OES在線考試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

陳岳欣 蔡柳萍

摘要：OES在線考試系統(tǒng)是一個(gè)以高校為背景構(gòu)建的在線考試系統(tǒng)，意旨為高校提供一套完整的權(quán)限化校園在?？荚嚱鉀Q方案，以此降低出卷成本，提高閱卷效率，展現(xiàn)教學(xué)公平性、教研科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)教育智能化。系統(tǒng)包含在線考試、成績(jī)分析、試題與試卷的信息維護(hù)、權(quán)限指派等功能，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)考試過程的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)信息化、權(quán)限化管理。隨機(jī)抽題組卷（豐富的組卷方式）、每次進(jìn)入隨機(jī)刷新試題順序、主觀題輔助評(píng)分并且可由老師復(fù)查主觀題給出最終分?jǐn)?shù)是本系統(tǒng)的三大創(chuàng)新點(diǎn)。該文針對(duì)在線考試系統(tǒng)的三大創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了深入的研究和分析，最終實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具備高可用、細(xì)粒度交互、高效率等諸多優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：權(quán)限化;隨機(jī)組卷;輔助評(píng)分;高可用

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）36-0092-03

1 系統(tǒng)介紹

一個(gè)符合現(xiàn)代化市場(chǎng)需求的在線考試系統(tǒng)，不僅要有完善的權(quán)限管理和過程控制以體現(xiàn)在線考試的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還要體現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)和系統(tǒng)性能優(yōu)化，諸如智能評(píng)分、多樣化隨機(jī)組卷和系統(tǒng)高可用性等?？煽康臋?quán)限管理可以有效限制不同角色用戶的系統(tǒng)模塊操作權(quán)，并且細(xì)化到對(duì)具體功能的使用;自動(dòng)評(píng)分利用數(shù)學(xué)運(yùn)算帶來高效準(zhǔn)確的分?jǐn)?shù)計(jì)算，同時(shí)利用相似系數(shù)算法輔助主觀題評(píng)分結(jié)合復(fù)查功能，可以充分發(fā)揮算法便捷性以提升教師閱卷效率;難度可控、題型可控的隨機(jī)組卷功能可以讓教師組合出的試卷不但類型多種多樣，難度也分布適中;在高可用軟件架構(gòu)的加持下，充分利用服務(wù)器與中間件的資源，提高考試排隊(duì)效率，讓更多用戶可以穩(wěn)定地加入考試中來。OES在線考試系統(tǒng)正是以以上需求為基準(zhǔn)進(jìn)行功能規(guī)劃和設(shè)計(jì)的。

1.1 開發(fā)技術(shù)

OES 在線考試系統(tǒng)開發(fā)流程包含服務(wù)端開發(fā)和前端頁(yè)面開發(fā)。服務(wù)端使用Spring Boot作為主體支撐框架，內(nèi)置豐富的WEB開發(fā)控件、數(shù)據(jù)交互組件和工具類庫(kù)，以此作為服務(wù)基礎(chǔ)能力提供者，數(shù)據(jù)訪問層使用MyBatis輕量ORM框架，實(shí)現(xiàn)服務(wù)層的數(shù)據(jù)讀寫，這兩個(gè)重要應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)高可用架構(gòu)的前提之一;數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)持久化和基于Redis實(shí)現(xiàn)的分布式會(huì)話存儲(chǔ)與相關(guān)數(shù)據(jù)二級(jí)緩存功能。前端使用AdminLTE 3作為整體的視圖框架，使用Beetl作為視圖模型控制框架，引入JQuery作為與后端進(jìn)行異步數(shù)據(jù)請(qǐng)求的組件，完成相關(guān)自動(dòng)化腳本代碼執(zhí)行、數(shù)據(jù)視圖渲染等重要工作。

1.2 軟件架構(gòu)

高可用系統(tǒng)首當(dāng)其沖需由高可用軟件架構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，良好的軟件架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)行以及高度可靠的核心。本系統(tǒng)以B/S架構(gòu)模式作為構(gòu)建的前提，使用業(yè)務(wù)功能層面高度區(qū)分的分層架構(gòu)，從視圖模型到業(yè)務(wù)邏輯的數(shù)據(jù)傳輸，從數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)訪問交互層級(jí)到應(yīng)用信息緩存技術(shù)的綜合應(yīng)用和中間件部署方案，分別做了對(duì)應(yīng)層級(jí)的開發(fā)工作。

