數(shù)據(jù)庫原理在線考試系統(tǒng)核心功能研究與設(shè)計(jì)

張旭東，楊鵬斐

(蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

數(shù)據(jù)庫原理課程是信息管理類專業(yè)的核心課程，學(xué)生人數(shù)較多，對在線考試需求比較迫切。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，B/S結(jié)構(gòu)的在線考試系統(tǒng)已經(jīng)在高校的部分課程中得到應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)、C語言、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)等課程，對通用考試系統(tǒng)的研究從未停止[1-3]，但數(shù)據(jù)庫課程內(nèi)容和考核方式的不同，考試系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)仍停留在客觀題方面，主觀題方面的由于以簡答和論述題目以文字的方式呈現(xiàn)答案，數(shù)理類課程以字符和采用字符的邏輯推理為參考答案，計(jì)算機(jī)和信息管理類課程以圖表或程序的方式呈現(xiàn)[4]，對主觀題自動考試和閱卷研究和系統(tǒng)，目前基本采用半自動化設(shè)定評分項(xiàng)、由教師在線評分的半自動化閱卷方式[5]。

文章以數(shù)據(jù)庫原理課程的在線考試和自動閱卷為背景，研究數(shù)據(jù)庫原來在線考試系統(tǒng)的核心功能。以SQL語句、E-R圖關(guān)系代數(shù)和關(guān)系規(guī)范化四類主觀題型的在線考試和閱卷為核心，提出實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)原理課程在線考試系統(tǒng)的核心功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外大量應(yīng)用了軟件系統(tǒng)進(jìn)行考試。Gerard Salton在提出的向量空間模型用于分析簡答問題中的英文文本相似度[6，7]。Vladimir Oleshchuk 等人提出了文本相似度計(jì)算方法，Carbone II等人提出的最大邊緣相關(guān)方法，這些算法作為填空、名詞解釋和簡答題型的閱卷算法[8]。在線考試系統(tǒng)的研究主要集中在詞法分析、語法分析、語義推斷方面[9，10]。

國內(nèi)在在線考試系統(tǒng)方面的研究成果很多，但在數(shù)據(jù)庫原理考試系統(tǒng)的研究成果較少。在商用考試系統(tǒng)方面萬維捷通[11]研發(fā)的在線考試系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)課程的考試只支持圖形化界面的SQL執(zhí)行和閱卷。清華泰豪網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)具有一定的代表性，該系統(tǒng)幾乎覆蓋了教學(xué)考試過程的各大環(huán)節(jié)，是一個功能完善的輔助教學(xué)系統(tǒng)，其主要功能有題庫創(chuàng)建與管理、自動組卷、在線練習(xí)、在線測試、自動統(tǒng)計(jì)并分析成績數(shù)據(jù)等[12]。全國計(jì)算機(jī)等級考試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了MySQL中的SQL語句和E-R圖在線考試，但該系統(tǒng)沒有公開。關(guān)系數(shù)據(jù)庫上機(jī)考試系統(tǒng)組卷算法的研究與探討[13]重點(diǎn)研究組卷，沒有體現(xiàn)出該課程核心內(nèi)容題型。關(guān)系數(shù)據(jù)庫上機(jī)考試系統(tǒng)[14]一文中僅對SQL語句類題目的考試和閱卷進(jìn)行了探討，對于課程整體內(nèi)容的考試不具有全面性。數(shù)據(jù)庫原理無紙考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[15]一文中只總體設(shè)計(jì)了關(guān)系代數(shù)、SQL語言自動評分的方法。ORACLE數(shù)據(jù)庫上機(jī)考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[16]中設(shè)計(jì)ORACLE數(shù)據(jù)庫考試的考試系統(tǒng)，需要連接到數(shù)據(jù)庫管理工具進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)庫原理課程在線評卷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[17]參考編輯距離和VSM在自然語言文本處理上的應(yīng)用，重點(diǎn)在語法和詞法分析，在簡答、SQL語句和關(guān)系規(guī)范化方面有一定的參考價值、但沒有考慮E-R圖。論文[18-20]設(shè)計(jì)了關(guān)系代數(shù)轉(zhuǎn)為SQL語句的在線教學(xué)系統(tǒng)，無法用于在線考試。

現(xiàn)有研究成果和系統(tǒng)在在線考試過程中發(fā)揮了重要的作用，但研究內(nèi)容或者只側(cè)重于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并未全部涵蓋數(shù)據(jù)庫概論課程考試的所有內(nèi)容。本文分析數(shù)據(jù)庫原理課程內(nèi)容的特殊性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)針對該課程中四種常見題型考試系統(tǒng)核心功能，并結(jié)合現(xiàn)有考試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為數(shù)據(jù)庫原理課程提供較為全面的考核方法。

