基于J2EE的無紙化考試試卷分析系統的設計與實現

楊斐，張峰

（榆林學院信息工程學院，陜西榆林719000）

學生成績是衡量學生是否掌握所學知識的重要標志，也是評估教學質量的重要依據[1]。從表面上看，考試成績僅僅是數字，但是從這些似乎毫不相關的數字中卻可以提煉出對學生學習效果進行評價的信息。目前大部分校各數課程的考試基本上都采用傳統的考試方式，組織一次考試至少要經過人工出題、教研組組長與主管教學的系領導審核批準制卷、試卷打印裝訂、考生考試、人工閱卷、成績評定和試卷分析等多個步驟，再加上考試教室安排、監考教師分配等等，使學校消耗大量的人力、物力、財力，嚴重影響學校的工作效率，教師的工作量也越來越大，而考試工作本身就是一件十分繁瑣和非常容易出錯的事情，顯然傳統的考試方式已經越來越不能適應現代教學的需求。為推動考核方法改革，加快考核手段的現代化，根據教學的實際需求，應改變傳統的紙張考試的方式，充分利用計算機和網絡技術，實現網絡計算機考試，從而使考試更趨于公證、客觀，并進一步激發學生的學習興趣，所以開發一套基于Web的考試分析系統以滿足學校和學生之間的需求。

1 試卷分析系統的主要功能模塊

1.1 試卷成績的統計分析

在對試題、試卷進行各種指標的分析的基礎上對學生考試成績進行必要的統計分析，通過對學生成績整理、分析，才能清楚地把握整體和個體的知識掌握情況，進而尋求改進教學質量的途徑和方法。試卷的統計分析主要包括成績統計分析以及學生成績分布曲線分析。

1）成績統計分析

成績統計可以對考試的成績進行較為直觀的統計分析。成績統計分析一般包括統計學生總數、參加考試人數、最高分、最低分、平均分與標準差，通過平均分、標準差可以反映考生群體成績的個體差異程度，統計最大值、最小值及全距可以反映考生成績的最大差距[2]。

平均分可以反映全體考試學生的學習水平，但平均值易受極端分數的影響。平均值用表示，平均分計算公式如下：

其中n為考試人數，X為考試成績。

標準差能夠表征考試成績的波動大小，反應考試分數的離散趨勢，它的計算方法是求出每個學生成績與平均分的差的平方和，計算公式如下：

其中xi為學生該卷得分，為該卷平均分，n為樣本人數。

分段統計是試卷分析工作中最常用最形象直接的指標。根據考生人數，將考試成績劃分若干分數段進行各分段人數的統計：即每隔10分為一段，0～59為不及格，60～69為及格、70～79為中等、80～89為良好，90～100為優秀，通過計算優秀、良好、中等、及格與不及格的人數分布及百分比，從中可以大致地看出成績的分布類型。

2）學生成績分布曲線分析

檢驗試卷是否符合考試要求，通常采用學生成績分布曲線分析來描述[3]。通過編繪直方圖，了解成績分布的類型。用直方圖直觀表示學生成績的分布情況，即以分數段作為橫坐標，每個分數段的學生的人數作為縱坐標。如果分數段劃分的越細，直方圖就越準確地代表了學生成績的實際分布。

總的說來，學生的成績在數量上分布應符合統計學上的正態分布。如果曲線峰值中間高、兩頭低、左右大體對稱，那么表示分布呈正態或近似正態分布：如曲線峰值向右偏，則呈負偏態分布，說明試題總體難度偏低：如曲線峰值向左偏，則呈正偏態分布，說明試題偏難[4]。因此在考試設計上要求對試題的難度組合進行合理的搭配，當試題總體過難或過易，其分布特征亦隨之改變；當試題難易組合不合理，將會對分布峰的形態產生影響。

1.2 系統總體結構

無紙化考試系統的系統目標是在校園網環境中，使用計算機來代替人工實現考試過程中需要完成的考務安排、題庫管理、智能組卷、在線考試、自動評分（客觀題部分）、主觀題與操作題評分、成績統計分析等一系列工作任務。

無紙化考試系統應該具備6大功能：考務管理、題庫管理、組卷管理、在線考試、閱卷管理、試卷分析。圖1展示了無紙化考試系統的功能構成。

圖1 系統功能結構Fig.1 System function and structure

試卷分析是對整個系統的考試數據進行統計分析，以便于讓老師更好地了解學生的學習情況，讓學生更好地掌握自己的學習情況，其功能包括：該子系統實現對考生的成績統計分析（如對平均分、最高分、最低分、及格率、分數段等分析）和對試卷進行綜合分析（如難度分析、區分度分析、信度分析、效度分析）等功能，并將相關分析信息存入數據庫，作為下一次出題組卷的重要依據。

1.3 系統主要用例分析

本系統參與者只涉及教師，可以分解為報表輸出和試卷評價兩個用例，其中試卷評價用例可分解為選擇分析策略（按科目分析、按班級分析、按題型分析）、試卷分析、試題分析等子用例。

據以上分析，得出程序的主要用例圖，如圖2所示。主要的角色（Actor）包括企業管理員（Administrator）、企業用戶（Customer）、程序系統（System）和數據庫（Database）。

圖2 試卷分析用例圖Fig.2 Diagramofuse case

2 系統的設計與實現

2.1 系統的架構的設計

用例圖分析了該應用系統的主要功能需求，這些需求是設計開發的依據。下面開始講解試卷分析系統的架構設計。整個系統架構（除了客戶端數據采集系統）基于J2EE技術體系設計，客戶端數據采集系統采用的是桌面單機應用程序[5]。

