在線考試系統APP的設計與開發研究

朱華漢

（深圳大學，廣東 深圳 518060）

0 引 言

新冠疫情的持續影響，極大地促進了傳統行業的數字化轉型。疫情期間，在線考試等應用服務在維持社會經濟正常運轉等方面發揮了巨大作用，在線教育等數字服務受疫情影響呈現出蓬勃發展的趨勢。數字化時代，隨著5G和智能手機的快速發展，人們越來越熱衷于電子書閱讀，與此同時，在線考試系統也應運而生。在線考試系統不僅對提升學生的學習能力和減輕傳統紙質試卷給學生帶來的沉重負擔具有獨特意義，還能減輕教師出卷、閱卷等繁忙工作，甚至可以解決傳統紙質試卷缺乏環保和增加成本等問題。美國是最早應用計算機和軟件技術開發在線考試系統的國家，其主流的考試系統Sylvan Learning System Inc覆蓋各專業和行業，而國內的在線考試系統參差不齊。本研究重點是通過在線考試生成錯題庫并統計答題時間、錯題類型及嘗試在考試過程中捕抓考生的神情狀態，以此給學生提供針對性復習及報告學生學習能力欠缺點，大大節省了學生搞“題海戰術”的時間成本。并進而提出開發一款在線考試系統APP的可行性分析報告，同時也進行開發研究。

1 需求分析

數字化時代，所有行業都值得被重做一遍。在過去一年里，我們看到了數字化的飛速發展，從政策層面、產業層面到技術創新層面，數字化的滲透速度非常快，這種滲透帶來了對傳統產業的賦能，也帶來了通過數字化重構產業的機會。隨著數字化的加速發展，深圳大學順勢而為建設“云端大學”——UOOC聯盟在線教育平臺，提供教學資源和師生培訓等，這是我校在探索疫情防控常態化條件下混合教學取得的新成果。此外還有“騰訊會議深大教育版”等教學直播平臺上線，它主要是面向本科的線上教學平臺。因此，我提出在線考試系統平臺的建設。在線考試系統可以結合UOOC聯盟等在線教育平臺使用。一方面，學生可以課后模擬考試，趁熱打鐵，加深對知識的理解和運用；另一方面，也適合教師期末考核學生。因此，在線教育直播平臺與在線考試平臺相融合具有獨特的優勢。

我在國內進行了一次主題為“關于手機的市場調研”的問卷調查，問卷調查反饋的結果如表1所列。從表1中可以看出，用戶每天平均使用手機的時長約為6.8小時；大部分問卷人群為學生；問卷人群使用手機的主要目的排前三位的分別是：聊天溝通、看視頻和學習；最多人首選的花錢項目是教育培訓；用戶更傾向于便利的線上學習。此外，俗話說：“活到老，學到老”。正所謂學無止境，年齡無限制，全民學習應該是一個潮流。從調查問卷分析可知，目前的主流手機軟件是語音聊天功能的微信APP和短視頻娛樂的抖音APP，排第三的最大需求是關于學習方面的，而國內尚缺少一個真正符合用戶需求的學習軟件。另外補充說明，可能存在部分調查對象不配合或其填寫態度較隨意的情況，樣本數據的科學性和準確性還有待進行驗證。

表1 問卷調查內容與比例

2 可行性分析

應用軟件的開發必須基于操作系統功能，而對于操作系統市場，我的問卷調查中顯示Android系統占據60%的市場份額，華為鴻蒙系統只有30%的市場份額。看幾年前Gartner的數據顯示，在2015年第四季，IOS的占有率為17.7%，而Android則繼續是占有率最高的系統，高達80.7%，而兩個主流系統加起來，就占去所有智能手機的98.4%，因此IOS和Android已經接近完全瓜分智能手機市場。

研究機構Strategy Analytics的數據表明，截至2021年6月，全球約有40億人使用智能手機，這意味著將占據50%的全球人口。手機作為人們使用頻率最高的電子產品，手機應用軟件的開發具有很大的方便性和經濟效益。據中國互聯網絡信息中心官網消息，截至2021年12月，我國網民規模達10.32億，互聯網普及率達73.0%，現有行政村已全面實現“村村通寬帶”，2020年的報告顯示我國手機網民規模達9.32億，網民使用手機上網的比例達99.2%。而從職業結構上看，學生在我國手機網民群體中占比為23.7%，比例最高。

