（计算数学专业论文）基于高等数学的无纸化仿真考试系统的开发和研究.pdf

摘要 摘要 自从二十世纪七十年代，b o l tn e r a n e kn e w m a n 公司开发了最早的计算 机辅助教学系统s c h o l a r 系统以来，计算机辅助教学系统已得到了迅速的 发展。计算机辅助教学是人类教育发展史上最重要的技术变革之一，它对 传统的教育方法带来了强有力的冲击，使人们获得知识的方式发生了革命 性的变化。它不仅改变了人们原有的学习方式，而且为传播知识带来了一 种灵活的方法。 无纸化仿真考试是计算机辅助教学系统的一个重要研究方向，它的应 用和研究克服了传统考试模式的诸多弊端，尤其表现在试卷的客观性、公 正性的把握上。无纸化考试是利用计算机软件来完成试卷的集成、批改、 分数核算、成绩统计和试卷分析的，减少了传统考试中主观因素影响的权 重。此外，在组卷算法方面，仿真考试系统是依托成熟的组卷算法来实现 的，这种方式不仅减低了考试的成本，而且能从很大程度上提高试卷的成 功率。 论文依据无纸化仿真考试的需求分析，构建了仿真考试系统的结构模 块，分为：( 1 ) 用户信息管理模块；( 2 ) 题库管理模块：( 3 ) 智能组卷模块；( 4 ) 考试平台模块；( 5 ) 试卷分析模块。并由此结构逐步设计出各模块的程序算 法。其中，在组卷模块中，提出了两种组卷难度分布算法，第一种算法是 试卷难度变量服从p o i s s o n 分布；第二种算法是试卷难度变量服从正态分 布。这种两算法，在相对稳定的范围内真实地反映了试题的难度分布，从 而使考试不仅成为检验教学情况的重要手段，而且更由于试卷难度水平的 稳定，使得用考试成绩评价教学水平的权威性得到师生的认同。 关键词难度分布；随机变量；c a i ；算法；动态；考试平台 燕山大学理学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e1 9 7 0 s ，t h ef i r s tc o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o ns y s t e m - s c h o l a r s y s t e mw a sd e s i g n e db yb o l tn e r a n e kn e w m a nc o m p a n y , c o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y a sam o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g y t r a n s f o r mi nh u m a np h y l o g e n y , a lt h es a m et i m e t h ec o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o n s y s t e m h a sb r o u g h ti m p a c ts t r o n g l yo nt r a d i t i o n a le d u c a t i o n t e c h n i q u e s t 1 1 cw a yb yw h i c hp e o p l ea c q u i r ek n o w l e d g eh a st a k e np l a c e w o r l d - s h a k i n gt r a n s f o r m a t i o n n o to n l yt h et r a d i t i o n a lm e t h o db yw h i c hp e o p l e s t u d yh a sb e e ni m p r o v e d , b u ta l s oi tb r i n g sf l e x i b l eam e t h o df o rt r a n s m i t t i n g i n f o r m a t i o i l o n l i n es i m u l a t i o ne x a m i n a t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l do ft h e c o m p u t e ra s s i s t e di n s t r u c t i o n , w h i c ho v e r c o m em a n yd i s a d v a n t a g e si n t r a d i t i o n a le x a m i n a t i o nm o d e le s p e c i a l l y , i nt e r m so fh o l d i n go b j e c t i v i t ya n d n o t a r i z a t i o no ft e s tp a p e r g e n e r a t i n gt e s tp a p e ra tr a n d o m , c h e c k i n ga n s w e