J2EE體系包括JSP、Servlet、EJB、Web Service等多項技術。這些技術的出現給Web應用開發提供了一個非常有競爭力的選擇。怎樣把這些技術組合起來，形成一個適應項目需要的穩定架構是項目開發過程中一個非常重要的步驟[6]。

一個成功的軟件需要有一個成功的架構，但軟件架構的建立是一個復雜而又持續改進的過程，軟件開發者們不可能對每個不同的項目做不同的架構，而總是盡量重用以前的架構，或開發出盡量通用的架構方案[5]，Struts就是其中之一，Struts是流行的基于J2EE的架構方案，其他常用的基于J2EE的架構方案還有Hibernate、Spring等。

本系統嚴格按MVC模式設計，按J2EE分層設計的理念，將中間層嚴格分成業務邏輯層、DAO層和數據持久層等。MVC層的控制器絕對禁止持久層訪問，甚至不參與業務邏輯的實現。表現層采用傳統JSP技術。JSP技術結合Struts的標簽庫，讓應用的表現層層次清晰，可讀性比較好。架構模型如圖3所示。

2.2 系統數據模型的設計

系統設計是在系統分析的基礎上由抽象到具體的過程。主要目標是將系統分析階段所提出的反映了信息需求的系統邏輯方案轉換成可以實施的基于計算機與通信系統的物理（技術）方案，進行系統的總體設計和各子模塊的設計，實現基于B/S多層結構的試卷分析系統，為下一階段系統實施提供必要的技術資料。

圖3 架構模型Fig.3 System architecture model

業務實體在內存中表現為實體域對象，在數據庫中表現為關系數據。實現業務實體包括以下內容：

1）設計域模型，創建域模型實體對象；

2）設計關系數據模型；

3）創建對象-關系映射文件。

其中，前兩項適用于大多數由持久化數據驅動的應用程序，最后一項是特定于Hibernate應用的。不同的實現方式可能需要不同的步驟。

該系統應用中的業務實體包括用戶表、教師信息實體、課程信息實體、學生成績實體、學生信息實體、院系屬性實體、任課類別實體。下面將詳細介紹這些實體模型含義。

1）用戶實體有兩個屬性，分別是用戶名、密碼。用戶名包括管理員用戶名、普通教師用戶名、用戶密碼（password）、電子郵件、用戶狀態、聯系地址、聯系電話等。

2）教師用戶有4個屬性，分別是用戶名、身份證、姓名、密碼。用戶名是教務處分配給每個教師的教師號；身份證、姓名用以確保教師身份的唯一性；密碼屬性有初始默認值，教師用戶可自行修改。

3）課程實體有6個屬性，其中教師號包含授課教師信息；開課院系包含學生所在院系；學年、學期、課程名、課程號包含課程相關信息。

4）成績實體有7個屬性，開課院系包含代課教師相關信息；學號、班號包含學生相關信息；課程號、課程名包含課程相關信息；成績、記錄方式包含學生試卷成績相關信息。

5）學生實體有7個屬性，身份證號、出生日期、籍貫包含學生自身信息；專業編號、班號、學號、姓名包含試卷成績相關信息。

6）試卷實體有14個屬性，總分、客觀題總分、主觀題總分、試題總數、試題類型包含了成績相關信息；考試院系、學科名、課程號、學分、學時、考試時間包含了課程相關信息；考生人數、班級名稱包含學生相關信息；教師姓名包含授課教師相關信息。

3 系統的關鍵技術及具體應用實現

3.1 主要模塊實現

試卷評價模塊主要實現3個方面的分析。其中試卷質量分析通過對分數數據的處理完成信度、標準差、難度、區分度及各分數段的統計等指標的計算，利用以上的公式，通過編寫腳本來實現。試題分析與試卷質量分析大致相同，通過對小題的分數的處理完成試題的分析。如圖4所示。用戶成功登錄系統后，選擇試卷分析界面，根據之前的試卷錄入情況，從試題名稱表、成績表、課程表、試題詳細信息表等表里獲取相關數據參數進行分析，試卷評價模塊數據流圖。

圖4 試卷評價功能模塊圖Fig.4 Paper evaluation modules

3.2 業務系統的實現

依據上述的基本原理，本文基于J2EE平臺下設計并實現了試卷分析系統，該原型系統實現了用戶登錄和注冊、試卷情況錄入模塊、試卷評價模塊、試卷分析結果輸出模塊等。由于各個試卷的不同，我們在試卷成績錄入之前需要進行試卷信息的錄入，并且要對試卷的一些信息進行檢查。如果出錯，則試卷信息錄入不成功。另外在錄入的時候會有一些附加信息，如院系等。試卷情況錄入界面如圖5所示。試卷評價模塊主要負責選擇錄入好的試卷，然后進行分析，其界面如圖6所示。

圖5 試卷情況錄入界面Fig.5 Papers of the input UI

4 結論

通過試卷分析系統對學生考試成績進行定量地統計分析，挖掘數據得出科學的信息并得以判斷學生學習情況和鑒定試卷質量。將得到的反饋信息作為改進后續教學工作的參考依據，使教師可有的放矢，在總結與反思過程中，不斷提高教學質量。本文根據學校信息化建設的現狀，采用了Struts、Spring、Hibernate技術開發試卷分析系統系統，試卷分析工作不斷的科學化和規范化是教育評價發展的必然要求，它對檢驗教育質量、深化教學改革有著重要作用。隨著教育測量理論的不斷發展，試卷質量評估工作將更為深入細致，現代教育測量理論在考核評價中的應用也將會進一步豐富和發展。目前基于該方案開發的系統已經在國內某高校安裝使用，今后將根據用戶的反饋繼續完善。

圖6 試卷評價界面Fig.6 Paper evaluation UI

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