3 在線考試系統(tǒng)核心功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫原理在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)中輔助性的功能在包括用戶管理、題目管理、組卷、評卷、考試過程管理、成績管理等功能，這些現(xiàn)有考試系統(tǒng)中較為常見的功能在此不再詳細(xì)介紹，以下僅設(shè)計(jì)SQL語句、關(guān)系代數(shù)、函數(shù)依賴和E-R圖中核心知識點(diǎn)的在線考試和閱卷功能，將對每個功能的設(shè)計(jì)分為題目設(shè)置、考試過程、自動閱卷三部分展開，系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)選用ASP.NET和SQLServer。

3.1 SQL語句

SQL語句的是數(shù)據(jù)庫原理課程中核心內(nèi)容之一，每次考試中需要設(shè)計(jì)大量的題目考查學(xué)生對SQL的掌握情況。SQL語句分為數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)控制四種類型你，本文主要對數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)查詢兩種類型的SQL語句設(shè)計(jì)考試功能。SQL語句正確性的判定分為兩步，分別是語法正確和執(zhí)行結(jié)果正確，語法的正確性采取語句合法性檢查，并提交到SQL語句到數(shù)據(jù)庫管理工具編譯獲取語法錯誤，執(zhí)行結(jié)果的正確性通過比對實(shí)現(xiàn)。

SQL語句題目設(shè)置按照兩層樹結(jié)構(gòu)，其中樹根節(jié)點(diǎn)為題目主題干，多個葉子節(jié)點(diǎn)中，每個葉子節(jié)點(diǎn)為一個SQL語句的問題，每個問題稱為子題目。根節(jié)點(diǎn)中的主題干包含對查詢目標(biāo)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行描述和解釋，以及創(chuàng)建該查詢目標(biāo)數(shù)據(jù)庫的SQL腳本。葉子節(jié)點(diǎn)中的子題目設(shè)定問題的精確描述和該問題對應(yīng)的答案。

SQL語句的考試過程是抽題和答題過程的結(jié)合。按照主題干個數(shù)和每個主題干包含的子題目數(shù)量進(jìn)行抽題，并設(shè)置每個子題目的分值。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入該題目進(jìn)行考試時，系統(tǒng)首先根據(jù)考試主題干中的SQL腳本創(chuàng)建臨時數(shù)據(jù)庫，并為當(dāng)前考生授權(quán)使用該臨時數(shù)據(jù)庫的權(quán)限，考試過程中學(xué)生在文本框中提交答案，頁面中提示語法錯誤和執(zhí)行結(jié)果。

算法1 SQL語句題閱卷輸入：題目Id，提交SQL-S，答案 SQL-A輸出：Score,Message 1：/*檢查SQL注入*/2：Pattern ("\b(and|exec|insert|select|...)\b|(\*|；|\+|'|%)")3：if(Pattern.IsMath(SQL-S))4：Return Message warning 5：/*編譯SQL獲取語法錯誤*/6：SETPARSEONLY ON andexecS_SQLinDB 7：if(catch ex)8：Return Message ex.message 9：SETPARSEONLY OFF 10：/*執(zhí)行SQL比較結(jié)果，取得Score*/11：execSQL-S and SQL-A in DB 12：return Score compare(RS,RA)

提交后閱卷功能對SQL語句正確性的判斷有三個步驟，如算法1 SQL語句題閱卷算法所示，算法輸入有三個題目Id、提交的SQL語句S_SQL和正確答案SQL語句SQL-A(SQL-Answer)。首先用正則表達(dá)式檢查SQL-S(SQL-Student)語句語法的正確性。算法2-4行通過正則表達(dá)式匹配出SQL注入問題，再次算法6-8行，通過SQL-S提交到數(shù)據(jù)庫執(zhí)行獲取語法錯誤，SET PARSEONLY為ON時只檢查語法錯誤，不實(shí)際執(zhí)行，獲取到的異常信息在ex中，并在系統(tǒng)中提示。如無語法錯誤，則如算法11-12行所示，提交到數(shù)據(jù)庫中執(zhí)行SQL-S語句得到執(zhí)行結(jié)果RS，執(zhí)行SQL-A語句得到執(zhí)行結(jié)果RA，并將其RS在RA中按照逐行檢索的方式進(jìn)行比對，如果結(jié)果一致則獲得該題目所對應(yīng)的分?jǐn)?shù)Score，上述閱卷過程中比對沒有完全一致，則該題目不得分。在比對過程中為保證閱卷結(jié)果的合理性，首先對兩個執(zhí)行結(jié)果中的表字段的集合進(jìn)行比對，列的集合相等則繼續(xù)比對行，最后對執(zhí)行結(jié)果中元組進(jìn)行排序并逐行比對，行的比對過程，將列排序后逐一展開。

