劉淳 吳名星

（長沙民政職業(yè)技術學院，湖南長沙410004）

通用在線考試系統(tǒng)研究與開發(fā)

劉淳 吳名星

（長沙民政職業(yè)技術學院，湖南長沙410004）

隨著高等教育的快速發(fā)展及校園網(wǎng)絡的完善，高校教學管理已基本實現(xiàn)了信息化與網(wǎng)絡化管理模式，但大部分高校的課程考試還是沿用過去的紙質考試方式，考試網(wǎng)絡化、信息化已成為很多高校教師的迫切需求。文中對高校通用在線考試系統(tǒng)業(yè)務流程、功能需求、應用程序體系結構及設計方法等進行了全面闡述。

教學管理；考試軟件；在線考試

1.通用在線考試系統(tǒng)概述

為了適應教育信息化發(fā)展的需要，近幾年在教育部的大力倡導和支持下，所有高等院校都在進行網(wǎng)絡化課程資源建設，其中包括課程試題庫建設，但與試題庫對應的在線考試系統(tǒng)并不多，雖然有些開源的在線考試系統(tǒng)，但大多存在一些問題，如并發(fā)性差、使用不方便、存在安全隱患等。

本研究開發(fā)的通用在線考試系統(tǒng)是專門針對高校課程管理、考試管理、成績管理的教務管理子系統(tǒng)。為高校建立起高效、靈活、安全的考試管理體系。

通用在線考試系統(tǒng)包括角色與權限管理、基礎數(shù)據(jù)管理（部門、教師、學生）、課程管理、題庫管理、考試策略管理、考試計劃管理、考試管理、監(jiān)考管理、閱卷管理、成績管理等十幾個主要模塊。各模塊均以課程為中心，課程采用主講教師負責制，每個主講教師可以創(chuàng)建自己的課程和題庫，題庫與試卷采用DES的ECB（電子密碼本模式）加密技術，以保證題庫和試卷的安全與保密。教師可以用自己建設的題庫組織課程考試，也可以授權給其他教師（課程組成員）組織相關考試，學校管理員可以使用教師題庫組織全校性考試，這樣既實現(xiàn)了題庫的私有化與安全管理，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高度共享。

2.用戶需求分析

2.1 項目目標

從總體上考慮，系統(tǒng)應該實現(xiàn)下列功能：對管理員來說，包括教師和考生用戶管理,角色授權管理、部門管理等。對教師來說，包括題庫建設、制訂考試計劃、隨機產(chǎn)生試卷、在線閱卷，統(tǒng)計成績等。對學生來說，在線答卷，提交試卷、查看成績。系統(tǒng)能夠提供友好的用戶界面，使各類用戶的工作量最大限度地減少；系統(tǒng)具有良好的運行效率；系統(tǒng)要具有一定的安全、保密特性；系統(tǒng)應有容錯功能。根據(jù)對20幾家高職院校的調查，系統(tǒng)并發(fā)度最小要在2000以上，即一臺服務器能同時容納2000人以上的考試。

2.1 功能需求

（1）管理員可添加和維護用戶數(shù)據(jù)，并對不同的用戶授予不同的系統(tǒng)功能權限，管理員還可以根據(jù)用戶模板，批量導入考生數(shù)據(jù)。

（2）管理員或教師可以創(chuàng)建和維護課程信息。

（3）管理員可以對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行恢復和備份。

（4）管理員可以查看和維護系統(tǒng)的操作日志。

（5）教師可以根據(jù)課程創(chuàng)建題庫，并對試題庫進行維護；還可以根據(jù)試題模板批量導入試題。

（6）教師可以根據(jù)考試計劃創(chuàng)建課程考試，并根據(jù)試題庫中的試題進行組卷。

（7）組卷方式采用隨機組卷，并提供兩種組卷模式：同批不同題和同批同題。同批不同題，即同一考試批次（對應一個考試計劃）的考生都是從題庫中隨機抽到指定數(shù)據(jù)的試題。同批同題，為了體現(xiàn)在線考試的絕對公平，也可以采用同批同題的組卷模式，該模式是從試題庫中隨機抽取一套試卷，然后將該試卷再次打亂試題順序和選項順序分發(fā)給不同考生。采用同批同題的組卷模式時，每位考生的試題相同，但試題順序和選擇題的選項順序不同。

（8）在考試結束后，對于客觀題，系統(tǒng)應自動評分，對于主觀題，可以分配給教師在線評閱。

（9）評閱結束后，教師可以導出考試的成績。

（10）在考試時間內，考生可以登錄系統(tǒng)，參加考試，在考試過程中，對于有疑問的試題，可以進行標記；考試過程中，如果出現(xiàn)考試意外，應能重新登錄系統(tǒng)，繼續(xù)考試，并且原來已經(jīng)做過的試卷有效。

