（交通信息工程及控制专业论文）基于智能判卷与学习的通用考试平台研究与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文对当前社会中各行业及常见的考试类型进行了分析与总结，并对考 试实现领域工程进行了分析，在此基础上设计了一个具有通用性的网络考试平 台，使之能够实现多课程多批次地完成考试。本文对考试中主观题的评分也进 行了研究与分析，介绍了分析关键词的处理技术，如关键词的抽取与关键词的 搜索处理等，同时也介绍了采用模糊数学理论解决主观题的评分问题。 本论文的研究主要目标是解决考试系统的通用性、智能判卷和学习性。通 用性就是分析考试系统设计能够适用于几乎现在所有的课程测试，同时从服务 层次上是针对多学科多批次的考试设计架构，从而实现考试平台的整合，节省 成本，本系统通过与文件服务器配合使用及试题附件处理技术可满足当前绝大 多数所的考试应用；智能判卷方面通过引入答案专家规则库模式，评卷过 程中可识别并学习评卷者的评卷规则，使系统的判卷功能变得越来越强大、越 来越聪明；系统的学习性主要有两方面。一方面是评卷方面，判卷系统的学习 评卷功能；另一方面是题库的自我学习及完善功能，这个功能是通过对试题的 动态难度分析而进行调整题库而体现出来的。本论文并详细的给出了考试系统 中基于存储过程的抽题算法、判卷学习算法以及试题的动态难度的关系计算方 法，同时本论文也给出了整个系统设计的思想及各个模块的逻辑设计实现方 法。 关键词：考试系统，智能判卷，动态难度，存储过程，机器学习 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t 1 1 1t h i sr e s e a r c h , t h ec o m m o nt y p e so fe x a m i n a t i o ns y s t e mf o ra l lv o c a t i o n s i nc u r r e n ts o c i e t yi sf i r s t a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d , t h er e a l i z a t i o no ft h e e x a m i n a t i o ni nt h ed o m a i ne n g i n e e n n gi sa l s os t u d i e d ag e n e r i ce x a m i n a t i o n s y s t e mi st h e nd e v e l o p e d t h i sg e n e r i ce x a m i n a t i o ns y s t e mp r o v i d e sag e n e r i c n e t w o r ke x a m i n a t i o np l a t f o r m , t h r o u g hw h i c he x a m i n a t i o n sc a nb ea c h i e v e db ya m u l t i - c o u r s e ，m u l t i b a t c hw a y s i nt h i sr e s e a r c h ，t h es u b je c t i v ee x a m i n a t i o ni n q u e s t i o na l s oh a da s c o r eo fr e s e a r c ha n da n a l y s i s ：t h eu s eo ft e c h n o l o g yt od e a l w i t ht h ek e y w o r d si sf i r s ti n t r o d u c e d , e x a m p l ek e y w o r d ss u c ha st h ee x t r a c t i o n a n dp r o c e s s i n go fs e a r c hw o r d s ，a tt h es a m et i m ep u tf o r w a r dt h et h e o r yo ff u z z y m a t ht os o l v et h ep r o b l e ms c o r eo f s u b j e c t i