1）前端視圖層實(shí)現(xiàn)視圖全局刷新與局部刷新，同時(shí)引入JSON數(shù)據(jù)交互功能，通過JSON完成數(shù)據(jù)交互以實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)渲染和回顯，實(shí)現(xiàn)視圖與JSON數(shù)據(jù)處理的并存環(huán)境，它們是獨(dú)立的個(gè)體，服務(wù)端和客戶端上均不存在數(shù)據(jù)上的直接耦合關(guān)系。

2）業(yè)務(wù)層對(duì)各模塊進(jìn)行了細(xì)致的劃分，以角色作為訪問控制端點(diǎn)即RBAC模型，通過拆分細(xì)化業(yè)務(wù)分工，降低業(yè)務(wù)之間的耦合度。這樣的處理方案不但能實(shí)現(xiàn)代碼組件化，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和拓展性，也可以為協(xié)同開發(fā)帶來友好的編碼體驗(yàn)。

3）數(shù)據(jù)層包含相關(guān)讀寫操作的事務(wù)控制，數(shù)據(jù)緩存和相關(guān)業(yè)務(wù)的Mapper文件和與數(shù)據(jù)屬性映射相關(guān)的配置。使用MyBatis ORM框架完成業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)間的數(shù)據(jù)交互，建立起業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)之間的溝通橋梁。其中系統(tǒng)的全局權(quán)限管理交由基于動(dòng)態(tài)代理的前置通知持有，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行權(quán)限校驗(yàn)，隔離主體業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)侵入程度低，是一個(gè)非常實(shí)用的系統(tǒng)權(quán)限管控解決方案。

4）數(shù)據(jù)庫(kù)方面使用MySQL對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化，建立數(shù)據(jù)庫(kù)主從同步架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫分離，數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫實(shí)現(xiàn)物理級(jí)的隔離，從根本上提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫能力，同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)主備架構(gòu)可以為數(shù)據(jù)庫(kù)故障帶來降低風(fēng)險(xiǎn)、更完整的備份與恢復(fù)能力等主動(dòng)容災(zāi)策略，在發(fā)生故障的時(shí)候可通過主備切換保證系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行。使用Redis實(shí)現(xiàn)了分布式會(huì)話管理，便于集群化部署時(shí)能統(tǒng)一接管用戶會(huì)話。如圖1所示為本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

OES在線考試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包含隨機(jī)抽提組卷，隨機(jī)刷新試題順序和主觀題輔助閱卷三項(xiàng)，這三項(xiàng)關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)所使用的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)策略各不相同。

