（计算机系统结构专业论文）基于网络的无纸化考试系统的设计及实现.pdf

ii 摘 要 无纸化考试是指利用计算机完成试题库的建立和管理、选题组卷、上机考试和阅 卷评分等各个考试环节的活动，可有效地解决传统考试模式中存在的效率低下、试题 质量难以控制以及试卷的保存和运输成本过高等问题，是今后考试模式的发展方向。 但是，国内现有的无纸化考试系统普遍存在试题库规模不大且题型单一等问题，而且 多为某一学科的专用系统，极大地限制了无纸化考试模式的推广。 结合特定应用需求， 阐述了一个基于网络的无纸化考试系统 ibts （internet based testing system）的设计思想，给出了系统总体设计原则，描述了系统的基本架构、 工作流程及各功能模块的划分， 说明了系统从试题库的最初建立到完成考试并生成成 绩的一般过程。 为使系统的性能得到根本性的保障，从分析系统数据组织和处理的特点入手，通 过合理设计数据库结构，同时结合教育考试理论以及恰当的数据访问技术，完成了与 无纸化考试自身特点相适应的四项关键设计：基于动态菜单的用户管理机制；适用于 大数据对象处理的数据访问机制；试题库建立、维护和调用过程中的选题策略；随机 调整试题顺序的防作弊机制。 根据基于角色的访问控制策略设计了系统动态菜单， 实现了用户与访问权限的逻 辑分离。结合数据库技术的发展，通过合理地设计数据库结构，实现了试题库对多种 题型的支持。根据教育考试理论动态调整试题库中的试题难度和区分度等指标的分 布， 使各类题型的比例趋向合理。 考试开始之前试卷的题序和选项顺序都被随机打乱， 从而可有效地防止考生之间可能出现的抄袭行为。 实际运行结果表明，ibts 系统能满足实际应用的需要，且具有较好的可扩展性。 关键词：无纸化考试系统；经典测试理论；基于角色的访问控制；试题库；组卷策略 iii abstract paperless examination based on computer technology is a process of establishment and management of item bank, selecting exam questions to compose exam papers, making examination on computer and grading exam papers. it can effectively improve the problems under conventional model, which are low efficiency, difficulty to control exam quality and high expense of exam papers for storage and traffic. paperless examination is deemed to be the trend of all exam models in future, however, the exam systems at present mostly are with the defects of small scale in item bank and single exam question type, some of which are specific application in one subject direction, and these defects extremely confined the popularity of paperless examination model. considering some certain special application, the design theory and principle of internet based testing system are expounded. the basic architecture, work flow and partition of every system functional module are described, while the process from initializing item bank to accomplishing test and generating grade is presented. in order to guarantee the system performance thoroughly, the special characters of data organization and data process are analyzed and database structure is suitably designed. considering the educational examination theory and proper data access technology, many key designs adapting