通用在線考試系統研究與開發

劉淳 吳名星

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙410004）

通用在線考試系統研究與開發

劉淳 吳名星

（長沙民政職業技術學院，湖南長沙410004）

隨著高等教育的快速發展及校園網絡的完善，高校教學管理已基本實現了信息化與網絡化管理模式，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業務流程、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.通用在線考試系統概述

為了適應教育信息化發展的需要，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并不多，雖然有些開源的在線考試系統，但大多存在一些問題，如并發性差、使用不方便、存在安全隱患等。

本研究開發的通用在線考試系統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。為高校建立起高效、靈活、安全的考試管理體系。

通用在線考試系統包括角色與權限管理、基礎數據管理（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，這樣既實現了題庫的私有化與安全管理，又實現了數據的高度共享。

2.用戶需求分析

2.1 項目目標

從總體上考慮，系統應該實現下列功能：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、隨機產生試卷、在線閱卷，統計成績等。對學生來說，在線答卷，提交試卷、查看成績。系統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；系統具有良好的運行效率；系統要具有一定的安全、保密特性；系統應有容錯功能。根據對20幾家高職院校的調查，系統并發度最小要在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據，并對不同的用戶授予不同的系統功能權限，管理員還可以根據用戶模板，批量導入考生數據。

（2）管理員或教師可以創建和維護課程信息。

（3）管理員可以對系統的數據進行恢復和備份。

（4）管理員可以查看和維護系統的操作日志。

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

（6）教師可以根據考試計劃創建課程考試，并根據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據的試題。同批同題，為了體現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，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，如果出現考試意外，應能重新登錄系統，繼續考試，并且原來已經做過的試卷有效。

（11）在成績公布后，學生可以登錄系統查看成績。

（12）在平時，教師可以根據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，在登錄系統后可以對個人信息進行維護修改。

根據需求，在線考試系統結構如圖1：

圖1 在線考試系統功能模塊

3.系統體系結構設計

針對在線考試系統在網絡化集成和跨平臺系統開發與維護等特殊要求，本文提出一種六層B/S架構(圖2)。該架構采用Java和數據庫連接池技術,將傳統三層B/S結構的第二層 (服務器端)劃分為表示層、邏輯控制層、業務層和數據庫訪問層。

圖2 在線考試系統體系結構

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

4 、系統設計

4.1 系統設計原則

(1)標準性原則：所有數據的定義按教育部《教育管理信息化標準》。

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

(3)易操作性原則：系統易于操作、更新、管理，并能滿足各層次用戶的使用要求。客戶端程序盡量采用向導操作方式。

(4)可擴充性原則：能滿足系統需求變化的要求；系統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的集成。

(5)成熟性原則：操作系統采用Windows 2008 Server，數據庫采用微軟的SQL Server2008或MySQL，開發工具采用Eclipse和Sun公司的Java開發平臺。

（6）保證系統的響應速度：基于網絡的程序設計，系統的響應速度和能同時響應的用戶數量是設計成敗的關鍵。選擇數據庫服務器和WEB服務器時要充分考慮數據的存儲量、用戶對響應速度的要求及同時使用系統的最大用戶數量等因素。此外，設計中還要盡量回避一次從網絡中傳輸大量的數據，同時，在訪問數據庫時，要盡可能對SQL語句進行優化，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

在線考試系統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服務器端實現也可以在數據庫端實現。研究發現，在WEB服務器端實現，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據庫。該算法因為利用緩存技術，試題量大、考生人數多時，對WEB服務器的內存要求大，對于學院現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據庫操作，并發度也很低。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，測試發現能同時進行登錄的人數為200人左右。在開發機器上進行預發試卷測試，預發40份試卷需要近40秒。如要同時預發N份試卷，抽題算法Java實現的邏輯結構圖如圖3。

圖3 抽題算法Java實現邏輯圖

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

圖4 抽題算法存儲過程實現的邏輯結構圖

（2）提高考試時并發度：在學院現有硬件和軟件（tomcat+MySQL）條件下，要實現2000人以上同時考試，必需在系統設計和參數配置進行最大限度的優化。本系統設計主要從以下幾個方面進行優化：①提供預發試卷功能，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，直接從數據庫讀取試卷，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，這樣可以減少數據庫的連接次數，并提高數據庫的執行效率。③對連接池參數進行合理配置，連接池的最大連接數并不是越大越好，而是有一個臨界值，當到達臨界值時，并發度和響應速度都會急劇下降，這個臨界值受系統內存、具體DBMS的processes參數和操作系統連接數等多因素影響。具體多大好，要在特定軟、硬件條件下測試得到。

5 結束語

本系統在設計上，根據在線考試的特點采用了六層B/S架構模式來實現，通過代碼優化及對TOMCAT線程池和數據庫連接池的合理配置，系統可以同時容納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，本系統還開發了基于手機的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考信息（監考時間、地點等），還可以通過手機進行在線閱卷。經長沙民政職業技術學院試用，系統的功能、穩定性、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數據庫應用系統執行效率研究[J].長沙民政職業技術學院學報,2013，(4)：145-147.

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

[3]劉淳.數據庫原理與應用[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，長沙民政職業技術學院軟件學院教授。研究方向：數據庫應用、java web開發；

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