r n a m e l y ， m a r kc a l c u l a t i o na n dc o u n t i n g g r a d e s h a v eb e e n c o m p l e t e d a u t o m a t i c a l l yb yc o m p u t e rs o t h v a r e ，w h i c hw e a k e n si n f l u e n c eo fs u b j e c t i v e f a c t o r sw h i c he x i t i nt r a d i t i o h a le x a m i n a t i o nm o d e l w h e ni tc o m e st o a l g o r i t h mo fg e n e r a t i n gt e s tp a p e r , t h es i m u l a t i o ne x a m i n a t i o ni sa c h i e v e dw i t h n 篮l t u r eg e n e r a t i n gp a p e ra l g o r i t h m , w h i c hn o to n l ye c o n o m i z eag r e a td e a lo f p e o p l er e s o u r c e sa n dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，b u ta l s oi m p r o v et h es u c c e s sr a t i oo f g e n e r a t i n gt e s tp a p e r i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , r e q u k e m e u ta n a l y s i so fs i m u l a t i o ne x a m i n a t i o n s y s t e mi sd o n e ，a n df r a m e w o r ko fe x a m i n a t i o ns y s t e mi sm a d el 驴i ti n c l u d e s ： ( 1 ) i n f o r m a t i o nm a n a g i n gm o d u l eo fu s e r s ；( 2 ) m a n a g i n gm o d u mo ft e s t q u e s t i o n ss t o r e r o o m ；( 3 ) m 龇a g i n gm o d u l eo fg e n e r a t i n gp a p e r ；( 4 ) m a n a g i n g m o d u l eo f e x a m i n a t i o np l a t f o r m ；( 5 ) a n a l y s i sm o d u l eo f t e s tp a p e r o n eb yo u e ， a l lp r o g r a ma l g o r i t h m so fa l lk i n d so fm o d u l e sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gw i t h n a b s t r a c t s y s t e mf r a m e w o r k h e r e i n t o ，b a s e do ng e n e r a t i n g t e s t p a p e rm o d u l e ，t w o a l g o r i t h m s o nd i f f i c u l t yd i s t r i b u t i o no fg e n e r a t i n gt e s tp a p e ra r eb r o u g h t f o r w a r d ：t h ef i r s ta l g o r i t h mi sc o n s t r u c t e da l g o r i t h ma c c o r d i n gw i t hf u n c t i o n p o i s s o nd i s t r i b u t i o n ；t h es e c o n da l g o r i t h mi sc o n s t r u c t e db a s e do f fn o r m a l d i s t r i b u t i o n i nas t e a d yr e l a t i v e l yr a n g e ，s u c ha l g o r i t h mc a nr e f l e c td i f f i c u l t yo f t e s tq u e s t i o n st r u l y n o to n l yi tm a k e se x a m i n a t i o na sa ni m p o r t a n