to paperless examination are accomplished, which are user management mechanism based on dynamic menu, data access mechanism of a good flow of large data object process, selecting strategy in call course, establishment and maintenance of item bank, anti- cheating mechanism of changing the order of test questions randomly. according to the role- based access control strategy, dynamic menu of system is designed and logic division between user and access authority is implemented. considering the development of database technology, database structure is reasonably designed and multi exam question type is well implemented. according to the educational test theory, the distribution of exam question difficulty index and separation index are adjusted dynamically in item bank, it makes all kinds of exam question type probable. at the iv beginning of exam, the exam question sequence numbers and choice sequences are disordered, so it can effectively prevent cheating behaviors from exam candidates. in practice, ibts is able to meet the needs of practical application, and has good expansibility. key words: paperless examination system; classical test theory; role- based access control; item bank; approach for composing test sheet i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密 。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 随着信息化时代的到来，飞速发展的计算机技术提升了社会各领域的工作效 率，一些传统的生产方式和生活方式都在发生改变1。特别是互联网技术的发展， 使人们获取知识的途径早已不再局限于纸质的教科书2，各种基于 internet 的远程 教育3- 4正在普及。教育模式的变化同样带动了考试方式的变革。 传统的考试模式在整个组织过程中并不能实现自动化和信息化，大量的工作都 靠人力完成。一个完整的考试过程，需要经历编排计划、命题审题、组织报名、编 排考场、排版印刷、运送和保管试卷、考务培训、组织考试、回收试卷、评阅试卷、 登分建档和发放成绩等诸多环节，同时为保证各个环节的可靠性和安全性，还需要 投入大量的人力、物力和财力。这是一个漫长而复杂、耗时而费力的过程，特别是 当考试规模增大时，总的考试费用和所花费的时间都成倍增长。造成这些问题的原 因在于数量巨大的纸质试卷很难实现自动化处理。要提高考试效率，必然要对传统 的考试模式进行彻底的自动化和信息化改造，提出更适应不断增长的考试要求的全 新考试模式。在新的考试模式中将不会出现纸质的试卷，称为无纸化考试模式。 无纸化考试作为一种新的考试方式正逐渐成为教育、人事管理、统计和软件开 发等领域的研究热点。一般的无纸化考试是指利用计算机呈现考题，被测试者在计 算机上作答的行为。本文所指的无纸化考试则是指利用计算机完成试题库的建立和 管理、选题组卷、上机考试和阅卷评分等各个环节的活动。无纸化考试之所以引起 多学科的广泛关注，是因为无纸化考试必须综合使用多种学科的知识和成果，无纸 化考试不仅仅是从形式上对纸笔化考试进行革命，而且对考试内涵和评估标准也有 重大的革新。在无纸化考试系统中，所有的工作将更关注于考试相关的各种数据本 身，尽量减少各种纸质材料的存在5，这样自然地消除试卷相关的印刷和保存等处 理环节，也必然减少了各种重要数据丢失的可能，在数据安全性上得到了一定的保 2 障。