基于SOA的网上考试系统的设计与实现.pdf

北京邮电大学 硕士学位论文 基于SOA的网上考试系统的设计与实现 姓名 汪赵强 申请学位级别 硕士 专业 软件工程 指导教师 杨文川 20090701 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 摘要 网上考试系统是随着W e b 技术的发展新兴的一种现代化教学管 理手段 此前开发的网上考试系统由于受到技术的局限 存在着许多 不足或不尽人意之处 本文提出了基于服务的网上考试系统改进和系 统构建的思路以及实现的基本方法 并通过面向服务的程序设计对学 校整个教学管理体系的整合进行一些摸索 文章还讨论了基于S O A s e r v i c e o r i e n t e da r c h i t e c t u r e 的网 上考试系统设计 基于服务的题库的设计 试卷生成系统的生成策略 试卷中知识点的包容等具体问题 本文的主要贡献在于 1 对现有的网上考试系统存在的主要问题进行了剖析 提出 基于服务的网上考试系统的设计与实现方法 2 阐述了基于服务的系统构件思想和学校教学管理系统整合 方法的设想 3 将 M L W e bS e r v i c e s S O A 的思想应用于网上考试系统的构 建当中 4 初步实现了基于服务的网上考试系统的基本功能 本文所述内容的原型在最普及的硬件环境和最主流的软件环境 下运行良好 关键词 网上考试系统 面向服务的体系结构 基于X M L 的简易协议 X M L W e bS e r v i c e s 咖D E S I G NA N D 姗L E 匝N 1 A T I O N O FE X A MS Y S T E MB A S E DO NSO A A B S T R A C T E x a ms y s t e m sa r en e w l ye m e r g i n ga p p l i c a t i o no fm o d e me d u c a t i o n a l o n gw i t l lt h eW r e bt e c h n o l o g y T h e r ea r ed i s a d v a n t a g e sw i t hE x a m s y s t e m sc u r r e n t l yi nu s e B a s e dO l lw e bs e r v i c e s r e b u i l d i n go ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d e s s e n t i a la c h i e v et e c h n i q u e a n dh o p eg e ts o m ed i s c o v e r yt oc o n f o r m e d u c a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mt h r o u g hp r o g r a m m e rd e s i g nb a s e do nw e b s e r v i c e s E x a ms y s t e m sd e s i g nb a s e do nS e r v i c eO r i e n t e dA r c h i t e c t u r e T e s t q u e s t i o n sd a t a b a s ed e s i g nb a s e do nw e bs e r v i c e s E x a m i n a t i o np a p e r c r e a t em e t h o d a n dt h ep o i n to f k n o w l e d g ec a nb e e nc o v e r e d 珏gm a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s 1 S u b m i t t e dt h eo p e n n e s sp r o b l e mo f e x a r r ls y s t e m t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fe x a ms y s t e mb a s e do ns e r v i c e 2 R e b u i l d i n go ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r e a n de s s e n t i a la c h i e v e t e c h n i q u e 3 A p p l yt h eX M L W e bS e r v i c e so n t ot h es a i ds y s t e m a n d 4 P r i m a r i l yr e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o n so f t h es y s t e m T h em o d e lo ft h es y s t e mw o r k sw e l lu n d e rp o p u l a re n v i r