v eq u e s t i o n s t h i sr e s e a r c hi sc o n c e r nw i t ht h ed e v e l o p m e n to fag e n e r i ce x a m i n a t i o n s y s t e mt o g e t h e rw i t ham e t h o d t os u p p o r tt h ei n t e l l e c t i v eg r a d i n ga n ds t u d y i n gi n a ne x a m i n a t i o ns y s t e m g e n e r a l - e x a m i n a t i o n si st h ea n a l y s i so ft h es y s t e md e s i g n c a l lb ea p p l i e dt oa l m o s ta l lo ft h et e s t i n gp r o g r a m ，a ts a m et i m ef r o mt h el e v e lo f s e r v i c ef o rm o r et h a nam u l t i d i s c i p l i n a r ye x a m i n a t i o no ft h eb a t c hf r a m e w o r k d e s i g n e dt oa c h i e v et e s tp l a t f o r mf o rt h ei n t e g r a t i o na n dc o s ts a v i n g s ，t h r o u g ht h e s y s t e ma n df i l es e r v e r , w i t ht h eu s eo ft h ea n n e xt od e a lw i t ht e c h n i c a lq u e s t i o n s a n dt om e e tt h ev a s tm a j o r i t yo ft h ec u r r e n te x a m i n a t i o no ft h ea p p l i c a t i o n ； g r a d i n gt h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fs m a r t a n s w e re x p e r tr u l eb a s e m o d e l ， m a r k i n gt h ep r o c e s so fl e a r n i n ga n di d e n t i f i a b l em a r k i n gt h em a r k i n gr u l e s ，s o t h a tt h es y s t e ma n dt h eg r a d i n gf u n c t i o n sb e c o m em o r ea n dm o r ep o w e r f u l ，m o r e i n t e l l i g e n t ；s t u d yo ft h es y s t e mh a st w om a i na s p e c t s o nt h eo n eh a n d ，m a r k i n g g r a d i n gs y s t e mt os t u d yt h ef u n c t i o nh a a r k i n g ；o nt h eo t h e rh a n d , t h eb a n k s s e l f - l e a m i n gm e c h a n i s m s a n df u n c t i o n so fs e l f - i m p r o v e m e n t ，t h i sf u n c t i o n t h r o u g ht h ee x a m i n a t i o no fd y n a m i ca n a l y s i sm o r ed i f f i c u l tt oa d j u s ta n dr e f l e c t t h eb a n k i nt h i sr e s e a r c h ，t h