随着技术的进一步成熟，无纸化考试必将成为未来考试方式的主流。 为了弥补传统的纸笔考试的缺陷，缩短考试周期、降低考试成本、提高考试效 率、增强自学考试的竞争力并缓解办考压力，提供一种更加灵活、公平、准确、安 全和高效的考试方式，湖北省教育考试院自考办和命题中心从自学考试的长远发展 这一战略高度出发，适时提出了开展无纸化考试系统研究这一课题。 1.2 无纸化考试系统的发展现状 1.2.1 无纸化考试系统的基本功能 无纸化考试系统是一个集数据库访问、网络通信和即时监控等技术于一体的综 合应用系统6。 一般认为，无纸化考试系统应该实现以下基本功能。 （1）试卷自动生成 必须建立一个可靠的试题库，然后根据指定的参数和策略从试题库中抽取符合 要求的试题组成试卷，这些参数包括试题的难度、区分度和考试的信度等。 （2）考生上机考试 提供界面风格友好的考试客户端，必须能够正确显示所有的试卷内容，并提供 答题接口。 开始正式答题之前提供试卷预览功能； 提交试卷之前提供答题总览功能。 考试过程中提供帮助功能用于考生求助监考老师，提供时间提示功能。提交试卷后 自动锁定考试客户端。 （3）客观题评分 客观题答案相对固定，在考生提交试卷之后，由系统立即给出评分。 （4）主观题评分 考生提交的主观题答案将存入数据库，之后将组织专人评分。 （5）成绩统计及结果分析 所有试题评阅完毕之后，由系统自动统计考生的成绩。系统还可提供全体考生 及试题的总体统计信息。考生可访问指定的 web 站点查询自己的成绩。 3 （6）考场监控及防作弊 考场管理员可通过考场管理客户端监视本考场的每个考试客户端的屏幕图像， 还可以强制锁定某个考试客户端的键盘和鼠标输入。考场管理员可以标记考生的作 弊行为，并通过结果文件记录到考试中心的数据库中。系统中的所有本地文件和网 络上传输的数据都经过加密，并且在完成一次考试后清空所有本地保存的文件。 1.2.2 发展现状 在国外，计算机辅助考试方面的研究开展得很早，无纸化考试作为计算机辅助 考试的发展方向已经得到了广泛的应用7。计算机辅助考试自 20 世纪 60 年代初在 美国诞生至今已经过了 40 多年的发展8。早期的计算机考试系统其操作平台多为 dos 系统，所支持的考试和评分也是处理基于 dos 的各种应用程序和数据。后来， 随着微机操作系统由 dos 转向 windows 平台，对考试系统也提出了新的要求，即 考试系统应该支持 windows 平台下的考试、评分处理。此外，对考试系统的整体功 能也提出了更高的要求，要求考试系统对考试的全过程实行全部的管理和控制，即 从考前的数据处理如考生的数据录入、 考号生成和编排考场， 到考试的实施与评分， 直到最后的分数处理，全部由计算机管理和控制，从而实现考试的无纸化及全计算 机化，无纸化考试系统已经成为计算机辅助考试系统的发展趋势。 近年来，随着计算机及通信技术为代表的信息技术进一步发展9，各种各样的 无纸化考试系统也应运而生，但整个考试流程仍然基本相同，大致分为：命题、考 生报名、考生登录、获取试题、开始考试、提交试卷和系统评分等10- 12。由于各种 考试系统都有很强的针对性，所以其考试模式各不相同。根据考试系统模式的不同 可以分为两大类： 单机模式和网络模式， 而网络模式又可分为 b/s 模式和 c/s 模式。 （1）单机模式：考试在单机上进行，分为两种方法。第一种方法，将整个系 统（包括系统管理和考试系统）都安装在单机中，参与考试的所有机器都要安装同 样的系统。这种方法的缺点是重复安装系统耗费大量时间，而且对系统安全性和成 绩回收都有较高的要求，考务管理的工作量以及系统升级维护工作量都相当大，而 优点则是保持了系统的完整性。全国计算机等级考试的单机版就是这样实现的。第 4 二种方法，将系统管理模块安装在管理员的一台专用计算机中，由它来生成考卷。 将己经生成的考卷和考试系统安装在考试计算机中。这时，通常用一块软盘存储考 试系统和相关考卷。考生的答卷就存放在软盘中，考生考完以后，收回软盘，再由 管理员的专用计算机进行改卷。这种方法在考务管理的工作量、信息安全和成绩回 收上都存在重大缺陷，但其优点是组织考试比较灵活，管理人员不需要特别严格的 培训，且系统使用的地域范围广。因此，这种方法还大量存在于一般的中、小型考 试中。某些地方的机动车驾驶员上机考试和某些高校学生计算机考试常采用这种模 式。 （2）网络模式：考试通过互联网（internet）或者局域网（lan）进行，根据 考试系统的软件架构分为 c/s 模式和 b/s 模式。 c/s 模式主要由客户应用程序、服务器管理程序和中间件三个部分组成。在服 务器上安装考试服务器端的软件及数据服务器，为学生分配考试试题；在客户机上 安装客户端软件，考生在客户机上考试，从服务器上获取试题，数据保存在数据服 务器上。c/s 模式具有较强的交互性，在 c/s 模式中，客户端有一套完整应用程序， 在出错提示和在线帮助等方面都有强大的功能；其次，c/s 模式提供了更安全的存 取模式。全国计算机等级考试网络版、全国计算机职业技能考试等都采用了这种模 式。