الواجهات لتتكيف مع أحجام الشاشات المختلفة (حواسيب، لوحيات، هواتف ذكية).

أدوات التصميم:

• **نماذج بالأسلاك (Wireframes):**
  • هي رسومات تخطيطية بسيطة بالأبيض والأسود تُظهر الهيكل الأساسي وتخطيط المحتوى للواجهة، دون تفاصيل جمالية.
  • تُستخدم لتحديد المواضع الرئيسية للعناصر (أزرار، حقول نص، صور).
  • **أدوات:** Figma أو Adobe XD.
• **نماذج تفاعلية (Prototypes):**
  • هي إصدارات أكثر تفصيلاً وتفاعلية من الواجهة، تُحاكي سلوك النظام الحقيقي.
  • تُستخدم لاختبار تدفقات المستخدم وجمع التغذية الراجعة مبكرًا.

ج. تصميم قاعدة البيانات (Database Design)

تُبنى هذه المرحلة على أساس مخطط ERD الذي تم تطويره في الوحدة السابقة. هنا، نُحول النموذج المنطقي لـ ERD إلى تصميم فيزيائي (Physical Design) لقاعدة البيانات، جاهز للتنفيذ الفعلي.

تحويل ERD إلى جداول فعلية:

• **الكيانات (Entities):** تُصبح **جداول (Tables)** في قاعدة البيانات.
• **السمات (Attributes):** تُصبح **أعمدة (Columns)** في الجداول.
• **المفتاح الأساسي (Primary Key):** يُعرف كـ PRIMARY KEY في الجدول.
• **العلاقات (Relationships):** تُنفذ باستخدام **المفاتيح الأجنبية (Foreign Keys)**، مع تحويل علاقات Many-to-Many إلى جداول وسيطة.

التطبيع (Normalization):

هي عملية منهجية لتقسيم الجداول وتنظيمها لتقليل تكرار البيانات وتحسين سلامتها وكفاءتها. الهدف هو الوصول إلى أشكال التطبيع العادية (Normal Forms)، مثل:

• **الشكل الأول (1NF):** إزالة المجموعات المتكررة (Repeating Groups) وضمان أن كل عمود يحتوي على قيمة واحدة فقط.
• **الشكل الثاني (2NF):** يتطلب أن يكون الجدول في 1NF، وأن كل سمة غير مفتاحية تعتمد بالكامل على المفتاح الأساسي.
• **الشكل الثالث (3NF):** يتطلب أن يكون الجدول في 2NF، وأن لا تكون هناك أي تبعيات متعدية (Transitive Dependencies) للسمات غير المفتاحية. هذا يعني أن كل سمة غير مفتاحية يجب أن تعتمد فقط على المفتاح الأساسي، وليس على سمة أخرى غير مفتاحية.

CREATE TABLE طالب (
    رقم_الطالب INT PRIMARY KEY,
    الاسم_الأول VARCHAR(50),
    الاسم_الأخير VARCHAR(50),
    تاريخ_الميلاد DATE,
    التخصص VARCHAR(30)
);

CREATE TABLE مقرر (
    رمز_المقرر VARCHAR(10) PRIMARY KEY,
    اسم_المقرر VARCHAR(100),
    عدد_الساعات INT
);

CREATE TABLE تسجيل (
    رقم_الطالب INT,
    رمز_المقرر VARCHAR(10),
    تاريخ_التسجيل DATE,
    الدرجة DECIMAL(4,2),
    PRIMARY KEY (رقم_الطالب, رمز_المقرر),
    FOREIGN KEY (رقم_الطالب) REFERENCES طالب(رقم_الطالب),
    FOREIGN KEY (رمز_المقرر) REFERENCES مقرر(رمز_المقرر)
);
                        

2. مرحلة التنفيذ (Implementation)

بعد اكتمال مرحلة التصميم التفصيلي، ننتقل إلى مرحلة التنفيذ، حيث تُترجم التصاميم والمخططات إلى كود برمجي فعلي. هذه المرحلة هي التي يتحول فيها المخطط النظري إلى نظام عامل.

أ. منهجيات التطوير

تُستخدم منهجيات مختلفة لتوجيه عملية التطوير، وكل منها يقدم إطار عمل يساعد الفرق على إدارة المشروع بكفاءة.

