硬件低配置環(huán)境下的高效考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾水新 溫立輝

摘要：目前不少在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的高校，機(jī)房建設(shè)的年份早、配置低，文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于Client/Server架構(gòu)的考試系統(tǒng)，占用系統(tǒng)資源低、效率高、操作便捷，適合硬件配置低的環(huán)境使用。該系統(tǒng)以Delphi編寫，發(fā)布為管理端、監(jiān)考端、學(xué)生端三個單文件的模塊，監(jiān)考端與學(xué)生端軟件僅2M～3M大小，方便分發(fā)；業(yè)務(wù)處理合理地分配在教師機(jī)與學(xué)生機(jī)上，減少了教師機(jī)的壓力；通信基于高效的UDP協(xié)議，通信的內(nèi)容僅限控制信號及狀態(tài)信息，試題以文件形式傳輸，減少了網(wǎng)絡(luò)壓力。

關(guān)鍵詞：考試系統(tǒng)；教育信息化；C/S架構(gòu)；B/S架構(gòu)；Delphi

中圖分類號：TP311.52；G647? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0079-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

新冠肺炎疫情以來，各高校積極響應(yīng)教育部提出的“停課不停學(xué)”的要求，積極開展線上教學(xué)工作，探索信息化教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)過幾年的實(shí)踐，教師、學(xué)生已逐步適應(yīng)了線上教學(xué)并體會到了教育信息系統(tǒng)的便捷。新一代智能技術(shù)與教育教學(xué)深度融合為教與學(xué)方式的變革帶來了更多可能性，促進(jìn)了教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式和教學(xué)元素三個方面產(chǎn)生變革[1]。

網(wǎng)絡(luò)化考試具有處理速度快、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)自動閱卷的功能節(jié)省了教師大量的時間和精力，且在線考試可以節(jié)約紙張資源，符合綠色發(fā)展的理念[2]。在線考試系統(tǒng)采用一些針對性的技術(shù)手段，可以減少作弊現(xiàn)象，提升了考試的公平性[3]。

2 需求分析

市面上考試系統(tǒng)的產(chǎn)品和研究很多，如張旭輝的基于Java語言和MySQL數(shù)據(jù)庫的在線考試系統(tǒng)[4]，陳斌的基于人臉識別的智能混排考試管理系統(tǒng)[5]，吳永輝的基于C/S模式的通用網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)[6]，任紅云的基于云計(jì)算的考試系統(tǒng)[7]等，這些系統(tǒng)對計(jì)算機(jī)配置的要求較高，不適用于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)機(jī)房硬件配置低的學(xué)校，這類學(xué)校的考試系統(tǒng)的需求是：

1）教師機(jī)、學(xué)生機(jī)的硬件配置要求低。很多學(xué)校教師機(jī)的配置與學(xué)生機(jī)是一樣的，因此學(xué)校需要的考試系統(tǒng)不僅要求在低配的學(xué)生機(jī)能運(yùn)行，在教師機(jī)同樣也不能要求配置太高。

2）監(jiān)考人員的操作需簡單。普通的期末考試監(jiān)考人員是隨機(jī)安排的，因此系統(tǒng)應(yīng)操作簡單，不需培訓(xùn)即能使用。

3）啟動快。有監(jiān)考過網(wǎng)絡(luò)考試的教師應(yīng)該有體會，有的考試系統(tǒng)功能強(qiáng)大，但是需要在服務(wù)器做很多的部署工作，如安裝啟動應(yīng)用服務(wù)器、安裝啟動數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、導(dǎo)入數(shù)據(jù)、配置、導(dǎo)出數(shù)據(jù)等，會帶來很高的時間成本。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

在局域網(wǎng)環(huán)境下，可選的體系架構(gòu)可以是C/S架構(gòu)也可以是B/S架構(gòu)，目前市場上的考試系統(tǒng)兩者皆有。

C/S（Client/Server）架構(gòu)，即客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)，是成熟的軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。客戶機(jī)和服務(wù)器都需要安裝軟件，計(jì)算任務(wù)通常合理地分配到客戶端和服務(wù)器，降低了系統(tǒng)的通訊開銷和服務(wù)器開銷，可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢[8]。

B/S（Browser/Server）架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，是隨著Internet技術(shù)的興起，對C/S架構(gòu)的改進(jìn)?？蛻魴C(jī)不需要安裝軟件，用戶界面通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)，客戶機(jī)一般不做或做極少量的業(yè)務(wù)處理，主要的事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器運(yùn)行數(shù)據(jù)負(fù)荷較重[8]。