这种模式的考试系统中具有代表性的是由美国 prometric 公司提供的通用考试 平台13，它开创了计算机化考试技术和管理标准，在世界的 6 大洲 141 个国家建立 认证考试网络，可用 25 种不同语言提供 2400 多种考试，涉及 it 领域证书认证、 学业考试和职业证书考试等。 b/s 模式是一种以 web 技术为基础的系统平台模式，它把传统 c/s 模式中的客 户端用网络浏览器来代替，服务器部分则分解为一个数据服务器与一个或多个应用 服务器（web 服务器） ，从而构成一个三层结构的客户/服务器体系。b/s 模式的考 试系统及题库的维护工作几乎全部集中在服务器端，提高了系统管理的效率。b/s 模式采用点对多点、多点对多点这种开放的结构模式，并采用 tcp/ip 这一类运用 于 internet的开放性协议，其安全性只能由数据服务器上管理密码的数据库来保证。 因此对数据安全性没有很高要求的考试系统都适合采用这种模式，例如一些学科的 5 课程考试系统和部分专业的网上测试系统14- 15。 无纸化考试系统作为一种数据库应用系统，在开发过程中首先必须选定后台数 据库软件和对应的开发环境。数据库技术经过多年的发展，产生了大量商品化的关 系数据库系统。各种无纸化考试系统根据自身软件的需求、运行环境和软件的总体 架构选择合适的数据库软件和开发语言。对于数据量较小，并且功能及题型比较单 一的单机考试系统，一般选择使用 microsoft 的 visual foxpro之类的开发工具16。 visual foxpro 不仅能够建立和管理小型的数据库，其自带的可视化编辑工具有助于 编写简单的用户界面。对于具有一定规模的数据和用户群的基于网络的考试系统， 一般选用 sql server 作为后台数据库管理系统17。同样由 microsoft 开发的 sql server是一种大型的关系数据库管理系统，但是它只适用于 windows 平台的操作系 统，因此其可靠性和安全性比较有限。对于用于大型考试（如中考、高考和自学考 试等）的通用考试系统，应该选用 oracle 数据库系统。oracle 数据库18采用标准 sql，兼容性良好，可运行于大部分操作系统平台上。oracle 还提供了多种开发工 具，能极大地方便用户进行进一步的开发。oracle 良好的安全性、兼容性、可移植 性、 可连接性和高生产率使其成为大型数据库应用系统的首选。 当选择 c/s 模式时， 客户端和服务器端软件的开发可以选用 vc、vb 和 delphi等开发环境；当选择 b/s 模式时，服务器端的代码一般选用 java、asp、jsp 或者 php 等语言编写。 1.3 课题研究的意义、内容及目标 1.3.1 意义与内容 国际上， 无纸化考试模式已经相当普及19， 许多国家的大型考试都实现了无纸化。 相比之下，国内大规模无纸化考试的发展却相对滞后，大力开展无纸化考试的研究已 显得十分必要，主要基于如下理由：无纸化考试这种现代化的人才检测手段对提升各 行业人力资源的开发效率有着重要意义；素质教育改革进一步深化，需要教学质量检 测手段的现代化；考试本身现代化的客观要求，无纸化考试可以减少笔纸化考试固有 的弊端。本文将探索实现无纸化考试系统的关键技术，并给出部分模块的实现。 6 主要研究内容包括以下几个方面： （1）无纸化考试系统总体设计。 （2）试题库的建立和维护。 （3）实现以指定策略自动组卷。 （4）实现计算机辅助完成考生报名、考场安排和考场监控等考务管理过程。 （5）开发适应多种题型的考试客户端，实现考试过程的无纸化。 （6）实现系统自动评分和结果统计。 1.3.2 目标 本课题将在可供借鉴的无纸化考试系统基础上，探索高效、可靠和稳定的基于网 络的无纸化考试系统的实现方案，实现一个功能较强、效率较高和稳定性好的系统， 具体包括以下几个目标。 （1）应用服务部分和后台数据库可运行在pc服务器上，并可同时服务于多个客 户端，且能支持数十个考场的并发服务。 （2）考场管理部分和考试客户端可运行在普通pc机上，并且保证具有较高的效 率和可靠性。 （3）建立可扩展性良好的试题库系统和用户界面，以适应不断更新的考试科目 和考试题型。 7 2 相关技术基础 本章将分析实现无纸化考试系统所涉及的相关技术，依次论述考试理论基础、 多层分布式软件系统的体系结构、数据访问中间件技术和基于角色的访问控制理 论。 2.1 考试理论基础 2.1.1 教育测量理论 自20世纪20年代以来，教育测量领域先后提出了两种测量理论20：一为经典测试 理论（ctt） ，二为项目反应理论（irt） 。两个理论都是基于真分数在测试所涉及范 围内的不变性、 误差率的随机性、 真分数与误差分数之和与观察分数的等同性等假设， 进而从理论上推导出确切的测试项目参数的模式。由于运用ctt理论对测验进行分 析，方法简单且易被多数测验资料所满足，其结果直观明了且易于理解和掌握，所以 该理论一直被广泛研究和应用。 2.1.2 组卷及试卷分析的相关理论 根据ctt理论建立的试题库要求入库的每一试题，除了试题本身的内容外，还要 包括试题的编号、来源知识点、能力水平、难度、区分度和使用次数等多种定性、定 量的数据。