3.2 關(guān)系代數(shù)

關(guān)系代數(shù)的學(xué)習(xí)和理解有助于學(xué)生理解和掌握關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)，從而將實(shí)踐內(nèi)容和數(shù)據(jù)理論知識聯(lián)系起來。數(shù)據(jù)庫原理課程中的關(guān)系代數(shù)主要是 6 種關(guān)系運(yùn)算，分別是并(∪)、交(∩)、差(-)、選擇(σ)、投影(∏)和自然連接用表示，關(guān)系運(yùn)算中還需要設(shè)計(jì)關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、算數(shù)運(yùn)算符和表達(dá)式界定符，所有符號結(jié)合起來形成關(guān)系表達(dá)式錄入功能。

關(guān)系代數(shù)的考試功能設(shè)計(jì)分為題目和答案兩部分，題目中上傳待計(jì)算的關(guān)系和文字描述關(guān)系計(jì)算需求，正確答案按照圖形界面設(shè)計(jì)的關(guān)系表達(dá)錄入系統(tǒng)并存儲，關(guān)系表達(dá)式中的條件表達(dá)式和投影用“[]”符號標(biāo)記，操作界面中設(shè)計(jì)下標(biāo)開始和結(jié)束標(biāo)記。錄入的答案將被轉(zhuǎn)換為關(guān)系表達(dá)式語句，錄入多條相同的參考答案，語句中選擇轉(zhuǎn)為select、投影轉(zhuǎn)為project、連接轉(zhuǎn)為join的關(guān)鍵字，并交差三種的規(guī)則相同，并將圖形界面中顯示具有下標(biāo)二維關(guān)系表示轉(zhuǎn)為用“[]”標(biāo)記條件部分的一維表示方式，便于閱卷。

如式（1）所示的關(guān)系表達(dá)式，其中R、S為兩個關(guān)系，R.Sid為R的外鍵，將其存儲為一維的關(guān)系表達(dá)式為

用戶界面中顯示的表達(dá)式時通過JavaScript將關(guān)系運(yùn)算關(guān)鍵字顯示為對應(yīng)的符號，并對“[]”標(biāo)記部分顯示對應(yīng)的下標(biāo)進(jìn)行還原顯示。

圖1 關(guān)系表達(dá)式樹

關(guān)系代數(shù)的考試過程和題目上傳的功能相同。關(guān)系代數(shù)題目閱卷功能的設(shè)計(jì)中，首先將兩個關(guān)系表達(dá)式轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)換為如圖1所示的表達(dá)式樹。關(guān)系表達(dá)式中每個關(guān)系運(yùn)算符是一個非葉子節(jié)點(diǎn)，關(guān)系為葉子節(jié)點(diǎn)，非葉子節(jié)點(diǎn)中包含條件表達(dá)式。投影project的條件為屬性的結(jié)合，不做任何轉(zhuǎn)換，存儲為集合。投影project和選擇select為單目運(yùn)算符號，運(yùn)算對象一個關(guān)系或者一個關(guān)系運(yùn)算，將運(yùn)算對方放置在右子樹中。非葉子節(jié)點(diǎn)中的條件表達(dá)式也轉(zhuǎn)為表達(dá)式樹，其中單目運(yùn)算符的運(yùn)算對象在右子樹，條件表達(dá)式中的運(yùn)算符按照優(yōu)先級分級，優(yōu)先級高的運(yùn)算符放在運(yùn)算符低的運(yùn)算符的葉子節(jié)點(diǎn)中，先進(jìn)行計(jì)算，條件中到的所有小于和不大于關(guān)系轉(zhuǎn)為等級的大于和不小于關(guān)系，以方便比較，條件表達(dá)式存儲在CE-T(ConditionalExpression Tree)中，分別是CE-ST和 CE-AT。

算法2 關(guān)系代數(shù)題閱卷輸入：題目Id，提交RA-S，答案集合RA-A輸出：Score 1：/*轉(zhuǎn)為表達(dá)式樹*/2：RA-ST transform(RA-S)3：RA-AT transform(RA-A)4：/*比較表達(dá)式樹*/5：while (RA-ST and RA-AT and unvisited)6： s=RA-ST-＞rightchild-＞parent 7：a=find(s in RA-AT)8：if(compare(s,a)=true)9：compare(CE-ST,CE-AT)10：sets,a visited 11 s=s-＞parent 12：loop 13：if(RA-ST and RA-AT and visited)14：return Score 分?jǐn)?shù)