tn 硷a n 5f o r c h e c k i n gu pt e a c h i n g ，b u ta l s o ，d u et ot h ed i f f i c u l t yl e v e l o ft e s tp a p e r , i t c o n f r e r et h ea u t h o r i t yo f a p p r a i s i n gt e a c h i n gb ye x a mg r a d e k e y w o r d sd i f f i c u l t yd i s t r i b u t i v e ；r a n d o mv a r i a b l e ；c a i ；a l g o r i t h m ；d y n a m i c ； e x a m p l a t f o r m 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于高等数学的无纸化 仿真考试系统的开发和研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将 完全由本人承担。 作者签字叫抱侈 日期扣年，月形日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于高等数学的无纸化仿真考试系统的开发和研究系本人在燕山 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相 关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 叫耗够 列义 年解密后适用本授权书。 ) 日期：砌5 年，月6 日 日期：西年月，6 日 纯衫吖 口 密打 密 保内 保 不框 方 于 应 属 相 文 上 论 以 位 在 学 请 本 0 第1 章绪论 第1 章绪论 自从二十世纪七十年代，b o l tn e r a n e kn e w m a n 公司开发了最早的计算 机辅助教学系统s c h o l a r 系统以来，计算机辅助教学系统已得到了迅速的 发展。尤其是随着现代信息技术的发展，计算机的应用已渗入n t 人们生 活的各个方面，对社会的发展起到了难以估计的作用。计算机辅助教学系 统是人类教育发展史上最重要的技术变革之一，它对传统意义上的教育方 法带来了强有力的冲击，从计算机辅助教学到计算机教育技术的全面推广， 人们获得知识、信息的方式都发生了翻天覆地的变化，计算机技术的进步 不仅改变了人们原有的学习方式，而且，为更多的人能接受教育创造了条 件。例如：在美国，由伊利诺斯大学研制的p l a t o 教学系统，存储有1 5 0 个专业约7 0 0 0 学时的教学内容，范围涉及数学、天文、物理、化学、地理、 历史、语言、心理学等学科，具有全年提供约一千多万人同时上机的教学 能力，相当于一个具有2 4 0 0 0 名学生的大学学习一年的总学时。自1 9 9 1 年以来，这种全新的教育改革已逐步扩展到美国的十一万所公立学校( 包 括小学、中学和大学) 。 目前，信息技术在美国校园内已是风起云涌。随着信息网络技术的迅 猛发展，美国各大学正全力实现校园的网络化【1 1 。计算机和计算机网络技 术正冲击着学校的教学和管理体系，各大学都认识到，加入i n t e m e t 的 w w w ( w o r l dw i d ew e b ) 十分必要。越来越多的教学人员已将教学大纲、教 案、实验和学生报告输进计算机网络之中。 我国开展计算机辅助教学工作虽然起步较晚，但发展速度很快，在这 方面已经取得了一大批成果。8 0 年代初期，我国就有少数人着手开展这项 工作，最早有组织的开展这项工作的是以华东师范大学和北京师范大学等 校牵头成立的“全国计算机辅助教育学会( c b e ) ”。8 0 年代后期，北京、四 川等省市地区也相继成立了计算机辅助教育学会，同时有一批学校建立了 燕山大学理学硕士学位论文 c a i 研究所、c a 中心实验室。八十年代末、九十年代初，国家教委多次 组织全国性c a i 研讨班，召开专题学术会议，并于1 9 9 3 年1 1 月成立了“全 国高等工业学校c a i 协助组”，1 9 9 4 年5 月成立了“全国高等学校理科 c a i 协助组”，“七五”、“八五”期间开始在全国范围内有领导、有计 划、有组织地开展电子多媒体教学出版物的建设。特别是“八五”期间，把 计算机教学软件“国家试题库建设”作为教学手段现代化的重要环节，纳入 教学研究和教材建设的规划，作为国家重点项目进行研制，因此产生一大 批系统性强、有实际教学能力的教学软件，不少已在教学中使用，有的还 出口到国外华人学校。如：由国家教委高教司和高等教育出版社资助，由 北京大学、复旦大学和南京大学主持和牵头的2 0 多所高校、一百多位物理 教师、软件专家经过两年共同努力开发出的大学物理系列软件：普通物理 学和数学物理方法两套课件，已于1 9 9 5 年5 月通过了国家教委组织的鉴定 并推向市场【2 】。它是我国目前的p c 系列微机和m s d o s 平台上运行规模 最大、系统性最强的优秀计算机辅助教学软件，它把传统的教学手段难以 表述清楚或无法观察的内容通过计算机充分显示出来。