摘要：在線考試系統(tǒng)作為一種新的考試方式已越來越多地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域和專業(yè)。然而高等數(shù)學(xué)因其眾多的公式，實(shí)現(xiàn)在線考試還存在著技術(shù)困難。該文論述了一種高等數(shù)學(xué)在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。它采用S2SH框架，并且使用了Apache+Tomcat的集群技術(shù)增加負(fù)載量。填空題使用圖片的形式作答，運(yùn)用BLOB格式存儲(chǔ)答案并應(yīng)用識(shí)圖功能對(duì)填空題進(jìn)行自動(dòng)閱卷。

關(guān)鍵詞：高等數(shù)學(xué)；在線考試；集群技術(shù)；填空題；BLOB；自動(dòng)閱卷

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）13-3028-04

1 概述

近年來，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)技術(shù)越來越多地融入了計(jì)算機(jī)的環(huán)節(jié)。考試作為教育的檢測手段，也在發(fā)生著巨大的變革。和傳統(tǒng)意義的考試相比，在線考試有著節(jié)省資源、時(shí)間和人力的優(yōu)勢。如今，越來越多的專業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用了在線考試系統(tǒng)。然而，數(shù)學(xué)因?yàn)槠渥陨砜颇康莫?dú)特性，其在線考試系統(tǒng)與其他在線考試系統(tǒng)有著明顯的區(qū)別。數(shù)學(xué)需要用到許多的公式，而普通的文本格式顯然不能滿足其要求。該文設(shè)計(jì)了一個(gè)高等數(shù)學(xué)的在線考試系統(tǒng)。我們運(yùn)用集群技術(shù)增加了系統(tǒng)負(fù)載量，并用圖片格式和BLOB格式存儲(chǔ)題目和答案的公式，解決了高等數(shù)學(xué)在線考試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的困難。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 B/S模式

本系統(tǒng)采用了流行的B/S模式。B/S模式采用三層結(jié)構(gòu)，第一層瀏覽器端發(fā)出HTTP請(qǐng)求，第二層應(yīng)用服務(wù)器響應(yīng)請(qǐng)求并處理。如果請(qǐng)求是存取數(shù)據(jù)的，則第二層與第三層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成交互。完成請(qǐng)求后應(yīng)用服務(wù)器生成一串HTML代碼返回給瀏覽器端，瀏覽器解析HTML代碼后生成圖文并茂的網(wǎng)頁?？忌灰诳蛻舳耸褂脼g覽器便可以進(jìn)行在線考試。這樣，客戶端無須再安裝相應(yīng)的應(yīng)用程序，只要有瀏覽器即可。這達(dá)成了瘦客戶端的目的，有利于開放式的信息管理和設(shè)計(jì)，也降低了系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)開銷，并且有效地提高了考試數(shù)據(jù)的安全性。

2.2 S2SH框架

本系統(tǒng)采用S2SH的構(gòu)架，即Struts2，Spring，Hibernate的構(gòu)架。它簡化了各個(gè)分層的調(diào)用設(shè)計(jì)，提高了開發(fā)的效率。并且，使用了memcached作為hibernate的二級(jí)緩存以及其它靜態(tài)數(shù)據(jù)的緩存，在各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，減少了對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問，提高了性能。在業(yè)務(wù)分層上，對(duì)性能要求高的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，有些地方直接采用了Model 1的模式，采用JSP和servlet直接處理業(yè)務(wù)，進(jìn)一步減少s2sh在框架上消耗，再次提高了性能。

2.3 集群技術(shù)

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 主要模塊

本系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：管理員模塊，教師模塊，學(xué)生模塊。

管理員模塊主要有管學(xué)生管理、教師管理和系統(tǒng)管理。這個(gè)模塊負(fù)責(zé)管理學(xué)生賬號(hào)和信息、教師賬號(hào)和信息，并且管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，包括訪問地址、連接端口的設(shè)置等。

3.2 試卷管理

在線考試系統(tǒng)的核心是試卷。試卷的管理主要包括四個(gè)流程：錄入試卷、組卷、答卷和閱卷。這個(gè)流程貫穿了整個(gè)考試的過程。而高等數(shù)學(xué)因其眾多的公式，使得這個(gè)流程與其他的科目有所不同。

錄入試卷：試題的錄入主要由教師進(jìn)行，一個(gè)試題的內(nèi)容包括題目、答案、題目類型、難度系數(shù)和出現(xiàn)次數(shù)，如果是選擇題還有選項(xiàng)。題目、答案和選項(xiàng)中都有可能存在公式，在這里本系統(tǒng)采取圖片格式存儲(chǔ)公式，和題目中的文本一并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。

組卷：教師設(shè)定好選擇題、填空題的數(shù)量、考試范圍和考試的整體難度，試題會(huì)根據(jù)設(shè)定隨機(jī)生成試卷。

答卷：試卷包括選擇題和填空題。選擇題的回答方式通過選擇選項(xiàng)來選擇正確答案。因?yàn)樾枰斎牍剑羁疹}不能用文本格式回答，因此本系統(tǒng)采用畫圖方式回答填空題。我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)支持畫圖的object組件，并提供js封裝了參數(shù)交互。每個(gè)填空題有一個(gè)畫板的區(qū)域，允許學(xué)生在畫板上用畫筆、文字或直線進(jìn)行作答，這便于學(xué)生用公式回答。

