分布式智能組卷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 輝，杜曉玉，郭拯危

（1.河南大學(xué) 民生學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，河南 開(kāi)封 475004；3.河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

與傳統(tǒng)的手工出卷方式相比，計(jì)算機(jī)自動(dòng)組卷有著無(wú)可比擬的優(yōu)越性。計(jì)算機(jī)可以以隨機(jī)或手工指定的方式，根據(jù)試卷的各個(gè)參數(shù)（總分、題目類(lèi)型、題目數(shù)量、每題分?jǐn)?shù)等），從大量的試題庫(kù)中挑選符合要求的試題并自動(dòng)組成試卷，供打印或在線考試使用，不但能夠節(jié)約大量的人力、物力與財(cái)力，還可以大幅度增加考試成績(jī)的客觀性和公正性，避免人為原因造成的疏忽和錯(cuò)誤[1]。

高等院校的各種考試中，很多學(xué)科專(zhuān)業(yè)的試題和答案都包含有公式和圖形，而當(dāng)前已有的諸多試題庫(kù)或組卷系統(tǒng)通常只支持純文本的試題，這在很大程度上限制了理工科試題庫(kù)與組卷系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。目前很多高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了多種網(wǎng)絡(luò)版的組卷系統(tǒng)，按照系統(tǒng)架構(gòu)不同可以分為基于B/S架構(gòu)[2-3]和C/S架構(gòu)[4-6]。文中采用嵌入ActiveX控件來(lái)操作Word文檔的方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于DataSnap的分布式三層架構(gòu)的理工科試題庫(kù)與組卷系統(tǒng)。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，支持的試題類(lèi)型多樣，并可以按關(guān)鍵字查詢(xún)Word試題內(nèi)容。多個(gè)用戶(hù)可以在不同的地點(diǎn)同時(shí)錄入試題，組成的試卷直接以Word文檔的形式下載到本地，用戶(hù)可以直接打印成試卷（或手工調(diào)整個(gè)別題目）供考試使用，真正實(shí)現(xiàn)一鍵組卷。除此之外，系統(tǒng)還提供在線考試功能。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）dbExpress技術(shù)

dbExpress是Borland公司推出的一種輕量的數(shù)據(jù)庫(kù)存取引擎，支持目前大多數(shù)的主流數(shù)據(jù)庫(kù)，如MS SQL Server、DB2、Oracle、MySql等，且具備跨平臺(tái)能力，可以在 Win32、Linux和.NET平臺(tái)上使用[7]。由于它使用單向、只讀的游標(biāo)，且不在內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)集，可以提高數(shù)據(jù)存取速度并使用最少的資源[2]，所以速度極快，尤其適合在多層架構(gòu)的系統(tǒng)中使用。

2）DataSnap 技術(shù)

DataSnap是Borland公司 （現(xiàn)已被Embarcadero公司收購(gòu)）開(kāi)發(fā)的快速開(kāi)發(fā)套件Rad Studio中的一部分，它被設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用來(lái)開(kāi)發(fā)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用軟件[8]。從Delphi2009開(kāi)始，DataSnap不再依賴(lài)于DCOM架構(gòu)（但同時(shí)也支持DCOM），轉(zhuǎn)而使用TCP/IP協(xié)議、HTTP協(xié)議來(lái)完成客戶(hù)端和服務(wù)器的通訊，這使得開(kāi)發(fā)和部署工作變得更加簡(jiǎn)單。

3）SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

由于本系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)量較大，桌面型的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件（如ACCESS等）不能滿(mǎn)足要求。Microsoft SQL Server是微軟公司開(kāi)發(fā)的一種大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，由于其功能強(qiáng)大、易于使用，并且與Windows操作系統(tǒng)結(jié)合緊密，早已為許多軟件開(kāi)發(fā)者所使用。雖然SQL Server 2000是微軟于2000年發(fā)布的版本，但由于其對(duì)硬件要求較低，經(jīng)過(guò)仔細(xì)的配置以后安全性也完全可以滿(mǎn)足要求，所以本系統(tǒng)仍以SQL Server 2000作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）ActiveX控件技術(shù)

ActiveX控件是一種與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的可重用軟件組件，這些組件實(shí)現(xiàn)了特定的功能，并提供了編程接口，應(yīng)用程序可以直接拿來(lái)使用[9]。本系統(tǒng)使用了EdrawSoft公司出品的Office Viewer這個(gè)ActiveX控件，來(lái)完成Word試題及答案的錄入和顯示。Office Viewer提供了一套簡(jiǎn)化了的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Word的編程，例如加載、編輯和保存Word文檔等。程序發(fā)布給客戶(hù)時(shí)，只需利用安裝程序在客戶(hù)機(jī)上注冊(cè)這個(gè)ActiveX控件即可。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

理工科試題及答案中，公式和圖形較多，這個(gè)特點(diǎn)決定了B/S方式不適合于理工科試題庫(kù)的日常使用。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)庫(kù)的安全，不允許客戶(hù)端直接連接數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，系統(tǒng)采用三層分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture

其中：

1）客戶(hù)端負(fù)責(zé)與用戶(hù)交互，如顯示用戶(hù)界面、接受用戶(hù)輸入等；

2）應(yīng)用服務(wù)器提供各個(gè)客戶(hù)端的操作請(qǐng)求接口，如添加試題、取得某種題型的試題、查看某張?jiān)嚲淼龋⑻幚斫Y(jié)果返回到客戶(hù)端。除此之外，還包括維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)連接池、壓縮數(shù)據(jù)流、記錄日志等；

3）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器執(zhí)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)、更新與刪除操作。

2 系統(tǒng)整體流程

系統(tǒng)整體流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 System process flowchart

1）前期準(zhǔn)備：錄入試題前，需要進(jìn)行前期準(zhǔn)備工作，包括：建立用戶(hù)及分配用戶(hù)權(quán)限、錄入課程章節(jié)和知識(shí)點(diǎn)、可用的題型等。

2）錄入試題：用戶(hù)錄入Word試題和答案，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供組卷時(shí)使用。

3）組卷：分為隨機(jī)組卷和人工組卷。系統(tǒng)從試題庫(kù)中取出滿(mǎn)足要求的試題，并排版到一個(gè)Word文檔中，供導(dǎo)出或打印。

4）導(dǎo)出或打印試卷：用戶(hù)可以選擇組好的試卷，導(dǎo)出成Word文檔，或直接打印出來(lái)。系統(tǒng)還附帶了在線考試功能和學(xué)生自測(cè)功能。

下面詳述這些流程的具體實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)功能模塊

3.1 用戶(hù)管理模塊及權(quán)限管理模塊

用戶(hù)按照使用的功能可以分為3類(lèi)，學(xué)生，老師，和管理員。用戶(hù)管理則包括這3類(lèi)用戶(hù)的數(shù)據(jù)錄入，修改和刪除。權(quán)限管理模塊主要對(duì)包括學(xué)生、教師和管理員的權(quán)限維護(hù)。權(quán)限管理模塊中管理員可以批量設(shè)置學(xué)生、教師或其他管理員的權(quán)限，例如，可以設(shè)置學(xué)生只能進(jìn)行在線考試、查看以前的試卷；設(shè)置A用戶(hù)只能錄入試題、B用戶(hù)只能組卷等。

圖3 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function modules of system

3.2 試題管理模塊

試題管理模塊包括章節(jié)維護(hù)、知識(shí)點(diǎn)維護(hù)、題型維護(hù)和題庫(kù)維護(hù)4類(lèi)。根據(jù)大學(xué)考試試卷的特點(diǎn)，試題包括章節(jié)，所屬知識(shí)點(diǎn)，題型，難易度幾個(gè)屬性，并且要求試題的答案和試題一一對(duì)應(yīng)。因此錄入試題前，需要首先錄入所用教材的章節(jié)信息、某章節(jié)中的知識(shí)點(diǎn)和可用的題型，這些信息在錄入試題的過(guò)程中會(huì)使用到。可用的題型是指，當(dāng)某些題型設(shè)置為可用時(shí)（如選擇題、填空題等），才可以在錄入此種類(lèi)型的試題。

錄入試題時(shí)，會(huì)要求用戶(hù)輸入此試題所在章節(jié)、所屬知識(shí)點(diǎn)、題型、難易程度以及參考答案。由于試題和參考答案中可能包括有公式和圖形，所以也以Word文檔的方式錄入也可直接上傳圖片。用戶(hù)保存這道試題時(shí)，系統(tǒng)將完成以下操作步驟：

1）將試題和答案的Word文檔分別以二進(jìn)制的形式壓縮后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)；

2）提取出Word文檔中的所有文本作為題目?jī)?nèi)容單獨(dú)保存，以便在用戶(hù)界面上以文本方式顯示當(dāng)前試題內(nèi)容，并方便以后按關(guān)鍵字查找；

3）將Word文檔中有內(nèi)容的區(qū)域保存為jpeg格式和圖片，以二進(jìn)制的形式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，為在線考試時(shí)使用，并方便以后開(kāi)發(fā)B/S結(jié)構(gòu)的試題（或試卷）查看功能。

3.3 試卷管理模塊

試卷管理模塊包括試卷模板維護(hù)、隨機(jī)組卷、人工組卷和已有試卷維護(hù)4個(gè)功能。

很多考試的模板相同，即包含的題型，各個(gè)題型的數(shù)量，總分，每道題的分值都是相同的。為了節(jié)省操作步驟，用戶(hù)可以創(chuàng)建多個(gè)試卷模板，在每個(gè)試卷模板中指定試卷中包含哪幾種題型、每個(gè)題型中每道題目的個(gè)數(shù)和分?jǐn)?shù)、試卷難易程度、考試時(shí)間、總分等，這樣在隨機(jī)組卷時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)按照這些預(yù)先設(shè)定的條件選擇試題，而不需要每次都重復(fù)輸入同樣的條件。