迄今我国已经形成 由计算机软件工程师和各领域专家等组成的、具有一定规模的教学软件研 制开发队伍，他们具有巨大的教学软件生成潜力，而且全国正在逐步形成 从教学软件的登录、管理、评审到出版的各类组织，我国的教育事业将逐 步走向教育软件的商业化、社会化。 国家教育部2 0 0 1 年发文，明确要求本科院校至少要3 0 的课程采用 多媒体教学。在此精神的指引下，我国高等院校的教学设施有了很大的改 善，利用多媒体技术进行教学正在全国高校普及开来。特别是重点院校和 经济发达省份的高校，几乎所有的教室都配备了计算机、投影仪以及声控 设备，为利用多媒体技术进行教学提供了必要的物质条件。而且在一些经 济欠发达省份的院校，学校从捉襟见肘的经费中，挤出一定的资金，用于 装备多媒体教室，以改善教学环境、提高教学质量和档次。 1 2 无纸化考试系统的简介 计算机无纸化考试也被称作计算机网络化考试，它是利用了计算机软 2 第1 章绪论 件技术及计算机网络技术的优势来实施考试的一种新型模式【孙。利用计算 机软件技术自动出考题，按要求智能组卷，便捷的答题系统，阅卷自动化 等考试系统减轻了考试各个环节的工作强度；利用计算机网络技术进行网 上报名考试，下传考试试题，考场监考，上传考试过程和结果，统计成绩 等考务支持系统免去了人工处理带来的各种弊端和差错。同时，计算机网 络化考试系统也符合当今开放式的教育发展模式，是现代教育一个非常有 发展潜力的方向。 1 3 无纸化考试系统的国内外研究现状 网上教学是现代远程教育发展的方向，实现考试网络化也便成为现代 远程教育发展的必然趋势。网络化考试系统不单纯是指计算机学科类的考 试，还可以用于其它各种学科类的考试。随着计算机上机考试的普及，计 算机网络化考试正逐渐代替传统的有纸化考试而形成气候。网上考试涉及 到的技术、方法、安全等问题，己形成一个课题，逐渐成为国内外各大研 究机构研究的重点。 1 3 1 无纸化考试系统研究的国内现状 在国内，网络化考试与发达国家相比相对落后，大规模的利用计算机 网络进行考试的情况还很少，大部分也只是限于单机考试或简单的成绩管 理。现有的计算机考试方式较陈旧。通常只有这两种方式，方式一、只进 行选择题、判读题考试，也就是进行一些客观题的测试，例如：大部分的认 证考试( m cs e ，s c j p 等) ，驾驶员理论考试等都采用这种方式。这种方式的 考试只需考生在有限的答案中选择一个即可。这类考试软件的编写也很简 单，采用简单的逻辑判断就可以完成对试题的评阅；方式二、基于考试模 块的计算机仿真考试系统，也可以称为全真考试系统。该系统主要采用 o l e ，操作环境模拟、w i n d o w s 消息截获等技术，同时需要国外原软件厂 商的支持( 开放源代码及文档) 【4 l 。它对g r m d o w s 平台下的考试模块有很强的 适应性。特别是针对m i c r o s o f to f f i c e 办公套件，该系统一般采用v i s u a lb a s i c f o r a p p l i c a t i o n s 的内嵌式开发工具开发。该系统的适用范围一般为各类计算 燕山大学理学硕士学位论文 机软件的考试。考生在考试时，必须在考试机上安装相应的软件模块才可 进行考试，如果涉及到考试软件本身的应用，考试就无法进行。譬如考m s w o r d 软件的操作，只能是写篇文章、改改字体，但是不能考w o r d 的页面设 置，模拟打印等等高级功能。这样考w o r d 与考d o s 下的w p s 是没有区别的。 其中最具代表性的系统是计算机等级考试系统，北京奥利泰特技术开发有 限公司开发的无纸化考试系统( h t t p ：w w w i t e s t c o m c l i ，) 和北京无忧电脑技 术开发有限责任公司开发的“无忧”系列计算机等级考试模拟软件。 1 3 2 无纸化考试系统研究的国外现状 在国外。考试系统的发展方向都已经趋于标准化、网络化。几乎所有 的认证考试都是采用网络化智能考试，可以实现随到随考。考试方式都逐 渐采用仿真考试。这种类型的考试方式采用了完全不同的“对象无关仿 真”技术，不依赖于任何特定软件，同时完全仿真了特定软件运行时的动 态特性。该系统既可以对当前已知的各类计算机应用软件进行仿真模拟考 试，又可以对经济、金融、教育、英语、数学等各类专业性知识进行无纸 化仿真考试。它的出现解决了依靠某种软件进行考试中出现的诸如知识版 权、软件使用费、使用限制等缺陷。将网上考试引入了一个更为广阔的天 地。该类系统的主要代表有全美测评软件系统有限公司( a r a ) 的e t e s t i n g 电子考试系统和加拿大k e n e x a 软件公司开发的a d v a n c e dc o m p u t e rt e s t 吨 s y s t e m p r o v ei t ! 考试软件i s 。其中a t a 公司的e t e s t i n g 系统采用了d s t ( d y n a m i cs i m u l a t i o nt c c i l l o g y ) 仿真环境试题技术【6 】，该项技术使得计算 机类考试完全摆脱了对运行环境的依赖性，无需由考试实旌单位自行安装 各种应用软件就可以进行相应的计算机软件操作考试。