o n m e n t K E Y W O R D S W e b b a s e dE x a mS y s t e m S O A S O A P X M L W e b S e r v i c e s 独创性 或创新性 声明 本人声明所呈交的论文是本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 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名 一l 盈冬弛 本人签名 I 堕主x 笸b 本人承担一切相关责任 日期 翻车1 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学 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磁盘 允许学位论文被查阅和借 阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它 复制手段保存 汇编学位论文 本学位论文不属于保密范围 适用本授权书 本人签名 醴墼均 导师签名 J 一一 厶吖乒 日期 边圣1 辞 眺幽罕 Q 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 1 1 本课题的研究意义 第一章引言 高等职业教育近几年我国得到迅速发展 作为职业教育的高职院校一方面得 到了政府的大量资金的投入迅速壮大 同时也面临着学生生员素质参差不齐 教 学组织困难 教学质量得不到保证 缺乏一个现代化的教学质量评价体系 评价 教师的工作质量和学生的学习质量的方法 我校是一所全日制高等职业技术学院 学生的年龄处于1 8 2 0 岁之间 由于 受传统教育的一次考试定终身及社会投机心理和不良价值观的影响 我校的学生 在入学时有很大一部分都有考试作弊和诚信方面的问题 虽然各学校都在大力开 展学生的诚信教育 教育法也中明确规定大学生考试作弊将给予处分 并计入学 生个人档案 但每学期都有学生因考试作弊被处分 并且随着无线通信技术的发 展和蓝牙产品的普遍使用 学生作弊的情况有日趋严重的趋势 我院一次期末考 试就出现了6 名同学考试作弊最终被开除的事件 如何通过技术手段避免学生考 试作弊教学管理和教学评价现代化是一个较好的方法 网上考试可以为解决这一 问题提供一些帮助 网上考试有如下几个方面的优势 1 网上考试可以避免考题重复 减少抄袭可能 避免大学生在人生的第一 步就留下一个污点 是我们教育工作者的责任 建立诚信的考试环境是消除学生 作弊的最好方法 加强过程考核 加大监考力度都是一些有效地方法 但结合当 前各院校信息化建设 实施局域网条件下的网上考试可以在技术上较好的解决学 生考试作弊的问题 具体方法是在学院网络机房按规定时间由学生登录学院局域 网进行考试 为提高考试的公平性希望考场的每个学生减少题目的重复性 也可 以安排不同科目的考生同时在一个考场进行考试 避免学生互相交流 2 网上考试可以准确进行考生身份确定 我院的学生作弊就是考试替考 为避免学生替考 可以采用学生登录时进行身份认证 显示考生近照 进行考生 确认 今后随着技术的普及配合指纹识别或现场摄像将图片传送考试中心数据库 存档的方法 也会在不远的将来得以实现 进一步保证考试的公平性 3 试卷随机生成 实现考教分离 教师负责题库的维护和试题的管理 考 务人员负责生成试卷 考试成绩直接传送到教学管理系统 并对考试成绩进行分 析 4 实现各系统整合实现成绩自动传送 提高工作效率 减轻教师负担 教 师每学期末有大量的工作要做 期中主要的是期末的考试出卷 阅卷 试卷分析 基于S O A 的两上考试系统的设计与实现 试卷提交 这都和期末考试直接相关 是否能把教师从繁重的期末工作中解脱出 来 减少大量的重复劳动 我们的网上考试系统 希望在这方面有一个突破性的 进展 教师在每个学期从开始就可以应用该教学评价系统进行分章节的学生考 核 到学期末 可以应有该系统直接生成期末试卷 教师只要提供考试难度 考 试时间 考试题目数 考试章节 若干套在线考试试卷就可以自动生成 教师就 可以等待教务的反馈意见了 因此 开发一套基于我校现有的教学条件 能够对学生学习和教师的教学进 行测评的网上考试系统非常具有现实意义 在本系统中 为了保证对每个学生公 平 使试卷的难度基本相同试题内容尽量减少重复等的问题 采用了较为先进的 算法来解决组卷问题 1 2 高职院校网上考试系统现状 上面提到了网上考试系统的优点 现有的网上考试系统在国内外都有现成的 实例 但是由于多数系统一般都是在传统W e b 应用架构下实现的 因此在应用实 践中会发现存在着先天不足和其它一些问题 相比传统的考试方式 网络考试系统的主要好处是一方面可以动态地管理各 种考试信息 只要准备好足够大的题库 就可以按照要求自动生成各种试卷 另 一方面 考试时间灵活 可以在规定的时间段内的任意时间参加考试 另外计 算机化的考试的最大特点是阅卷快 系统可以在考试结束时当场给出客观题考试 成绩 计算机阅卷给了考生最大的公平感 网络考试系统极大地提高了教学的灵活性 现在许多领域已经有了广泛的应 用 最有影响的案例就是E T S 美国教育考试中心 举办的G R E 美国研究生入 学考试 的计算机化考试 它使考试由原来的每年只能有两次参加考试的机会变 成了每个工作日都可以参加的考试 但高职院校网上考试系统现状却不容乐观 