學習能力會隨著老年化而下降，一般最佳的學習時間為學生時期。而中學的紙質資料過多容易成為學生的負擔，搞“題海戰術”更加疲憊，不具有科學性。在知識日新月異的時代，不少大學課程內容在學生畢業后就成為過時的知識，學生缺乏對知識的真正掌握和學習能力欠缺，傳統紙質試卷不利于分析學生的成績等。我國經濟教育發展不平衡的國情導致我國的主要人才資源集中在東部、南部及沿海經濟帶，隨著“雙減”政策的實施，曾經校外培訓的壓力也可以很好地向在線方式發展。因此，開發一款符合需求的在線考試系統，它會成為學生的學習伙伴，比如你考試答題的時間過長但答題是正確的，考試系統會提醒你：有待提升閱讀速度。這個功能在教育資源和人才缺乏的地區會是一個極大的需求。

3 技術綜述

3.1 技術方案

手機應用軟件的開發大概分為鴻蒙應用程序的開發、IOS開發和Android應用開發。IOS是由蘋果公司開發的移動智能終端的操作系統，IOS的開發主要采用Objective-C語言和Swift語言在Xcode的開發環境上進行。而鴻蒙的開發環境是DevEco Studio，其開發語言是Java和JavaScript等。而對于Android系統而言，其開發系統平臺有Windows、Linux和macOS，主要采用Java語言進行開發，而Android應用程序的開發環境（IDE）是采用Android Studio、Android SDK和JDK。JDK是包含了java的運行環境、工具集合和基礎類庫等內容的軟件開發工具包。而Android SDK是在開發Android程序時，需要引入Android SDK工具包來使用Android相關的API。由于Android系統占據大部分智能手機市場，本文的開發研究將以Android版本為例。

3.2 Java語言

Java語言在2022年2月的TIOBE編程語言最新排行榜中排名第三，是面向對象程序設計的編程語言。封裝性、繼承性、接口、重載和重寫是面向對象程序設計的特點。因此，Java程序活躍，更容易擴展，對軟件開發的效率提升很多。另外，Java語言具有以下的優勢：較強的靈活性，在編程設計時，Java編程語言可以有效適應軟件的更新，充分利用其靈活性的優勢，運用實時更新的案例和有效的方式，進一步提高計算機軟件開發的效率和質量；較強的安全性，提高阻擋非法入侵的能力；可移植性，Java語言可便捷利用文字圖片等網絡資源。Java語言不僅吸收了C++語言的各種優勢，還摒棄了C++語言里難以理解的多繼承、指針等概念。它的工作原理由Java編程語言、Java類文件格式、Java虛擬機和Java應用程序接口共四方面組成。

3.3 Android布局

關于用戶界面的布局有以下常見的七種布局：線性布局（Linear Layout）、幀布局（Frame Layout）、表格布局（Table Layout）、相對布局（Relative Layout）、絕對布局（Absolate Layout）、網格布局（Grid Layout）、約束布（Constraint Layout）。線性布局的特點是將組件按照水平或垂直方向排列，控制排列方式的是“android： orientation”屬性，其屬性值有水平（horizontal）和垂直（vertical）兩種，它能按水平和垂直方向線性布局顯示幾個按鈕。相對布局是通過相對定位的方式讓控件出現在布局任意位置，即通過指定id關聯其他組件與之右對齊、上下對齊或以屏幕中央方式來排列組件。

3.4 Android體系結構

Android系統是由Google公司及開放手機聯盟領導開發的移動軟件系統，其特點是基于Linux、開放源代碼。Android的體系結構有四層，其包括應用程序 層（Application）、應用程序框架層（Application Framework）、系統運行庫層（Libraries）和Linux內核層（Linux Kernel），其結構如圖1所示。在圖1中，Application是使用Java語言編寫的應用程序；ApplicationFramework本質上也是Java程序，其還具有大量的API供開發者方便使用；Libraries 包含一些C/C++程序庫，其是通過Java的JNI方式調用的；Linux內核層是由C語言和匯編語言編寫的內核。

3.5 模擬器與APK

圖1 Android體系結構圖

APK文件是一個Android應用程序打包文件，可以下載到硬件設備來運行Android應用。同樣，Android設備模擬器提供虛擬設備（virtual device）來運行Android應用。模擬器和真實設備在測試上的比較，后者獲得的結果更準確。

4 系統設計

4.1 核心功能設計

考試分為正規考試和模擬考試。正規考試如國家組織的考試，一般需要原創試題、試題難易度適中、監考和防止作弊等。在線考試系統很難全部都承擔起來。而學生考試的目的絕對不能只是為了考試，考試僅是一個檢測發現錯誤并改善的過程。再加上我國部分地區經濟教育不發達，其很難受到優質教育資源指引。因此，我設計的在線考試系統的核心功能是生成錯題庫來給學生提供針對性復習，把在線考試過程中不會的題目自動建立錯題庫，把弄懂的題目改為通過排除掉。學生只需要把重心放在錯題庫學習即可，大大方便了學生和節省了搞“題海戰術”的時間成本。此外，不同的題目類型考察學生的能力方面不同。例如有的題目考察的是學生的計算能力，有的題目考察的是學生的觀察能力和閱讀能力等。因此，通過設計這個核心功能來幫助學生不斷完善學習能力和提供針對性復習。