2.1 隨機(jī)抽題組卷

隨機(jī)抽題組卷是發(fā)布試卷的方式之一，也是本考試系統(tǒng)的核心功能點(diǎn)之一。依據(jù)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)，對(duì)提交的試卷信息根據(jù)指定專業(yè)、指定題型從題目庫(kù)中隨機(jī)抽取試題編號(hào)，對(duì)于指定難度的篩選則會(huì)在抽取試題編號(hào)之前將指定難度的題目查詢出來。利用隨機(jī)算法組合出題目編號(hào)集合，并將試卷信息插入試卷表中。如果試題不夠，則會(huì)在進(jìn)行隨機(jī)的時(shí)候拋出異常，由試卷控制器捕捉異常，在前端頁(yè)面彈出提示。詳細(xì)的隨機(jī)抽取流程是隨機(jī)抽題組卷的實(shí)現(xiàn)策略，首先借助本系統(tǒng)試題庫(kù)，使用考試科目編號(hào)、試題數(shù)量、試卷題型分布和試題難度這四個(gè)可選條件，利用XML標(biāo)簽構(gòu)成一條動(dòng)態(tài)的SQL查詢語(yǔ)句，通過業(yè)務(wù)請(qǐng)求后獲取符合篩選條件的數(shù)據(jù)集合，按照本系統(tǒng)的隨機(jī)抽題邏輯，首先對(duì)查詢后所得到的結(jié)果集合長(zhǎng)度與目標(biāo)題目數(shù)量進(jìn)行簡(jiǎn)單的長(zhǎng)度比較，符合長(zhǎng)度的情況下再進(jìn)行一層的判斷，通過Java內(nèi)置的隨機(jī)函數(shù)庫(kù)Random，以目標(biāo)數(shù)量為終點(diǎn)索引組成隨機(jī)分布題目編號(hào)，目標(biāo)長(zhǎng)度與集合長(zhǎng)度相等的情況下則不進(jìn)行隨機(jī)，此時(shí)不啟動(dòng)隨機(jī)函數(shù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，直接引用集合內(nèi)的試題對(duì)象數(shù)作為試卷試題。這樣的預(yù)判邏輯在符合后者的情況下，可以節(jié)省系統(tǒng)隨機(jī)庫(kù)啟動(dòng)帶來的線程資源消耗，也可以減少堆的垃圾回收工作。最后一種情況指題目數(shù)量不夠的，可以直接結(jié)束抽題方法的進(jìn)一步執(zhí)行，直接拋出異常信息，交由系統(tǒng)全局異常處理器進(jìn)行異常響應(yīng)數(shù)據(jù)體的封裝，由前端響應(yīng)“相關(guān)題型的題目數(shù)量不足”的友好回調(diào)信息，讓使用者知曉在其設(shè)置的這種組合條件下無法滿足題庫(kù)給出足量的題目進(jìn)行組卷，需要進(jìn)行修改，或者錄入相關(guān)的試題補(bǔ)充該題目在題庫(kù)中的數(shù)量。同時(shí)，教師可以通過導(dǎo)入的方式進(jìn)行組卷，在導(dǎo)入試題出卷后，在提交試卷信息之前可以選擇是否抽取題庫(kù)中任意題型和題量對(duì)試卷進(jìn)行題目的補(bǔ)充，提高試卷豐富度。例如，教師可以導(dǎo)入一張只有選擇題、填空題和判斷題的試卷，主觀題和多選題可由教師自己決定是否由系統(tǒng)自動(dòng)抽取相關(guān)類型題目對(duì)試卷題型進(jìn)行題型補(bǔ)充，且可自由決定抽取部分題目的難度，起到對(duì)試卷題目的豐富作用，系統(tǒng)的隨機(jī)抽題組卷流程圖如圖2所示。

2.2 隨機(jī)刷新試題順序

隨機(jī)刷新試題順序是本系統(tǒng)的考試反作弊策略之一，不但可以有效防止學(xué)生對(duì)答案行為這種作弊行為，而且在題量大的情況下，經(jīng)過打亂后的試題，其題目順序分散程度會(huì)更加顯著，防舞弊效果更佳。學(xué)生進(jìn)入考試之后，不同考生之間的試卷題目順序是不一樣的，刷新考試頁(yè)面也會(huì)導(dǎo)致試題順序重排。這里使用了Java工具集合類內(nèi)的集合隨機(jī)排序算法實(shí)現(xiàn)集合元素的隨機(jī)重排序，實(shí)現(xiàn)題目亂序。其具體的實(shí)現(xiàn)策略是先根據(jù)試卷編號(hào)獲取試卷題目信息，接著在題庫(kù)中檢索相應(yīng)題目的數(shù)據(jù)集合，通過集合內(nèi)建靜態(tài)方法shuffle打亂集合中所有元素。shuffle使用Random靜態(tài)變量獲取隨機(jī)數(shù)對(duì)象，首次使用初次初始化的對(duì)象，以此降低該方法的初始化成本，接著會(huì)對(duì)集合元素進(jìn)行循環(huán)，利用內(nèi)建交換元素方法完成隨機(jī)索引位置置換，方法內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)是使用循環(huán)的方式更替集合內(nèi)的元素，同時(shí)維護(hù)著一個(gè)有效索引集合，每完成一次循環(huán)便從有效索引集合中移除一個(gè)有效索引位置，在該數(shù)組內(nèi)進(jìn)行索引隨機(jī)定位，最后以迭代方式組件出新試題集合，由此達(dá)到打亂集合內(nèi)元素的效果。