利用这些参数可以对试题进行分类管理，有效地约束入库的试题质量。利 用ctt理论进行测试和分析时，主要包括以下几个指标。 （1） 难度：难度是衡量试题与试卷难易程度的指标，也是试题与学生知识能 力水平的适合程度的指标。通常，可用式(2.1)计算难度。 j j c x p= 1 式(2.1) 8 其中 j p，x， j c分别表示第j题的难度， 考生的第j题的平均分和第j题的满分分数。 （2） 区分度：区分度是衡量测验试题对考生实际水平的区分程度的指标。一 般用某试题的得分与测验总分之间的相关系数来表示，两者的相关度高，表明该题的 区分度高。一个具有良好区分度的试题，实际水平高的学生应该得高分，实际水平低 的学生应该得低分。区分度是组卷过程中筛选试题的主要依据之一。计算区分度的方 法有多种，比较普遍的一种方法是极端分组法。它是先将测验总分排序，确定一定比 例的高分组和低分组，然后根据高分组和低分组在某项目通过率上的差异比较，最后 确定其区分度指标。 客观性试题区分度可用式(2.2)计算。 lh ppd= 式(2.2) 其中， h p为高分组（取分数最高的27%被测试）通过率， l p为低分组（取分数 最低的27%被测试）通过率，d为区分度指标。 主观性试题区分度可用式(2.3)计算。 w lh xx d = 式(2.3) 其中， h x为高分组平均得分， l x为低分组平均得分，w为该题目的满分值。 （3） 信度：信度是“测量所得分数的准确度”和“测量所得分数的准确地重 现的程度” 21。如果两件相关事物碰巧是同一测度的两次应用，那么得出的相关度便 可表示信度。考试信度计算一般采用克伦巴赫（cronbach）系数法22，可用式(2.4) 计算。 ) s s 1 ( 1k k 2 2 = i 式(2.4) 其中，为考试信度，k为试题个数， i s为考生第i题得分的标准差，s为考生总 分的标准差。各试题得分标准差越小，总分标准差越大，信度就越高。一般考试的信 度要求达到0.5以上。 在试题库建设过程中，应该综合考虑试题的难度和区分度，考虑试题可能用于不 9 同水平和不同目的的测试，也应适当吸收不同系数的试题，然后根据不同的试题层次 进行管理，便于组卷时使用。 在考试结束之后，要对试卷进行分析，主要包括三个方面：一是对测验结果进行 统计和计算，得到试题库建设和组卷过程中所需要的试题难度和区分度等各种数据， 用以修正现存试题的参数，对不能达到测验目的的试题进行修改或删除，不断完善试 试题库系统，提高试题的质量；二是对试卷进行整体分析，从试卷的难度和试题相关 性等方面评价该试卷是否满足本次测验的目的，对进一步完善组卷策略提供依据；三 是通过对本次测试的总体及个体的分析，计算他们的平均分、标准差、不及格率等指 标，考察学生掌握相关知识的程度和规范性，使教师能够从中发现教学过程中存在的 问题，从而不断改进教学方法，提高学习效率。 2.2 多层次软件体系结构 软件体系结构23- 25包括用于建造系统的各元素的描述，元素间的交互，指导元 素组合的模式，以及模式的约束26。多数应用软件系统都具有三个基本的元素：数 据、功能和行为27。数据反映了软件系统所处理的对象的事实，系统要对数据进行 输入、存储和输出处理。功能是软件系统对数据的加工处理过程，在大型应用软件 系统中，功能体现并执行企业的业务策略、规则和过程（称业务逻辑） 。行为是一 个请求的可见结果，由用户界面表达（称为表达逻辑） 。用户通过界面调用系统提 供的功能，相应的功能则依据对应的业务逻辑对数据进行处理，并将结果回送到用 户界面显示。这三个基本元素不同的组合模式就构成了不同的软件体系结构。具有 代表性的是 c/s 结构和 b/s 结构。 2.2.1 c/s 结构 c/s结构，即client/server（客户机/服务器）结构。此结构把数据库内容放在远程 的服务器上，而在客户机上安装相应软件，二层c/s结构如图2.1所示。传统的二层c/s 结构由两部分构成：前端是客户机，即用户界面，结合了表示与业务逻辑，接受用户 10 的请求，并向数据库服务器提出请求；后端是服务器，一般分为与用户交互的前端和 管理数据的后端，即数据库管理系统。服务器负责将数据提交给客户端，客户端再将 数据进行计算并将结果呈现给用户， 同时还要提供完善的安全保护及对数据的完整性 处理等操作，并允许多个客户同时访问同一个数据库。 客户端 客户端 数据库服务器 图 2.1 二层 c/s 结构 进入 20 世纪 90 年代，两层 c/s 结构的缺点也逐渐暴露出来。一是客户端实现 了较多的业务逻辑，对硬件要求较高；二是业务逻辑驻留在客户端上，当业务逻辑 被改动或更新时，需要重新分发和安装客户端，对大型企业应用来说，这种分发的 代价可能较大；三是从开发的角度来说，这种结构在功能上难以分割，不利于软件 复用。因此，20 世纪 90 年代以来，出现了分布式的三层客户机/服务器体系结构， 三层 c/s 结构如图 2.2 所示。 