存在着诸多的问题 其中主要问 题有 1 2 1 实时性问题 目前国内外许多的网上考试系统 试题库都不是开放的 一般采用专人进行 管理和更新 例如我校购买的朔日公司的网上考试系统 题库的设计操作不便 教师无法及时对题库进行更新 致使一直没能达到使用目的 在网上考试系统的 设计中如何实现题库的时时更新 使题库根据教学大纲和教学内容的变化 及时 更新让使用网上考试系统的老师随时可以根据教学进度组成阶段测验 单元练习 2 基于S O A 的髓上考试系统的设计与实现 的试卷 把期中 期末才使用的网上考试系统 变成教师和学生随时可以使用的 教学评价系统 实现支持学校的过程考核 减少学生的投机心理 1 2 2 兼容性问题 目前我校教学有多个网上管理系统 例如 有试卷印刷系统 学生评教管理 系统 学分制管理系统 教师教学质量评价系统和网上考试系统等但各系统相对 独立 彼此不能兼容 造成数据无法在各系统之间传递 由于上述原因 教师经 常要重复录入多次考试成绩 加大了教师和管理人员的工作量 实现各系统兼容 可以大大提高工作效率 也可以减少数据录入中的错误以及由于时间原因产生的 二义性 1 2 3 开放性问题 目前多数网上考试系统尚不具备开放性 试题库需要有专人维护 由于维护 者不可能精通所有专业的知识 因而很容易发产生录入错误 而且也不能及时修 正 删除 更新题库内容 也就无法保证当前试题库内容的相对准确性 先进性 和完备性 除了题库内容的维护不具备开放性 试题库的结构更不具备开放性 一般系统都不会允许系统管理员和数据库管理员以外的人员对数据库结构进行 维护 结果是对试题库的结构的合理性 完善性提出了挑战 此外 一般的系统 都是架设在某一种硬件平台和固定的系统平台和网络架构之上的 无法在不同平 台之间实现开放性 这同样制约了系统的扩展性 可移植性和通用性 1 2 4 服务复用问题 传统的W e b 应用一般都存在先天不足的致命弱点 就是依赖专有对象才能运 作 一般的网上考试系统也不例外 依赖专有对象才能运作的系统虽然有完整的 通讯定义 但是它们的通讯接口却十分缺乏弹性 如果在计算机和服务对象之间 的通讯其中任何一部分中断了 或是调用方式不是十分正确 就会发生 非预期 的错误 导致在不同架构的系统之间无法进行互操作 最典型的是C O R B A 和O C 0 m 这两个最主流的网络架构技术之间就很难实现互操作 两者不能在一起很好地协 作 影响学生考试 我们希望在研究基于服务的考试系统的基础上 通过S O b 的构架思想实现跨 平台的整合 将我校已有的系统整合成一个整体 3 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容为 在W e b 服务的思想指导下 实现一个基于服务的 开放式 分布式的网上考试系统 并探索使用S O A 的架构整合学校教学管理体系 1 3 1 高职学院教学管理系统服务分析 作为高等职业学校教学管理系统的现代化已经成为一个迫在眉睫的事情 其 主要原因为 其一是教育产业化和升学人口的不断增加 使学校承受者前所未有 的压力 2 0 0 7 年将有1 0 0 0 万考生参加高考 升学率为5 6 也就是说将有5 6 0 万学生进入高等教育 各学校的教学管理人员和教师严重缺员 而人员的补充是 不可能在短时间内全部解决 这就需要教学管理的现代化来解决 其次是教学管 理现代化已经开展了多年 学校各部门都在搞 各个时间段都在搞 以北京信息 职业技术学院为例 教学系有学生考试管理系统 教务处有学生评教管理系统 教学印刷系统 学生处有学分制管理系统 但各系统开发环境各不相同 有的是 从公司购买的相同开发环境由于公司的技术保密也不能互联互通 所以急需将上 述系统进行整合 以提高工作效率 利用基于服务的思想开发一个教学系统 利 用W e b 服务的思想 研究如何在I n t e r n e t 和学校局域网上搭建一个通用的 实 时的 不受时间 地点限制的网上考试平台 该平台有动态W e b 服务的支持 有 多媒体工具的支持 有较新 较完善 较准确的试题库的支持 提供教师远程登 录访问试题库进行试题库维护 教学管理部门根据有关要求进行组卷实现考教分 离 学生登录局域网在规定时间和地点进行考试 是该课题的一个初步打算 其 最终目的是使用基于S O A 架构的构建技术J 2 E E W E B L 0 6 I C 对教学系统进行整合 最终实现跨平台的教学管理系统 提高管理的工作效率 1 3 2 基于s o A 架构的构建技术J 2 E E W E B L O G I C 研究如何在I n t e r n e t 上构筑一个开放的环境和多学科试题库 以便经过授 权的教师在任何时间 任何地点自主进行试题库维护 试题库的内容的充实 更 新和修订 1 3 3 系统的通信方式的改进 研究如何将 M L w e bS e r v i c e s 思想和技术应用到在网上考试系统中 研究 和利用以X M L 作为底层数据表示的优越性 研究通过S O A P 与H T T P 绑定的网络通 4 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 信方式实现远程W e b 服务的调用 从而实现跨平台 跨数据环境和跨语言环境 实现客户端免安装和零维护 1 3 4 试题库的构建与维护策略 这种试题库系统的基本思想是按照 知识点 来构建试卷 主要是思路是依 据教学大纲的要求 