2.3 智能閱卷（主觀題輔助評(píng)分）

自動(dòng)閱卷是考試過程自動(dòng)化控制的重要體現(xiàn)之一，對(duì)客觀題而言其答案唯一，而主觀題往往考查考生的知識(shí)面。主觀題自動(dòng)評(píng)分利用了相似系數(shù)進(jìn)行文本比較，通過Jaccard相似系數(shù)計(jì)算算法計(jì)算題目得分，當(dāng)文本關(guān)鍵詞匹配越多，相似度就越高;利用相似系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)得分后計(jì)算學(xué)生答案長(zhǎng)度，當(dāng)長(zhǎng)度與正確答案字?jǐn)?shù)差距達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)在基礎(chǔ)分上扣減分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)使用小數(shù)格式化對(duì)象進(jìn)行計(jì)算和向下類型轉(zhuǎn)換，確保得分精度偏移盡可能最小化，同時(shí)使用快速失敗法，率先判斷學(xué)生提交答案是否為空，空值說明未作答直接得零分，反之進(jìn)行計(jì)算。該計(jì)算方法使用了工具類進(jìn)行了獨(dú)立封裝，對(duì)外只暴露一個(gè)評(píng)分靜態(tài)方法，根據(jù)題目對(duì)應(yīng)的題型編號(hào)，使用switch語(yǔ)法判斷并選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)分，此處體現(xiàn)Java語(yǔ)言封裝特性。完成試卷評(píng)分之后會(huì)得到考試成績(jī)，此時(shí)，系統(tǒng)為學(xué)生提供了考試相關(guān)的分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和錯(cuò)題集等信息，給學(xué)生提供了完整的考試體驗(yàn)，學(xué)生查詢到錯(cuò)題與實(shí)際得分有出入可向老師提出復(fù)查請(qǐng)求，教師可以根據(jù)實(shí)際情況重新進(jìn)行判定，是否修改系統(tǒng)閱卷所得分?jǐn)?shù)，并給出的相關(guān)評(píng)分理由。

2.4 動(dòng)態(tài)權(quán)限訪問控制

動(dòng)態(tài)權(quán)限是系統(tǒng)業(yè)務(wù)權(quán)限化的重要體現(xiàn)，既要突出業(yè)務(wù)與權(quán)限之間松耦合，實(shí)現(xiàn)可配置化的靈活的控制，又要實(shí)現(xiàn)權(quán)限與用戶角色間的關(guān)聯(lián)性，突出系統(tǒng)的是圍繞著角色訪問控制（RBAC）這一基礎(chǔ)安全特性來開發(fā)的，權(quán)限化系統(tǒng)使得不同角色的業(yè)務(wù)功能區(qū)別明顯，有明顯的區(qū)分度，這便是RBAC模型所要實(shí)現(xiàn)的事情。權(quán)限管理在本系統(tǒng)中地位十分重要，它區(qū)分了用戶身份，限定了用戶的權(quán)限等級(jí)（角色），不同用戶登錄系統(tǒng)能夠獲得不同的權(quán)限，完成各自的功能，保證系統(tǒng)在不同的場(chǎng)景都能夠穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)利用Spring框架優(yōu)秀的面向切面編程思想，使用動(dòng)態(tài)代理的方式實(shí)現(xiàn)了接口權(quán)限控制，具體的實(shí)現(xiàn)策略是防止執(zhí)行前有一層代理來實(shí)現(xiàn)用戶請(qǐng)求鑒權(quán)，配合自定義注解和環(huán)繞通知對(duì)用戶發(fā)起的請(qǐng)求做權(quán)限校驗(yàn)，同時(shí)會(huì)緩存用戶權(quán)限以降低數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問壓力，最終實(shí)現(xiàn)權(quán)限校驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)的零入侵。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)綜合多項(xiàng)現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)，利用在線考試的優(yōu)勢(shì)和核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建出一個(gè)更加符合真實(shí)考試和線下閱卷場(chǎng)景的在線考試系統(tǒng)，同時(shí)引入多方面的反作弊策略，補(bǔ)足傳統(tǒng)在線考試系統(tǒng)在評(píng)卷和反作弊等方面的短板，為教師和學(xué)生帶來更加貼近線下考試場(chǎng)景的體驗(yàn)，以角色訪問控制作為鑒權(quán)的載體，利用Spring框架提供的諸多特性，為系統(tǒng)的細(xì)粒度權(quán)限控制、數(shù)據(jù)交互等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作帶來更為高效便捷的實(shí)施環(huán)境。

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