隨機(jī)組卷時(shí)，用戶(hù)錄入試卷相關(guān)信息（考試還是自測(cè)用卷、試卷總分、考試時(shí)間、難易程度有效期等），選擇某個(gè)試卷模板或手工錄入每種題型的道數(shù)、分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)即可從試題庫(kù)中的各種題型中隨機(jī)挑選滿(mǎn)足要求的試題組成一份試卷。填空題比較特殊，因?yàn)橐话銇?lái)說(shuō)填空題是按空給分的，一道填空題中可能包含不同個(gè)數(shù)的空格，所以填空題的挑選需要單獨(dú)處理。隨機(jī)組卷之后對(duì)某些不合適的題目可以進(jìn)行手動(dòng)更改。人工組卷時(shí)，用戶(hù)手工選擇各個(gè)題型中的試題，以及設(shè)定每題分?jǐn)?shù)。

試卷使用前，可以添加、刪除或替換試卷中的試題，或查看試卷中的題型分布情況（各題型中題目道數(shù)、分?jǐn)?shù)），或修改試卷有效期等。試卷一旦使用就不可修改和用來(lái)在線考試，但是可以查看，打印。

系統(tǒng)提供5種試卷預(yù)覽和導(dǎo)出功能，包括：試卷預(yù)覽（無(wú)答案）、試卷預(yù)覽（有答案）、Word試卷預(yù)覽或?qū)С觯o(wú)答案）、Word試卷預(yù)覽或?qū)С?（答案在對(duì)應(yīng)試題下方）、Word試卷預(yù)覽或?qū)С觯ù鸢冈谠囶}最后單獨(dú)顯示）等，以滿(mǎn)足不同的需要。為提高速度和減小服務(wù)器資源占用，預(yù)覽試卷時(shí)，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)依次讀取JPEG格式的每道試題，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建圖形控件顯示到用戶(hù)界面上；而當(dāng)用戶(hù)選擇Word試卷預(yù)覽或?qū)С鲈嚲頃r(shí)，則采用OLE的方式新建一個(gè)Word文檔，并調(diào)用Word中的VBA函數(shù)，插入試卷標(biāo)題等必要信息，將每道試題寫(xiě)入這個(gè)Word文檔中，然后將Word文檔顯示到用戶(hù)界面。導(dǎo)出為Word方檔后的試卷與普通Word文檔一樣，可以手工任意編輯。

3.4 考試管理

考試管理包括在線考試、在線自測(cè)和查看以前的試卷。

由于理工科試題的特殊性，在線考試（或在線自測(cè)）只能選擇有限的幾種題型，如單選題、多選題、判斷題，或者加上少量的填空題，而簡(jiǎn)答題、計(jì)算題等顯然不適合在線考試。學(xué)生登錄系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)顯示在有效期內(nèi)的試卷，學(xué)生選擇開(kāi)始考試后，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出屬于這個(gè)試卷的JPEG格式的試題，排版后形成試卷，學(xué)生即可作答。單擊“交卷”按鈕，或考試時(shí)間已到，則終止考試，學(xué)生可在“查看以前的試卷”菜單中立即看到自己的考試情況（答對(duì)的試題道數(shù)、答錯(cuò)的試題道數(shù)、成績(jī)、正確率等），并可看到做錯(cuò)的試題的正確答案。學(xué)生也可以隨時(shí)選擇某個(gè)自測(cè)用卷作答，答完后會(huì)立即看到答對(duì)的試題道數(shù)、答錯(cuò)的試題道數(shù)、得分、正確率等，并可看到做錯(cuò)的試題的正確答案。自測(cè)用卷可反復(fù)使用多次。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)理工科試題的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分布式三層架構(gòu)的試題庫(kù)與組卷系統(tǒng)。系統(tǒng)使用Delphi2010開(kāi)發(fā)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server2000，運(yùn)行速度快，性能穩(wěn)定。與其它試題庫(kù)管理軟件相比，本系統(tǒng)支持不同類(lèi)型試題的答案選項(xiàng)個(gè)數(shù)可自定義，填空題可按空格給分，這更符合實(shí)際情況。

可擴(kuò)展性方面，由于應(yīng)用服務(wù)器的存在，當(dāng)用戶(hù)數(shù)量增加，或系統(tǒng)壓力過(guò)大（如在線考試人數(shù)增加）時(shí)，可以通過(guò)增加應(yīng)用服務(wù)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。同時(shí)，由于使用的dbExpress技術(shù)支持多種主流數(shù)據(jù)庫(kù)，只需稍微修改應(yīng)用服務(wù)器上的代碼就可以切換到其它數(shù)據(jù)庫(kù)，而客戶(hù)端不需做任何改變。另外，由于DataSnap技術(shù)支持HTTP協(xié)議和REST（Representational State Transfer），可以輕易增加一些附加功能（如通過(guò)B/S方式修改用戶(hù)權(quán)限等）。系統(tǒng)已在某高校化學(xué)化工學(xué)院穩(wěn)定運(yùn)行一年時(shí)間，可以滿(mǎn)足用戶(hù)需求，使用效果明顯。

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