高校網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型設(shè)計(jì)*

馬 華，張西學(xué)，張念華，李 聰，張海東

（泰山醫(yī)學(xué)院，山東 泰安 271016）

一、引言

在互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展和教育信息化蓬勃開(kāi)展的今天，考試無(wú)紙化和網(wǎng)絡(luò)化因其方便、快捷、公平、公正等特點(diǎn)，成為高等教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。各種考試系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用于各類考試，有的考試系統(tǒng)能通用于多門(mén)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(tái)[2]、基于Web服務(wù)的智能考試平臺(tái)[3]、基于Web的在線考試管理系統(tǒng)[4]、考易網(wǎng)絡(luò)題庫(kù)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(yǔ)考試系統(tǒng)[6]、基于asp.net的醫(yī)學(xué)在線考試與教學(xué)輔助系統(tǒng)[7]等?？荚囅到y(tǒng)的核心都是考試數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，以上文獻(xiàn)甚少提及。文獻(xiàn)《基于JSP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)》[8]、《網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)及架構(gòu)》[9]專門(mén)對(duì)考試數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，也不太適合我?？荚嚨膶?shí)際情況。

經(jīng)過(guò)對(duì)我校考試實(shí)際進(jìn)行大量分析，并兼顧考試通用情況，本文詳細(xì)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(jì)，該模型既適合我?？荚噷?shí)際情況，也考慮到考試通用情況。

二、方法

采用數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)考試數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)一般分為四個(gè)階段——需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)。本文在需求分析后，主要對(duì)考試數(shù)據(jù)的概念模型和邏輯模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(kù)、組卷、批卷和試卷分析，學(xué)生在線登錄考試、交卷，管理員對(duì)學(xué)生和教師用戶進(jìn)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(xué)校對(duì)試卷進(jìn)行三級(jí)審核。當(dāng)學(xué)生、教師和課程的數(shù)據(jù)量很大時(shí)，為了高效管理這些數(shù)據(jù)，需要通過(guò)學(xué)校、學(xué)院、專業(yè)、年級(jí)、學(xué)歷對(duì)學(xué)生進(jìn)行組織，通過(guò)學(xué)校、學(xué)院和教研室對(duì)教師進(jìn)行組織。課程包含三級(jí)知識(shí)點(diǎn)，題目屬于第三級(jí)知識(shí)點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)都放在服務(wù)器中，各用戶通過(guò)網(wǎng)考系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄訪問(wèn)。

2.概念模型設(shè)計(jì)

概念模型就是從現(xiàn)實(shí)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(shí)體、屬性和聯(lián)系三個(gè)要素構(gòu)成的。

根據(jù)需求分析，網(wǎng)考系統(tǒng)中用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的實(shí)體應(yīng)該包含學(xué)校、學(xué)院、專業(yè)、教師、學(xué)生、課程、題目、試卷等。各實(shí)體之間的聯(lián)系如下：一個(gè)學(xué)校包含多個(gè)學(xué)院、一個(gè)學(xué)院包含多個(gè)專業(yè)、一個(gè)專業(yè)包含多個(gè)學(xué)生；一個(gè)學(xué)院擁有多名教師，一名教師教授多門(mén)課程，一門(mén)課程包含多個(gè)一級(jí)知識(shí)點(diǎn)（章）、一個(gè)一級(jí)知識(shí)點(diǎn)包含多個(gè)二級(jí)知識(shí)點(diǎn)（節(jié)），一個(gè)二級(jí)知識(shí)點(diǎn)包含多個(gè)三級(jí)知識(shí)點(diǎn)，一個(gè)三級(jí)知識(shí)點(diǎn)包含多個(gè)題目，一個(gè)題目包括一個(gè)或多個(gè)題干、0個(gè)或多個(gè)選項(xiàng)和對(duì)應(yīng)的正確答案 （題目類型決定題干和選項(xiàng)的數(shù)目）；從一門(mén)課程的題庫(kù)可以組多份試卷，一份試卷可以選定多名學(xué)生考試，并保存學(xué)生對(duì)每個(gè)題的答案。

概念模型通常使用ER圖來(lái)表達(dá)，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(diǎn)。為了使數(shù)據(jù)模型更清楚和更好理解，本文分別設(shè)計(jì)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(jì)

