基于云計(jì)算技術(shù)的英語在線考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐福江

(臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教師發(fā)展研究中心, 浙江 臺州 318000)

0 引言

英語是當(dāng)前全球范圍內(nèi)流通性最強(qiáng)的語種，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的來臨以及社會與教育體系改革，英語考試已經(jīng)成為當(dāng)前教育系統(tǒng)中的主要組成部分[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在線英語考試模式以其方便性與快捷性成為當(dāng)前英語考試的主要方式。因此設(shè)計(jì)一個(gè)高質(zhì)量的英語在線考試系統(tǒng)對于英語學(xué)習(xí)與測試具有巨大的推動作用。

提供資源的網(wǎng)絡(luò)定義為“云”，并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲、負(fù)載均衡等均是云計(jì)算的基本特征[3]。作為面向服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施部署體系結(jié)構(gòu)，云計(jì)算可并行、均衡的在大量分布式計(jì)算機(jī)構(gòu)建的大規(guī)模資源上完成不同任務(wù)的計(jì)算，同時(shí)依照實(shí)際需求將具有動態(tài)伸縮特性的廉價(jià)信息、計(jì)算與存儲服務(wù)提供給應(yīng)用系統(tǒng)[4]。

為了給英語教學(xué)與測試領(lǐng)域創(chuàng)建一個(gè)具有高度適應(yīng)性，且可滿足不同用戶需求的英語在線考試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于云計(jì)算技術(shù)的英語在線考試系統(tǒng)，并通過仿真實(shí)驗(yàn)分析了其性能。

1 基于云計(jì)算技術(shù)的英語在線考試系統(tǒng)

1.1 英語在線考試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

英語在線考試系統(tǒng)采用云計(jì)算架構(gòu)模式，結(jié)構(gòu)框架,如圖1所示。

圖1 英語在線考試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

該系統(tǒng)利用私有云或公有云模式在硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)層以及業(yè)務(wù)層中通過基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)和平臺服務(wù)實(shí)施任務(wù)分配[5]，英語在線考試管理模塊位于系統(tǒng)軟件服務(wù)層內(nèi)，是系統(tǒng)的核心模塊[6]，利用SOA/Web Services形式向用戶提供服務(wù)功能。系統(tǒng)整體劃分為客戶端層、軟件服務(wù)層、平臺服務(wù)層和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層[7]。為提升英語在線考試系統(tǒng)應(yīng)用性，系統(tǒng)通過軟件服務(wù)模式降低設(shè)備資金等資源投入和系統(tǒng)維護(hù)成本與壓力等。系統(tǒng)采用多用戶連接方式[8]，即多個(gè)用戶一起使用分布在軟件供應(yīng)商服務(wù)器上的一個(gè)應(yīng)用資源，供應(yīng)商提供相應(yīng)資源，用戶支付較小的使用代價(jià)后可同其它用戶共同使用該資源?；谠朴?jì)算技術(shù)的英語在線考試系統(tǒng)中多用戶所指的是租用考試系統(tǒng)軟件的不同用戶。同時(shí)該系統(tǒng)也具備中間調(diào)度層技術(shù)，將數(shù)量不等的用戶分配至不同的應(yīng)用資源上，通過數(shù)個(gè)應(yīng)用資源的并行運(yùn)行降低大量用戶對系統(tǒng)的使用壓力，無需各用戶構(gòu)建私有云。

1.2 英語在線考試管理模塊設(shè)計(jì)

英語在線考試管理模塊是英語在線考試系統(tǒng)的核心，云計(jì)算的英語在線考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足不同考試需求，依照不同考試規(guī)模、考試需求，實(shí)時(shí)接收并處理數(shù)量不等、有所差異的考務(wù)命令，實(shí)時(shí)調(diào)控云服務(wù)器[9]。同時(shí)考試系統(tǒng)還需具備考試資源共享，支持云端管理系統(tǒng)功能，通過專業(yè)技術(shù)人員管理，滿足動態(tài)存儲需求。英語在線考試管理模塊中，出題者可在任意時(shí)間內(nèi)存儲自己全部的考試資源，不同出題者可實(shí)現(xiàn)考試資源的隨存隨取。應(yīng)試者通過身份驗(yàn)證登錄系統(tǒng)進(jìn)行答卷，答卷過程自動計(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)存儲；答卷完成后，立即將相關(guān)結(jié)果傳輸至系統(tǒng)內(nèi)。云端存儲的巨大空間可確保存儲數(shù)據(jù)不會損壞與丟失。英語在線考試管理模塊結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 英語在線考試管理模塊結(jié)構(gòu)圖