客户端：表示层 数据库服务器 客户端：表示层 数据库应用服务器 图 2.2 三层 c/s 结构 与二层 c/s 结构相比，在三层 c/s 体系结构中，增加了一个应用服务器。可以 11 将整个应用逻辑驻留在应用服务器上，而只有表示层存在于客户机上，这种结构称 为“瘦客户机（thin client） ” 。三层 c/s 体系结构是将应用功能分为表示层、功能层 和数据层三个部分28，其特点是减少了客户端的复杂程度，降低了客户端对硬件的 要求。大部分业务逻辑从客户端移到应用服务器，由数量较少的应用服务器对数据 库进行访问，也减轻了数据服务器端的负载。各个层次可根据需要单独改变，在保 证接口不变的前提下，不会对其他层次有明显影响。 c/s 结构在技术上很成熟29，它的主要特点是交互性强、具有安全的存取模式、 网络通信量低、 响应速度快且利于处理大量数据。 但是该结构的程序是针对性开发， 变更不够灵活，维护和管理的难度较大。通常只局限于小型局域网，不利于扩展。 并且，由于该结构的每台客户机都需要安装相应的客户端程序，分布功能弱且兼容 性差，不能实现快速部署安装和配置，因此缺少通用性，具有较大的局限性。要求 具有一定专业水准的技术人员去完成。 2.2.2 b/s 结构 b/s 结构，即 browser/server（浏览器/服务器）结构，就是只安装维护一个服 务器（server） ，而采用浏览器（browse）作为客户端。它是随着 internet 技术的兴 起，对 c/s 结构的一种变化和改进。主要利用了不断成熟的 www 浏览器技术，结 合多种 script 语言（vbscript 和 javascript 等）和 activex 技术，是一种新型的软 件系统结构。b/s 结构如图 2.3 所示。 web服务器 客户端浏览器 数据库服务器 客户端浏览器 数据库 图 2.3 b/s 结构 12 在 b/s 体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请 求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返回到浏览器。而其余工作 如数据请求、加工、结果返回以及动态网页生成、对数据库的访问和应用程序的执 行等全部由 web server 完成。随着 windows 将浏览器技术植入操作系统内部，这 种结构已成为当今许多应用软件的首选体系结构。显然 b/s 结构应用程序相对于传 统的 c/s 结构应用程序是一个非常大的进步。 b/s 结构的主要特点是分布性强、维护方便、开发简单、共享性强且总体成本 低。但数据安全性问题、对服务器要求过高、数据传输速度慢、软件的个性化特点 明显降低，这些缺点是有目共睹的，难以实现传统模式下的特殊功能要求。例如， 通过浏览器进行大量的数据输入或进行报表的应答、专用性打印输出都比较困难和 不便。此外，实现复杂的应用构造有较大的困难。虽然可以用 activex、java 等技 术开发较为复杂的应用，但是相对于发展已非常成熟的用于 c/s 结构软件开发的一 系列应用工具来说，这些技术的使用过程比较复杂，并且可供使用的工具较少。 2.2.3 c/s 结构与 b/s 结构的比较 由于 c/s 结构采用配对的点对点的结构模式，并采用适用于局域网且安全性比 较好的网络协议，其安全性可得到一定的保证。c/s 结构的软件一般面向相对固定 的用户群，程序更加注重流程，它可以对权限进行多层次校验，提供了更安全的存 取模式，对信息安全的控制能力很强。因此，较为机密的信息系统适于采用 c/s 结 构。 而 b/s 结构采用点对多点， 或者多点对多点这种开放的结构模式， 并采用 tcp/ip 这一类运用于 internet 的开放性协议，其安全性难以得到保证。所以 b/s 结构对安 全以及访问速度比 c/s 结构有更高的要求，而 internet 技术中这些关键性的安全问 题尚未得到较好的解决。 13 2.3 数据访问中间件 2.3.1 中间件技术 中间件30是一种介于操作系统与应用系统之间的独立的系统软件或服务程序， 分布式应用借助它在不同的技术之间共享资源并协同工作31。从广义的角度来看， 中间件是指处于系统软件和应用软件之间的中间层次的软件32，其主要功能是对应 用软件的开发和运行提供更为直接和高效的支撑。当前主要的中间件分类有：数据 访问中间件33- 34、远程过程调用中间件35、事务中间件36、消息中间件37和面向对 象中间件等。 目前主要的中间件标准有 omg 的 corba、微软的 com 和 sun 公司的 ejb 等。它们的异构性和开放性各有不同，适用于异构环境、开放的 corba 是 internet 与企业应用事实上的工业标准，而特定于 windows 平台、专有的 com 则是桌面系 统的首选，ejb 则兼具二者之优势。 2.3.2 数据访问中间件技术 数据访问中间件是在多层分布式应用软件系统中广泛使用的一类中间件技术， 其中代表性的数据访问技术有 odbc 和 ole db 等。 