本系統(tǒng)采用的是C/S架構(gòu)，原因如下：

1）需對學(xué)生的行為做一些限制，以防止作弊。如：限制使用U盤、限制通訊軟件、限制上網(wǎng)、限制切換窗口、限制復(fù)制粘貼等。這些功能在C/S的客戶端軟件可以輕松實(shí)現(xiàn)，但在瀏覽器中不容易實(shí)現(xiàn)。

2）C/S的客戶端可分擔(dān)服務(wù)器的部分功能。C/S的客戶端有較高的安全性，不容易泄露數(shù)據(jù)或被篡改，因此可以將服務(wù)器的部分功能分?jǐn)偟綄W(xué)生機(jī)，以減少服務(wù)器的計(jì)算壓力，例如客觀題的評分。

3）C/S的客戶端可方便實(shí)現(xiàn)存取本地文件、屏幕截圖等功能。有些課程考試需要上傳文件或?qū)ζ聊唤貓D作為評分依據(jù)。

4）客戶端軟件的交互性遠(yuǎn)超于瀏覽器的Web頁面，讓學(xué)生不必浪費(fèi)在頁面等待中。

5）通信量低。對于一些老舊機(jī)房，網(wǎng)速差、教師機(jī)配置不夠高，使用C/S架構(gòu)減少通信量可以降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和教師機(jī)的并發(fā)處理。

3.2 開發(fā)工具選擇

開發(fā)C/S架構(gòu)可選的開發(fā)工具很多，如經(jīng)典的Java、C#、C++、Delphi、Python，新秀產(chǎn)品有QT、Electron、NW.js等。結(jié)合學(xué)校的需求，選型應(yīng)考慮以下因素：

1）基于Windows系統(tǒng)。除了一些特殊專業(yè)的機(jī)房，高校機(jī)房里大多數(shù)安裝的是Windows系統(tǒng)，因此系統(tǒng)要求運(yùn)行的平臺是Windows系統(tǒng)。

2）盡可能少的底層依賴。由于考試時分配的機(jī)房是未知的，不能保證計(jì)算機(jī)里的配套軟件是符合要求的，因此應(yīng)盡量地對底層少依賴或不依賴。Java、Python都需安裝運(yùn)行，C#需要安裝.net環(huán)境，可以排除這幾種語言。

3）要求單文件、尺寸小。在考試場景下，應(yīng)盡量簡化學(xué)生的操作。無須安裝、單文件的程序，學(xué)生可快速進(jìn)入考試、減少出錯概率；教師機(jī)下發(fā)軟件也是個耗時的工作，例如用紅蜘蛛網(wǎng)絡(luò)教室軟件在50臺學(xué)生機(jī)的機(jī)房分發(fā)一個100M的文件，需要幾十分鐘，給監(jiān)考工作帶來不便。QT、Electron、NW.js發(fā)布后會帶有一系列依賴文件，發(fā)布的文件總大小也超過一百兆，因此可以排除這幾個工具。

剩下可選的有C++和Delphi，這兩種工具都可以開發(fā)出單文件、無依賴、小尺寸的軟件，但相對而言Delphi比C++更簡潔更快速，因此最終選擇Delphi作為開發(fā)工具。

3.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)分為三個模塊，分別為管理端、監(jiān)考端、學(xué)生端。主要功能為：

1）管理端。試題管理、評分、報(bào)表生成、成績分析。

2）監(jiān)考端。發(fā)送監(jiān)考信號、接收狀態(tài)信息、修改端口。

3）學(xué)生端。考試、修改密碼、發(fā)送狀態(tài)信息。

管理端在教師的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，教師設(shè)計(jì)好試卷后，導(dǎo)出加密的試題文件；考試結(jié)束后，管理端導(dǎo)入答題文件，教師進(jìn)行批改。監(jiān)考端和學(xué)生端運(yùn)行在機(jī)房的局域網(wǎng)環(huán)境下，啟動后自動檢測、驗(yàn)證試題文件。監(jiān)考端發(fā)送開考、結(jié)束的指令以控制考試時間，學(xué)生端在考試期間會發(fā)送已完成的題目數(shù)量信息到監(jiān)考端，以讓監(jiān)考教師了解整體進(jìn)度。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 管理端設(shè)計(jì)

管理端用于教師管理所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括試卷管理、導(dǎo)入答題文件、批改試卷、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、成績分析等功能。

