基于SaaS模式的分布式在線考試系統(tǒng)設計

韋忠慶 袁煜 蔡軍

摘 ?要： 紙質(zhì)考試命題組卷以人工為主，試卷知識點、考題類型等組卷因素需要人為把控，存在組卷效率低下的弊端。設計基于SaaS模式的分布式在線考試系統(tǒng)，系統(tǒng)核心業(yè)務中的題庫管理模塊構(gòu)建自身屬性的考試題庫，學生登入系統(tǒng)后在考試模塊中選取考試科目，題庫管理模塊根據(jù)學生選取的科目，在題庫里采用基于改進遺傳算法的智能組卷算法組卷后返回至考生頁面，考試后學生和老師可在信息查詢統(tǒng)計模塊中查詢成績。實驗結(jié)果表明，所設計系統(tǒng)組卷耗時為9.35 ms，組卷成功率高達100%，組卷效率與組卷質(zhì)量較高;和同類型考試系統(tǒng)相比，具有響應速度快、承壓能力好的優(yōu)勢，得到多數(shù)考試機構(gòu)的認可。

關(guān)鍵詞： SaaS模式; 分布式系統(tǒng); 在線考試; 組卷; 題庫管理; 遺傳算法

中圖分類號： TN919?34; TP311.1 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）12?0048?04

Abstract： The question setting and test composition in paper examination are mainly manual， and the test paper composition factors such as knowledge points and examination question type of test papers need to be artificially controlled， resulting in the disadvantage of low test paper composition efficiency. Therefore， a distributed online examination system based on the SaaS mode is designed. The examination question database management module in the core service of the system is used to build the examination question database with its own attribute. Students select the examination subject in the examination module after login into the system. In accordance to the subjects selected by students， test paper composition is conducted in the examination question database by using the intelligent test paper composition algorithm based on the improved genetic algorithm， after which the student page is returned. Students and teachers query the results in the information query and statistic module after the examination. The experimental results show that the designed system has the time consumption of 9.35 ms and a success rate of 100% for the test paper composition， and high test paper composition efficiency and quality; and in comparison with other examination systems of the same type， the designed system has the advantages of faster response speed and better pressure?bearing ability， which is accepted by most examination institutions.

Keywords： SaaS mode; distributed system; online examination; test paper composition; examination question database management; genetic algorithm

0 ?引 ?言

伴隨網(wǎng)絡技術(shù)的日趨成熟，傳統(tǒng)紙質(zhì)考試已逐漸被在線考試所取代[1]。但是，考試機構(gòu)自主研發(fā)的在線系統(tǒng)在現(xiàn)實使用時，系統(tǒng)建設未設定嚴謹、統(tǒng)一標準與技術(shù)尺度，且題庫反復建立導致資源未能合理應用，運維成本也逐漸增大[2];而考試機構(gòu)必須建立符合自身特征、低成本的在線考試系統(tǒng)，才能保證穩(wěn)定發(fā)展。

SaaS（Soft?as?Service）軟件運營屬于互聯(lián)網(wǎng)供給軟件的服務模式。SaaS模式的基本要素包括在Internet平臺中使用、網(wǎng)絡服務器存儲數(shù)據(jù)、根據(jù)使用定制收費、多重租賃功能。隨著在線考試系統(tǒng)的逐漸成熟，SaaS憑借低成本、低風險、高便捷度三種優(yōu)勢得到廣大考試機構(gòu)青睞[3]。應用SaaS模式過程中，非單一考試機構(gòu)都能同時使用一套SaaS平臺，服務節(jié)點與數(shù)據(jù)庫服務具有共享性。所有用戶個性化需求都可根據(jù)客戶化設定完成，對其他用戶不產(chǎn)生干擾。基于上述優(yōu)勢本文設計基于SaaS模式的分布式在線考試系統(tǒng)，并采用基于改進遺傳算法的智能組卷算法完成智能組卷。