odbc38是 wosa 的数据库组成部分，它规定“以统一的 api 存取异构数据 库信息” ，是对 sql access group 的 cli 标准的一种实现，得到了数据库和应用程 序开发商的广泛支持。 odbc 允许开发者制作一个在大多数关系数据库中可运行的 api，简化了从 windows系列操作系统到数据库的访问。和所有的中间件一样，odbc 提供一个定 义良好且不依赖于数据库的 api。使用 api 时，odbc 通过一个驱动管理器来判定 应用程序要连接的数据库的类型，并载入适当的 odbc 驱动，实现了使用 odbc 的应用程序和数据库之间的相互独立。大多数的数据库都有 odbc 驱动。windows 平台下流行的应用程序开发工具大多通过 odbc 提供对数据库的访问。 odbc 的体 14 系结构如图 2.4 所示。 数据源名 （dsn） odbc驱动程序 数据源 应用程序 odbc api （sql） 驱动程序管理器 odbc管理器 应用层 odbc层 数据层 图 2.4 odbc 的体系结构 ole db39- 40是一套使用统一方法访问所有不同种类的数据源的 com 接口。 ole db 本身是一个两层结构，一层由数据提供程序实现（data providers） ，包括一 些基本功能，如获取数据、修改数据和添加数据等；另一层由系统提供，包括一些 高级服务，如游标功能和分布式查询等。这样的层次结构使得数据提供者只需按 ole db 规范编写一个 com 组件程序即可发布自己的数据库引擎，简化了服务功 能的实现手段，这充分体现了 ole db 两层结构的优势。 为了简化编程，microsoft 对 ole db进行了进一步封装，提出了 ado41技术。 ado 不但编程简单，并且能够支持vb 或 asp 这样的脚本语言，而这是 ole db 不具备的。 ado/ole db 的体系结构如图 2.5 所示。 15 使用ado的用户程序 ole db 用户程序 使用ole db访问数据库的程序 ado ole db 提供程序 文本文件访 问引擎 oracle ole db访问引擎 odbc管理器 odbc驱动程序 sql ole db 访问引擎 oracle数据库 sql server数据库 文本文件 oracle数据库 sql server数据库 图 2.5 ado/ole db的体系结构 从根本上说，以上这些数据访问技术都只是一些 sql 访问接口，本身没有提 供一个应用开发的恰当框架。为了简化数据库操作，各厂商一般都会在开发库中提 供一个数据访问框架，例如 vc 开发中由 mfc 类库所提供的 odbc 数据库访问框 架42，为简单的 odbc 数据库应用程序的开发提供了快捷和便利的支持。在一个 mfc odbc 应用程序中，数据访问主要是通过 cdatabase 和 crecordset 这两个类 完成的43。 cdatabase 类通过封装数据库连接句柄实现客户端和数据库的连接或断开功 能，并能直接执行 sql 语句。crecordset 类代表了按某种条件进行查询而产生的一 个记录集。在 mfc 所提供的应用架构中，应用程序可以为某个数据库表生成相关 联的 crecordset 派生类，为该数据库表的各个字段生成相应的数据成员，并完成绑 定操作。mfc 在后台利用 rfx机制完成表记录字段与 crecordset 派生类对象的数 据成员之间的数据交换。 16 2.4 基于角色的访问控制 2.4.1 角色与权限 传统的访问控制都是将用户与访问权限直接联系在一起，或直接对用户授予访 问权限，或根据用户的安全级来决定用户对客体的访问权限。在基于角色的访问控 制 rbac44中，引入了角色的概念，将用户与权限进行逻辑上分离。角色对应组织 机构里的一个工作岗位或一个职务，系统给每一个角色分配不同的操作权限45（或 称操作许可） ，根据用户在组织机构中担任的职务为其指派相应的角色，用户通过 所分配的角色获得相应的访问权限，实现对资源的访问。这种访问控制不是基于用 户身份，而基于用户的角色身份，同一个角色身份可以授给多个不同的用户；一个 用户也可以同时具有多个不同的角色身份。一个角色可以被指派具有多个不同的访 问权限；一种访问权限也可以指派给多个不同的角色。在用户与角色，角色与访问 权限之间构成了多对多的关系，用户与权限之间也通过角色形成了多对多的关系。 2.4.2 rbac 的特点 rbac 作为一种中性的策略， 提供了一种描述安全策略的方法46。 通过对rbac 各个部件的配置，以及不同部件之间的交互，可以在很大的范围内使所需要的安全 策略得以实现。例如，通过适当的配置，rbac 可以实现传统的自主访问控制策略 和强制访问控制策略。 为适应系统需求的变化而改变其策略的能力也是 rbac 的一 个重要的优点。当应用系统增加新的应用或新的子系统时，rbac 可以授予角色新 的访问权限，可以为用户重新分配一个新的角色，同时也可以根据需要回收用户的 角色身份或回收用户角色的权限。 