以课程的主干内容为主线 先把教学内容细致分解为一个个 知识点 然后按大纲对各个知识点的要求掌握的层次 题型 题量 难易度及各 知识点间的包容性结合起来 作为该试题库系统构建试题的基本原则 以便计算 机自动生成每份试卷 在考查点的分布上具有较强的科学性 1 3 5 组卷策略的研究 要实现基于知识点的试题库系统的试卷建构 首先必须研究从知识点角度对 试题如何进行分类 并结合试题的类型赋予各种特征参数 使试题库编程符合科 学化与规范化的要求 因此 参数的设置是否合理 对能否体现基于知识点建构 试卷的思想 所建构试卷的质量 编程的工作量及运行效率都是至关重要的 1 3 6 系统的安全性 考试登录 考生登录的时候 系统会根据考生输入的信息在数据库中查找相 关的记录 如果记录存在 则登录成功 系统会将该考生的信息保存在特定的 s e s s i o n 记录里面 这个s e s s i o n 记录一直会保存到考生结束考试为止 如果没 有 系统会自动返回主页面 并提示考生重新输入信息 考试计时 考生进入考试以后 在卷面的左下方会动态地显示考试剩余的时 间 如果考试计时结束而考生还没有交卷 系统会自动收取考生的试卷 并将该 考生考试的剩余时间设置为O 这样做是为了防止考生通过改动页面的方式多次 提交试卷 达到提高考试分数的目的 系统规则 为了确保考试的有效性和安全性 系统设定了以下规N 1 考 生在考试的过程中 不能同时进行其它课程的考试 也不能使用其它考生的信息 在同一台计算机上重复登录 从某个角度来说 这样可以有效防止考生代替他人 考试的现象发生 2 对考生来说 每一门考试只允许考一次 如果已经交卷 系统将会禁止其重新进行考试 如果需要进行补考或者重考 教师可以另外设置 一份考卷 让考生进行考试 5 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 第二章系统分析 弟一早承现 刀 倒I 服务系统构架原则说明 由于本课题的研究是基于W e b 服务的 为今后的 高职学院实施S O A 系统进行了一定的探索 在本系统的设计之初就考虑了该考试 系统对学院其他已有的系统的整合功能 由于采用了基于服务的设计思想 可以 在今后的开发中复用这些服务 因而可以以最小的成本换取最大的效率 2 1 需求分析 2 1 1 需求分析概述 I E E E 软件工程标准词汇表 1 9 9 7 年 中定义需求为 用户解决问题或达到目标所需的条件或权能 系统或系统部件要满足合同 标准 规范或其它正式规定文档所需具有 的条件或权能 一种反映上面 1 或 2 所描述的条件或权能的文档说明 软件需求包括三个不同的层次一业务需求 用户需求和功能需求一也包括非 功能需求 业务需求 b u s i n e s sr e q u i r e m e n t 反映了组织机构或客户对系统 产 品高层次的目标要求 它们在项目视图与范围文档中予以说明 用户需求 u s e r r e q u i r e m e n t 文档描述了用户使用产品必须要完成的任务 这在使用实例 u s e c a s e 文档或方案脚本 s c e n a r i o 说明中予以说明 功能需求 f u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t 定义了开发人员必须实现的软件功能 使得用户能完成他们的任 务 从而满足了业务需求 所谓特性 f e a t u r e 是指逻辑上相关的功能需求的集 合 给用户提供处理能力并满足业务需求 本系统需要实现以下一些基本功能 题库管理 试题管理的主要目的是维护题库中已有的试题 各项参数输出及题库查询 其中包括题库编辑 题库排序 题库查询 题库编辑 其内容包括新建题库 已存在题库的内容修改和增添 删除以及 旧题库文件的删除这部分是对基本库文件直接进行操作 特别是删除操作 对库 文件的潜在危害极大 因此应防止因用户误操作而对文件造成的损坏 题库查询 要编制试卷首先要清楚各个基本库文件中的试题分布情况 因此 要对基本库文件做查询 将查询反馈给出卷者 用户 出卷者再根据库中试题 6 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 分步情况来选题 试卷管理 该模块可根据要求实现试卷的自动 手工出卷 自动生成的试卷试题由系统 随机抽取 由于题库中的试题按照题目的难易程度分类 故随机抽出的试题难易 适中 既可满足一般考试的要求又避免了人为因素 增强了试卷的可信度 尽管自 动生成试卷符合规范化考试的要求 但为了满足不同用户的特殊需要 特设置了 手工出卷的操作 这样就增加了系统的通用性与灵活性 此外 该模块还可根据用 户的查询要求生成关于试卷情况的文档 试题编辑模块 本模块的主要功能是录入试题 同时可对试题内容进行编辑和修改 试题编 号的生成 试题库中的试题编号是区别试题的重要标志 因此必须保证试题编号 的唯一性 为防止由于试题录入者的错误录入而造成的系统出错 同时减轻试题 录入者的工作量 试题编号将由系统自动给出 在录入新试题时 系统给出的试题 编号为当前题库中的试题数加一 试题的录入 在连续录入试题时 试题的科目 题型 知识点等字段的值往往会重复出现 因此系统将保留前一题录入的某些字 段值 以提高试题录入效率 减轻试题录入者的工作量 试题查询模块 本模块的主要功能是按照用户设置的查询条件对试题进行快速查询 