（11）在成績公布后，學生可以登錄系統(tǒng)查看成績。

（12）在平時，教師可以根據(jù)課程進度從試題庫中抽取試題設置一些練習，由學生自由訓練。

（13）所有用戶，在登錄系統(tǒng)后可以對個人信息進行維護修改。

根據(jù)需求，在線考試系統(tǒng)結構如圖1：

圖1 在線考試系統(tǒng)功能模塊

3.系統(tǒng)體系結構設計

針對在線考試系統(tǒng)在網(wǎng)絡化集成和跨平臺系統(tǒng)開發(fā)與維護等特殊要求，本文提出一種六層B/S架構(圖2)。該架構采用Java和數(shù)據(jù)庫連接池技術,將傳統(tǒng)三層B/S結構的第二層 (服務器端)劃分為表示層、邏輯控制層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)庫訪問層。

圖2 在線考試系統(tǒng)體系結構

在線考試系統(tǒng)的服務請求及響應實現(xiàn)過程為：客戶端的瀏覽器通過超文本鏈接標記語言 (Hyper Text Markup Language,HTML)向應用服務器發(fā)出請求；服務器端業(yè)務邏輯控制層中的Servlet對請求進行分派,調用業(yè)務層的JavaBean，JavaBean組件根據(jù)業(yè)務邏輯細則調用數(shù)據(jù)庫訪問層的Java Bean進行數(shù)據(jù)庫訪問處理,數(shù)據(jù)訪問層從數(shù)據(jù)連接池中取出一個數(shù)據(jù)庫連接對象,使用Java數(shù)據(jù)庫連接(Java DataBase Connectivity, JDBC)技術訪問數(shù)據(jù)庫取得所需數(shù)據(jù),最后Servlet將調用業(yè)務層的結果生成JSP或Json串，頁面對獲得的數(shù)據(jù)進行格式化,形成最終HTML頁面并發(fā)往客戶端,完成對該次服務請求的響應。

4 、系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)設計原則

(1)標準性原則：所有數(shù)據(jù)的定義按教育部《教育管理信息化標準》。

(2)保證數(shù)據(jù)的完整性與一致性：基于網(wǎng)絡的應用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的完整性和一致性特別重要，在數(shù)據(jù)庫設計中，嚴格設計相關字段的參照完成性及當用戶數(shù)據(jù)違背完整性規(guī)則時應采取的措施；DBMS不能實現(xiàn)的完整性要求由觸發(fā)器實現(xiàn)。

(3)易操作性原則：系統(tǒng)易于操作、更新、管理，并能滿足各層次用戶的使用要求?？蛻舳顺绦虮M量采用向導操作方式。

(4)可擴充性原則：能滿足系統(tǒng)需求變化的要求；系統(tǒng)的結構設計應考慮到功能擴充；能適應技術更新(如軟、硬件升級等)的要求。還要考慮與學院其他系統(tǒng)的集成。

(5)成熟性原則：操作系統(tǒng)采用Windows 2008 Server，數(shù)據(jù)庫采用微軟的SQL Server2008或MySQL，開發(fā)工具采用Eclipse和Sun公司的Java開發(fā)平臺。

（6）保證系統(tǒng)的響應速度：基于網(wǎng)絡的程序設計，系統(tǒng)的響應速度和能同時響應的用戶數(shù)量是設計成敗的關鍵。選擇數(shù)據(jù)庫服務器和WEB服務器時要充分考慮數(shù)據(jù)的存儲量、用戶對響應速度的要求及同時使用系統(tǒng)的最大用戶數(shù)量等因素。此外，設計中還要盡量回避一次從網(wǎng)絡中傳輸大量的數(shù)據(jù)，同時，在訪問數(shù)據(jù)庫時，要盡可能對SQL語句進行優(yōu)化，如多表查詢時能用子查詢完成的功能不要用連接查詢。

4.2 關鍵技術實現(xiàn)