2.5 小结 本章分析了构建无纸化考试系统所需的核心技术，包括四个方面：考试理论基 17 础，其中重点讨论了试题的难度、区分度和信度的计算方法；多层次软件体系结构， 讨论了 c/s 结构和 b/s 结构各自的特点，并进行了比较；数据访问中间件技术，讨 论了具有代表性的数据访问技术 odbc 和 ole db；基于角色的访问控制理论，讨 论了角色与权限的关系，以及基于角色访问控制的特点。 本章讨论的内容为设计和实现 ibts 系统提供了所需要的技术和理论基础。 18 3 ibts 系统的总体设计 本章将在第二章相关技术分析的基础上，结合 ibts 系统数据组织和处理的特 点，给出系统的总体设计。依据系统的需求和设计原则，确定系统设计的技术方案， 给出系统的总体结构和各组成部分的功能构成。 3.1 系统需求分析 3.1.1 无纸化考试的基本流程 无纸化考试可以大致分为试题录入、试卷生成、报名管理、上机考试、试卷评 阅和结果统计等六个步骤，这些工作都通过无纸化考试系统完成。 试题录入即由各学科有经验的教师编写考试试题，并通过系统提供的用户接口 导入试题库。 试卷生成是指以一定的策略从试题库中选取合适的试题组成一份符合考试要 求的试卷。 报名管理主要工作是将每个考生的详细信息录入数据库，并安排考试时间、考 场及座位。考生信息包括了准考证号、身份证号、姓名和性别等重要信息，也包括 考生照片。 上机考试指考生在指定时间内，在指定机器上答题并提交试卷的过程。 试卷评阅包括对客观性试题的评阅和对主观性试题的评阅。由于客观性试题答 案格式相对固定，在考生提交答案之后，可以由系统立即生成得分；考生提交的主 观性试题答案则会存入数据库，之后再组织教师评阅。 结果统计是指试题评分结束后计算所有考生的平均成绩和每道试题的平均得 分、难度及区分度等指标，并利用这些数据对试题库中试题的相关参数进行修正。 19 3.1.2 系统功能 无纸化考试系统应该实现以下功能。 （1） 用户管理 功能 1角色的创建和编辑：系统内建的“超级管理员”可以创建新的角色， 还可以赋予现有角色各种新的权限，或者收回角色的现有权限。 （2） 试题库管理 功能 2多种试题的海量存储：以特定的格式存储文字题、图形题、图像题、 音频题和音像题等多种类型的试题，并且试题库中每一科目的题量至少为每次抽出 的一份试卷题量的 40 倍。 功能 3试题管理：系统可以根据各种不同的条件对试题库中的试题进行查 询，这些条件包括考试科目、题型、出题者、出题时间、试题涉及章节、试题难度 系数和试题使用次数等。对指定的试题可以执行浏览、修改和删除等操作，同时， 这些操作将被记录于日志中，以便出现误操作之后可以恢复。 功能 4试题编制：定义试卷编写格式，提供专门的试题编辑工具。 （3） 考生管理 功能 5考生报名：将考生相关信息录入数据库，这些信息包括考生的身份 证号码、姓名、性别、出生年月、所在学校、专业、班级，以及电话号码、电子邮 件等联系方式，还包括考生的个人照片。系统成功记录这些信息之后，将会返回给 考生一个全局唯一的号码，在该考生此后参加的各科目考试中，该号码便是进入考 试系统的密码。系统同时支持考生单独报名和集体报名。 功能 6考生信息管理：系统提供对考生信息的查询功能。具有相应权限的 工作人员可以对已经登记的考生个人信息进行修改或删除。 （4） 考试管理 功能 7试卷分配策略管理：可选择不同的试卷分配策略，包括“统一试卷 法”和“份选法” 。 “统一试卷法”即所有的考生都面对一份同样的试卷；而“份选 法”即在考试之前准备多份难度，题量一致的试卷，考试时临时为每个考生从多份 20 试题中随机选择一份进行考试。同时，还支持更为灵活的试卷生成方法，即根据不 同的题型，不同的章节或者知识点，不同的难度系数，不同的区分度，随机的抽取 试题为每一个考生组成试卷。 功能 8制定考试规则：可设置每一场考试的答卷时间、考试界面提示信息 语种、界面上各按钮的可用性、界面提示时间的显示格式以及至少在开始考试多久 之后才能交卷等参数。 （5） 考场管理 功能 9下载并分发试卷：考场管理客户端提前从考试中心服务器下载本考 场的考生信息文件和试卷及答案文件，并在考试开始前将试卷分发到考试客户端。 功能 10考试过程监控：考试开始时，对考生信息进行验证。考场管理员可 通过考场管理客户端查看所有考生的答题情况，还可以锁定本考场内考生的屏幕， 甚至强行停止考生答题。 功能 11返回考试结果：考试结束后，接收本考场所有考试客户端的答题记 录，自动完成所有客观性试题的评分，将考生的答题记录和评分结果等信息都传送 到考试中心服务器。 （6） 评卷管理 功能 12辅助评阅主观题：提供主观题评阅的界面，由具有该权限的评阅人 完成阅卷工作。 功能 13考试成绩入库：将所有试题的评分结果进行合计，生成最终的考试 成绩并存入数据库。 功能 14修正试题参数：结合 ctt 理论，分析每一道客观性试题的答题正 确率和每一道主观性试题的平均得分率，并将这些数据反馈给试题库，用实际的数 据来修正难度和区分度等试题参数。 （7） 成绩管理 功能 15成绩管理：对所有考生的成绩进行总体统计和分析，输出各种分析 报表（包括合格率、各分数段分布情况和成绩分布图等） ，并实现多种