用户可 以根据科目 试题题型 试题难度 试题使用情况 试题编号以及试题知识点 来查询试题的内容 答案等信息 试题删除模块 本模块的主要功能是对一些旧题 错题进行逻辑删除或对已被逻辑删除的试 题进行撤消删除操作 在试题录入过程中 系统自动生成的试题编号为题库中的 试题数加一 因此如果随便对试题进行物理删除 题库中的试题编号将会出现重 复的情况 这是系统所不允许的 为解决这一问题 我们在题库中设置了一个 删 除记号 字段 当字段值为 T 时 表示该题已被逻辑删除 当字段值由 T 变为 F 时 表示对已被删除的试题进行撤消删除操作 试卷生成与管理模块 本模块完成试卷的组织与生成 查阅与打印及编辑功能 试卷组织与生成模块 本模块的主要功能是组织试卷结构 生成一份完整的试卷 1 试卷的结构组 织 一份试卷主要是由试卷标题 试卷内容及试卷答案三部分构成 其中试卷内 容为试卷的主体 包含若干大题 每一大题中又有若干小题 由于试卷的大题数一 般不会太多 因此在本系统中 我们规定大题数的上限为1 0 2 试卷的选题 出 7 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 卷者给出试卷选题的要求 如试题的题型 难度等 系统将根据这些要求 从题库 中找出满足条件的试题 并从中进行随机选题 如果出卷者对选题结果不满意 可以让系统重新选题或对个别试题进行调整 试卷查阅与打印模块 本模块的主要功能是对历届的试卷进行查阅和打印 1 试卷查阅的安全性 问题 2 由于本系统允许有多个用户 所以需要采取必要的措施 使任何一位用 户所出的试卷不能被其他用户看到 在试卷的查阅过程中 如果将使用过的试卷 和未使用过的试卷混在一起进行查阅 将是一种很不安全的做法 因此 本系统将 自动隐藏未曾使用过的试卷 用户如果希望对这些试卷进行查阅 就必须通过身 份验证 2 1 2 用户分析 网上考试系统的目的是在网络上搭建一个网上考试系统平台 通过该平台对 学生进行随堂的测验和考试 同传统网上考试系统一样 每次考试或测验前教师要在网上发布考试信息 并提供参加考试的学生 考试范围 难度 时间等信息 系统依据上述要求生成 相关科目的试卷 保证学生进行相关科目的考试或测验 网上考试系统的另外一个用户是考生 考生作为网络考试系统的主体 按照 考试要求首先要在网络考试系统上进行注册 包括上传照片 并在规定的时间登 录网络考试系统进行考试 来访者可以隐藏真实身份 因为这样可以有效保护隐 私 正确登录考试系统后 学生就可以按照试卷的要求进行答题 此后 学生在 规定时间完成试卷内容最终进行提交 根据以上的分析 系统内部的用户就分成教师和学生两类 他们通过网络考 试系统完成考试工作 并且将考试成绩自动提交给学校的学生成绩管理系统 2 1 3 系统运行环境 系统运行的环境应能满足在现阶段学校网络能承受的较为普及的软件环境 和硬件配置 并对今后一段时间的变化情况有一定的预测和满足 当前 操作系统方面 学生使用较多的是微软的W i n d o w s 家族 这其中较为 流行的是W i n d o w s2 0 0 0 同时考虑到考场服务器的维护简单 因此 在系统的 服务器端主要考虑W i n d o w s2 0 0 0S e r v e r 客户端主要考虑W i n d o w s2 0 0 0 P r o f e s s i o n a l 操作系统 并且考虑到项目开发的复杂度 在保证系统兼容两种 操作系统基础上 测试环境选择为W i n d o w s2 0 0 0S e r v e r 和P r o f e s s i o n a l 8 基于S o A 的网上考试系统的设计与实现 2 1 4 系统目标 网上考试系统将提供 题库维护服务 试卷生成服务 线考试服务 考试成 绩统计分析服务 题库维护服务 保障教师对题库异地 时时更新有效性 教师登录系统后 根据本学期教学班级和科目进入题库维护界面 对题目进行添加 删除 修改 难度设置 试卷生成服务 该系统由教学管理部门在规定的考试时间生成考试试卷 输 入科目 知识点 试卷难度 考试时间 题目总数 出卷数量等参数 生成重复 题目最小的多套试卷 在线考试服务 学生可以在规定时间 在指定地点进行混班考试 提供考试 时间提示 提交试卷确认等支持 2 2 本课题要解决的关键问题 2 2 1 采用基于 O A 的策略解决跨平台的系统兼容问题 S O A 是一种架构模型 根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行 分布式部署 组合和使用 服务层是S O A 的基础 可以直接被应用调用 从而有效 控制系统中与软件代理交互的人为依赖性 前面已经提到传统的W e b 应用一般都存在先天不足的致命弱点 就是依赖专 有对象才能运作 最典型的是C O R B A 和D C O M 这两个最主流的网络架构技术之间 就很难实现互操作 两者不能在一起很好地协作 另外一个问题是跨计算机通讯 为了应付这个问题 M i c r o s o f t 开发了 D i s t r i b u t e dC o m p o n e n tO b j e c tM o d e l D C O M 利用D C o M 使用者就可以透过 网络存取服务所在的计算机 当然 其它的平台也有类似的分布式模式 虽然达 成了跨计算机通讯的目的 却只限于相同的平台 在跨平台之间取得服务仍然有 