1 ?分布式在線考試系統(tǒng)設計

1.1 ?系統(tǒng)硬件設計

基于SaaS模式的分布式在線考試系統(tǒng)的在線考試模式和以往模式具有差異性，面向全省以及全國學生，考生來自不同地區(qū)。該系統(tǒng)由考試機構(gòu)、Web表現(xiàn)層、核心業(yè)務以及元數(shù)據(jù)服務等構(gòu)成，其中核心業(yè)務由題庫管理模塊、考試模塊和信息查詢統(tǒng)計模塊構(gòu)成[4?5]。核心業(yè)務中的題庫管理模塊構(gòu)建自身屬性的考試題庫，學生登入系統(tǒng)后在考試模塊中選取考試科目，題庫管理模塊根據(jù)學生選取的科目，在題庫中隨機選題組卷后返回至考生頁面?？荚嚭螅瑢W生和老師可在信息查詢統(tǒng)計模塊中查詢成績。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?基于SaaS模式的分布式在線考試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1） 題庫管理模塊

考試機構(gòu)進入題庫管理模塊后能夠構(gòu)建自身屬性的考試題庫，其中可建立考試知識點管理子模塊、考試類型管理子模塊、導入考題等子模塊。題庫管理模塊整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2） 考試模塊

考試模塊包含考試科目生成、在線考試、自主閱卷三種程序。學生進入后，必須選取考試科目，依據(jù)考生選取的科目和教師設定的考試規(guī)則中的難度、知識點等參數(shù)[6?7]，在題庫里隨機選題組卷后返回至考生頁面。此模塊會依據(jù)考試規(guī)則中對考試時間的設定標準，提示考試注意答題時間?？荚嚹K整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 ?題庫管理模塊整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 ?考試模塊整體結(jié)構(gòu)圖

3） 信息查詢統(tǒng)計模塊

信息查詢統(tǒng)計模塊中包含信息統(tǒng)計子模塊與信息查詢子模塊，詳情如圖4所示。信息統(tǒng)計子模塊主要用于采集題庫中每類統(tǒng)計信息。信息查詢子模塊主要用于查詢考試成績與題目信息?？忌稍诳荚嚭蟛樵兂煽儯芾韱T與教師可通過信息查詢統(tǒng)計模塊查詢題庫中的題目信息[8?9]。

圖4 ?信息查詢統(tǒng)計模塊整體結(jié)構(gòu)

1.2 ?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要采用基于改進遺傳算法的智能組卷算法在題庫管理模塊中根據(jù)學生選取的科目隨機選題智能組卷[10]。

1.2.1 ?編碼策略

智能組卷時，編碼策略與整體染色體的構(gòu)成息息相關(guān)，是遺傳算法運行效果的核心因素，系統(tǒng)使用面向試卷的基因段整數(shù)編碼，此類編碼策略把一份試卷映射成一份染色體[11]，并將選取的試題映射成染色體里的基因因子，在題庫管理模塊里以編碼形式體現(xiàn)。且根據(jù)相應的題型特征順序分布，根據(jù)題型特征把所有基因分成若干份，算法只保存試卷里每個題型的數(shù)量，就能夠判定染色體每個基因段的所屬題型[12]。

1.2.2 ?基因修正模型

上述編碼策略在初始化與變異時，由于基因變化的非定性導致基因整數(shù)未能在所定區(qū)域重復，個體便會出現(xiàn)消亡，最終導致組卷失敗[13]。因此系統(tǒng)設計圖5描述的基因修正模型。

圖5 ?基因修正模型功能示意圖

基因修正模型中包含基因范圍修正和基因重復修正。基因范圍修正是在基因初始化與變異操作時，控制基因的變動區(qū)間，確保其在設定的正常區(qū)間中變化，防止進化時基因超出正常區(qū)間;基因重復修正是基因段整數(shù)編碼進化時基因重復異常會引起組卷失敗，所以在基因進化時設計基因重復修正功能，在基因初始化與變異時監(jiān)測基因重復，并把重復因子自主變換為正常區(qū)間中的正?；騕14]，并實時修正基因，克服重復異?；?qū)笃诮M卷的干擾，降低組卷失誤率。

1.2.3 ?交叉和變異概率

交叉概率[qc]和變異概率[qm]與遺傳算法的收斂性息息相關(guān)。標準遺傳算法中交叉概率與變異概率通常是設定好的，如[qc]取值區(qū)間為[0.4，0.99]，[qm]取值區(qū)間是[0.001，0.100]，[qc]值變大，則算法產(chǎn)生新個體性能越好，但偏大便會導致個體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞;[qm]值變小，種群多樣性變少，算法早熟收斂，陷入局部最優(yōu)。[qm]偏小，種群出現(xiàn)新個體性能變?nèi)?，進化速度降低;[qm]偏大，算法成為隨機搜索問題，收斂速度也隨之降低。