1）試卷管理模塊

①查看試卷。該功能顯示試卷的試題、參考答案、分值、分?jǐn)?shù)，以供教師查看、導(dǎo)出歸檔。刪除試卷也在此模塊下。

②編輯試卷。試題采取固定三級分類的方式，一級題需設(shè)置標(biāo)題、題目類型、是否亂序、三級題分值、三級題數(shù)量、抽題數(shù)量；二級題需設(shè)置內(nèi)容、參考答案，二級題是學(xué)生真正要作答的題目；三級題實(shí)際上是學(xué)生的作答，不需要設(shè)置。

“題目類型”包括單選、多選、填空、簡答。單選、多選、填空這幾類客觀題可設(shè)置自動評分；多選題可設(shè)置為部分正確得一半分，如正確答案為ABCD，那么學(xué)生選擇了AB、BC也能獲該題的一半分?jǐn)?shù)；填空題的參考答案可填寫多個，學(xué)生的回答與其中一個匹配即可得分，填空題可勾選是否忽略大小寫；簡答題需手動評分。

“是否亂序”是指二級題的順序是否隨機(jī)，以避免學(xué)生相互對答案?！俺轭}數(shù)量”是指抽二級題的數(shù)量。

③導(dǎo)出試卷。導(dǎo)出試卷可選擇要導(dǎo)出的題目、填寫端口號。導(dǎo)出題目可選是為了導(dǎo)出多套不重合的試卷，例如同一個考試多個班的考試時間不一樣，為了防止學(xué)生漏題，可導(dǎo)出多套試卷避免作弊。端口號是用于監(jiān)考端與學(xué)生端通信用的端口，一般默認(rèn)即可，但為了防止默認(rèn)端口被其他軟件占用，可以修改成另一個端口號。監(jiān)考端也提供了修改端口號的功能，以讓監(jiān)考教師也可在遇到端口被占用時修改。

2）答題文件導(dǎo)入模塊

考試結(jié)束后，教師收集學(xué)生的答題文件，在管理端導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。流程如下：

①獲取答題文件信息，包括考試編號、文件名、學(xué)號、班級、姓名。

②校驗(yàn)。校驗(yàn)是否能解密，答題文件是加密的，如果文件被篡改，會出錯而不能讀取；根據(jù)考試編號、學(xué)號，比對數(shù)據(jù)庫是否已有此文件；檢測所選文件中是否有重復(fù)，學(xué)生提交考試時，經(jīng)常會出現(xiàn)重復(fù)提交的情況（文件名不同），因此入庫前需檢測此問題。

③系統(tǒng)自動將解密錯誤的文件設(shè)置為不可選、已入庫和重復(fù)的文件設(shè)置為未選中（但教師仍然能手工勾選），由教師決定是否入庫，同一個考試的同一個學(xué)生的文件，后入庫的覆蓋先入庫的。

3）試卷批改模塊

試卷批改是系統(tǒng)的核心功能之一，本系統(tǒng)采用雙重批改模式，即先自動再手動。自動批改只能批改客觀題，手動批改可以批改所有題型。

試卷批改窗口分左右兩欄，左側(cè)為主區(qū)域，顯示答題內(nèi)容，右側(cè)為批改工具欄。

主區(qū)域由TWebBrowser控件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)搜索條件加載數(shù)據(jù)庫里的記錄后，動態(tài)生成html代碼，再加載到TWebBrowser里顯示。

工具類由上下兩部分組成，上部為搜索條件，可篩選考試名稱、題目、分?jǐn)?shù)范圍、姓名。分?jǐn)?shù)范圍可以選擇“所有”“未評”“分?jǐn)?shù)區(qū)間”。

下部為打分欄，包括選擇工具、分?jǐn)?shù)設(shè)置。選擇工具可以選擇匹配某答案、清除選擇；分?jǐn)?shù)設(shè)置包括滿分、0分、某分、設(shè)置為未評。

4）統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊

統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊可統(tǒng)計(jì)單次考試和所有考試。單次考試顯示考試的各題明細(xì)，所有考試僅顯示總分。

4.2 監(jiān)考端設(shè)計(jì)

監(jiān)考端是提供給監(jiān)考教師使用的，監(jiān)考教師通常隨機(jī)指派的，設(shè)計(jì)的原則是步驟少、操作直觀、時間短。監(jiān)考端的功能有：