英語在線考試管理模塊中包括組卷管理子模塊、成績管理子模塊、試卷管理子模塊、題庫管理子模塊、在線考試子模塊和數(shù)據(jù)庫值模塊。組卷管理子模塊采用優(yōu)化的遺傳算法進(jìn)行智能組卷[10]；試卷管理子模塊可實(shí)現(xiàn)英語在線考試試卷的查詢、統(tǒng)計(jì)、排版、審核和打??；在線考試子模塊能夠?qū)崿F(xiàn)英語在線考試即時(shí)控制、過程監(jiān)控和試卷存儲等功能，通過數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)存儲、備份和恢復(fù)[11]。

1.3 英語在線考試系統(tǒng)工作流程

英語在線考試系統(tǒng)采用面向?qū)ο缶幊陶Z言—JAVA開發(fā)軟件，開發(fā)簡單、美觀、易操作的考試界面。英語在線考試系統(tǒng)工作流程,如圖3所示。

圖3 英語在線考試系統(tǒng)工作流程

應(yīng)試者經(jīng)身份驗(yàn)證成功登錄系統(tǒng)后，進(jìn)入英語在線考試模塊進(jìn)行考試，通過考試科目、時(shí)間、規(guī)則和考生信息校核后，正式開始答卷。正式答卷過程中，系統(tǒng)會顯示考試開始時(shí)間、考試結(jié)束時(shí)間和考試剩余時(shí)間[12]；當(dāng)考試結(jié)束后，系統(tǒng)自主保存并提交試卷，提交成功后，顯示試卷已提交。系統(tǒng)對比提交的英語試卷和數(shù)據(jù)庫內(nèi)的正確答案，通過校卷確定應(yīng)試者最終成績。

1.4 智能組卷算法設(shè)計(jì)

1.4.1 智能組卷數(shù)學(xué)描述

英語在線考試題庫中，若一道英語試題具有若干個(gè)屬性，x和y分別表示題庫內(nèi)試題數(shù)量和屬性數(shù)量，構(gòu)建一個(gè)x×y矩陣用來描述一份英語試卷,如式(1)。

(1)

式中，axy為第x道試題的第y個(gè)屬性。

1.4.2 目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

由于分?jǐn)?shù)、考試時(shí)間等會對于英語在線考試試卷組卷影響并不顯著，可以忽略，因此在設(shè)置y的過程中設(shè)定y值為4，即每一道英語試題包含四個(gè)屬性，分別是：難度系數(shù)，章節(jié)知識點(diǎn)、認(rèn)知層次以及區(qū)分度，分別用N、J、C和Q表示。通過降低這四個(gè)屬性對應(yīng)的分?jǐn)?shù)值與期望值間的誤差，可獲取高質(zhì)量的英語試卷。在此基礎(chǔ)，可以建立如下的英語試卷組卷目標(biāo)函數(shù),如式(2)。

f=k1×WN+k2×WJ+k3×WC+k4×WQ

(2)

式中，ki和Wi分別表示第i個(gè)的屬性權(quán)重和屬性所占分?jǐn)?shù)值。

1.4.3 智能組卷策略設(shè)計(jì)

為獲取高質(zhì)量的英語試卷組卷結(jié)果，將英語試卷組卷的目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，采用遺傳算法的交叉與變異算子進(jìn)行進(jìn)化操作最終確定最優(yōu)解，基于優(yōu)化遺傳算法的智能組卷策略詳細(xì)過程分為四步：編碼、構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)、交叉操作、變異操作。英語在線考試試卷組卷進(jìn)行編碼時(shí)，參考當(dāng)前高校紙質(zhì)英語考試試卷題型，設(shè)定四種不同類型的題型，對應(yīng)的編碼方式,如表1所示。