困难 例如W i n d o w s 程序无法调用执行于L i n u x 之上的E J B 从M i c r o s o f tV i s u a lB a s i c 无法直接调用E J B 而J a v a 程序也无法直接 调用C O M 对象的方法 要使这些对象模式之间的通讯更有效率 需要利用某些 方式以将建立数据的对象以及该对象需要特定平台的要求性分开 也就是说要将 对象和平台分别管理 解决方案就是S i m p l eO b j e c tA c c e s sP r o t o c o l S O A P S O A P 解决了多种 平台在存取资料上不兼容的问题 使用S O A P 可以实现在垂直应用层面上将C O R B A 9 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 和D C O M 技术进行水平的整合 将它们更好的集成为一个整体 本文正是借用这 个思想 来试图实现教学管理软件系统与不同软硬件系统平台及编程语言之间的 兼容问题 2 2 2 试题库的开放性问题 开放性是当今I n t e r n e t 应用软件努力追求的共同目标 目前多数网络考试 系统并不具备开放性 例如试题库需要有专人维护就是一个非常大的问题 除非 集中大批教师专门进行试题库的管理与维护 否则少数维护者不可能精通所有课 程的知识 也就不能及时充实 修正 删除 更新知识库内容 无法保证当前试 题库内容的相对及时性 完备性和可用性 如果将系统做成开放型的 那么试题库的维护工作改变为由分散在各校区不 同专业的教师来实施 这样就可以在任何时候 任何地点对试题库中属于自己的 教学内容进行充实 更新 修改和删除 从而保证试题库与教学的同步 同时解 决了试题库的包容性问题和实时性问题 2 2 3 知识点的最大包含问题 这种试题库系统的基本思想是按照 知识点 来构建试卷 主要是思路是依 据教学大纲的要求 以课程的主干内容为主线 先把教学内容细致分解为一个个 知识点 然后按大纲对各个知识点的要求掌握的层次 题型 题量 难易度及各 知识点间的馆包容性结合起来 作为该试题库系统构建试题的基本原则 以便计 算机自动生成每份试卷 在考查点的分布上具有较强的科学性 2 2 4 试题最小重复的组卷策略问题 本系统利用遗传算法求解试题库自动组卷问题的新方法 讨论了运用遗传算 法求解在一定约束条件下的多目标参数优化问题 提出了功能块的概念 并采用 了新的编码方式 交叉算子和变异算子 实验结果表明 改进的遗传算法相对于 其他算法更能有效的解决自动组卷问题 具有较好的使用性能和实用性 2 3 本课题所采取的研究方法 本课题根据当前最新的技术和观念 从系统架构由传统W e b 应用方式到W e b 服务架构的改进 试题库的开放性策略的研究 系统包容性和实时性的提高和组 卷策略的研究等几个方面着手 试图对以上关键问题进行有效突破 I O 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 2 3 1 基于S O A 的策略进行系统基础架构的改进 构建一个企业应用程序集成的解决方案不是一件容易的事情 这些解决方案 需要集成多种商业系统 而这些商业系统原本并不是用作协同工作的而设计的 所以 由于各种各样的困难 集成这样的系统是非常艰难的 这些困难包括应用 程序设计平台的不同 编程语言的不同 每一个单个商业系统所具有的多样性和 复杂性 完全理解所要的结果集成解决方案的困难 在设计集成的企业应用程 序的时候 软件架构师们要确保完成许多非常重要的任务 这些任务包括 帮助理解集成的应用程序在功能的和质量保证上的需求 为集成应用程序创建初始的架构设计图 选择恰当的集成技术 以保证可以实现特定应用程序的需求 在一项主要的投资计划实施之前 对本体系结构和用于构建企业级层次 的应用程序的集成技术的结合的成功性进行验证 伴随着像W e bS e r v i c e s 这样的工业标准的出现 面向服务的体系结构 S e r v i c eO r i e n t e dA r c h i t e c t u r e 在许多领域都作为范例使用 当然也包括了 企业级应用程序的集成这一领域 用基于服务的方法去做集成就是利用服务的交互作用来集成可计算的实体 在集成方面用基于服务的方法会遇到一些问题 例如在集成遗留下来的东西和不 具有灵活性的各种不同的系统的时候 需要说服各个I T 机构提供锁定在已知应 用程序中的可再度利用的服务的功能 与传统的企业级应用程序集成 e n t e r p r i s ea p p li c a t i o ni n t e g r a t i o n 相 比 用基于服务的方法去做集成明显的特点有 定义完善的 标准化的接口 为消费者提供容易理解的一致性访问的 方法访问已经存在的服务 不透明性 提供功能性的应用程序所用的技术和程序所在的位置都隐 藏在服务接口之后 事实上 对于固定服务的提供者而言清楚这些东西 是没有必要的 灵活性 服务的提供者和服务的消费者都可以改变 只有服务 的描述是保持不变的 只要提供者和消费者都继续坚持这种服务描述 应用程序就会继续工作下去 实现基于服务集成的技术 构建基于服务的集成技术需要具有以下的基本功能 消息传递 智能化路由 事件服务 应用程序适配器 X M L 转译 数据转换 规则处理 W e bS e r v i c e s 支 