基于模糊理論的在線考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探究

陳琪琦 金海溶 謝蓉蓉 李家兵

[摘 要] 隨著互聯(lián)網(wǎng)在教育領(lǐng)域的發(fā)展，考試環(huán)節(jié)由原本的傳統(tǒng)模式向線上模式轉(zhuǎn)變。根據(jù)實(shí)際考試流程，在線考試系統(tǒng)需要不斷完善，提高其實(shí)用性以更好地替代傳統(tǒng)考試模式。通過研究基于模糊理論的在線考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用B/S模式，運(yùn)用JSP+SSM+MySQL架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了試題管理、試卷管理、在線考試、答題情況分析等功能，同時(shí)應(yīng)用模糊理論技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主觀題自動(dòng)判分操作，進(jìn)一步減輕了教師工作量。本研究旨在設(shè)計(jì)低成本、高效率的在線考試系統(tǒng)，從而推動(dòng)高校無紙化考試，加強(qiáng)其信息化建設(shè)。

[關(guān)鍵詞] 在線考試;B/S模式;模糊理論;自動(dòng)判分

[基金項(xiàng)目] 2020年度福建師范大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于MOOC+教育云平臺(tái)線上線下混合模式的環(huán)境管理學(xué)教學(xué)研究與實(shí)踐”（I202002030）;2020年度福建師范大學(xué)“環(huán)境規(guī)劃與管理課程思政示范項(xiàng)目”（K202001041）

[作者簡(jiǎn)介] 陳琪琦（1997—），女，浙江龍泉人，福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)材料與化工專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)環(huán)境數(shù)學(xué)模型;金海溶（1979—），女，浙江海寧人，碩士，浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院信息工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）12-0104-04 [收稿日期] 2021-06-14

引言

信息技術(shù)高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在教育領(lǐng)域發(fā)揮著越來越積極的作用，進(jìn)一步推動(dòng)了在線學(xué)習(xí)的步伐。隨著2020年初新型冠狀病毒肺炎疫情的暴發(fā)，全國學(xué)生停課在家，在線教學(xué)和考試系統(tǒng)為廣大師生提供了“停課不停學(xué)”的有效途徑，讓學(xué)生能夠在家上課的同時(shí)也能像在學(xué)校一樣參加考試，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果[1]。除此之外，在線考試系統(tǒng)在高校的普及，也將推動(dòng)高?？荚囆畔⒒蜔o紙化管理的進(jìn)程。

在傳統(tǒng)考試模式下，教師往往需要花費(fèi)大量時(shí)間批改試卷，記錄班級(jí)每位學(xué)生的答題情況以便后續(xù)的試卷講解。本研究以環(huán)境類課程為例，教師用戶通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)試題、試卷并安排考試;學(xué)生用戶通過系統(tǒng)進(jìn)行在線考試，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判分，其中對(duì)于主觀題部分系統(tǒng)運(yùn)用模糊理論進(jìn)行處理，大大提高了判題的正確率，減少了誤判情況的發(fā)生。此外，系統(tǒng)以班級(jí)為單位統(tǒng)計(jì)各題各選項(xiàng)的答題情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以圖表的形式展示給教師用戶，以便后續(xù)更有效地進(jìn)行試卷答疑。因此，本系統(tǒng)不僅減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，節(jié)省了人力、物力和財(cái)力，同時(shí)還符合綠色校園的發(fā)展理念[2]。

一、在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在線考試系統(tǒng)采用B/S模式，教師/管理員用戶在系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行人員管理和考試管理等操作，學(xué)生用戶在系統(tǒng)前臺(tái)進(jìn)行考試的相關(guān)操作，這些操作最終都對(duì)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生影響[3]。因此，在用戶和數(shù)據(jù)庫間搭建一個(gè)“三層體系”，通過這個(gè)三層體系實(shí)現(xiàn)客戶端與數(shù)據(jù)庫的交互。這樣分層使得結(jié)構(gòu)直觀明確，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)降低了各層之間的依賴，使得服務(wù)器數(shù)據(jù)庫更安全。