在線考試系統(tǒng)設計需要突破兩個關鍵問題，一是隨機抽題的快速響應，二是考試時的并發(fā)問題。（1）隨機抽題算法：隨機抽題算法可以在WEB服務器端實現(xiàn)也可以在數(shù)據(jù)庫端實現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在WEB服務器端實現(xiàn)，算法相對簡單，只需要將試題加載到java的集合對象中，然后將集合中元素順序打亂（隨機排序），再按組卷策略的相關參數(shù)從集合中抽取一套試卷，最后將生成的每套試卷再寫回到數(shù)據(jù)庫。該算法因為利用緩存技術，試題量大、考生人數(shù)多時，對WEB服務器的內存要求大，對于學院現(xiàn)有服務器在不提高硬件配置的條件下，響應速度很慢。而且因為要反復批量寫數(shù)據(jù)庫操作，并發(fā)度也很低。在ThinkServer RD630中，主機服務器內存8GB,CPU為Xeon E5-2620 2.00Hz虛擬機條件下，測試發(fā)現(xiàn)能同時進行登錄的人數(shù)為200人左右。在開發(fā)機器上進行預發(fā)試卷測試，預發(fā)40份試卷需要近40秒。如要同時預發(fā)N份試卷，抽題算法Java實現(xiàn)的邏輯結構圖如圖3。

圖3 抽題算法Java實現(xiàn)邏輯圖

隨機抽題算法數(shù)據(jù)庫端實現(xiàn)，由于隨機抽題算法在WEB服務器端實現(xiàn)速度較慢，本研究采用數(shù)據(jù)庫端的存儲過程實現(xiàn)。數(shù)據(jù)端編程相對Java編程要復雜很多，因為在SQL SERVER中，并不支持集合和數(shù)組這種常用數(shù)據(jù)類型。但是可以巧妙利用查詢和游標實現(xiàn)類似Java中的集合操作。由于存儲過的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)庫端實現(xiàn)的隨機抽題算法比用java實現(xiàn)的算法快很多。測試發(fā)現(xiàn)，用數(shù)據(jù)庫端實現(xiàn)的隨機抽題算法，同時預發(fā)500份試卷，用時不到20秒。如要同時預發(fā)N份試卷，抽題算法存儲過程實現(xiàn)的邏輯結構圖如圖4。

圖4 抽題算法存儲過程實現(xiàn)的邏輯結構圖

（2）提高考試時并發(fā)度：在學院現(xiàn)有硬件和軟件（tomcat+MySQL）條件下，要實現(xiàn)2000人以上同時考試，必需在系統(tǒng)設計和參數(shù)配置進行最大限度的優(yōu)化。本系統(tǒng)設計主要從以下幾個方面進行優(yōu)化：①提供預發(fā)試卷功能，教師或管理員可以在考試前預先生成N份試卷，考生登錄成功時，直接從數(shù)據(jù)庫讀取試卷，這樣可以減少大量考生登錄時生成試卷的開銷。②登錄驗證和讀取試卷用存儲過程一次實現(xiàn)，這樣可以減少數(shù)據(jù)庫的連接次數(shù)，并提高數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行效率。③對連接池參數(shù)進行合理配置，連接池的最大連接數(shù)并不是越大越好，而是有一個臨界值，當?shù)竭_臨界值時，并發(fā)度和響應速度都會急劇下降，這個臨界值受系統(tǒng)內存、具體DBMS的processes參數(shù)和操作系統(tǒng)連接數(shù)等多因素影響。具體多大好，要在特定軟、硬件條件下測試得到。

5 結束語

本系統(tǒng)在設計上，根據(jù)在線考試的特點采用了六層B/S架構模式來實現(xiàn)，通過代碼優(yōu)化及對TOMCAT線程池和數(shù)據(jù)庫連接池的合理配置，系統(tǒng)可以同時容納3000以上人次的考試。另外，為方便學生和教師進行相關信息查詢，本系統(tǒng)還開發(fā)了基于手機的WEB應用，學生可以在手機上查詢考試信息（考試時間、地點等）及考試成績等。教師可以通過手機查詢監(jiān)考信息（監(jiān)考時間、地點等），還可以通過手機進行在線閱卷。經(jīng)長沙民政職業(yè)技術學院試用，系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性、響應速度都能滿足學院所有課程的在線考試及單招考試。

[1]劉淳.提高WEB數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)執(zhí)行效率研究[J].長沙民政職業(yè)技術學院學報,2013，(4)：145-147.

[2]陳薈慧,張新顏.在線考試系統(tǒng)的分析與設計[J].計算機技術與發(fā)展,2009,(10)：220-223.

[3]劉淳.數(shù)據(jù)庫原理與應用[M].北京：水利水電出版社,2005.

TP311.52

A

1671-5136(2016)03-0133-03

2016-09-23

劉淳（1963-），男，湖南衡陽人，長沙民政職業(yè)技術學院軟件學院教授。研究方向：數(shù)據(jù)庫應用、java web開發(fā)；

吳名星(1978-)，男，湖南新化人，長沙民政職業(yè)技術學院軟件學院副教授、系統(tǒng)分析師、碩士研究生。研究方向：移動學習與應用軟件開發(fā)。