ب. أدوات التنفيذ

تُستخدم مجموعة واسعة من الأدوات والتقنيات في مرحلة التنفيذ:

البرمجة:

• **لغات الخلفية (Backend Languages):**
  • مسؤولة عن منطق العمل، معالجة البيانات، والتفاعل مع قواعد البيانات.
  • **أمثلة:** Python (Django, Flask), Java (Spring Boot), PHP (Laravel), Node.js.
• **لغات الواجهة الأمامية (Frontend Languages):**
  • مسؤولة عن بناء الواجهة الرسومية التي يتفاعل معها المستخدم.
  • **أمثلة:** HTML/CSS (لهيكل وتصميم الواجهة), JavaScript (للتفاعل والديناميكية), مع أطر عمل مثل React, Angular, Vue.js.

إدارة الإصدارات (Version Control):

• **Git:** نظام أساسي لإدارة ومتابعة التغييرات في الكود المصدري، يتيح للعديد من المطورين العمل على نفس المشروع بشكل متزامن دون تضارب.
  • **منصات شائعة:** GitHub، GitLab، Bitbucket.

التكامل المستمر والنشر المستمر (CI/CD):

• **Jenkins, Docker, Kubernetes:** أدوات لأتمتة عمليات بناء واختبار ونشر التطبيقات، مما يقلل من الأخطاء ويُسرع دورة التسليم.

3. مرحلة الاختبار (Testing)

الاختبار هو عملية حاسمة لضمان جودة النظام، واكتشاف الأخطاء، والتأكد من أن النظام يلبي المتطلبات المحددة. تبدأ عملية الاختبار مبكرًا في دورة حياة تطوير النظام وتستمر حتى بعد النشر.

أ. أنواع الاختبارات

تُجرى أنواع مختلفة من الاختبارات، كل منها يركز على جانب معين من جوانب النظام:

ب. إدارة الأخطاء (Bug Tracking)

هي عملية تحديد، تسجيل، تتبع، وتصحيح الأخطاء (Bugs) أو العيوب التي يتم اكتشافها أثناء الاختبار. أدوات إدارة الأخطاء ضرورية لفرق التطوير الكبيرة والصغيرة.

• **أدوات شائعة:**
  • Jira: أداة قوية لإدارة المشاريع وتتبع الأخطاء في فرق تطوير البرمجيات.
  • Trello: أداة أبسط لإدارة المهام والمشكلات، مناسبة للفرق الصغيرة.
  • Asana: لإدارة المشاريع والتعاون، وتتبع المهام بما فيها الأخطاء.

4. مثال متكامل: نظام مكتبة إلكترونية

لنجمع كل ما تعلمناه من مراحل التصميم والتنفيذ والاختبار في سياق مشروع متكامل: نظام مكتبة إلكترونية.

أ. التصميم:

• **التصميم الهيكلي:**
  • تقسيم النظام إلى وحدات رئيسية: وحدة إدارة الكتب (إضافة، حذف، تحديث بيانات الكتب)، وحدة إدارة الأعضاء (تسجيل، تعديل بيانات الأعضاء)، وحدة الإعارة والإرجاع، وحدة التقارير.
• **تصميم واجهة المستخدم (UI/UX):**
  • تصميم شاشات intuitive لـ: البحث عن الكتب، حجز الكتب، تسجيل الدخول/الخروج، صفحات لوحة التحكم للمشرفين.
  • ضمان تجربة مستخدم سلسة وممتعة.
• **تصميم قاعدة البيانات:**
  • بناء على ERD، تحويل الكيانات (مثل: الكتب، الأعضاء، الإعارات، المؤلفون، الفئات) إلى جداول SQL.
  • تطبيق قواعد التطبيع (مثلاً 3NF) لضمان عدم تكرار البيانات وسلامتها.

ب. التنفيذ:

• **التطوير:**
  • تطوير الواجهة الأمامية باستخدام إطار عمل JavaScript مثل React لتجربة مستخدم تفاعلية.
  • تطوير الواجهة الخلفية (Backend) باستخدام Node.js مع إطار عمل Express لمعالجة الطلبات وإدارة منطق العمل.
  • استخدام نظام إدارة قواعد البيانات العلائقية مثل MySQL أو PostgreSQL لتخزين البيانات.
• **إدارة الإصدارات:** استخدام Git مع GitHub للتعاون بين المطورين وتتبع التغييرات.

