基于POI的集實(shí)驗(yàn)+練習(xí)+考試于一體的在線測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉輝 胡瀟瀟

關(guān)鍵詞：在線考試；隨機(jī)組卷；Office操作題自動評閱；POI

0 引言

目前各類高校均開設(shè)了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求中根據(jù)該門課程的特點(diǎn)和學(xué)生的層次提出了“寬專融”三類課程體系[1]，不同的課程體系中有不同的知識點(diǎn)和課程的核心點(diǎn)，其中有兩類課程體系中都對文檔操作和數(shù)據(jù)表格操作有要求。故對于多數(shù)高校而言，Microsoft Office軟件的操作與使用是該課程的主要教學(xué)與考核內(nèi)容之一。

目前，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)考試，并進(jìn)行客觀題（如選擇題、判斷題、填空題）的評閱已經(jīng)較為常見，但是對于Office文檔操作題的自動評閱還存在一定的難度，尤其是因?yàn)镸icrosoft Office 2007 or Later版本的Office 文檔格式由二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)變?yōu)镺ffice Open XML 格式[2]，導(dǎo)致早期開發(fā)的舊系統(tǒng)對新版本的Office文檔評閱解析的支持存在問題。

Apache POI是Apache軟件基金會的開放源碼函數(shù)庫[3]，其提供API用于Java程序?qū)ffice文件進(jìn)行讀和寫。因此利用POI通過對Office文件解析，即可實(shí)現(xiàn)自動評閱Office文件的操作題，對于降低教師的工作強(qiáng)度、提高工作效率具有實(shí)際的意義。

1 系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)的總體目標(biāo)是搭建一個B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用程序，該程序不僅可以進(jìn)行選擇題、判斷題、填空題等客觀題的自動評閱，還可以進(jìn)行Office 2010及以上版本的操作結(jié)果進(jìn)行自動評閱，同時做到界面美觀、交互良好、使用便捷、人性化和自動化的要求。

本系統(tǒng)主要需求分為三部分，分別是在線測試、考試管理和系統(tǒng)管理。

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況需要三種角色，分別是：學(xué)生（Student） 、教師（Teacher） 、管理員（SA） 。

學(xué)生以班級（選課號）為單位，提供查詢考試列表、查詢考試詳情、創(chuàng)建試卷、答題、交卷、查看考試結(jié)果等功能。學(xué)生的在線測試又分為在線實(shí)驗(yàn)、在線模擬考試練習(xí)、在線考試。其中的核心需求是學(xué)生考試時，試卷答題結(jié)果的存儲和判分（尤其是Office操作題的判分）、考試倒計(jì)時自動交卷、試卷查看、查看操作題得分點(diǎn)等功能。

教師可以管理多個班級，查看所屬學(xué)生的考試成績和試卷、批量導(dǎo)入用戶、批量導(dǎo)出試卷、批量導(dǎo)出成績、在線監(jiān)考、創(chuàng)建考試（組卷）等功能。

管理員在包含教師身份所有功能的同時，還具有題庫管理、試題管理、考試管理、用戶管理、角色權(quán)限管理、菜單管理等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，參考了張巍的基于VBA技術(shù)的Office 上機(jī)考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[4]、高上雄的Office操作題生成與自動判分的C#語言實(shí)現(xiàn)[5]、職曉曉等人的全國計(jì)算機(jī)等級考試二級MS Office高級應(yīng)用考試系統(tǒng)[6]，彌補(bǔ)了這些系統(tǒng)在組卷方式、試題管理、系統(tǒng)功能等方面存在的局限性和不足，提出了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)后端采用SpringBoot框架，基于MVC設(shè)計(jì)模式，前端采用Vue框架，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

SpringBoot 是對Spring 框架的擴(kuò)展，內(nèi)部集成了其他框架，提供了許多便捷的開發(fā)方式，減少系統(tǒng)搭建的開發(fā)工作，并能夠了解決各框架依賴包的沖突問題[7]。其中的Spring MVC 提供了基于MVC（Model-View-Controller） 設(shè)計(jì)模式，結(jié)合基于Java 注解的配置，能夠使開發(fā)出的代碼具有低侵入性。在后端框架中，還加入了Apache POI，利用其為Java程序提供的API實(shí)現(xiàn)對符合Office Open XML（OOXML） 標(biāo)準(zhǔn)的Of?fice文件和微軟的OLE 2復(fù)合文檔格式進(jìn)行讀和寫。

Vue是一個用于創(chuàng)建用戶界面的開源的前端Ja?vaScript框架，本系統(tǒng)利用Vue-Element-Admin開源項(xiàng)目，基于Vue和Element UI開發(fā)前端功能，從而使系統(tǒng)具有輕量級、雙向數(shù)據(jù)綁定、運(yùn)行速度快等優(yōu)勢。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，本系統(tǒng)一共包含題庫、題目、選擇題選項(xiàng)、操作題得分點(diǎn)、考試、試卷、試卷選擇題選項(xiàng)、班級（課程）、用戶、身份、權(quán)限（菜單）、日志等共12個實(shí)體，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的E-R圖如圖3所示。

為了滿足多種形式的組卷方式，本系統(tǒng)把題庫與題目之間的關(guān)系設(shè)計(jì)為多對多的關(guān)系，即一個題庫可能包含了多個題目、一個題目可能在多個題庫當(dāng)中。考試與題庫也設(shè)計(jì)為多對多關(guān)系，即一個考試可以選擇多個題庫進(jìn)行出題，一個題庫可供多個考試選擇題目。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