ed e t a i l e de x a m i n a t i o ns y s t e mb a s e do ns t o r a g ed r a w t h et i t l eo ft h ep r o c e s so fa l g o r i t h m ，t h el e a r n i n ga l g o r i t h m ，a sw e l la st h eg r a d i n g p a p e r sd y n a m i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e g r e eo fd i f f i c u l t yo ft h em e t h o do f c a l c u l a t i n ga r ed e s c r i b e d a tt h es a m et i m e ，t h i sr e s e a r c ha l s oi n t r o d u c e sh o wt h e d e s i g no ft h ee n t i r es y s t e mo ft h o u g h ta n dl o g i cm o d u l e sa n dd e s i g nm e t h o d sa r e a d o p t e dt oa c h i e v et h ep r o p o s e do b j e c t i v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 k e yw o r d s ：e x a m i n a t i o ns y s t e m ；i n t e l l i g e n ta u t o m a t i cg r a d i n g ；d y n a m i c d i f f i c u l t y ；s t o r e dp r o c e d u r e ；m a c h i n el e a r n i n g 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密可，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：缛 ， 眺沙卜，p 指导喜矍签茗_ 却 醐嘭产力 西南交通大学曲南父通大罕 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 构建了通用考试平台的架构模式，并系统的进行了需求分析与逻辑设计， 对系统划分了三大模块子系统：监考服务子系统、客户端子系统和后台管理子 系统，并给出客户端与监考服务器的通信规范及考试客户端的设计。考试后台 管理是考试系统的核心模块，系统的智能判卷与学习功能在这个模块才以体 现，其中有代表性的技术有：基于数据库存储的程序更新技术、快速的试题录 入技术、考生试卷导出技术、试题的动态难度统计技术、基于规则库的判卷及 学习技术、基于存储过程的组卷技术以及试题的附件管理技术。 学位的论文作者签名：侩，芡秀 1 ：年川矽日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景 在日益发达的信息社会中，计算机技术与网络技术越来越广地应用于各 个领域，改变着人们的学习、工作、生活乃至思维方式，也引起了教育领域 的重大变革，将计算机与网络技术应用于现代教育中，是现代教育发展的需 要，同时社会中的人为了生存并跟上社会的发展需要，人们从社会中汲取的 知识越来越多，更新周期也越来越短，一些再就业职业培训及认证考试等教 育服务手段也日益蓬勃发展，对于被教育者的教育水平测试很多由传统的纸 张或单纯人为考察模式转为计算机协助处理，各类行业的测评系统如雨后春 笋般的发展起来。考试手段的现代化是考试发展的必然趋势，特别是在计算 机应用技术培训、外语教育培训等方面，机器考试的效果明显优于传统考试 形式，在阅卷及成绩统计环节，机器考试的效率和准确性更是其它形式无法 比拟的。 从国际范围内看，网络考试考试系统主要出现并应用在国际性的认证考 试中，目前采用基于网络的机器考试形式的认证考试有以下。 ( 1 ) 微软认证考试 微软认证考试是微软公司推出的计算机高级技术人员认证考试，是全球 公认的计算机软件高级人才认证，由比尔盖茨签发的证书在全球1 0 0 多个国 家均得到承认。