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 持 服务 过程优化安排 商业过程管理 商业活动监控 进一步讲 为了保证基于服务的集成的成功性 集成技术还需要有如下的质 量保证 可扩展性 高性能 安全性 易管理性 2 3 2 试题库维护的开放性策略 将试题库的维护工作改变为由任课教师来实施 系统对加入试题库的维护工 作的教师进行资格审查 对获准加入的教师提供身份识别号 登录密码与维护和 权限 这样 每个教师都可以在任何时候 任何地点对试题库中属于自己的教学 内容的试题进行充实 更新 修改和删除 从而保证试题库与教学的同步 除此之外 系统还应给教师提供很大的灵活性 允许他们对自己教学内容的 试题库进行自主分类 调整 合并或细化类别 并自定义相应的属性 2 3 3 系统包容性和实时性的提高 对于相同课程 可以允许有多个教师同时拥有维护试题库的权限 各自在添 加自己认为适合的试题 这可以为学校的教学管理部门 能真正实现教学与考试 分离 为不同班级的学生提供不同角度 不同层面的问题 对于实时性来说 当前试题库中尚不存在的内容 自然暂时还不具备实时性 但是随着加入的教师越来越多 题目更新就会越及时 试题库越大 越全 越完 善 系统的实时性就会越好 如果实现了W e bS e r v i c e s 架构 试题库分布在各 校区 系统的包容性和实时性的问题当然也就迎刃而解了 2 3 4 基于遗传算法及相关技术的组卷设计 利用遗传算法求解试题库自动组卷问题的新方法 讨论了运用遗传算法求解 在一定约束条件下的多目标参数优化问题 提出了功能块的概念 并采用了新的 编码方式 交叉算子和变异算子 实验结果表明 改进的遗传算法相对于其他算 法更能有效的解决自动组卷问题 具有较好的使用性能和实用性 自动组卷就是按照教师和教学的要求 由计算机自动从试题库中选择试题 组成一份符合要求的试卷 它是计算机辅助教学系统 C A I 的重要组成部分 常 用的自动组卷方法大致可分为两类 1 随机抽取法 2 回溯试法 1 2 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 2 4 组卷策略的研究与探索 在智能教学系统中 一个非常重要的课题是怎样在已生成的题库中自动生成 满足教学和教师需求的试卷 一套试卷的构成需要涉及很多因素 在试卷中的每 一道试题又包含多个属性 其中与组卷有关的属性有如下六项 1 题型 2 章节 3 难度系数 4 区分度 5 时间 6 分数 组卷中决定一道题 就是决定它的上述六个属性 组成一份n 道题的试卷就是从试题库中抽取n 道 题 组成一个nX6 的矩阵 矩阵中的每一列代表一个属性 每一行代表一道题 即S a 1 1a 1 2a 1 3a 1 4a 1 5a l l a 2 la 2 2a 2 3a 2 4a 2 5a 2 6 a 3 1a 3 2a 3 3a 3 4a 3 5a 3 6 a n la n 2a n 3a n 4a n 5a n 6 该矩阵应满足以下相应的约束条件 1 题型 试题的题型 按照现代教育理 论对于考试的客观性的要求 试卷应包含足够的客观性试题 1 5 择题 填空题 而为了考察学生的思维水平与能力 分析运算能力和科学表达能力 试卷又要有 一定数量非客观性试题 考虑到上述两方面的要求 试题库内试题应包含判断题 填空题 选择题 问答题 改错题 证明题 和计算题7 种题型 2 章节 试 题内容所属的篇章 为保证试题有足够的覆盖面 每个章节都要有相应的试题 且各章内容所占分数应与教学时数成正比 3 难度 在试卷命题过程中 针对不 同考试对象 不同阶段的考试 命题难度也不同 试题难度系数定义为d 1 一 3 z 均分 该项满分 根据难度系数不同 将试题分为容易 中等 较难 难四个 难度等级 容易 0 0 5 一 0 2 0 中等 0 2 5 0 4 0 较难 0 4 5 0 7 0 难 0 7 5 O 9 5 在组卷中 对于各种难度级的试题在试卷中的分布也做出一个参考性规定 即 容易 中等 较难 难 2 5 6 0 1 5 4 区分度 试题对考生的 水平鉴别和区分程度的指标 为了估计区分度 我们将考生分成高分组和低分组 两个组 分别统计高分组和低分组的得分率 我们把区分度定义为 区分度 高 分组的得分率一低分组的得分率 5 分数 每份试卷的分数为1 0 0 分 或由用 户指定 6 时间 考试时间为1 2 0 分钟或由用户指定 1 3 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 除了上面六个约束外 有时试卷还要满足教学要求层次 掌握 理解 了解 能力要求 知识 运用 灵活运用 试题内容的相关性以及出题频率等约束 根据经验 指标过多会增加组卷问题的难度并降低其效率 2 4 1 传统遗传算法的问题求解 遗传算法是基于生物学进化原理的一种全局搜索算法 它模拟了自然界适者 生存 优胜劣汰这一基本的生物进化过程 遗传算法的框架是由H o l l a n d 于2 0 世 纪6 0 年代提出 可描述为 1 随机产生初始种群 2 利用评价函数 适应度 函数 对个体计算函数值 3 按一定的概率对个体进行选择 交叉 变异等操 作产生新种群 4 重复 2 3 两步 直到收敛 找到最佳解或迭代次数足够 多 上述框架中的参数往往与待解决的具体问题密切相关 针对自动组卷问题 我们给出相应的算法步骤如下 