4.2 總體功能結構圖設計

在線考試系統分為三個子系統，分別是學生、教師和督導員子系統。為每個用戶角色提供不同的權限和功能。在線考試系統的功能模塊設計以學生為重點，并以學生為中心展開核心功能設計，以建立起學生的用戶黏度。同時為了實現我國教育強國和為國家輸送優秀人才的目標，在線考試系統也探究如何運用科技手段來提高學生的學習能力和學習效率等，例如，嘗試在考試的過程中啟動攝像頭來捕抓考生的神情狀態后通過人工智能算法分析其專注度等學習能力。對于教師用戶，提供智能統計學生成績和分析報告等，讓教師更靈活地管理考試成績，在一定程度上將教師從出卷閱卷評卷等繁忙工作中解脫出來。教師甚至還可以根據學生的學習軌跡和學習時間來評分。此外，教師用戶還有批卷模塊和異常處理模塊，異常處理模塊主要是應對斷網等突發情況。對于督導員用戶，是為了實現兩位老師同時監考的功能，保證正規考試的真實性和公平性。同時也鑒于道德等原因，提供對教師評價和發展教學監督等功能。具體的功能模塊設計如圖2所示。

圖2 功能模塊設計圖

4.2.1 防作弊功能設計

國內的在線考試系統在監考與防作弊方面存在不足之處。有些在線考試系統僅僅通過獲取學生的IP地址是否相同或者判斷學生在線考試過程中是否切屏來鑒定是否作弊，忽略了考生身份驗證等模塊，缺乏監考與防作弊的嚴密性。針對市場上在線考試系統存在監考和防作弊方面的不足，本文將給出作者防作弊模塊的設計方案。防作弊功能主要從身份驗證和考試過程中預防進行的。首先啟動攝像頭捕抓人臉進行身份識別驗證，然后在考試的過程中限制目光離開手機屏幕的次數和時間，且不能進行切屏和退出，必要時對考生的周圍環境進行錄音，且考生不能佩戴耳機。其中，如果發生切屏或者退出，將執行異常處理流程。

4.2.2 異常處理功能設計

可行性分析中已介紹我國互聯網普及概率。我們在考試中可以選擇飛行模式并連接Wi-Fi網絡。但如果沒有Wi-Fi網絡而只有手機運營商的網絡可使用，那么此時的手機不能處于飛行模式，突然有電話打過來，該怎么辦？同時，由于在線考試打破了空間地域的限制，考生可能分布在全國各地，某些地區可能由于地殼的活動而導致斷網等突發情況，這時不得不考慮異常處理模塊的設計。具體的功能實現流程如圖3所示。

圖3 異常處理流程圖

5 系統實現

研究的開發環境是Android Studio，使用的編程語言是Java。應用軟件的主界面是指用戶登錄成功后進入的界面，設計的學生端主界面如圖4所示，主界面默認顯示的是底部導航欄考試所對應的界面，包括自由模擬考試和正規考試等。正規考試是通過加入班級功能添加組織的考試，自由模擬考試是學生自己通過教育階段和學科選擇來練習模擬考試，界面設計可在activity_main.xml文件中編碼實現。

從中小學到大學，如果我們從考試中反思或者積累，量變就會引起質變。基于答題時間、頁面的切換速度和錯題考察的類型等生成數據，然后傳遞給柱狀圖類，這樣學生就可以很清楚地知道自己能力的優勢與不足，引導學生完善自己的學習能力。設計的學習能力功能界面如圖5所示，同時這也是在線考試系統APP的核心功能。

開發一款大型的軟件，不是個人單打獨斗就能完成的，它必須依賴團隊的力量。本開發研究將從在線考試的客觀題——選擇題入手，進行小討論。FourActivity類實現選擇題得分功能并跳轉到下一個Activity，其中的主邏輯文件也初始化按鈕，并添加監聽事件，具體代碼如圖6所示。系統有登錄模塊，就會有退出模塊，Android退出系統的代碼可參考圖7。

圖4 學生端主界面圖

圖5 學習能力功能界面圖

圖6 復選按鈕實現的代碼

圖7 Android完全退出應用程序的代碼

6 結 論

針對我國經濟教育發展不平衡而導致局部地區經濟不發達和缺乏優質教育資源的問題，本文運用科技力量在教育事業方面進行數字化創新，設計了一款以錯題庫和能力分析為核心功能的在線考試系統。在5G技術和新冠疫情加速數字化進程的雙引擎作用下，師生溝通等在線平臺的未來具有巨大的潛力和應用場景，可提高效率和解決我國教育資源分配失衡等問題。