微软认证证书代表着企业及个人的技术实力，其拥有者在全 球各地均可享有高就业机会、高薪、相关学业免学分的待遇，甚至在北美的 一些国家可以作为外来移民的技术评估标准。目前国内的微软认证有四种： 微软认证产品专家( m c p ) 、微软认证系统工程师( m c s e ) 、微软认证软件开发 专家( m c s d ) 、微软认证数据库管理员( m c d b a ) 。 ( 2 ) c i $ 0 0 认证考试 c c n a 认证属于c i s o c 售后工程师认证体系的入门认证。c c i e 资格认证 是整个互联网行业的最高水平的技术专业人员认证项目之一。 ( 3 ) g r e 考试 由美国教育考试服务中心( e t s ) 设计主办的英语水平考试，从2 0 0 3 年7 月1 日起，g r e 普通考试在韩国和中国采取机考加笔考的形式。g r e 分析性 写作考试部分采取计算机化考试形式，语文和数学考试部分仍以笔考形式进 行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在国内，也有许多网络考试系统出现并已经投入了使用，主要有以下考 试。 ( 1 ) 计算机应用能力考试 由人事部组织的专业技术人员计算机应用能力考试。它是在仿真的应用 软件环境下，测试操作者的软件操作能力。 ( 2 ) 交通法规考试 由公安车辆管理部门使用，对申请领取机动车驾驶执照人员进行的考试。 ( 3 ) 全国计算机等级考试 1 9 9 4 年开始，由教育部考试中心组织，在全国推行计算机等级考试。考 试共分四个等级，考试形式采用笔试和网络化计算机考试相结合的形式。 1 2 现有考试系统实现方式解析 目前各类考试测评系统在测评处理上根据处理的数据类型及格式上大致 可分为：纯文本模式、操作辅助模式、虚拟模式这三种。纯文本模式这类的 考试系统非常多，测试考核内容的形式基本以文本为主，考生的回答基本上 是文本格式提交；操作辅助模式一般在考试中给出操作条件，考生根据操作 要求完成指定内容，系统根据考生的完成度给分；虚拟模式是完全虚拟行业 环境，基本上是操作辅助模式的一种特例。目前国内外较成熟的考试平台比 较多，基于纯文本模式的有四川省的计算机基础等级考试、一些大学基于网 络的课程测试平台等；基于操作辅助模式的有全国计算机等级考试一级与二 级的考试、早期四川省的职称计算机考试系统等；基于虚拟模式的有全国职 称计算机考试、微软的系列认证考试等。对于现有的考试系统，因为条件的 限制，我们只能以考生的身份去接触该考试系统，实际上只能接触考试系统 的考试过程控制部分。下面对比较有代表性的两个考试系统的考试过程控制 部分进行具体解析。 1 2 1 微软认证考试系统分析 ( 1 ) 软件的体系结构 微软认证考试系统是一个c s 结构的软件系统，需要在有i n t e m e t 网络 接入条件的计算机上安装使用。它首先以考试服务代理机构为基本用户，考 生需要在考试服务代理机构处办理手续，由该机构代理将考试试题下载到本 地。 ( 2 ) 考试过程的控制 考试过程的控制大致分成以下几步： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 一、进入考试程序 启动考试程序后，屏幕上显示一个有考生姓名、编号的列表框，考生在 列表中选择后即进入考试程序，不需要输入用户名和密码等。 二、熟悉考试的操作 为了让考生熟悉本考试系统的操作方式，系统引导考生进入一个考试界 面，这里有一组标准化的选择题，与实际考试中的试题形式相同，考生可以 练习解答或选择退出。 三、进行正式考试 从练习部分退出后软件自动进入正式考试过程，时钟开始计时。考试的 题型一般有两种： 单选题：用选项组控件显示，用户只能选择答案中的一个； 多项选择题：用复选框控件显示，用户可以选择一个或多个答案； 操作题：虚拟仿真应用界面，如d b a 认证中在s q ls e r v e r 中完成数 据复制的操作。 屏幕下方有一组试题导航按钮： 前一题：用来显示前一个试题； 后一题：用来显示后一个试题； 结束：用来结束本次考试，提交试卷。 四、考试结束 当考生主动结束考试或考试时间到达后，软件进入结束处理过程。首先 将考生的成绩显示在屏幕上，告之考生是否通过；同时将考试的成绩数据上 传到远程的考试中心；最后通过打印机将考生的成绩单打印，有些课程还包 括考生成绩的统计分布情况。 ( 3 ) 用户操作界面特点 进入考试程序后，程序自动将桌面锁定，禁止用户进行多任务切换和主 动启动其它应用程序。 ( 4 ) 试题的管理方式 考试过程中，不同课程的试题管理策略有所不同，大致有两种方式： 随机式 同一套试题有随机的显示顺序，可以前后翻看： 自适应式 。 软件根据用户对当前问题解答的对错情况自动选择下一个试题，当前试 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 题答对了则选择一个不低于当前难度的试题，否则选择一个难度不高于当前 的试题。这种情况下考生不能利用导航按钮翻看试题。 1 2 2 专业人员计算机应用能力考试系统分析 ( 1 ) 软件的体系结构 这也是一个c s 结构的软件系统，考试软件需要在局域网内的每台考试 用的计算机上安装使用。考试时试题相关数据由考试程序下载到本地。 ( 2 ) 考试过程的控制 考试过程的控制大致分成以下几步： 一、进入考试程序 启动考试程序后，屏幕上提示考生输入考生编号和身份证号，验证无误 后在屏幕上显示考生的照片，并自动开始下载试题文件。试题下载结束后， 进入一个循环检测状态，等待考试服务器发出的开考信号。 二、进行正式考试 收到考试服务器发出的开考信号后，程序自动进入正式考试过程，时钟 开始计时。考试的题型是图形化的应用软件仿真界面，最前端的小窗口上显 示试题的内容，要求用户在软件仿真界面上用鼠标或键盘进行操作；在仿真 界面上只有考题相关的区域是活动的，其它部分是静止的。试题窗口上有一 组试题导航按钮： 前一题：用来显示前一个试题； 后一题：用来显示后一个试题； 结束：用来结束本次考试，提交试卷。 三、考试结束 当考生主动结束考试或考试时间到达后，软件进入结束处理过程，程序 自动将考生的数据上传到考试服务器。 ( 3 ) 用户操作界面特点 进入考试程序后，程序自动将桌面锁定，禁止用户进行多任务切换和主 动启动其它应用程序。 ( 4 ) 试题的管理方式 考试过程中同一套试题有随机的显示顺序，可以前后翻看。 t 3 网络考试系统的主要特征 分析前面列出的考试系统，基本可以分为以下两类： ( 1 ) 以一定的标准化试题库为基础，进行以选择题和填空题为主要形式 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的标准化考试。 ( 2 ) 在独立开发的仿真环境下进行应用软件的操作考试。这种形式本质 上也是标准化考试。 从上面可以看到，这些考试系统只能进行客观型试题的考试。 网络考试系统的主要特征有以下几点： ( 1 ) 试卷无纸化 所谓无纸化，是与传统考试形式相比而言。在网络考试系统中，试卷的 内容成为了数字信息，而将这些信息传递给考生是通过计算机的显示界面， 由于这种试卷的显示方式，考生对试题的解答形式也必然有所变化。 ( 2 ) 考试相关数据文件经网络分发和回收 考试的试卷信息通过网络传递到每个考生的计算机上，考试结束后由软 件控制，自动将考生的解答信息回收集中。与传统考试形式相比，这是网络 考试系统最为优越的特性。 ( 3 ) 试题组织形式的多样性 每次考试中的试题内容可以变化，这是机器考试的最大优点。常见的试 题组织形式有： 一、随机式 考试的试题在一定的题库内随机选取，即使是同样的试题也会产生各不 相同的顺序。这对考试的防作弊有一定的作用。 二、自适应式 在这种形式中，考试试题库中的每个试题都预先设定了一个难度系数， 当考生做完一个题后，根据考生的解答情况来选择下一个试题。如果考生当 前题解答正确，则选择一个难度系数不低于当前题目的试题；否则就选一个 不高于当前难度系数的试题。这种模式一般应用在练习测试中。 三、单向式 考试过程中，试题的出现按照一个确定的不可逆的顺序。做完前一题才 能做后一题，做到后一题时不能回到前一题。 ( 4 ) 严格的考生操作控制 严格的考生操作控制主要体现在以下两个方面： 一、锁定操作界面 锁定操作界面是指在考试过程中，考生只能在考试程序中进行操作，不 能主动地启动计算机上的其他软件，也不能任意在任务之间进行切换。这是 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 考察一个考试系统是否完善的重要特征。 二、准确计时 在现实的考试中，考试时间长度都是有严格限制的。这就要求考试系统 必须为每一位考生准确地计时，并将考试的剩余时间及时报告给考生。另外， 当考试到达结束时间时，考试系统能够自动进行收卷处理。 ( 5 ) 及时准确地获得考试的结果 能够及时准确地得到每位考生的成绩，是网络考试系统区别于传统考试 形式的又一大优势。如果试题的类型都是具有标准答案的客观型试题，阅卷 就可通过计算机自动进行( 有些考试系统甚至是实时进行) ，考试成绩就会在 考试结束后立刻得到。 1 4 本课题研究的主要内容 随着计算机网络的广泛普及，实现考试的无纸化、自动化成为可能。考 试手段的现代化是考试发展的必然趋势。考试系统总体可分为纯文本模式、 操作辅助模式、虚拟模式三种模式，但实际上现在社会上诸多的考试系统都 基本上具有针对性，一般只采用其中一种模式。但随着行业的发展，社会的 需要，一些行业需要集合这几种模式的综合性系统才满足要求，另外，针对 纯文本模式和操作辅助模式考试系统，目前对于主观性的试题在评卷过程中 还基本上由人参与评阅，由于人的主观性及评卷标准的把握尺度上，同一种 答案不同的评卷入在给出的分值具有差异性，有些时候甚至同一人在前后的 标准上也存在差异，这种导致了客观事实上阅卷的不公平，因此，为了解决 这种问题，我们是否可以把主观阅卷的一部分工作交给计算机来处理? 答案 是肯定的，如评卷人每次在给出考生试题分值的依据都会自动放入试题判卷 规则库，以后在评改同一试题时，系统会调用本试题的答案规则库进行匹配， 如果有相应的匹配规则存在则直接给出提示或分值，这样评卷人就可比较公 正轻松的完成评判，随着评卷的发展，试题规则库就越完善，阅卷人的参与 度就越小，系统的自主性则越来越强，这个过程就体现了系统的自主学习功 能，这也是现代基于计算机考试系统需要引入的功能。因此，为满足多行业 需求，提高社会生产效益，促进国民经济结构优化，设计这种特性的平台就 显得有必要了。同时系统需要一个能够满足下列功能： ( 1 ) 能够进行标准化的考试 这是所有机考系统必备的功能，用来进行选择、填空等形式的客观型试 题的考试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 2 ) 能够进行主观型试题的考试 这是目前大多数机考系统不具备的功能。在现实教学活动中，有一大类 试题被称为主观型试题，这些问题的解答形式是不能统一的。要处理这类试 题的考试，系统必需具备人机交互的阅卷功能。 ( 3 ) 能够进行软件操作考试 该功能是让考生在真实的软件环境下，操作软件完成考试要求的任务， 如： 录入编辑一个w o r d 文本、处理一个电子表格等等。系统自动将考生制 作的结果经网络收集起来。 ( 4 ) 能够支持多课程多批次的考试 本考试系统的目标是提供一个通用、开放的考试平台，基本上能够支持 每个课程的考核要求，并且支持同一门课程的不同批次的考试，如一门课程 的考试有单元测试、正式考试、补考等形式。课程教师可以象日常工作中一 样，自己设计考试的试题和试卷，自己组织考试和阅卷，不受专业限制。 ( 5 ) 能够对一般主观题具有学习判卷功能 传统的考试系统对主观题的批阅一般采用人工批改，如填空题、问答题 等，极少的系统引入的系统评改，但基本上是预先设好规则，如果在本考试 系统中引入这项功能，使系统具备一定的自主学习判卷功能，那么在判卷的 效率性及公正性将会大大提高。 1 5 系统设计原则 通过对传统考试方式的分析并考虑网络考试具有的特点，在本考试系统 的设计中，应该遵循以下原则： 1 ) 数据库结构合理：在系统中应具有试题库、试卷库、考生资料库和成 绩库等。这些库的结构要合理，字段属性要准确，字段长度要满足实际需要。 这是本系统成功的基础。 2 ) 系统安全：系统安全性设计是网络考试系统一个非常重要的组成部分， 系统应具有身份检验、权限设置、防止非法用户的攻击和窃取以及防止考试 作弊等功能。 3 ) 系统应具有开放性和通用性。 4 ) 系统功能完善：系统应具有多种组卷功能、试卷发放功能、自动评分 功能、回收成绩功能、成绩统计分析功能及处理各种意外事件等基本功能。 5 ) 系统安装使用简便：可以真正减轻考试工作量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章系统设计基础 2 1 软件开发模式 2 1 1c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式 c s 模式是由客户机与服务器合作完成的系统模式。c s 环境考试系统将 处理分为客户机部分和服务器部分。客户机部分负责与考生交互，服务器部 分处理考生的数据请求。