（一）系統(tǒng)功能模塊概述

根據(jù)功能將用戶分為學(xué)生、教師和管理員三類。學(xué)生用戶主要功能有注冊(cè)登錄、在線考試、考試歷史查詢;教師、管理員用戶主要功能有基本信息查看、試題管理、試卷管理、考試安排、成績(jī)復(fù)核、答題情況分析查詢、考試歷史查詢。此外管理員還擁有基本信息管理、教師管理、用戶密碼重置、賬號(hào)注銷功能。

（二）基于模糊理論的主觀題判分設(shè)計(jì)

模糊理論是為了解決真實(shí)世界中普遍存在的模糊現(xiàn)象而發(fā)展起來的一門學(xué)科，它以模糊集合為基礎(chǔ)，將概念模糊不確定的事物量化成計(jì)算機(jī)可處理的信息[4]。在環(huán)境類課程考試中主觀題占比較大，作答內(nèi)容也因人而異，這使得主觀題的批改更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本系統(tǒng)基于模糊理論實(shí)現(xiàn)了主觀題的自動(dòng)判題算分功能，大大減少了教師的工作量，提高了改卷效率。

本系統(tǒng)采用Zadeh表示法表示模糊集合，其定義為A=A（U1）/U1+A（U2）/U2+…+A（Un）/Un。其中論域U={U1，U2，…，Un}，U中U1，U2，…，Un為論域元素，A為模糊集合，A（Un）表示論域元素Un隸屬于模糊集合A的隸屬度[5]。系統(tǒng)將學(xué)生在主觀題中作出的答案看作一個(gè)模糊集合，將教師在設(shè)置題目時(shí)輸入的所有答案關(guān)鍵字段作為論域，以每個(gè)關(guān)鍵字段作為其論域元素，并將每個(gè)關(guān)鍵字段相對(duì)應(yīng)的分值權(quán)重作為其對(duì)應(yīng)論域元素的隸屬度。

為便于理解，以一道主觀題S作為樣例進(jìn)行說明。假定題目S的總分為q，答案的關(guān)鍵字段為S1、S2、S3，其對(duì)應(yīng)分值權(quán)重分別為G1、G2、G3，學(xué)生作答的答案為p。系統(tǒng)在題目S被添加至題庫后會(huì)自動(dòng)計(jì)算生成不同得分情況下的模糊集合，并一一對(duì)應(yīng)存放于數(shù)據(jù)庫以便考試后判分使用，以滿分作答情況下的模糊集合A為例，A=G1/S1+G2/S2+G3/S3，其中S1、S2、S3整體作為其論域U，單一字段則作為其論域元素U1、U2、U3，p字符串中全部?jī)?nèi)容作為模糊集合A，而每個(gè)答案關(guān)鍵字段對(duì)應(yīng)分值權(quán)重G1、G2、G3作對(duì)應(yīng)論域元素的隸屬度。該學(xué)生此題在判分過程中，系統(tǒng)將在字符串p中尋找是否存在字段S1、S2、S3，得出實(shí)際作答情況下的模糊集合B=G1/S1+G2/S2（此處假設(shè)學(xué)生僅作答出關(guān)鍵字段S1、S2）。若模糊集合A與B為等集，則該學(xué)生此題得全分;若模糊集合B為空集，則該學(xué)生該題得零分。同理，系統(tǒng)亦會(huì)將模糊集合B與數(shù)據(jù)庫中存放的不同得分情況下的模糊集合進(jìn)行比對(duì)，若有等集出現(xiàn)，則其對(duì)應(yīng)分值即為該學(xué)生此題得分。

