高校網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計

馬華 張西學 張念華 李聰 張海東

摘? ?要：本文為簡化高校網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，在網(wǎng)絡(luò)考試數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計時，結(jié)合使用傳統(tǒng)ER圖和現(xiàn)代ER圖兩種工具，提供了一個體現(xiàn)自頂向下、逐步求精的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案。該方案簡潔自然地完成了考試數(shù)據(jù)庫模型的設(shè)計，有力支持了高校網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)多種功能的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：ER圖;網(wǎng)絡(luò)考試;數(shù)據(jù)庫模型

中圖分類號：TP311.52 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）07-0090-04

一、引言

在互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展和教育信息化蓬勃開展的今天，考試無紙化和網(wǎng)絡(luò)化因其方便、快捷、公平、公正等特點，成為高等教育領(lǐng)域的研究熱點。各種考試系統(tǒng)被開發(fā)出來并應(yīng)用于各類考試，有的考試系統(tǒng)能通用于多門課程的考試，如基于XML技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)[1]、基于Web的網(wǎng)考平臺[2]、基于Web服務(wù)的智能考試平臺[3]、基于Web的在線考試管理系統(tǒng)[4]、考易網(wǎng)絡(luò)題庫與考試系統(tǒng)[5]等;有的只用于單一課程的考試，如基于Web的在線英語考試系統(tǒng)[6]、基于asp.net的醫(yī)學在線考試與教學輔助系統(tǒng)[7]等?？荚囅到y(tǒng)的核心都是考試數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。對于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，以上文獻甚少提及。文獻《基于JSP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計》[8]、《網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的設(shè)計及架構(gòu)》[9]專門對考試數(shù)據(jù)庫進行了設(shè)計，也不太適合我?？荚嚨膶嶋H情況。

經(jīng)過對我?？荚噷嶋H進行大量分析，并兼顧考試通用情況，本文詳細介紹了網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的關(guān)系模型設(shè)計，該模型既適合我?？荚噷嶋H情況，也考慮到考試通用情況。

二、方法

采用數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法設(shè)計考試數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計一般分為四個階段——需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計。本文在需求分析后，主要對考試數(shù)據(jù)的概念模型和邏輯模型進行設(shè)計。

1.需求分析

網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)主要完成教師創(chuàng)建課程、課程管理、導(dǎo)入題庫、組卷、批卷和試卷分析，學生在線登錄考試、交卷，管理員對學生和教師用戶進行管理，完成數(shù)據(jù)備份、試卷和考卷備份等功能。教師出卷后，由教研室、院系和學校對試卷進行三級審核。當學生、教師和課程的數(shù)據(jù)量很大時，為了高效管理這些數(shù)據(jù)，需要通過學校、學院、專業(yè)、年級、學歷對學生進行組織，通過學校、學院和教研室對教師進行組織。課程包含三級知識點，題目屬于第三級知識點。數(shù)據(jù)庫都放在服務(wù)器中，各用戶通過網(wǎng)考系統(tǒng)遠程登錄訪問。

2.概念模型設(shè)計

概念模型就是從現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象，以確定領(lǐng)域?qū)嶓w屬性關(guān)系，用E-R圖表示。E-R圖主要是由實體、屬性和聯(lián)系三個要素構(gòu)成的。

根據(jù)需求分析，網(wǎng)考系統(tǒng)中用來存儲數(shù)據(jù)的實體應(yīng)該包含學校、學院、專業(yè)、教師、學生、課程、題目、試卷等。各實體之間的聯(lián)系如下：一個學校包含多個學院、一個學院包含多個專業(yè)、一個專業(yè)包含多個學生;一個學院擁有多名教師，一名教師教授多門課程，一門課程包含多個一級知識點（章）、一個一級知識點包含多個二級知識點（節(jié)），一個二級知識點包含多個三級知識點，一個三級知識點包含多個題目，一個題目包括一個或多個題干、0個或多個選項和對應(yīng)的正確答案（題目類型決定題干和選項的數(shù)目）;從一門課程的題庫可以組多份試卷，一份試卷可以選定多名學生考試，并保存學生對每個題的答案。

概念模型通常使用ER圖來表達，ER圖分為傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的ER圖，這兩種圖形工具各具特點。為了使數(shù)據(jù)模型更清楚和更好理解，本文分別設(shè)計了考試數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)ER圖和現(xiàn)代ER圖。繪制ER圖的工具軟件較多，本文使用微軟Office中的visio作為繪制工具。

（1）傳統(tǒng)ER圖設(shè)計

在傳統(tǒng)ER圖的圖形符號中，矩形框表示實體，橢圓表示實體的屬性特征，菱形表示實體之間的聯(lián)系。聯(lián)系有三種類型：1∶1、1∶n（或n∶1）、m∶n，分別表示一對一、一對多（或多對一）、多對多。為使ER圖看起來簡潔，只在圖中列出實體名稱及實體之間的聯(lián)系，并未列出實體的屬性。圖1為考試數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)ER圖。