客户机向服务器发送应用请求代码，数据请求通过 网络传送到服务器，由数据库服务代码处理后得到结果数据，结果数据通过 网络从服务器传送到客户机考生处。在以前业务逻辑相对简单和业务算法改 变相对较少的情况下，由于这种结构比较简单，合适的开发工具也很多，从 而使其得到了充分的应用。 c s 模式按工作模式可划分为二层、三层和n 层模式。三层c s 结构最 常用，它将应用功能分成表示层、功能层和数据层三部分。其解决方案是： 对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独立。原来的数据层作为d b m s 已 经独立出来，所以关键是要将表示层和功能层分离成各自独立的程序，并且 还要使这两层间的接口简洁明了。将上述三层功能装载到硬件的方法基本上 有三种。其中表示层配置在客户机中，而数据层配置在服务器中。一般情况 是只将表示层配置在客户机中。如果连功能层也放在客户机中，与二层c s 结构相比，其程序的可维护性要好得多，但是其他问题并未得到解决。客户 机的负荷太重，其业务处理所需的数据要从服务器传给客户机，所以系统的 性能容易变坏。 如果将功能层和数据层分别放在不同的服务器中，则服务器和服务器之 间也要进行数据传送。但是，由于在这种形态中三层是分别放在各自不同的 硬件系统上的，所以灵活性很高，能够适应客户机数目的增加和处理负荷的 变动。例如，在追加新业务处理时，可以相应增加装载功能层的服务器。因 此，系统规模越大这种形态的优点就越显著。在小规模应用下，功能层与表 示层或数据层可以置于同一服务器，或者把功能层再划为分二层，分别与表 示层与数据层合并，这样可减少硬件成本。在大规模的应用下，三层也不能 满足应用需要，这时，c s 可按业务需要划分为n 层，除开业务与数据层外， 中间层可划分为组件服务层、功能层、消息传递层等。在超大规模下，传统 的c s 模式已不能满足某些需要，如移植性、功能动态性较差，这时，软件 的体系结构是优先考虑的，面向服务软件体系( s o a ) 的模式是当前最好的选 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 择，由于本文所研究的是小规模的应用，s o a 方面的内容不在此讨论。 2 1 2b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式 大多数面向业务的应用程序拥有大量的代码，这些代码一般可以划分为 三个范畴，分别是：用户接口、业务逻辑和数据管理。用户接口代码负责从 用户处接受信息，并向用户显示信息：业务逻辑代码具有特定的业务算法知 识，并负责执行这些业务逻辑；数据管理代码则负责可靠地存储数据，以及 管理对关键数据的同步访问。在b s 模式中内容表示层( 用户接口) 、业务逻 辑层、数据管理层三个子模型相互独立，分别由不同的资源、代码来实现， 只有一小部分事务逻辑在客户端实现，主要事务逻辑都在服务器端实现，形 成了所谓的三层结构。三层结构将三类范畴的代码分开，从而获得了很大的 灵活性。特别是业务逻辑层被单独运行，使得业务逻辑的管理变得非常方便。 并有以下优点： 1 ) 、简化了数据管理层，使得它可以专门处理有关数据存储的问题，为 系统提供更加可靠的数据服务。 2 ) 、客户端不包括处理业务逻辑的代码，避免了客户端对数据管理层的 直接访问，增强了系统的安全性。同时，这种方法减轻了客户端的运算量， 降低了客户端硬件的需求。 3 ) 、业务逻辑集中管理提高了系统的可维护性。当业务逻辑发生变化的 时候，修改可以只限在业务逻辑层，而不影响用户层。 4 ) 、良好的系统可扩充性。当系统业务需求提升的时候，可以方便的增 强业务逻辑层或数据管理层的计算能力，也可以方便地支持异种数据库。 5 ) 、更灵活的硬件系统构成。对于各个层可以选择与其处理负荷和处理 特性相适应的硬件。 6 1 、合理地分割三层结构并使其独立，可以使系统的结构变得简单清晰， 这样就提高了程序的可维护性。在三层结构中，应用程序的各层可以并行开 发，也可以选择各自最适合的开发语言，有利于变更和维护应用技术规范。 采用b s 模式，内容表示层无需安装客户端软件，只需要普通浏览器的支持 即可进入考试系统。 内容表示层是考生和考试管理者与后台服务对话的窗口。考生通过内容 表示层登录、选题、答题、提交完成整个考试流程，当然也包括在后期查阅 分数。