ج. الاختبار:

• **اختبار الوحدة:**
  • كتابة اختبارات وحدة لوظائف Backend (مثل: دالة "إضافة كتاب جديد" أو "تسجيل عضو").
  • استخدام Jest أو Mocha لاختبار مكونات React.
• **اختبار التكامل:**
  • التأكد من أن الواجهة الأمامية تتفاعل بشكل صحيح مع الواجهة الخلفية عبر الـ APIs.
  • التأكد من أن الواجهة الخلفية تتفاعل بشكل صحيح مع قاعدة البيانات.
• **اختبار الأداء:**
  • فحص أداء النظام عند التعامل مع عدد كبير من المستخدمين المتزامنين (مثلاً، 1000 مستخدم يبحث عن كتب في نفس الوقت) باستخدام أدوات مثل JMeter.
• **اختبار القبول (UAT):**
  • يُطلب من أمناء المكتبات والمستخدمين التجريبيين اختبار النظام والتأكد من أنه يلبي احتياجاتهم التشغيلية قبل الإطلاق النهائي.

5. أنشطة تعليمية

لتعزيز فهمك لمراحل تصميم النظام وتنفيذه واختباره، إليك بعض الأنشطة المقترحة:

• **ورشة عمل: تصميم هيكل نظام توصيل طلبات**
  • قسّموا أنفسكم إلى فرق.
  • قوموا بتصميم **هيكل نظام توصيل طلبات** (مثل تطبيقات طلب الطعام) باستخدام **Structure Chart**. حددوا الوحدات الرئيسية والفرعية، وكيف تتفاعل مع بعضها البعض.
  • ناقشوا خيارات التصميم المعياري وتأثيرها على قابلية صيانة النظام.
• **تمرين برمجي: كتابة كود SQL مطبّع**
  • باستخدام أي محرر نصوص أو بيئة تطوير لقواعد البيانات، اكتبوا جمل SQL لإنشاء جدول "الموظفين" وجدول "الأقسام".
  • تأكدوا من تطبيق قواعد التطبيع (على الأقل 3NF) وتضمين المفاتيح الأساسية والأجنبية بشكل صحيح لتمثيل العلاقة بين الموظفين والأقسام (قسم واحد لكثير من الموظفين).

  • 
    -- مثال هيكلي
    CREATE TABLE Departments (
        DeptID INT PRIMARY KEY,
        DeptName VARCHAR(50)
    );
    
    CREATE TABLE Employees (
        EmpID INT PRIMARY KEY,
        EmpName VARCHAR(50),
        DeptID INT,
        FOREIGN KEY (DeptID) REFERENCES Departments(DeptID)
    );
                                    

• **حالة دراسة: تحليل فشل تطبيق HealthCare.gov**
  • ابحثوا عن معلومات حول فشل إطلاق تطبيق HealthCare.gov في الولايات المتحدة (2013).
  • ناقشوا الأسباب الرئيسية لهذا الفشل، مع التركيز على دور إهمال مراحل **التصميم التفصيلي** و**الاختبارات الشاملة** في ذلك.
  • ما هي الدروس المستفادة التي يمكن تطبيقها لتجنب مثل هذه الأخطاء في مشاريع الأنظمة المستقبلية؟

6. التقييم

لتقييم مدى استيعابك للمفاهيم في هذه الوحدة:

• **مشروع عملي: تنفيذ نظام بسيط (50%)**
  • يُطلب من كل طالب (أو مجموعة صغيرة) تنفيذ نظام ويب بسيط (مثلاً: نظام إدارة مهام، مدونة شخصية).
  • المتطلبات: يجب أن يتضمن النظام **واجهة مستخدم** أساسية، **منطق عمل** بسيط (Backend)، و**تفاعل مع قاعدة بيانات** (تخزين واسترجاع بيانات).
  • التسليمات: **نماذج واجهات** (Wireframes/Mockups)، **كود مصدر** للنظام، و**تقرير اختبارات** موجز يوضح بعض حالات الاختبار التي تم إجراؤها.
• **عرض تقديمي: شرح خيارات التصميم ومراحل التنفيذ (30%)**
  • تقوم المجموعات بتقديم المشروع العملي، مع التركيز على شرح خيارات التصميم (لماذا تم اختيار هذا الهيكل؟ لماذا هذه الواجهة؟)، والمنهجيات المستخدمة في التنفيذ، وكيف تم التعامل مع عملية الاختبار.
• **اختبار نظري: مفاهيم التصميم والتنفيذ والاختبار (20%)**
  • اختبار يغطي جميع المفاهيم النظرية في هذه الوحدة، مثل أنواع التصميم (هيكلي، واجهات، قواعد بيانات)، منهجيات التنفيذ، وأنواع الاختبارات المختلفة.