閱卷：閱卷分為選擇題的閱卷和填空題的閱卷 ，選擇題完全由系統(tǒng)自動(dòng)批改。而填空題由系統(tǒng)批改和教師批改相結(jié)合，這樣提高了準(zhǔn)確率，也相對(duì)于紙質(zhì)閱卷提高效率。

4 填空題的設(shè)計(jì)

4.1 填空題的存儲(chǔ)

學(xué)生在每個(gè)的填空題答案將以BLOB格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。BLOB即二進(jìn)制大對(duì)象，在數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)單獨(dú)開辟新的存儲(chǔ)頁面存放這些數(shù)據(jù)，表中BLOB類型字段存儲(chǔ)的只是16字節(jié)的指針，這個(gè)指針指向存放該條記錄BLOB數(shù)據(jù)的頁面。這個(gè)方法使得答案以圖片的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。這樣的存儲(chǔ)形式易于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。這確保了數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)的安全性。

4.2 填空題的閱卷

高等數(shù)學(xué)的填空題存在著兩個(gè)特性。確定性：如果一個(gè)答案是正確的，則必須是完全符合正確答案，不能依靠關(guān)鍵詞判斷答案是否正確。因?yàn)榧词勾鸢竿耆岁P(guān)鍵詞，如果多出了其他東西，也有可能是錯(cuò)的。多樣性：答案可能存在多個(gè)形式，因此可能有多個(gè)正確答案。

自動(dòng)閱卷的基礎(chǔ)是判斷學(xué)生答案和正確答案是否匹配。填空題是以畫圖的形式做答，因此要運(yùn)用到圖像識(shí)別技術(shù)。運(yùn)用該技術(shù)的可行性是數(shù)學(xué)公式的構(gòu)成實(shí)際上是數(shù)字和數(shù)學(xué)符號(hào)，易于識(shí)別。本系統(tǒng)運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行圖像識(shí)別，此技術(shù)在識(shí)別數(shù)字上較為成熟。它是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前運(yùn)用較為普遍的是三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、輸出層和中間層。通過多次訓(xùn)練，它可以有效地識(shí)別圖中的不同數(shù)字和數(shù)學(xué)符號(hào)。具體設(shè)計(jì)如下：

1）提取訓(xùn)練樣圖中的圖像特征：歐拉數(shù)、圖像矩陣每行和每列的黑色像素點(diǎn)之和。以此作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入矩陣。并規(guī)定每個(gè)數(shù)字和數(shù)學(xué)符號(hào)的輸出結(jié)果。

2）通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到實(shí)際輸出結(jié)果，然后計(jì)算實(shí)際結(jié)果和期望結(jié)果的誤差，看是否滿足要求，滿足則訓(xùn)練結(jié)束，否則進(jìn)行第三步

3）計(jì)算每層神經(jīng)元的局部梯度，并根據(jù)局部梯度修正各個(gè)矩陣的權(quán)值，然后重新進(jìn)入步驟2。

因?yàn)閿?shù)學(xué)答案的多樣性，教師很難將答案的所有情況都考慮下來。因此，事先固定標(biāo)準(zhǔn)答案然后一次批改學(xué)生答案這種做法是不安全的。鑒于這個(gè)情況，本系統(tǒng)的自動(dòng)閱卷功能采用二次閱卷的方法。該方法的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)已進(jìn)入測試階段，一個(gè)學(xué)期內(nèi)對(duì)高等數(shù)學(xué)考生實(shí)行在線考試三次。測試結(jié)果比較理想，基本完成了高等數(shù)學(xué)在線考試系統(tǒng)的目標(biāo)。

系統(tǒng)仍需要改進(jìn)的地方是考試系統(tǒng)的承載力的問題。我們的測試是每組200多人同時(shí)進(jìn)行在線考試，期間還是出現(xiàn)了無法登陸考試系統(tǒng)和考試系統(tǒng)運(yùn)行緩慢等原因。因此，本系統(tǒng)的承載能力需要繼續(xù)提高。為此，我們可以引入帶均衡策略的服務(wù)器集群技術(shù)，帶負(fù)載均衡的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，每臺(tái)服務(wù)器可以單獨(dú)對(duì)外提供服務(wù)而無須其他服務(wù)器的輔助。通過負(fù)載均衡器將外部發(fā)送來的請(qǐng)求按照預(yù)先制定的均衡策略轉(zhuǎn)發(fā)到最佳服務(wù)器，從而使用戶請(qǐng)求得到最快的響應(yīng)，從而提高系統(tǒng)的負(fù)載能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在線考試系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)考試將會(huì)成為一種趨勢，高等數(shù)學(xué)雖然因其本身的特點(diǎn)使得實(shí)現(xiàn)在線考試系統(tǒng)存在困難，但隨著技術(shù)的提高和發(fā)展，這些困難終究會(huì)被解決。

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