k e n e x a 软件公司开 发的p r o v ei t ! 考试软件可以进行近2 0 0 种科目的考试，考试的科目不但涉 及计算机操作的考试，还涉及金融、数学、法律等十几种类别1 6 j 。它的计 算机操作的考试也采用了仿真技术，可以同时考一种软件的多个版本，例 如：在同一台计算机上无需任何设置就可以同时实施m i c r o s o f tp o w e r p o i n t 7 0 ，m i c r o s o f tp o w c r p o i m9 7 ，m i c r o s o f tp o w e r p o i n t2 0 0 0 等软件的操作考 试。 4 第1 章绪论 1 4 无纸化考试的发展趋势 1 4 1无纸化考务系统的发展 由于基于w e b 技术广泛深入的应用，网络化考务系统由局域网，城域 网逐渐向广域网和i n t e r n e t 方向发展。考生可以在i n t e r n e t 互联网上进行报 名，甚至可以在己联入i n t e m e t 的个人电脑上进行考试。网络智能化考务管 理系统 7 8 1 的整个流程从考试的申请、考生的报名、考试的实施到考试后期 的阅卷、成绩的统计、证书的发放、考试费用的结算审核等全部都在考务 管理平台上自动完成。考试结束后考生可以立即知道自己考试成绩，成绩 也自动入库。智能监控系统可以实时监控考生考试的全过程。系统平台基 于分布式实现【9 】，具备全面的兼容性和扩展性，全面满足考试管理者的业 务需求。 1 4 2 无纸化考试平台的发展 近年来，无纸化仿真考试系统以其众多的优点获得大多数用户的青睐， 正在逐渐替代传统的全真考试系统。如今，一方面，就如何进一步提高对 具体仿真对象的仿真度，成为国内外大多数研究机构关注的问题。另一方 面，如何汲取全真考试模式的优点，也是急需要解决的课题，比如涉及到 一些计算机语言编程的题目时，原来的全真考试系统就较无纸化仿真考试 系统有相当大的优势。目前，一些研究单位提出了兼顾以上两者优点的考 试系统的方案【l “。最为成功的是a f a 公司开发的s r a t ( s i m u l a t i o nr e a l i s t i c e n v i r o n m e n ta s s e s s m e n tt e c h n o l o g y ) 全真环境一仿真环境动态转换试题表 现技术，主要是为了实现主观编程题的考试，该技术可判断在各种语言软 件、数据库应用软件环境下，主观编程的语法错误，并且可在模拟全真环 境下动态的自动双向转换，这为编程类试题构建了一个智能化的检测工厂。 s r a t 技术具有强大的翻译引擎，对于主观类试题( 编程类试题) 采用真实场 景，结合虚拟的运行引擎，实时生成分析报告，可以进行语法分析、结构 分析、效率分析、品质分析、运行分析等【“1 。这种方案的出台，为计算机 高级考试的实现提供了更好的思路。 燕山大学理学硕士学位论文 1 5 课题的需求分析 无纸化考试系统的使用对象主要是考生和教师，其主要目标是：( 1 ) 为 教师提供一个方便、快捷的出卷工具；( 2 ) 为学生提供一个客观公正的考试 平台。为了满足用户的要求，增强考试系统的功能，可以把系统分为以下 几种功能结构：( 1 ) 快速高效的组卷功能；( 2 ) 方便友好的考试平台；( 3 ) 强 大完善的查询和管理功能；( 4 ) 结构合理的试题库；( 5 ) 严密的试题信息保密 功能。如图1 - 1 所示，各个模块之间协调工作，共同支持系统的运行和管 理，使出卷所设定的各项指标，能顺利的传递给试题库，并且能够从库中 抽取符合条件的试题，提供给考试平台考试【l 。”】。 图1 - 1 系统的结构图 f i g 1 1s t r u c t u r ec h a r to f s y s t e m 1 6 课题制作工具v b 的介绍 v i s u a lb a s i c 6 0 是微软公司推出的一种可视化开发环境，具有入门易、 潜力大的特点，是w i n d o w s 下最优秀的编程设计工具之一，它融入了最新 的计算机技术，在科学计算、多媒体软件开发、数据库编程、网络应用等 方面都有很强的功能。而且它采用面向对象的程序设计技术，提供了易学 易用的应用程序集成开发环境，结构化的程序设计语言，能支持多种数据 库系统的访问。在软件开发上可直接调用v b 集成的各种控件进行软件界 面的设计，并结合相应的程序便能实现某一特定的功能。总的来说v b 是 一个交互界面良好、支持策略多、弹性和可扩充性强、开发周期短、见效 6 第1 章绪论 快、成本低的优秀开发工具。 1 7 论文的主要工作及结构安排 本课题是我校理工科类数学教学课程建设项目研究内容的延伸。在本 课题的研究中，充分运用多媒体教学的优势，即利用v b 软件开发功能强 大的适合于高校教学使用的无纸化考试系统。为此，要完成如下几项主要 工作： ( 1 ) 阅读大量的关于无纸化仿真理论方面的书籍和论文，吸收前人优 秀的设计理论和思想，进行更深一步的学习和研究，设计出更优秀的程序 算法，并验证算法的可靠性和合理性。 ( 2 ) 学习可视化语言v b 软件的使用技能，分析相关的程序及阅读v b 语言在计算机辅助教学中应用方面的书籍及论文，上机编制各种功能的程 序，为无纸化考试系统的开发做好准备。 本论文总共分为四个章节，第一章介绍了计算机辅助教学系统的发展 情况，分析了无纸化仿真考试系统在国内外的现状和发展前景；第二章介 绍了开发无纸化考试系统所涉及到的技术方法；第三章介绍了仿真考试系 统的框架结构及各模块的功能和结构；第四章着重阐述了实现各项考试功 能所涉及到的程序算法和系统结构。 7 燕山大学理学硕士学位论文 第2 章考试系统采用的技术方法 2 1 模块组件技术 组件技术就是利用某种编程手段，将一些人们所关心的，但又不便于 让最终用户去直接操作的细节进行了封装，同时对各种业务逻辑规则进行 了实现，用于处理用户的内部操作细节，它是通过对与编程语言无关的接 u i ( i n t e r f a c e ) 进行访问来完成的。这种接口的规范是由标准的接口定义语言 ( i d l ) 来定义的【1 5 1 。因此，应用组件技术，可以在不同的编程语言之间共享 资源协同工作，以达到更大程度上的软件重复利用。实际上，组件技术所 解决的远远不止是软件复用的问题，它还可以被用于解决在异种网络、异 种操作系统下的分布式计算和基于i n t e m e t 的企业级应用上。 组件是自包含的软件对象模块，具有良好的接口性质，同经典对象一 样，组件只能通过其接口来访问，组件的实现与其接口是分离的，组件可 以使用过程式代码、对象或封装现有的代码实现；组件是系统无关的，可 以作为对象跨越地址、空间、网络、语言、操作系统和工具来调用；组件 还支持封装、继承和多态等对象特性l “】。总之，组件是可复用的，自包含 的，独立于具体应用的软件模块。 组件代表可作为一个或多个概念完成功能的特殊服务，因而组件为组 件用户提供多个接口。接口封装了组件提供的服务，隐藏了实现细节的可 见性。组件模型是建立在组件及其运行环境的基础上，它们之间必须满足 特定的一组要求，以便约束组件接口的性质，使得组件的接口能够被公共 使用，从而保证在组件之间，使用这些组件的应用软件和组件所运作于其 上的应用环境提供一定级别的互操作性。组件模型是软件必须遵循的设计 模式。一般来说，组件模型涉及到特定组件的接口，组件环境假设，以及 组件间的约定，显示了组件模型的基本元素。组件模型中最重要的当然是 组件自身。组件是应用中所使用代码的封装。虽然组件自身可能与应用程 序代码是相关的，但如图2 1 所示，其它的相关应用程序代码可以位于组件 第2 章考试系统采用的技术方法 之上并可利用其提供的服务。另外，容器表示组件操作的环境，容器自身 可能会提供一组服务。总的来说，组件模块所具有的扩展特性，为考试系 统的适应性和可扩展性的需要，提供了最佳的途径【17 ，”l 。 图2 - 1 模块组件模型示意图 f i g 2 1s k e t c hm a po f m o d u l e g r o u p w a r em o d e l 2 2 静态仿真技术 静态仿真技术就是把状态转变成静态的页面，所完成的每一步都会显 示一个完成该步骤的页面，在此页面里，用户可以进行下一步的操作，每 次的状态切换的实质是静态页面的切换，而且页面的跳转都必须符合页面 中特定组件的触发条俐”】。 由静态仿真技术组成的仿真系统的基本模块是：页面控制器、步骤控 制器、功能信息记录器、仿真组卷间消息的传递机制、所有仿真组件。其 中，页面控制器是承接静态页面的容器，页面切换的实施者；步骤控制器 是一切仿真组件的中介，只有通过它才能实现页面的切换。功能信息记录 器能记录的当前页的页面代码，用于后期的阅卷；仿真组件消息传递机制 是各个仿真组件之间通信的约定。所有的仿真组件构成仿真系统的底部元 素，它对实际使用的软件平台上的控件进行了仿真【2 0 1 。如图2 2 是单页单步 9 燕山大学理学硕士学位论文 骤的静态仿真技术关系示意图。 i 蔷i 磊石；磊习 图2 - 2 单页单步骤的静态仿真技术关系示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po fs t a t i cs t a t ei m i t a t et e c h n i q u ew i t hs i n g l ep a g ea n ds i n g l es t e p 2 3 动态仿真技术 动态仿真思想部分地吸取了全真考试系统的思想，同时兼顾了静态仿 真系统的优点，解决了静态仿真系统一些无法解决的问题。动态仿真技术 的本质是某一操作功能的实现，其基本思想来源于泛型编程思想( g e n e r i c p r o g r a m m i n g ) ，它是一个能完成某一类功能的功能体，主要是由一个可操作 部分和一个模板组件所构成，其中，可操作部分是具有一组特定功能的可 视化组件模块。 动态仿真技术由两大类组件构成：一类是原型( p r o t o t y p e ) ，在泛型编 程思想中被称为容器( c o n t a i n e r ) ；另一类是用于操作原型的各种算法，在 泛型编程思想中被称为泛型算法。通常，每个分类功能都有一个原型，其 中，可操作部分，模板组件和被操作对象的关系是：一个功能模块拥有一 1 0 第2 章考试系统采用的技术方法 个属于本身的模板组件，一个模板组件可以衍生出多个同类型的被操作对 象，如图2 3 所示。