目前的自動組卷算法大多固定遺傳算法概率，不符合群體的差異性特征，概率固定式影響種群進化速度與方向。系統(tǒng)軟件采用的基于改進遺傳算法的智能組卷算法，采用自適應調(diào)節(jié)的交叉概率與變異概率，在進化時依據(jù)群體中的適用度值差進行動態(tài)優(yōu)化[15]。優(yōu)化后的交叉與變異概率為：

式中：[Δ=vavg-vmax]，群體適應值均值設成[vavg]，群體適應值最大值設成[vmax];[h1]與[h2]為概率因子。[Δ<1]，[qc]的值域為[0.5，1.0]，[qm]的值域為[0，1.5]。若種群個體變大，[qc]變大、[qm]變小，維護最優(yōu)個體，維護種群結(jié)構(gòu)。若種群個體變小，[qm]變大、[qc]變小，種群出現(xiàn)新個體性能變強，不會進入早熟收斂現(xiàn)象。

2 ?實驗分析

采用本文系統(tǒng)、阿里云ECS考試系統(tǒng)、在線學習過程性評價系統(tǒng)對某高校大一新生期末測試進行組卷對比實驗，結(jié)果如表1所示。

表1 ?三種系統(tǒng)組卷質(zhì)量與效率對比結(jié)果

分析表1可知，本文系統(tǒng)組卷耗時為9.35 ms，耗時最短，且組卷成功率高達100%，阿里云ECS考試系統(tǒng)、在線學習過程性評價系統(tǒng)組卷耗時都大于50 ms，且存在組卷失敗的情況。說明本文系統(tǒng)使用改進的遺傳算法能夠提高組卷成功率，且智能組卷的執(zhí)行效率也得到提升。

設定考試科目為語文、數(shù)學、英語、物理、化學、生物，在線考試學生為500人，分別使用三種系統(tǒng)進行在線考試，統(tǒng)計三種系統(tǒng)考試過程中的響應時間，對比結(jié)果如表2所示。

表2 ?三種系統(tǒng)考試過程中的響應時間對比結(jié)果 ? ? ?

??

分析表2數(shù)據(jù)可知，考試過程中，本文系統(tǒng)對于語文、數(shù)學、英語、物理、化學、生物6個科目的最大響應時間為0.12 ms，阿里云ECS考試系統(tǒng)對于語文、數(shù)學、英語、物理、化學、生物6個科目的最大響應時間為0.87 ms，在線學習過程性評價系統(tǒng)對于語文、數(shù)學、英語、物理、化學、生物6個科目的最大響應時間為0.74 ms。說明本文在線考試系統(tǒng)的響應時間最短，響應速度較快。

系統(tǒng)吞吐量體現(xiàn)系統(tǒng)的承壓能力，實驗時間設成13：00—17：00，統(tǒng)計三種系統(tǒng)的吞吐量，對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 ?三種系統(tǒng)吞吐量對比

分析圖6可知，隨著時間的推移，本文系統(tǒng)吞吐量的變化區(qū)間為[36 500 B，40 000 B]，阿里云ECS考試系統(tǒng)吞吐量的變化區(qū)間為[15 000 B，25 000 B]，在線學習過程性評價系統(tǒng)吞吐量的變化區(qū)間為[20 000 B，30 000 B]。經(jīng)對比可得，本文系統(tǒng)吞吐量最大，承壓能力較好。

3 ?結(jié) ?論

為構(gòu)建組卷高效率、高質(zhì)量、可同時為多數(shù)考試機構(gòu)使用的在線考試系統(tǒng)，本文設計基于SaaS模式的分布式在線考試系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由題庫管理模塊、考試模塊和信息查詢統(tǒng)計模塊構(gòu)成。經(jīng)驗證，本文系統(tǒng)組卷耗時為9.35 ms，本文系統(tǒng)對于語文、數(shù)學、英語、物理、化學、生物6個科目的最大響應時間為0.12 ms，具有耗時短、響應效率高的優(yōu)勢，且本文系統(tǒng)組卷成功率高達100%，使用價值較高。

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