基于理化實驗標準化考場的信息管理系統建設

汝華平

關鍵詞：理化實驗考試；信息管理；考試管理系統；終端

1引言

系統集成是跨學科、跨領域的集群發展，隨著我國教育信息化穩步前行，構建高質量的數字化教育體系，將數字技術與教育教學的深度融合已經成為未來教育改革的必然。物理、化學實驗是初中階段不可或缺的技能培養方式，當前教育部已經明確將實驗操作情況和能力表現納入綜合素質評價，實驗操作考試成績作為高中階段學校招生錄取依據已經成為必然。但傳統理化實驗考試都是在普通實驗室環境下實施實驗操作考試，客觀條件制約影響較大，且考績評估、成績反饋多采用監考教師現場評分的方式，主觀影響較大，因此，如何滿足理化實驗操作考試需求和實驗教學需要，并逐步實現智能賦分在理化實驗操作考試中的應用就顯得越來越重要。

2考場信息化支持的作用

隨著理化實驗操作考試逐步落實，為了提升實驗教學考評管理質量，通過整合互聯網現代技術，可為理化實驗室教學、理化實驗考評發展提供信息化支持。一方面可實現實驗教學考評過程的信息化管理，為督導教考工作提供客觀依據，追溯查證，并為實驗測評過程提供智能評分服務，以保障考試公平公正、安全有序、平穩實施，具有很大的社會效益；另一方面可最大限度地形成實驗教學資源，方便教師靈活設計實驗內容，并可全程實時記錄學生實驗過程，并結合實驗過程視頻回放進行復盤研討，以提升實驗教學效果與能級，為提升未來理化實驗教學質量奠定基礎。

3理化實驗考場信息管理系統建設需求

3.1理化實驗考試特點

根據理化實驗考試特點進行全面信息化建設統籌是滿足理化實驗操作考試需求和實驗教學需求的前提。理化實驗考試采用市、區、考點三級組織形式，不同層面對于考試分工組織形式有所不同，市級負責考試督察、報考、命題等；區級負責考場安排、考點信息、考試巡查、成績處理上報等；考點層面負責考試的具體實施，每考場按24考位配置，考點須依據實驗準備清單提前對考場、考位進行設置。考試當天按照邏輯流程實施管理，即試題導人－工作人員就位－考生入場－考生抽簽－考生填寫－考生入場檢查－考試開考－離開考場－第二場考試。全天需完成規定批次規定人數的理化實驗操作考試。

3.2信息管理系統建設內容

基于理化實驗操作考試的特點，考評信息管理系統主要涉及初中理化實驗操作考試考場基礎設施建設和相關設備配備、考試管理系統建設、各區評卷場地的設點布局以及與評卷相關的網絡環境和軟硬件建設、評卷系統、智能賦分系統和相配套的網絡環境等軟硬件建設等。其中，軟件系統應包括抽簽子系統、考試管理子系統、人工視頻評卷子系統（含人工視頻評卷、成績上報、成績復核）等，各子系統均須保證軟件和數據的安全，且可覆蓋系統環境準備和壓力測試、考生編排數據的導入、考生抽簽確定座位號、考試過程管理、實驗視頻記錄和管理、評卷賦分、成績校驗、成績統計、成績復核等。為了科學、高效地開展理化實驗考場管理，必須打破傳統管理模式，充分考慮理化實驗操作考試特點，并結合區域理化實驗室和信息化環境建設基礎，開展統一規劃、分步實施的信息管理系統建設，進而為理化實驗標準化考場提供一定的應試條件。

4信息管理系統建設分析

4.1項目概況

某地應教育部關于初中理化實驗操作考試相關要求的通知，結合當前區域范圍理化實驗室現狀，對區、考點機房、網絡、終端、軟件等進行信息化配套建設，主要包括區級管理平臺、區級智能賦分系統、考點考務及教學管理系統等設計，以及考點標準化考場設備、綜合布線等配套設施設備建設等。

4.2系統建設目標

該系統建設結合理化實驗考試特點，并注意強化流程管理，以保證考試管理的規范和考試數據的準確。以各區實際情況為依據進行設點布局，區級評卷場地在一個或數個點的計算機機房內設置，計算機配備應充足，并連通區實驗考試專網核心節點，配備評卷及視頻存儲備份服務器。評卷場地的計算機供評卷教師使用人工視頻評卷子系統，對集中存放在區級的考生作答視頻進行調用及播放，并打分。其次，評卷及視頻存儲備份服務器供評卷場地現場評卷應急使用，綜合考慮計算機用戶數、視頻數據大小、并發量及網絡性能等相關配置，以滿足各區評卷實際需要。本次所設置的抽簽子系統、考試管理子系統、人工視頻評卷子系統等應符合相關安全規定，抽簽子系統不僅要按照規則對考題、座位號、考生等進行配對設置，還應確保與考生管理子系統無縫銜接：考試管理子系統應在理化實驗操作考試時采用考試管理模式，實現與各考位的攝像機聯動，以監控考試狀態，并具有實時存儲功能；人工視頻評卷子系統包括人工視頻評卷、成績上報、成績復核等功能，通過結合理化實驗操作考試考場實際情況，為考試評卷成績提供公平客觀的機制。