關(guān)系代數(shù)閱卷如算法2所示，比較學(xué)生提交答案RA-S(RelationalAlgebra-Student)和正確答案集合RA-A (RelationalAlgebra-Answer)某一個生成表達(dá)樹的一致性，采用自底向上的比較方法，從RAS第一個非葉子節(jié)點(diǎn)開始，在RA-A中查找相同的節(jié)點(diǎn)，并將兩個非葉子節(jié)點(diǎn)的左右子樹進(jìn)行比較，相等則繼續(xù)比較兩個非葉子節(jié)點(diǎn)中的條件表達(dá)式樹CEST和CE-AT，如果條件表達(dá)式也相等則標(biāo)記該節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)已訪問，重復(fù)以上步驟，至兩個樹種所有節(jié)點(diǎn)都被訪問過，則該題目獲得題目分值，否則為0。在表達(dá)式條件表達(dá)式匹配過程中，如果非葉子節(jié)點(diǎn)中的上級運(yùn)算符在相同優(yōu)先級，則向上找到所有的相同優(yōu)先級元素符，將其自己節(jié)點(diǎn)合并在同一集合中，答案CE-AT中也進(jìn)行相同的操作進(jìn)行比較。

3.3 最小函數(shù)依賴

函數(shù)依賴部分的知識分為候選鍵判斷、關(guān)系規(guī)范化、最小函數(shù)依賴集和關(guān)系分解，其中候選鍵選擇、范式考試是填空題，關(guān)系分解問題分解后為多個關(guān)系的集合，在閱卷中可以通過簡單的答案相等性判斷得到分?jǐn)?shù)。最小函數(shù)依賴求解過程需要函數(shù)依賴的推理，關(guān)系R＜U,F＞中，U為屬性的集合，F(xiàn)為屬性依賴集合，其中屬性依賴用“-＞”表示。題目的設(shè)計(jì)過程中單獨(dú)存儲原始待計(jì)算關(guān)系，以便于后期閱卷，題干中文字的要求每一小題作為一項(xiàng)，以便于分值的計(jì)算。最小函數(shù)依賴的正確答案不唯一，在設(shè)計(jì)題目時只給出參考答案，在閱卷過程中并比將學(xué)生給出最小依賴集與參考答案進(jìn)行比較或分析的出分值。

最小依賴集答題過程中用戶只需要提交最小依賴集結(jié)果，不需要中間的推理過程。答案的書寫按照關(guān)系R中屬性依賴關(guān)系F的格式，在提交答案是檢查輸入格式的合法性。閱卷過程如算法3所示，其中FD-S(Functional Dependency-Student)為學(xué)生提交的最小函數(shù)依賴。FD-Q(FunctionalDependency-Question)為題目中的原始關(guān)系函數(shù)依賴。

算法3 最小函數(shù)依賴題閱卷輸入：題目Id，提交FD-S，原始關(guān)系函數(shù)依賴FD-Q輸出：Score 1：/*對FD-S再求最小依賴*/2：if(FD-S 中左/右部長度＞1 orFD-S 有重復(fù)項(xiàng))3：return Score 0 4：R-FD Armstrong公理求FD-S的最小函數(shù)依賴5：if(R-FD !=FD_S)6：return Score 0 7：/*計(jì)算FD_S與FD-Q是否等價*/8：else if(FD-QFD-Q)9：return Score 分?jǐn)?shù)

最小函數(shù)依賴題目的閱卷分為兩個步驟，算法1-4行是對FD-S用Armstrong公理重新計(jì)算最小函數(shù)依賴，算法5-6行判斷如果是最小函數(shù)依賴，則在7-9行再次計(jì)算FD-S和FD-Q中的F是否等價，計(jì)算FD-S是否能夠和FD-Q相互覆蓋。