表1 編碼方式

表1中的Q和T分別表示選擇題和填空題，D和H分別表示閱讀理解題和作文題，L表示編碼長度。同時(shí)設(shè)定的編碼段有所差異，能夠區(qū)別有所差異的題型，避免編號相同。

設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)的主要目的是獲取最優(yōu)解。變化適應(yīng)度函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)際分?jǐn)?shù)與期望分?jǐn)?shù)之間差異的最小化。適應(yīng)度函數(shù)變換表達(dá)式,如式(3)。

(3)

式中，fitness(v)=f，Cmax表示適應(yīng)度函數(shù)的上限值。

為確保設(shè)定的編碼內(nèi)不同題型固定不變，結(jié)合交叉點(diǎn)位置實(shí)施段內(nèi)交叉。若段內(nèi)具有重復(fù)試題編號，則需利用無重復(fù)的編號替代。在各題型段中任意生成變異位置，隨后任意生成一組滿足約束條件的基因串，確定該基因串是否存在于編碼中，若在編碼中則以新數(shù)據(jù)取代原數(shù)據(jù)。通過上述過程獲取智能組卷最優(yōu)解。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了測試云計(jì)算技術(shù)的英語在線考試系統(tǒng)應(yīng)用性能，在設(shè)定相應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，對本文系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真測試。

2.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)相關(guān)結(jié)果設(shè)計(jì),如圖4所示。

(a) 系統(tǒng)登錄界面

由圖4可知，用戶在系統(tǒng)登錄界面對話框內(nèi)輸入用戶名與密碼后，可登錄系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)主界面。在組卷界面內(nèi)輸入相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)將依照參數(shù)設(shè)計(jì)，自動生成相應(yīng)試卷。在成績查詢界面應(yīng)試者可詳細(xì)查詢自己的考試成績，發(fā)現(xiàn)自身缺陷。

2.2 功能測試

實(shí)驗(yàn)為測試系統(tǒng)功能的有效性，分別從系統(tǒng)登錄、試卷答題、試卷提交、查看成績等方面模擬用戶操作流程，對比實(shí)際功能與期望功能之間的一致性，如表2所示。

表2 功能測試結(jié)果

由表2可知，本文系統(tǒng)功能測試中，各項(xiàng)功能實(shí)際測試結(jié)果與期望結(jié)果一致，均滿足本文系統(tǒng)應(yīng)用需求。

2.3 資源占用率對比

為測試本文系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的資源占用情況，分別從組卷管理、成績管理、試卷管理、題庫管理、在線考試和數(shù)據(jù)庫等面訪對比本文系統(tǒng)、基于Web的英語在線考試系統(tǒng)、基于移動終端的英語在線考試系統(tǒng)對于CUP與RAM的占用情況，如表3所示。

表3 不同系統(tǒng)資源占用率(%)對比

由表3能夠得到，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行英語在線考試過程中，CPU占用率和RAM占用率總值分別達(dá)到27.2%和19.3%，與兩個(gè)對比系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)CPU占用率總值下降18.2%以上，RAM占用率總值下降14.5%以上。由此可知本文系統(tǒng)在進(jìn)行英語在線考試過程中資源占用率較低。

2.4 響應(yīng)時(shí)間對比

對比并發(fā)人數(shù)為1 000人時(shí)，上述三個(gè)系統(tǒng)在系統(tǒng)登錄、試卷答題、試卷提交、成績查詢四方面的響應(yīng)時(shí)間，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對比

分析圖5得知，采用本文系統(tǒng)進(jìn)行英語在線考試過程中，系統(tǒng)登錄與試卷答題等功能的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于兩個(gè)對比系統(tǒng)，由此可知本文系統(tǒng)具有較高地響應(yīng)效率，可大幅提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3 總結(jié)

應(yīng)社會發(fā)展潮流與教育體系改革的要求，本文設(shè)計(jì)基于云計(jì)算技術(shù)的英語在線考試系統(tǒng)。仿真測試結(jié)果顯示,本文系統(tǒng)功能全面、穩(wěn)定，具有較低的資源占用率和較高的功能運(yùn)行響應(yīng)時(shí)間。但本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中對于系統(tǒng)日常管理與應(yīng)急方案等方面的內(nèi)容沒有涉及到，在后續(xù)優(yōu)化過程中，將著重這方面的研究。