4.3信息化硬件配置

理化實驗標準化考場信息化建設需要以硬件配置為根基，以軟件系統為脈絡，以此全面構建完善的信息管理系統。本次信息管理系統基礎設施建設不僅要保證電力供應充足，使網上巡查系統錄像能夠不間斷運行，還應適應模塊化機房，盡可能使用當地市級教育城域網，并保證帶寬1 Gbps以上，實施雙路備份線路。其次，校級指揮中心和考務室根據具體情況，配置相應的視頻顯示器、會議擴聲音響；網上巡查系統根據相關標準規范，監控主機與平臺在滿足區域考點視頻巡查需求的同時必須實現至少18路8 Mbps碼流的H.264高清信號轉發至上平臺：視頻存儲系統應確保存儲時間符合要求，考試期間的錄像能存儲6個月以上。另外，對于前端巡查設備應采用高清晰度的攝像機，可接人NVR存儲設備或視頻存儲系統，且所選擇的拾音器拾音范圍合適，音質良好。終端一般可采用便攜式可移動實驗操作視頻采集終端，可折疊攝像頭旋臂、角度精準定位，雙旋轉折疊機構內部阻尼機構，穩固旋轉：攝像頭一般配置3～4臺，主攝像頭旋臂可兩級旋轉各900、副攝像頭旋臂可一級旋轉900：可實現多視角、全覆蓋AI智能識別，全程多角度多方位識別。綜合上述，基于考場前、后端硬件設備的精細化選擇與配置，不僅為考場信息管理系統設施設備的搭建奠定基礎，還為各端點數據安全傳遞提供保障。

4.4標準化考場信息管理層級系統設計

4.4.1信息化架構

本次信息化建設方案系統總體架構必須在滿足考試管理體系，達到安全標準的前提下構建（圖1），根據標準化考點整體建設不同層級，實行區平臺與學校考點兩級子系統，并以區平臺作為核心，統籌全區考試計劃發布、考試報名、監考與閱卷教師安排等，以實現專網連接，進而形成考試管理平臺、海量視頻存儲和視頻文件傳送調度管理平臺集群以及閱卷中心等完整的網絡信息系統。其次，考點作為校級管理層級，其網絡拓撲增加考場內的交換機，以及考場與考點網絡核心之間的光纖，并完成考場的綜合布線，以保證前端合理布局[1]。

4.4.2區級理化實驗標準化考試系統建設

（1）區級管理平臺必須對考試管理、試卷管理、教師管理、考生管理、模板管理、座位管理、分組管理等功能要求予以支持。理化實驗操作考試和評卷管理系統采用主流的互聯網技術，為滿足考務系統維護升級方便、減少成本，采用B/S體系架構，在服務端部署各級功能應用，并可通過瀏覽器進行訪問：服務器端為確保其穩定性與高安全性，基于Linux環境開發和部署，不支持跨平臺開發和部署；平臺數據庫采用MySQL，其成本低、速度快、體積小，應用廣泛；另外，數據互聯互通及信息共享方面使用企業服務總線技術和Web Service服務來共同解決聯動系統之間的實時協作問題，每個服務模塊運行在其獨立的進程中，服務之間采用輕量級的通訊機制相互協作，以保證體系結構數據共享與數據交換。

（2）區級管理平臺包括考試管理系統、抽簽管理系統、終端管理系統等模塊，每個模塊下設各功能子模塊，如考試管理系統下設考試準備、考試進度、考試結構、系統管理等模塊，各系統模塊支持區級層面為市級發布的該場考試調度本區域的各個資源，即考點考場、考試時間、成績查詢、閱卷進度等（圖2）。抽簽管理系統主要為考務平臺提供考生座位分配機制，并根據考場考位規格配置相應的考位，每位考生進行一次抽簽即完成物理和化學四個實驗的考位組抽取。終端管理系統主要是面向學生的終端系統，包含考生登錄、考前檢查、考生答題等內容，考生登錄支持“考生姓名+準考證號”、人臉識別2種登錄方式，考生通過人臉識別所設定規定動作的比對來識別考生信息，如人臉識別失敗會在頁面顯示相應提示信息，考生應按照提示動作規范操作，以便順利登錄考試系統。待考試登錄成功，對考前信息進行檢查，根據實際情況檢查實驗器材是否正常、缺失，如存在損壞缺失情況，可點擊相應按鈕提示教師進行調配、更換或補缺，器材完整后可點擊相應按鈕，待考試開始即可答題。考生答題階段系統設置了規定交卷時間，即考試開始10分鐘內不可交卷，10分鐘后可提交答卷：離考試結束5分鐘頁面右上方會出現標紅提醒，給予考生提示；考試進入答題頁面后，所設置的三路攝像射頻可對考生考試過程全面錄制[2]。

（3）本次系統設計不僅是對考場進行動態全面監控，還對其進行區級智能賦分，通過實驗臺三路高清攝像頭，實時采集數據發送給算法服務器，進而對實驗操作視頻數據進行分析、判定打分，并將打分數據返回學生實驗臺，學生在收到成績后結束考試。同時，算法服務器將實驗考試相關數據即打分結果傳送至校級服務器后，在區級服務器做備份，從而實現成績有據可查（圖3）。智能賦分的主要技術在于結合機器視覺與圖像運行深度學習算法，進行實時檢測、邏輯判斷，通過采用優化過的卷積神經網絡架構，對不同實驗器材進行識別和分類，以及對實驗操作異常行為進行識別和判斷，并采用AI引擎代替教師對學生實驗操作過程進行評分，不僅能夠提升考試評分效率，還可保證公平公正，相較于傳統教師對學生錄像實驗過程評分，其具有更高的評價效能。

5結束語

在理化實驗標準化考場信息管理系統建設過程中，應以滿足考試過程有序、考試操作簡便、實驗全程記錄、評分客觀公正、成績自動匯總等為目標，同時應具有可擴展性，兼顧初中物理和化學實驗教學，根據系統功能需求，通過對區、考點的機房、網絡、終端、軟件等進行信息化配套建設，才能實現多級架構互聯、遠程實時巡查、視頻錄像多級備份存儲的功能，進而從整體上提升教育系統數字化水平。