除此之外，系統(tǒng)為防止判題出現(xiàn)誤判，為學(xué)生設(shè)置了主觀題得分復(fù)核申請(qǐng)功能。若學(xué)生對(duì)某一主觀題得分有異議，可以通過此功能進(jìn)行申訴，由教師本人進(jìn)行二次判分;若系統(tǒng)在判題過程中捕捉到系統(tǒng)異常，也會(huì)觸發(fā)分?jǐn)?shù)復(fù)核功能，即將該題反饋至教師端，由教師進(jìn)行二次判分，以減少誤判情況的發(fā)生。

（三）答題情況分析的設(shè)計(jì)24D4F802-07DE-49A7-9AA4-9898777CBAA0

每場(chǎng)考試結(jié)束后，通常會(huì)有錯(cuò)題分析環(huán)節(jié)，詳細(xì)的答題數(shù)據(jù)有助于教師更有針對(duì)性地選擇題目進(jìn)行深入講解。本系統(tǒng)設(shè)定于整場(chǎng)考試結(jié)束后開始判分，同時(shí)以班級(jí)為單位統(tǒng)計(jì)分析出學(xué)生考試的答題情況，并以圖表的形式展示給教師。

系統(tǒng)在考試倒計(jì)時(shí)歸零，即考試自動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行判分。在判分的過程中會(huì)生成2個(gè)數(shù)組A、C，以及一個(gè)字符串組B，以下標(biāo)作為三個(gè)組的對(duì)應(yīng)標(biāo)記，在A中存放試卷題號(hào)，B中存放題目選項(xiàng)或答案關(guān)鍵字段，C中存放該題該選項(xiàng)或該答案關(guān)鍵字段作答率。系統(tǒng)將設(shè)置C的初始值為0，系統(tǒng)在判題過程中，若題目為選擇題，則當(dāng)學(xué)生此題有作答時(shí)，則會(huì)先搜索對(duì)應(yīng)題號(hào)在A數(shù)組中首次出現(xiàn)的位置，將該位置下標(biāo)記錄為M1，再在字符串組B中以M1為首個(gè)匹配對(duì)象進(jìn)行查找，尋找到與學(xué)生作答選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的答案位置，該位置下標(biāo)記錄為M2，然后在數(shù)組C中下標(biāo)為M2的位置獲取該題該選項(xiàng)原作答率E1，通過公式（E1*班級(jí)總?cè)藬?shù)+1）/班級(jí)總?cè)藬?shù)得出新作答率E2，將E2存入數(shù)組C的M2位置中，更新此題此選項(xiàng)的作答率;若題目為填空題，系統(tǒng)則在學(xué)生作答正確時(shí)，搜索對(duì)應(yīng)題號(hào)在A數(shù)組中出現(xiàn)的位置，該位置下標(biāo)記錄為M1，再在數(shù)組C中M1位置拿出該題原作答率E1，并通過上文所述公式進(jìn)行計(jì)算并更新此題正確答案的作答率;若題目為主觀題，則系統(tǒng)僅當(dāng)學(xué)生作答得分不為零時(shí)，方才進(jìn)行上述操作，其中系統(tǒng)會(huì)記錄批改結(jié)果中學(xué)生作答內(nèi)容覆蓋的答案關(guān)鍵字段的字段號(hào)，并以此作為和B中數(shù)據(jù)匹配的內(nèi)容。在所有學(xué)生試卷批改完畢后，系統(tǒng)將逐條把數(shù)組A、C和字符串組B中數(shù)據(jù)存至試卷分析表中，教師即可在考試情況分析功能下查看該班級(jí)在考試中各題目各選項(xiàng)的作答率。