在傳統(tǒng)ER圖的圖形符號(hào)中，矩形框表示實(shí)體，橢圓表示實(shí)體的屬性特征，菱形表示實(shí)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(duì)一、一對(duì)多（或多對(duì)一）、多對(duì)多。為使ER圖看起來(lái)簡(jiǎn)潔，只在圖中列出實(shí)體名稱及實(shí)體之間的聯(lián)系，并未列出實(shí)體的屬性。圖1為考試數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)ER圖。

為便于說(shuō)明圖1中的實(shí)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(mén)課程的一次考試前，從題庫(kù)中抽題后組成的試卷，相當(dāng)于傳統(tǒng)考試中教師所出的試卷模板，是將要進(jìn)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(shí)間、考試地點(diǎn)、包含的題目、試卷總分等。

②考卷和考題：印刷后分發(fā)給學(xué)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(xué)生信息（學(xué)號(hào)、姓名和班級(jí)），卷體包含各題目以及留給學(xué)生寫(xiě)答案的空間。卷頭定義為“考卷”，卷體定義為“考題”。

圖1 考試數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)ER模型

在圖1（a）中，第一、二行為系統(tǒng)中的組織機(jī)構(gòu)和人物實(shí)體，包括學(xué)校、院系、專業(yè)、教研室、教師和學(xué)生；中間一行的實(shí)體為試卷、考卷、考題和題目；最后一行中的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)知識(shí)點(diǎn)，可以對(duì)應(yīng)為章、節(jié)和知識(shí)點(diǎn)。

試卷、考卷和考題與教師、學(xué)生、課程之間的聯(lián)系較為復(fù)雜，對(duì)圖1（a）中的各個(gè)聯(lián)系從左向右進(jìn)行具體說(shuō)明如下：

①教師與學(xué)生考題間的批改聯(lián)系為一對(duì)多聯(lián)系。即一個(gè)學(xué)生可以答多份考卷（即多門(mén)課程的考卷），一門(mén)課程的試卷可以由多名考生作答。一名教師可以批改多個(gè)考題，一個(gè)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(duì)多聯(lián)系。

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

③試卷和考卷之間是一對(duì)多（或一對(duì)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(mén)課程的一次考試中，如果一份試卷對(duì)應(yīng)多份考卷，則表示一個(gè)課程班的學(xué)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(duì)應(yīng)一份考卷，表示該課程班每個(gè)學(xué)生的考卷是隨機(jī)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(duì)多聯(lián)系。在一門(mén)課程的組卷過(guò)程中，一份試卷可以由多個(gè)題目組成，一個(gè)題目也可組入多份試卷，如一個(gè)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(xiàng)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(dāng)題目屬于客觀串題時(shí)（類似英語(yǔ)的一篇閱讀理解），則該題目包含多個(gè)小題（小題也是客觀題）；當(dāng)題目屬于客觀非串題時(shí)，該題目只對(duì)應(yīng)一個(gè)小題。以上兩種情況下，小題都包含多個(gè)選項(xiàng)。

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

為使ER圖簡(jiǎn)潔，把教研室、院系和學(xué)校對(duì)試卷的“審核”聯(lián)系單獨(dú)摘出來(lái)，見(jiàn)圖 1（b）。

（2）考試數(shù)據(jù)的現(xiàn)代ER圖設(shè)計(jì)

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

圖2 考試數(shù)據(jù)的現(xiàn)代ER圖

在現(xiàn)代ER圖中，矩形框表示實(shí)體，實(shí)體間的連接線表示實(shí)體之間的聯(lián)系。矩形框的第一行為實(shí)體名稱，第二行pk為主鍵屬性，其余行表示實(shí)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(wú)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(shí)體，用來(lái)保存每個(gè)組卷信息，該次組卷含題號(hào)、各題分值（可以保存題目的新設(shè)分值）、組卷策略（手動(dòng)組卷或自動(dòng)組卷）、組卷時(shí)間等。該實(shí)體對(duì)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(jì)

概念模型設(shè)計(jì)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(shí)體及實(shí)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(gè)實(shí)體設(shè)計(jì)為一個(gè)關(guān)系，實(shí)體之間的一對(duì)一和多對(duì)一聯(lián)系設(shè)計(jì)為外鍵聯(lián)系，多對(duì)多的聯(lián)系設(shè)計(jì)為一個(gè)關(guān)系。以下是由ER圖導(dǎo)出的關(guān)系模式，一個(gè)關(guān)系對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的一張表，其中雙下畫(huà)線標(biāo)注的是主鍵，單下劃線標(biāo)出的是外鍵，表示與其他表的聯(lián)系。