1）控制功能。如果采用B/S架構(gòu)，需要教師安裝數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，部署項(xiàng)目，不僅操作復(fù)雜，還需要提前一個小時準(zhǔn)備。本系統(tǒng)僅需教師運(yùn)行軟件，一鍵啟動考試一鍵結(jié)束考試，無須部署。

2）考試狀態(tài)查看。監(jiān)考端接收學(xué)生機(jī)的狀態(tài)信息，可全覽整個班的考試狀態(tài)，查看每位同學(xué)的考試進(jìn)度。

3）修改通訊端口。監(jiān)考端與學(xué)生端是通過UDP協(xié)議通訊的，因此對網(wǎng)絡(luò)的要求非常低，速度也更快，端口號從考題文件里讀取。監(jiān)考端啟動時，自動檢測端口是否被占用，如果被占用則提示教師修改端口號。

4.3 學(xué)生端設(shè)計(jì)

考試前教師通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)軟件如紅蜘蛛教學(xué)軟件將學(xué)生端軟件及考題文件發(fā)放給學(xué)生。

1）登錄。學(xué)生端啟動后，會檢測同層文件夾下是否有考題文件，如果沒有或有多個考題文件，系統(tǒng)不允許登錄。初次登錄學(xué)生需輸入姓名、設(shè)置密碼，學(xué)生信息列表已經(jīng)集成在客戶端軟件里，只有在列表里的學(xué)生才能登錄。如果是第二次以上登錄，姓名不能輸入，學(xué)生需輸入第一次設(shè)置的密碼。

2）初始化。學(xué)生端啟動后，在設(shè)定好的端口持續(xù)監(jiān)聽監(jiān)考端的控制信息，收到開始考試的信號后，進(jìn)行初始化。初始化的內(nèi)容包括抽題、檢測綁定信息、綁定學(xué)生信息。

抽題僅在第一次啟動時執(zhí)行，是指根據(jù)配置隨機(jī)抽取特定數(shù)量的試題，并將試題次序打亂；檢測學(xué)生綁定信息時詢問監(jiān)考端，本機(jī)輸入的姓名是否與之前綁定的一致，如不一致則不允許考試；如本機(jī)未綁定，則向監(jiān)考端發(fā)送姓名、計(jì)算機(jī)識別號以綁定學(xué)生信息。

3）考試。初始化之后，學(xué)生端進(jìn)入考試界面?？荚嚱缑娣秩糠?，上部顯示學(xué)生姓名、學(xué)號、考試名稱信息，以及“修改密碼”“結(jié)束考試”按鈕。左側(cè)為導(dǎo)航樹，右側(cè)顯示題目內(nèi)容、題目控制工具欄。題目控制工具欄包括上一題、下一題的快捷按鈕，以及當(dāng)前已完成的數(shù)量。

4）導(dǎo)出。學(xué)生主動結(jié)束考試或系統(tǒng)收到結(jié)束考試信號后，系統(tǒng)將學(xué)生的答案加密導(dǎo)出到答題文件，以“學(xué)號+姓名”的規(guī)則命名答題文件。文件內(nèi)的信息有試卷信息、計(jì)算機(jī)識別號、學(xué)生信息、起始時間列表、答題內(nèi)容等。

5 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)的考試系統(tǒng)，是在經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的高校機(jī)房配置不高的背景下，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)考試的解決方案，創(chuàng)新點(diǎn)有：

1）計(jì)算機(jī)硬件配置要求低。教師機(jī)僅要求運(yùn)行監(jiān)考端軟件，不需要服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫，學(xué)生機(jī)僅要求運(yùn)行學(xué)生端軟件，即使是非常老舊的機(jī)房也毫無壓力。

2）網(wǎng)絡(luò)載荷低。教師機(jī)與學(xué)生機(jī)通過局域網(wǎng)通信的內(nèi)容僅有控制信號與狀態(tài)信息，每個通信包的大小僅十多個字節(jié)。

3）軟件極小，方便攜帶和傳輸。生成的監(jiān)考端軟件僅2.7M，學(xué)生端軟件2.6M，試題文件和答題文件僅幾十K左右。

4）操作簡單，上手即用。配置好參數(shù)后，監(jiān)考端僅需開始、結(jié)束操作，學(xué)生端需登錄、提交操作。

5）帶防作弊功能。通過隨機(jī)題目、綁定信息、記錄起始時間、一考多卷、禁止復(fù)制等功能減少考試作弊現(xiàn)象。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】