二、在線考試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）試題管理

試題管理功能包括試題的增刪改查操作，其中試題新增方法有手動(dòng)逐題增加和批量導(dǎo)入兩種。手動(dòng)增加試題方法：點(diǎn)擊試題列表中的“添加”按鈕，彈出試題編輯頁面，在此頁面選擇試題類型，不同試題類型的編輯頁面略有不同，這里以單選題為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說明[6]。選擇“單選題”類型，在對(duì)應(yīng)編輯框中輸入題目與選項(xiàng)內(nèi)容，并勾選正確選項(xiàng)，設(shè)定難易程度、所屬年級(jí)、所屬科目及試題分值，點(diǎn)擊“提交”即生成一道試題。批量導(dǎo)入試題方法：選擇“導(dǎo)入試題”，跳轉(zhuǎn)顯示試題導(dǎo)入頁面，在此頁面設(shè)定所屬年級(jí)與科目，設(shè)置好導(dǎo)入信息后，選擇試題文件導(dǎo)入。導(dǎo)入文件必須為Excel表格，內(nèi)容需按照固定格式填寫，即表格第一行為標(biāo)題，具體內(nèi)容：“題目|選項(xiàng)A-D|正確答案1-4|分值1-4|試題類型|難易程度”;第二行開始根據(jù)標(biāo)題填寫試題對(duì)應(yīng)內(nèi)容，每一行為一道題[7]。

（二）試卷管理與考試安排

維護(hù)好試題庫后，教師可設(shè)計(jì)試卷，之后安排考試。本系統(tǒng)的試卷管理功能包括試卷的增刪改查操作。新建試卷將基本信息填寫提交后，可進(jìn)行組卷操作，即給試卷添加試題。系統(tǒng)設(shè)有人工組卷和自動(dòng)組卷兩種方式。人工組卷即組卷者在試題庫中自主選擇試題;自動(dòng)組卷即系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的科目、年級(jí)、各題型的試題數(shù)量和難易程度四個(gè)組卷?xiàng)l件自動(dòng)添加試題[8]。教師設(shè)計(jì)好試卷后，可安排學(xué)生考試。選擇“添加考試”，需設(shè)置的考試信息內(nèi)容包括：考試班級(jí)、考試科目、考試試卷和開考時(shí)間。完成考試的安排后，對(duì)應(yīng)考試班級(jí)的學(xué)生可登錄系統(tǒng)，查看自己待參加的考試。

（三）在線考試

學(xué)生用戶登錄系統(tǒng)后可點(diǎn)擊進(jìn)入考試中心，根據(jù)考試安排，學(xué)生在系統(tǒng)中只能看到本人可參加的考試場(chǎng)次，包括已到開考時(shí)間但未逾期的場(chǎng)次和尚未到開考時(shí)間的場(chǎng)次。若開考時(shí)間超過15分鐘，則本場(chǎng)考試將被刷新移除，學(xué)生無法參加此次考試。

以當(dāng)前場(chǎng)景為例，環(huán)境類期末考試尚未到開考時(shí)間，因此點(diǎn)擊參加該場(chǎng)考試，則彈出提示框提示考試暫未開始，無法考試。而當(dāng)前環(huán)境類考試已到開考時(shí)間且未逾期，因此可點(diǎn)擊參加該場(chǎng)考試。進(jìn)入課程考試后，考生開始作答。作答頁面右上角顯示考試剩余時(shí)間，下方顯示題號(hào)，點(diǎn)擊題號(hào)跳轉(zhuǎn)顯示對(duì)應(yīng)題目，本系統(tǒng)根據(jù)題目是否作答顯示不同顏色，防止出現(xiàn)考生漏答的狀況。此外，考生可在考試結(jié)束前半小時(shí)內(nèi)交卷，而當(dāng)考試時(shí)間剩余15分鐘時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)提示：注意掌握時(shí)間。待考試結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)交卷，考生無法再作答，同時(shí)系統(tǒng)開始對(duì)本場(chǎng)考生的答卷進(jìn)行判分。

（四）考試歷史查詢與成績(jī)復(fù)核

教師和學(xué)生用戶均擁有考試歷史查詢功能。教師可查看自己所安排考試場(chǎng)次的考生考試具體情況，班主任可查看本班學(xué)生各科考試情況;學(xué)生只能查看本人歷次考試情況。