如：在w i n d o w s 系统中对一类文件实施新建、删除、复 制操作时，w i n d o w s 的文件系统就是模板组件，w i n d o w s 的窗口就是可操 作部分，而新建、删除、复制操作就是相对应的操作原型算法。 图2 3 动态仿真技术的关系圈 f i g 2 - 3r e l a t i o nm a po f d y n a m i ci m i t a t et e c h n i q u e 2 4 抽象工厂和工厂技术 在面向对象的编程中，软件编程人员更加注重以前的代码的重用性和 可维护性。由g a m m a 。h e l m 和j o h n s o nv l i s s i d e s 珥位大师简称g a n go f f o u r ， 缩写g o f 编著的 d e s i g n p a t t e r n s ) ) 中提出了可复用面向对象软件基础的2 3 种模式，完全符合m v c ( m o d e l - v i e w - c o n t r 0 1 ) 的设计样式，极大地解决了 代码重用性的问题。抽象工厂( a b s t r a c t f a c t o r y ) 和工厂方法( f a c t o r y m e t h o d ) 是无纸化考试系统中使用最频繁的两种模式。前者的作用是创建一系列相 关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。后者的作用是定义 一个用于创建对象的接口，让子类决定将哪一个类实例化。使一个类的实 例化延迟到其子类。在考试系统中，将两者结合使用形成通用的类制造工 厂。此类模式被应用到考试平台及题库管理系统中，而且静态仿真系统中 仿真组件间消息传递机制的消息中心和动态仿真系统的逻辑中心都是基于 燕山大学理学硕士学位论文 这个模式实现的。 2 5 本章小结 在本章节中所涉及的模块组件技术、静态仿真和动态仿真技术、抽象 工厂和工厂技术均是无纸化考试系统开发的常用技术，这些技术从根本上 保证了考试系统逻辑结构的合理性和系统功能的高效性，在很大程度上提 高了无纸化仿真考试的成功率。 第3 章无纸化考试系统的结构 第3 章无纸化考试系统的结构 3 1引言 合理的系统结构，友好的操作平台是无纸化考试系统所要考虑的关键 设计之一，它是整个系统的基础，决定着系统的功能结构。对于考试系统 来说，其主要使用对象是教师和学生，主要目标是给教师提供组卷出题和 试题维护的平台，并实现考生的在线考试、成绩查询及系统的自动阅卷和 成绩统计。为此，在使用功能上把考试系统设计为四个部分，分别是：信 息管理模块、组卷出题模块、试题库模块、在线考试模块。其中信息管理 模块的功能是用来录入用户登录系统所需的用户信息，并实现对已注册用 户资料的管理；组卷出题模块是用来设定组卷所需的各种参数，如：设定 章节范围、试题类型、难度级别、考试时间、考试类型等参数；试题库模 块主要是存放试题的数据库，而且是一个能对试题进行编辑、删除、添加 等功能的平台；在线考试模块则为考生提供了方便的考试平台【2 1 1 。 3 2 信息管理模块 信息管理主要是对用户的注册信息和其对系统的使用权限进行管理和 控制，这样设计主要是为了保证考试系统的安全性。就权限而言，不同的 用户对系统却有着不同的权限范围，而设置使用权限的主要目的是为了防 止考生及非法用户的作弊现象。对于考生来说在登录系统后只能进行上机 考试及本人成绩的查询，而没有修改、查询他人考试信息和调阅试卷的权 限；但是，教师除了有对试题库中的试题进行编辑、维护的权限，而且有 设定组卷的参数，调阅考生的考试信息、记录的权限( 包括考生的所做的试 卷、考试成绩等) 。使用权限最大的是考试系统的管理员，考生和教师登录 系统的用户名和密码均由系统管理员负责输入和管理，他有权调阅所有注 册用户的信息资料和成绩单。依据上述权限原则，信息管理模块在设计上 为用户提供了用户信息资料的输入、查询、修改等端d 1 2 3 2 4 】。图3 1 是各 燕山大学理学硕士学位论文 用户的权限范围。 图3 - 1 用户权限结构图 f i g 3 1s t r u c t t ec h a r to f u s e r sp u r v i e w 3 2 1 用户信息管理的功能结构 系统管理员是考试系统的超级用户，担负着管理和维护考试系统的工 作，所以具有较强的使用权限和管理权限。在管理员的功能设计上分为两 1 4 第3 章无纸化考试系统的结构 部分：( 1 ) 对自身信息的管理；( 2 ) 对用户登陆信息的管理。管理员登录结构 设计的主要目的，是为了防止非法用户进入考试系统的信息管理中心篡改 注册用户的资料，所以，在程序设计上实行了双层保护的模式，首先，在 外部，系统为管理员提供了用户名和密码的验证窗口，其次，在内部，即 信息管理中心，设计了管理员信息的更改结构。这样的设计是一个具有双 重验证功能的模块1 2 5 1 ，也就是说，即使非法用户能进入信息管理中心，要 想取得资料的修改权，还要向系统提供正确的管理员用户名、密码、验证 码，否则，只要所输入的用户名、密码、验证码的三者之一无效，修改便 会被系统否决，并且系统只提供三次验证的机会，如果三次输入的管理员 信息都不对，系统则会自动退出信息管理中心。 