步骤l 染色体的编码 假设试题库中有m 道题 可用一个m 位的二进制串来表示 形式为 x lx 2 x 3 x m 其中若x i 为1 则表示该题被选中 若x i 为O 则表示该题未被选中 即当第i 道题被选中x i 1 当第i 道题未被选中x i 0 若一份试卷中有n 道试题 则x 1x 2x 3 m 串中应有1 3 个l 步骤2 初始化群体 通过随机的方法生成初始化的串群体 在串群体中 串的长度是相同的 群体 的大小根据需要按经验或实验给出 步骤3 计算当前种群每个个体的适应度本问题的适应度函数可定义为 6 l Z f i w i f l l fi 表示第i 个属性指标与用户要求的误差的绝对值 w i 表示第i 个指标 组卷重要程度的权值 f 是所有指标与用户要求的误差绝对值之和 步骤4 选择 按照一定的选择概率对种群进行复制 选择较好的串生成下一代 个体的适 应度函数值越小 该串的性能越好 选择概率越大 去掉较差的串 步骤5 交叉 交叉是两个串按照一定的概率 交叉概率P C 从某一位开始逐位互换 首 1 4 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 先 对每个二进制串产生一个在O l 的随机数 若该数小于P c 则选择该串进 行交叉 否则不选择 随机地对被选择的二进制串进行配对 并根据二进制串的长 度n 随机产生交叉位置i i 为E 1 n 一1 上的一个整数 然后按下面的方 式交叉 交叉前交叉后 a la 2a 3 a i m 1 8 n a l a 2a 3 a i b i 1 b n b lb 2b 3 b i b i 1 b nb 1b 2b 3 b i a i 1 a n 步骤6 变异 变异是二进制串的某一位按照一定的概率 突变概率P r o 发生反转 l 变为 0 0 变为l 这里P n l 较小 P m 可小于0 0 0 1 但在实践中发现 在有些遗传 算子中 P I n 为0 1 时更好 步骤7 终止 记录进化的代数 并判断是否满足终止条件 若满足 则输出结果 否则转向 步骤3 继续执行 终止条件如下 a 出现种群满足f O b 某个个体适应度 值达到指定要求 c 达到指定的进化代数 d 当前种群中最大适应度值与以 前各代中最大适应度值相差不大 进化效果不显著 2 4 2 改进的遗传算法 在传统的遗传算法中 初始种群的每个字符串中 1 的数目等于试题的数目 n 可进行遗传操作 交叉 变异 后 字符串中 1 的数目可能大于或小于n 从而变为非法解 此时必须对解进行修正 即进行相应的运算使字符串中 1 的 数目为n 一般说来 这个过程比较复杂 大大增加了运算量 另外 对于生成 试卷的6 个属性指标 我们的要求也不一样 对于考试分数 我们希望没有误差 而对于其他属性 如题型 章节 难度 区分度 时间等只要满足一定的要求就 可以了 因此对传统的遗传算法做如下改进 1 编码的改进 在实际组卷中 假设在试卷中每种题型的数目是固定的 且相同的题型的分数和答题时间是相同 的 这样 可以将整个二进制串按照题目的类型划分为不同的功能块 每个功能 块采用独立的二进制编码 也就是说 每个功能块对应一种特定的题型 而该功能 块中 l 代表该题被选中 0 代表该题未被选中 1 的数目即该种题型的 试题数目 显然 按这种规则产生的初始种群已经满足了试题对题型 分数和答 题时间的要求 2 交叉运算的改进 由于种群中每一个功能块对应着一个题型 所以 为了保证每个题型的数目不变 交叉点的选择不能破坏功能块的完整性 假 设交叉点位于第i 个功能块内 则前i 个功能块保持不变 从第i 1 个功能块 开始逐位交换 3 变异运算的改进 由于在每个功能块中 1 的数目即是该 1 5 基于S O A 的网上考试系统的设计与实现 题型试题的数目 因此在变异过程中应保证整个种群所有功能块中 1 的数目不 变 可执行如下过程 首先 由变异概率决定某位取反 然后 检查 修正字符串 中 l 的数目 保证不发生变化 4 用全局最优解替换本次迭代的最差解 为 保证好的字符串不至于流失 每次遗传操作前记录本次迭代的最优解 若该解优 于全局最优解则替换全局最优解 否则全局最优解保持不变 此次遗传操作后 用全局最优解替换本代的最差解 2 4 3 实验设计与实验数据 在实验中将6 0 0 道试题按要求存放于所使用的试题库中 并给出个体评价 函数 f w lz f w c w 2s j w c w 3t x w c w 4p z w c w 5n d w c w 6q f d w c 其中w i l i l 2 6 z f w c 表示各试题分数之和与用户指定 的总分之差的绝对值 s j w c 表示各试题估时之和与用户指定的考试时间之差的 绝对值 t x w c 表示各种题型题量与用户指定的相应值的误差绝对值之和 p z w c 是每一篇章试题分数与用户指定的相应值的误差绝对值之和 n d w c 是每一难度 的试题分数与用户指定的相应值的误差绝对值之和 q f d w c 是每一区分度试题 分数与用户指定的相应值的误差绝对值之和 以下各表列出一部分实验结果 表2 1 是运用传统的遗传算法在不同种群及不同迭代次数中得到的最小适 应度的值 其中 交叉概率P c 0 6 变异概率P m 0 1 表2 1 传统的遗传算法最小适应度的值 迭代数目 代 最小适应度的值最小适应度的值最小适应度的值 种群数目 1 0