在考試結(jié)果公布后的規(guī)定期限內(nèi)，學(xué)生可通過系統(tǒng)申請(qǐng)復(fù)核成績(jī)。若系統(tǒng)在批卷時(shí)出現(xiàn)判分異常，也將觸發(fā)復(fù)核申請(qǐng)。系統(tǒng)將復(fù)核申請(qǐng)發(fā)送給本場(chǎng)考試負(fù)責(zé)人，由其對(duì)相應(yīng)試題進(jìn)行重新判分，待復(fù)核完成提交后，系統(tǒng)自動(dòng)更新相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步保障了判分功能的有效性。

（五）答題情況分析查看

本系統(tǒng)以班級(jí)為單位對(duì)考生的答題正誤情況進(jìn)行分析。根據(jù)教師需求，可以選擇以表格或者圖的形式展示數(shù)據(jù)，且不同題型的格式不盡相同。以選擇題為例，若以表格形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，表格首列為題號(hào)，后續(xù)列依次為選項(xiàng)A、B、C、D的作答率;若以三維柱狀圖形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，其X軸為題號(hào)和答案，Y軸為選項(xiàng)A、B、C、D，Z軸為作答率。

結(jié)語

當(dāng)今時(shí)代是非常重視教育的時(shí)代，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的高速發(fā)展，在線教育在人們生活中逐漸普及。本系統(tǒng)不僅對(duì)選擇題和填空題進(jìn)行自動(dòng)判分操作，更基于模糊理論實(shí)現(xiàn)了主觀題的判分功能，節(jié)省了教師在試卷批改上所花費(fèi)的時(shí)間。同時(shí)本系統(tǒng)會(huì)對(duì)每場(chǎng)考試的答題情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將結(jié)果提供給教師，以便其快速了解學(xué)生的答題情況，使得教師無須花費(fèi)大量時(shí)間用于統(tǒng)計(jì)分析題目的正誤率。

在未來的開發(fā)過程中，本系統(tǒng)還會(huì)在數(shù)據(jù)分析上做出更多改進(jìn)，提供更多的優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)給教師與學(xué)生，如對(duì)多份同科目試卷的題目分析總結(jié)出易錯(cuò)考點(diǎn)等。不僅為教師的教學(xué)內(nèi)容提供更多的有效建議，也為學(xué)生提供更多的信息，讓學(xué)生也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)自己的薄弱之處，著重去學(xué)習(xí)，從而有效提高自己的成績(jī)。24D4F802-07DE-49A7-9AA4-9898777CBAA0

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Research on the Design and Implementation of Online Examination System Based on Fuzzy Theory： Taking Environmental Courses as Examples

CHEN Qi-qi1a，1b，2， JIN Hai-rong2， XIE Rong-rong1a，1b，1c， LI Jia-bing1a，1b，1c

（1. a. College of Environmental Science and Engineering， b. Digit Fujian Internet-of-Things Laboratory of Environmental Monitoring， c. Fujian Key Laboratory of Pollution Control & Resource Reuse， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China; 2. College of Information Engineering， Zhijiang College of Zhejiang University of Technology， Shaoxing， Zhejiang 312030， China）

Abstract： With the development of the Internet in the education field， the examination process has gradually changed from the traditional mode to the online mode. According to the actual examination process， the online examination system needs to continuously improve its practicability so as to replace the traditional examination mode. The paper studies the design and the implementation of the online examination system based on fuzzy theory. It adopts B/S mode and JSP+SSM+MySQL architecture to realize the functions of the question management， the test paper management， the online examination， and the answer analysis， etc. The fuzzy theory technology is applied to realize the automatic grading operation of subjective questions， which further reduces the workload of teachers. The paper hopes to design a low-cost and efficient online examination system， so as to promote the paperless examination in colleges and universities and strengthen their information construction.

Key words： online examination; B/S mode; fuzzy theory; automatic scoring24D4F802-07DE-49A7-9AA4-9898777CBAA0