為便于說明圖1中的實體及其聯(lián)系，以下給出試卷、考卷和考題的概念。

①試卷：一門課程的一次考試前，從題庫中抽題后組成的試卷，相當于傳統(tǒng)考試中教師所出的試卷模板，是將要進行大規(guī)模印刷的那份試卷。試卷信息包括試卷名稱、考試時間、考試地點、包含的題目、試卷總分等。

②考卷和考題：印刷后分發(fā)給學生的每一份試卷中，分為卷頭和卷體。卷頭包括試卷名稱和學生信息（學號、姓名和班級），卷體包含各題目以及留給學生寫答案的空間。卷頭定義為“考卷”，卷體定義為“考題”。

在圖1（a）中，第一、二行為系統(tǒng)中的組織機構(gòu)和人物實體，包括學校、院系、專業(yè)、教研室、教師和學生;中間一行的實體為試卷、考卷、考題和題目;最后一行中的一級、二級和三級知識點，可以對應(yīng)為章、節(jié)和知識點。

試卷、考卷和考題與教師、學生、課程之間的聯(lián)系較為復(fù)雜，對圖1（a）中的各個聯(lián)系從左向右進行具體說明如下：

①教師與學生考題間的批改聯(lián)系為一對多聯(lián)系。即一個學生可以答多份考卷（即多門課程的考卷），一門課程的試卷可以由多名考生作答。一名教師可以批改多個考題，一個考題只能由一名教師批改，即一份答卷中的主觀題由多名教師分工批改，所以教師和考題之間的批改聯(lián)系是一對多聯(lián)系。

②學生與考卷之間的解答聯(lián)系為一對多聯(lián)系。一名學生可以在不同的時間解答多份考卷（多門課程的考卷），而一份考卷只能由一名學生解答。

③試卷和考卷之間是一對多（或一對一）聯(lián)系。該聯(lián)系表明，用一份試卷可以復(fù)制生成多份考卷，也可以生成一份考卷，而一份考卷只能屬于一份試卷的復(fù)制品。在一門課程的一次考試中，如果一份試卷對應(yīng)多份考卷，則表示一個課程班的學生用相同試卷考試，或用A、B、C等多份試卷考試;如果一份試卷對應(yīng)一份考卷，表示該課程班每個學生的考卷是隨機產(chǎn)生的，即一人一卷。

④試卷和題目間的組卷關(guān)系為多對多聯(lián)系。在一門課程的組卷過程中，一份試卷可以由多個題目組成，一個題目也可組入多份試卷，如一個題目可以出現(xiàn)在A卷，也可以出現(xiàn)在B卷中，但要控制各卷的題目重復(fù)率。

⑤題目、題型類別、小題及選項之間的聯(lián)系。題目所屬的題型為兩大類別，即客觀題和主觀題。

一是當題目屬于客觀串題時（類似英語的一篇閱讀理解），則該題目包含多個小題（小題也是客觀題）;當題目屬于客觀非串題時，該題目只對應(yīng)一個小題。以上兩種情況下，小題都包含多個選項。

二是當題目屬于主觀串題時，題目包含多個小題，小題也均為主觀題;題目是主觀非串題時，只對應(yīng)一個小題。這兩種情況下，小題均不包含選項。

為使ER圖簡潔，把教研室、院系和學校對試卷的“審核”聯(lián)系單獨摘出來，見圖1（b）。

（2）考試數(shù)據(jù)的現(xiàn)代ER圖設(shè)計

圖1中的傳統(tǒng)ER圖能夠清晰表達各實體之間的聯(lián)系及聯(lián)系的類型，但如果添加實體的屬性后，則ER圖會變得復(fù)雜凌亂。因此在設(shè)計傳統(tǒng)ER圖后，本文又設(shè)計了現(xiàn)代ER圖（見圖2）。

在現(xiàn)代ER圖中，矩形框表示實體，實體間的連接線表示實體之間的聯(lián)系。矩形框的第一行為實體名稱，第二行pk為主鍵屬性，其余行表示實體的其他屬性。從圖2可以看出，現(xiàn)代ER圖只有矩形和連接線，整體比較規(guī)整，但無法看出連接線所表示聯(lián)系的意義。

圖2（a）中增加了“組卷”實體，用來保存每個組卷信息，該次組卷含題號、各題分值（可以保存題目的新設(shè)分值）、組卷策略（手動組卷或自動組卷）、組卷時間等。該實體對應(yīng)圖1中的題目和試卷間的“組卷”聯(lián)系。