7. الربط بالذكاء الاصطناعي

في عالم اليوم، غالبًا ما تتضمن الأنظمة الحديثة مكونات ذكاء اصطناعي. تُطبق مبادئ التصميم والتنفيذ والاختبار أيضًا على تطوير أنظمة الذكاء الاصطناعي، ولكن مع بعض التحديات والاعتبارات الخاصة.

كيف يُطبَّق التصميم الهيكلي في أنظمة الذكاء الاصطناعي؟

• **تصميم الوحدات لمهام الذكاء الاصطناعي:**
  • يمكن تقسيم أنظمة الذكاء الاصطناعي المعقدة إلى وحدات برمجية (Modules) متخصصة.
  • **مثال:** في نظام معالجة اللغات الطبيعية (NLP)، يمكن تصميم وحدات منفصلة لـ: تنظيف النص (Text Preprocessing)، تحليل المشاعر (Sentiment Analysis)، توليد الردود (Response Generation). كل وحدة تُطور وتُختبر بشكل مستقل.
• **تصميم قواعد بيانات التدريب والنماذج:**
  • تُستخدم ERD ومبادئ تصميم قواعد البيانات لتنظيم البيانات الضخمة (Big Data) المطلوبة لتدريب نماذج الذكاء الاص02صناعي.
  • يتم تصميم جداول لتخزين بيانات التدريب، النماذج المدربة، نتائج التنبؤات، والبيانات الوصفية (Metadata) الخاصة بالنماذج (مثل إصدار النموذج، تاريخ التدريب، مقاييس الأداء).
• **تصميم بنية النشر (Deployment Architecture):**
  • يشمل تصميم كيفية نشر نماذج الذكاء الاصطناعي (Machine Learning Models) كخدمات (APIs) يمكن للتطبيقات الأخرى استهلاكها، باستخدام تقنيات مثل **Docker** و **Kubernetes** للحاويات.

المراجع

• "Software Engineering: A Practitioner’s Approach" – Roger Pressman.
• "Designing Data-Intensive Applications" – Martin Kleppmann.
• معايير ISO/IEC 25010 لجودة البرمجيات (Software Quality).
• وثائق أدوات التصميم والتنفيذ والاختبار المذكورة (Figma, React, Node.js, Jira, Jest, JMeter).

ملخص الوحدة

لقد وصلتَ إلى نهاية رحلتنا في هذه الوحدة المثرية، حيث تحولت الأفكار النظرية إلى خطوات عملية لبناء نظام فعّال.

• تعلمتَ كيفية ترجمة **متطلبات النظام** إلى تصميم تفصيلي، يشمل التصميم الهيكلي (بمخططات مثل Structure Charts)، وتصميم واجهة المستخدم (UI/UX) باستخدام Wireframes و Prototypes، وتصميم قاعدة البيانات بتحويل ERD إلى جداول مطبّعة (Normalized).
• استعرضتَ **منهجيات التطوير** المختلفة (التدريجي، التكراري، الرشيق) وأهم **أدوات التنفيذ** (لغات البرمجة، أنظمة إدارة الإصدارات، أدوات CI/CD).
• أدركتَ الأهمية القصوى لـ**مرحلة الاختبار** في ضمان جودة النظام، وتعلمتَ عن أنواع الاختبارات المختلفة (الوحدة، التكامل، النظام، القبول، الأداء، الأمان)، وكيفية إدارة الأخطاء.
• رأيتَ كيف تُطبق هذه المفاهيم في بناء نظام متكامل (مثل المكتبة الإلكترونية) وكيف ترتبط بتطوير أنظمة الذكاء الاصطناعي.

تهانينا على إكمال هذه الوحدة المتقدمة! لقد أصبح لديك الآن فهم شامل لجميع المراحل الرئيسية في دورة حياة تطوير النظام، من التحليل والتصميم إلى التنفيذ والاختبار. في **الوحدة الختامية**، سنقوم بتلخيص ومراجعة جميع المفاهيم التي تم تعلمها عبر المقرر، ومناقشة المشاريع العملية، واستخلاص الدروس والتوصيات النهائية.