1） 組卷設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過實(shí)現(xiàn)題庫、題目與考試之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)試題組卷和特定試題組卷兩種組卷方式靈活結(jié)合使用的功能，并且同時支持了實(shí)驗(yàn)、練習(xí)和正式考試。

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)隨機(jī)試題組卷和特定試題組卷的功能，設(shè)計(jì)如下：

首先根據(jù)需求創(chuàng)建對應(yīng)的題庫，如果需要隨機(jī)組卷，則需要把所有隨機(jī)出題的題目放在同一個題庫當(dāng)中。如果需要某個考試指定出現(xiàn)某些題目，則需要把該題目放在一個單獨(dú)的題庫中。

在創(chuàng)建考試時，能選擇多個題庫，根據(jù)題庫中包含的題目數(shù)量選擇并設(shè)置每道題的分?jǐn)?shù)。同時，通過選擇多個題庫或者設(shè)置單個題庫的某個題型全部出現(xiàn)，來實(shí)現(xiàn)隨機(jī)試題組卷和特定試題組卷兩種組卷方式同時使用。

實(shí)現(xiàn)組卷的界面如圖4所示。

2） 卷面顯示設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在顯示卷面時，采用題目順序隨機(jī)顯示，選項(xiàng)順序隨機(jī)顯示，從而實(shí)現(xiàn)即使是同一份試卷，當(dāng)前頁面顯示的考卷也不完全一樣。

3） Office操作題判分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用POI結(jié)合Java的語言特性設(shè)計(jì)了操作題的判分方法與流程。

對應(yīng)Office操作中最常用的Word、Excel和PPT三類文件，分別利用POI 中的XWPFDocument、XSSF?Workbook和XMLSlideShow三個類開發(fā)自定義的判分工具類WordUtils、ExcelUtils和PPTUtils。通過獲取目標(biāo)Office文件的xml解析文件[8]，進(jìn)一步獲取所需數(shù)據(jù)在xml文件中的位置，在對應(yīng)的判分工具類中提供對應(yīng)的格式獲取方法和判分方法，從而實(shí)現(xiàn)Office操作的判分；提供所有判分方法的接口，從而可通過Java反射方式獲取到對應(yīng)判分工具類中所有的判分方法；提供反射工具類的invokeMethod方法，從而實(shí)現(xiàn)前端向后端接口傳遞參數(shù)，進(jìn)而調(diào)用對應(yīng)的判分方法并獲得返回值；提供文件的“內(nèi)容和段落”解析接口，以便于前端選擇對應(yīng)的文字、段落、單元格、占位符；提供前端選擇頁面，通過攜帶操作對象、方法名、題目id等數(shù)據(jù)，請求后端接口，從而獲取到對應(yīng)格式（答案）并設(shè)置每個判分點(diǎn)的得分。

操作題判分過程如下：①下載答題模板（原始未操作的Office文件）；②根據(jù)題目要求修改答題模板，完成后保存修改并上傳已完成的文件；③后端查詢當(dāng)前試題的所有判分點(diǎn)，其中包含方法名、位置、正確答案、分?jǐn)?shù)等信息；④根據(jù)獲取到的判分點(diǎn)中的信息，依次執(zhí)行對應(yīng)的方法并將獲取到的內(nèi)容與判分點(diǎn)中的正確答案進(jìn)行比對，比對結(jié)果一致則操作正確，反之則錯誤；⑤根據(jù)考試中該題型設(shè)置的分?jǐn)?shù)與學(xué)生得分比例（回答正確的判分點(diǎn)分?jǐn)?shù)綜合/ 所有判分點(diǎn)的分?jǐn)?shù)綜合）相乘得到學(xué)生該題目的得分并保存。

4） 實(shí)驗(yàn)、練習(xí)與考試功能集成設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過設(shè)定系統(tǒng)權(quán)限、考試配置等信息，實(shí)現(xiàn)了集實(shí)驗(yàn)、練習(xí)與正式考試為一體。不同類型的考試設(shè)置如表1所示，模擬練習(xí)的考試配置界面如圖5所示。

5） 精確到按鈕的權(quán)限控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)提供了學(xué)生、教師、管理員三種身份的用戶，不同的身份具有不同的權(quán)限。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了前后端一致的，精確到按鈕級別的權(quán)限控制功能，能夠動態(tài)更改各個身份的權(quán)限，同時前端會根據(jù)用戶身份所擁有的權(quán)限，來提供不同的菜單、按鈕和功能。系統(tǒng)前后端權(quán)限控制示意圖如圖6所示。

6） Redis緩存設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Redis 實(shí)現(xiàn)緩存，用旁路緩存模式（Cache Aside Pattern） 作為緩存的讀寫策略，完成了如下數(shù)據(jù)接口的緩存：①不同身份的權(quán)限標(biāo)識列表查詢接口；②系統(tǒng)配置查詢接口；③部門詳情與部門樹查詢接口；④考試列表分頁查詢接口；⑤考試詳情查詢接口；⑥試題內(nèi)容詳情查詢接口；⑦選擇題選項(xiàng)查詢接口；⑧操作題判分點(diǎn)查詢接口；⑨用戶登錄后生成的token。

本系統(tǒng)集成Redis后，極大地提高了系統(tǒng)性能，降低了數(shù)據(jù)庫的壓力。

3 結(jié)束語

相比于傳統(tǒng)的紙質(zhì)試卷考試來說，在線考試有諸多優(yōu)勢，包括實(shí)現(xiàn)無紙化、無須人工閱卷、可以隨機(jī)組卷等，在學(xué)校的教學(xué)環(huán)節(jié)中有效地提高了工作效率，減輕了教師的改卷工作量，實(shí)現(xiàn)了即考即出成績。