仿真考试系统的信息管理中心，主要由教师信息和学生信息两部分组 成。在功能上，提供了用户资料的录入、查询、修改等功能。其中，在新 用户资料录入上，提供了用户类型的选择，即：教师用户和考生用户。在 各用户类型下，均设计了维护、新增两项功能，维护是用来完成对已注册 用户资料的搜索( 其搜索方式分精确搜索和模糊搜索两种：精确搜索是指输 入学生的学号或教师的身份编号所进行的点对点的搜索，搜索结果要么只 有一个要么一个都不存在；模糊搜索是在只知道用户的院系、专业、姓名 中的一个或几个情况下进行的泛面的搜索，搜索结果是一类具有相同属性 的用户) 、修改和更新 2 6 - 2 8 】。图3 2 是系统用户信息管理的结构图。 图3 - 2 信息管理结构图 f i g 3 2s t r u c t u r ec h a r to f i n f o r m a t i o nm a n a g e 1 5 燕山大学理学硕士学位论文 3 2 2 成绩输出结构的设计 考试成绩的输出工作是通过系统管理员模块下的查询打印模块来完 成的，其主要结构是成绩查询结构，可分成个体成绩查询和整体成绩查询 两部分，其中通过整体成绩查询，可以输出某一指定时间的成绩列表，某 一院系的成绩列表或者某一专业的成绩列表。具体的输出结果是要依赖于 查询条件的设定【2 9 1 。图3 3 是成绩输出功能的结构图。 图3 - 3 成绩输出功能的结构图 f 培3 3s t r u c t u r ec h a r to f g r a d eo u t p u t 总的来说，考试信息管理模块主要是为考试提供一个信息输入和结果 输出的操作窗口，其本质上是两个操作平台和三个数据库之间的数据交换。 其中，平台是系统信息管理平台和成绩输出平台 3 0 3 2 】；数据库有教师信息 库、学生信息库、学生成绩库。图3 4 它们之间实现的数据交换的示意图。 图3 - 4 数据交换的结构图 f i g 3 - 4s t r u c t u r ec h a r to f d a t ac o m m u t a t i v e 1 6 第3 章无纸化考试系统的结构 以上述框架为结构的管理界面布局如图3 5 所示，整个窗口分为左右 两部分，其中，左边是管理系统的操作区域，右边是数据的输出窗口。 幽3 - 5 信息管理界面图 f i g 3 5i n t e r f a c ei m a g eo f g r a d eo u t p u t 3 3 组卷系统和试题管理模块的结构 智能组卷是考试系统实现自动化操作的核心组件之一，其基本目标是 根据用户的组卷要求，随机抽取试题组合成一份符合要求的、高质量的试 卷，供考生使用。它的实现过程是：首先由用户向系统提供生成试卷的具 体要求，再由计算机调用组卷算法从试题库中抽题组卷。这个过程是在智 能组卷模块和试题库相互支持的情况下完成的，其过程是；组卷模块向试 题库传输组卷参数调用试题，试题库再根据要求从试题库中搜索符合要求 1 7 燕山大学理学硕士学位论文 的试题。二者就像汽车引擎与油箱的关系一样，缺一不可。所以，科学合 理的组卷参数控制算法和合理的试题库结构是设计无纸化考试系统的关键 所在p 3 j 4 1 。 3 3 1 组卷参数控制功能的结构设计 自动组卷的原理 3 刀是计算机把用户提供的组卷参数传递给智能组 卷算法，经过组卷算法处理后，形成一份与用户组卷要求相一致的参数试 卷，并自动存储到专门的库中，待考生上机考试时，考试系统便依此参数 试卷为组卷依据，随机从试题库中组合一套试卷提供给用户考试。这种结 构的设计，即满足了出题者的要求，又保证了同一组考生试卷难度的一致 性。参数控制结构如图3 - 6 所示，其中，在组卷参数设定上，依据参数的 关键性程度，可以分为两类：( 1 ) 关键性参数，例如：组卷的章节范围、试 题类型( 包括单选题、多选题、判断题、填空题) 、各题型数量、试题的总 数量、考试用时、试卷平均难度系数、满分类型( 分为：1 0 0 分和1 5 0 分两 种) ，这些参数是组卷所必需的，决定着试卷的结构和类型；( 2 ) 非关键性 参数，包括试卷的年月、季节、考试类型，这些参数属于试卷的标示符。 图3 - 6 参数控制结构图 f i g 3 6s t r u c t u r ec h a r to f p a r a m e t e rc o n t r o l 1 3 第3 章无纸化考试系统的结构 3 3 2 试题库维护平台的结构设计 考试系统试题库在建好后，如何对库中试题的内容和属性信息进行维 护和更新是所要解决的一个重要问题。对于题库的更新来说，( 1 ) 是根据学 生的考试成绩的反馈，对题库中存在的问题进行动态的更新；( 2 ) 是根据教 师教学的需要，对题库中试题的扩充。在题库中，对于难度过大或过低的 试题以及区分度过小的试题应予以修改或删除，而对于试题的难度系数与 原题相差较大的应该及时更新其难度系数。而要实现这些功能，就要设计 一个功能较强的题库维护平台。图3 7 是题库维护平台的结构图。 图3 7 题库维护平台结构图 f i g 3 7s t r u c