3.邏輯模型設(shè)計

概念模型設(shè)計完成后，由現(xiàn)代ER圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的邏輯模型，目前最流行的邏輯模型是關(guān)系模型。該階段的任務(wù)是將ER圖中的實體及實體間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系，并確定這些關(guān)系的屬性和碼。將每一個實體設(shè)計為一個關(guān)系，實體之間的一對一和多對一聯(lián)系設(shè)計為外鍵聯(lián)系，多對多的聯(lián)系設(shè)計為一個關(guān)系。以下是由ER圖導(dǎo)出的關(guān)系模式，一個關(guān)系對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的一張表，其中雙下畫線標注的是主鍵，單下劃線標出的是外鍵，表示與其他表的聯(lián)系。

學校（學校編號，學校名稱）

院系（院系編號，院系名稱，學校編號）

專業(yè)（專業(yè)編號，專業(yè)名稱，院系編號）

教研室（教研室編號，教研室名稱，院系編號）

學生（學號，姓名，年級，班次，專業(yè)編號，學歷編號）

教師（教師號，姓名，性別，職稱，qq號，電話，教研室編號）

課程（課程號，課程名，學時，學分，教師號）

一級知識點（知識點id1，名稱，課程號）

二級知識點（知識點id2，名稱，知識點id1）

三級知識點（知識點id3，名稱，知識點id2）

題型（題型編號，題型名稱）

題目（題目id，題干內(nèi)容，題型編號，知識點id3）

小題（小題id，題干內(nèi)容，答案，難度，分值，認知程度，題目id）

選項（選項id，選項內(nèi)容，小題id）

試卷（試卷號，試卷名稱，試卷總分，開考時間，考試地點，審核狀態(tài)，課程號）

組卷（組卷號，所含題號，各題分值，組卷策略，組卷時間，試卷號）

考卷（考卷號，客觀題成績，主觀題成績，總成績，開答時間，交卷時間，答題進度，考卷狀態(tài)，組卷號，學號）

考題（考題號，學生答案，答題時間，得分，批改時間，考卷號，教師號）

三、結(jié)果

根據(jù)前文的邏輯模型設(shè)計出物理數(shù)據(jù)庫的關(guān)系表，這里采用Sql Server數(shù)據(jù)庫。限于篇幅，僅列出題目表的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（詳見表1、2、3）

當題型為非串題時，表1中題目表的題干內(nèi)容為空;當題目題型為客觀題時，該題不存在選項，即表3 中不存在該題的選項。

該考試數(shù)據(jù)庫使用sql server 2008 r2設(shè)計，以該數(shù)據(jù)庫為核心，輔以memcached緩存技術(shù)，利用Asp.net MVC為開發(fā)和運行環(huán)境，設(shè)計了基于B/S模式的高校網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)。該網(wǎng)考系統(tǒng)已連續(xù)4年應(yīng)用于泰山醫(yī)學院的期末考試中，學期期末網(wǎng)考課程6門，考試班級300多個，網(wǎng)考人次多達10多萬。該網(wǎng)考系統(tǒng)允許多門課程同時在線考試，并發(fā)人數(shù)多達2000人，此時系統(tǒng)運行仍然流暢。

四、結(jié)論

本文在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時經(jīng)過了需求分析、概念模型設(shè)計、邏輯模型設(shè)計等步驟，在設(shè)計概念模型時利用了傳統(tǒng)ER圖、現(xiàn)代ER圖工具，這種設(shè)計方法體現(xiàn)了自頂向下的設(shè)計思想，逐層遞進，由粗到細，由簡到繁。

1.融合使用傳統(tǒng)ER圖和現(xiàn)代ER圖設(shè)計數(shù)據(jù)庫

（1）通過需求分析，設(shè)計出傳統(tǒng)ER圖。傳統(tǒng)ER圖中只有實體名稱和含義明確的實體間聯(lián)系，這樣的ER圖簡潔清晰。

（2）通過傳統(tǒng)ER圖，設(shè)計出現(xiàn)代ER圖?，F(xiàn)代ER圖能詳細展示實體的主鍵屬性及其他屬性。

（3）在現(xiàn)代ER圖基礎(chǔ)上，設(shè)計出關(guān)系模式。將現(xiàn)代ER圖中的實體轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式，并通過實體間聯(lián)系的類型，設(shè)置實體的外鍵屬性。

（4）在關(guān)系模式基礎(chǔ)上，選用某種關(guān)系數(shù)據(jù)庫，設(shè)計出關(guān)系表。關(guān)系表的表名、字段名均采用字母表示，并設(shè)計出字段類型、字段寬度，從而完成考試關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。

設(shè)計步驟中使用的多個工具相互結(jié)合，優(yōu)勢互補，很好地完成了考試數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。

2.設(shè)計的網(wǎng)考數(shù)據(jù)庫有力支持了網(wǎng)考系統(tǒng)的功能

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡潔，數(shù)據(jù)冗余小。

（2）該數(shù)據(jù)庫有效地支持網(wǎng)考系統(tǒng)的功能?？梢灾С侄嚅T課程、多個班級的考試，支持多種組卷方式、多級試卷審核、多人同卷、一人一卷。多人同卷時，各卷題目順序隨機，同一客觀題選項順序隨機。

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（編輯：王天鵬）