3.4 E-R圖

E-R圖是從現(xiàn)實(shí)到機(jī)器之間溝通的主要工具，E-R圖的在線繪制工具在網(wǎng)絡(luò)中已有很多，但在考試系統(tǒng)中的應(yīng)用還沒有被廣泛應(yīng)用。E-R圖在線考試功能分為繪圖、圖形轉(zhuǎn)為XML文檔提交答案、XML文檔轉(zhuǎn)為關(guān)系并閱卷三項(xiàng)主要功能。E-R圖題目設(shè)計(jì)為兩部分文字，其中題目要求為文字，和繪制答案E-R圖。在繪圖功能中選擇較為成熟的JointJS，JointJS是一個基于SVG的圖形化工具庫，graph和paper定義畫布，攜帶的元素element滿足繪制E-R圖的需求，并可以自定義元素，頁面上的操作觸發(fā)view的事件，通過回調(diào)函數(shù)獲取model完成繪圖功能，繪制好的E-R圖需要存儲和還原，在JointJS 中 提 供 了 EXPORT_URL、SAVE_URL、OPEN_URL屬性，傳入對應(yīng)的URL即可傳入后臺，其中EXPORT_URL將繪制結(jié)果導(dǎo)出成圖片，在顯示中可方便縮放，修改時OPEN_URL加載XML文件并還原繪圖，SAVE_URL屬性指定存儲URL，URL的接收方法中string類型的參數(shù)xml存儲繪圖結(jié)果文件，文件類型為XML。

E-R圖的閱卷過程中，解析提交的和答案XML文件，將XML文件轉(zhuǎn)換為內(nèi)存對象的集合，并比較兩個對象集中對應(yīng)項(xiàng)目的數(shù)量，按照數(shù)量比例給定分值。

算法4 E-R圖閱卷輸入：題目Id，提交ER-S，答案ER-A輸出：Score 1：/*解析ER-S和ER-A轉(zhuǎn)為對象集*/2：ER-SE transformToEntities(ER-S)3：ER-AE transformToEntities(ER-A)4：/*查找ER-SE中實(shí)體名在ER-AE實(shí)體名的集合為EC*/5：EC=find(ER-SE實(shí)體名 in ER-AE實(shí)體名)8：return Score

E-R圖的閱卷如算法4所示。輸入題目Id，提交ER-S(E-R-Student)，答案 ER-A(E-R-Answer)，將其解析為內(nèi)存對象的集合ER-SE和ER-AE。XML文檔中對實(shí)體、屬性、關(guān)系都以mxCell元素加Vertex屬性，style屬性區(qū)分三者，rounded為實(shí)體，ellipse為實(shí)體屬性，rhombus為實(shí)體關(guān)系，邊用mxCell元素的Edge屬性區(qū)分。實(shí)體和屬性的關(guān)聯(lián)是實(shí)體屬性中Source屬性指定實(shí)體，實(shí)體之間的關(guān)系查找rhombus標(biāo)記屬性聯(lián)系兩個Edge，并將其關(guān)聯(lián)元素中fontStyle=4（主屬性）的元素組合成新的實(shí)體對象的屬性。XML轉(zhuǎn)換為實(shí)體的集合，每個實(shí)體轉(zhuǎn)為“{實(shí)體名(屬性 1，屬性 2，…) Identity(屬性 1，屬性 2，…)}”的格式,屬性之間“，”分隔，關(guān)鍵字之間空格分隔，實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)也作為一個實(shí)體，轉(zhuǎn)換過程如算法1-3所示。算法5-8行計(jì)算分值，查找集合ER-SE對象中的每個實(shí)體名是否在ER-AE中存在，按照存在的比例減去分值，并將兩個集合中存在的實(shí)體按照相同的方法計(jì)算屬性，主屬性比較對應(yīng)實(shí)體中對應(yīng)屬性的IsIdentity標(biāo)記，并按照比例減去分值，加上題目設(shè)定分值得到E-R圖最終得分。

4 總結(jié)

文章研究并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫原理在線考試系統(tǒng)中SQL語句、關(guān)系代數(shù)、函數(shù)依賴、E-R圖四種題型的在線考試功能，并將其應(yīng)用到日常課程測試和期末考試中，研究設(shè)計(jì)功能加入在線考試系統(tǒng)中能夠滿足基本的考試需求。在SQL語句的設(shè)計(jì)過程中沒有加入語義分析技術(shù)，如果學(xué)生提交的答案部分正確時，無法推斷出按正確比例計(jì)算的成績，關(guān)系代數(shù)功能的閱卷規(guī)則和分值判定方法不夠精準(zhǔn)，后期計(jì)劃加入詞法分析和語法分析，最小函數(shù)依賴求解問題只判斷了結(jié)果過的正確性，沒有檢查推理過程。設(shè)計(jì)的四種題型在線考試功能，在閱卷環(huán)節(jié)分值判斷的合理性還有待更多的實(shí)踐應(yīng)用的檢驗(yàn)。在數(shù)據(jù)庫原來課程中關(guān)系分解也是重要的學(xué)習(xí)和考核內(nèi)容之一，在本文中暫未涉及，在未來的研究中將進(jìn)一步研究它的在線考試功能設(shè)計(jì)。