學(xué)校（學(xué)校編號(hào)，學(xué)校名稱）

院系（院系編號(hào)，院系名稱，學(xué)校編號(hào)）

專業(yè)（專業(yè)編號(hào)，專業(yè)名稱，院系編號(hào)）

教研室（教研室編號(hào)，教研室名稱，院系編號(hào)）

學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年級(jí)，班次，專業(yè)編號(hào)，學(xué)歷編號(hào)）

教師（教師號(hào)，姓名，性別，職稱，qq號(hào)，電話，教研室編號(hào)）

課程（課程號(hào)，課程名，學(xué)時(shí)，學(xué)分，教師號(hào)）

一級(jí)知識(shí)點(diǎn)（知識(shí)點(diǎn)id1，名稱，課程號(hào)）

二級(jí)知識(shí)點(diǎn)（知識(shí)點(diǎn)id2，名稱，知識(shí)點(diǎn)id1）

三級(jí)知識(shí)點(diǎn)（知識(shí)點(diǎn)id3，名稱，知識(shí)點(diǎn)id2）

題型（題型編號(hào)，題型名稱）

題目（題目id，題干內(nèi)容，題型編號(hào)，知識(shí)點(diǎn)id3）

小題（小題id，題干內(nèi)容，答案，難度，分值，認(rèn)知程度，題目id）

選項(xiàng)（選項(xiàng)id，選項(xiàng)內(nèi)容，小題id）

試卷（試卷號(hào)，試卷名稱，試卷總分，開(kāi)考時(shí)間，考試地點(diǎn)，審核狀態(tài)，課程號(hào)）

組卷（組卷號(hào)，所含題號(hào)，各題分值，組卷策略，組卷時(shí)間，試卷號(hào)）

考卷（考卷號(hào)，客觀題成績(jī)，主觀題成績(jī)，總成績(jī)，開(kāi)答時(shí)間，交卷時(shí)間，答題進(jìn)度，考卷狀態(tài)，組卷號(hào)，學(xué)號(hào)）

考題（考題號(hào)，學(xué)生答案，答題時(shí)間，得分，批改時(shí)間，考卷號(hào)，教師號(hào)）

三、結(jié)果

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

表1 Question（題目表）

表2 QuestionChild（小題表）

表3 Option（選項(xiàng)表）

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

該考試數(shù)據(jù)庫(kù)使用sql server 2008 r2設(shè)計(jì)，以該數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，輔以memcached緩存技術(shù)，利用Asp.net MVC為開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)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(xué)院的期末考試中，學(xué)期期末網(wǎng)考課程6門(mén)，考試班級(jí)300多個(gè)，網(wǎng)考人次多達(dá)10多萬(wàn)。該網(wǎng)考系統(tǒng)允許多門(mén)課程同時(shí)在線考試，并發(fā)人數(shù)多達(dá)2000人，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行仍然流暢。

四、結(jié)論

本文在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)經(jīng)過(guò)了需求分析、概念模型設(shè)計(jì)、邏輯模型設(shè)計(jì)等步驟，在設(shè)計(jì)概念模型時(shí)利用了傳統(tǒng)ER圖、現(xiàn)代ER圖工具，這種設(shè)計(jì)方法體現(xiàn)了自頂向下的設(shè)計(jì)思想，逐層遞進(jìn)，由粗到細(xì)，由簡(jiǎn)到繁。

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

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

（2）通過(guò)傳統(tǒng)ER圖，設(shè)計(jì)出現(xiàn)代ER圖?，F(xiàn)代ER圖能詳細(xì)展示實(shí)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(jì)出關(guān)系模式。將現(xiàn)代ER圖中的實(shí)體轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式，并通過(guò)實(shí)體間聯(lián)系的類型，設(shè)置實(shí)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(kù)，設(shè)計(jì)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(jì)出字段類型、字段寬度，從而完成考試關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)步驟中使用的多個(gè)工具相互結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，很好地完成了考試數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。

2.設(shè)計(jì)的網(wǎng)考數(shù)據(jù)庫(kù)有力支持了網(wǎng)考系統(tǒng)的功能

（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)冗余小。

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