考试管理人员可以通过内容表示层实现相关考试任务的部署、设计、 管理，如试卷的评阅、考生档案的管理、查看成绩统计分析结果等。内容表 示层的标准配置是标准通用浏览器，如m i c r o s o f ti n t e m e te x p l o r e r 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 业务逻辑层主要功能是实现内容表示层与数据分析层之间的通信。这部 分的功能一般在w e b 服务器上完成，例如a s p 、j s p 网页中的服务器脚本 代码功能以及w e bs e r v i c e s 服务等。 数据管理层指的是数据库和完成对数据收集、管理、和分析的功能模块。 数据库是整个考试系统信息资源存储的中心，也是考试系统正常运作的主要 支柱。业务功能处理从c s 代码中彻底分离出来，由独立的应用服务器处理， w e b 服务器成为应用处理的标准配置。考试系统的许多功能，如信息资源的 动态存储智能分析、分布式应用等都依赖于强大的数据库后台支撑。考试系 统的数据库由试题库和档案库两大部分组成。 由于将整个应用逻辑和考试规则驻留在应用服务器上，而只将考试页面 存在于客户机，所以使客户机变得很单纯，从而大大的减轻了客户机的负担。 在这种结构中，只需根据需要增加中间层服务器( 应用服务器) ，即可满足应 用的需要。同时，应用服务器支持多种d b m s 和数据类型，并通过对象中间 技术( e j b 、d c o m 及c o r b a ) ，在网络上寻找对象应用程序，完成对象间的 通讯。而且b s 模式可以通过i n t e m e t 进行通信，因而不受地域的限制。 2 1 3 混合模式 比较c s 模式和b s 模式可以发现：c s 模式的网络通讯量要低于b s 模式，而且对于相同任务，c s 模式的速度在总体上要比b s 模式快；c s 模式在客户端有一套完整的应用程序，可以有很强的交互性，对考试的控制 力较强，考生使用方便。存在的问题是对服务端和考生终端的维护比较困难， 系统升级比较困难。b s 模式在客户端安装的是标准、易用的通用浏览器， 而无需像c s 模式那样在不同的客户端安装不同的应用程序，考试界面丰富， 界面友好，考试终端只需要普通浏览器的支持即可进入考试；b s 模式的功 能都在w e b 服务器上实现，使开发和维护工作简单易行。但这样的结构对 考试终端的控制比轮弱，考试的公平性和安全性不高，不适用于较正式的考 试。虽然b s 的架构具有考试界面友好、容易维护、可重用性好、考试终端 无需安装客户端软件等很多优点，但单纯这样的结构对考生客户端的控制力 弱，对于考试这样二个对安全特性要求高的应用来说不是最适宜的。 针对不同任务、不同用户对象的网络考试系统，可以利用c s 模式和b s 模式各自的特点，构成混合模式，从而实现网络考试系统的各种功能。这样 即可以利用现在越来越成熟的浏览器技术来表达更丰富的考试内容，也可以 用客户端程序对考试终端进行改造。其中，面向少量用户的考试管理系统需 要有较强的交互性，更适合采用c s 模式，出于简便、安全等方面的考虑， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 可以采用c s 结构实现。而b s 模式的功能都在w e b 服务器上实现，开发 和维护工作简单易行，因而对于网络在线考试也比较适用。而且，考试子系 统数据收集的实时性要求并不高，用b s 结构来进行设计也是合理可行的。 2 2 开发平台与技术 2 2 1 数据库技术 数据库是一个服务于一个核心目标数据的有组织的集合。数据库中的数 据是有组织的，从某种意义上说，数据库中存储的数据是采用一种不变的方 式被存储、格式化、提取以及显示。 数据库管理系统( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，d b m s ) 是管理一个数据 库的软件，它充当所有数据的知识库，并对它的存储、安全、一致性、并发 操作、恢复和访问负责。r d b m s 是一个关系型d b m s ，是一个描述两个集 合的元素如何相互联系或如何一一对应的数学概念。因此，关系模型是建立 在数学基础上的。对用户来说关系只是一个带有一些特殊属性的表，一个关 系模型把数据组织到表中，而且仅在表中。客户、数据库设计者、数据库系 统管理员和用户都以同样的方式一即从表中查看数据。那么，表就是关系模 型的近义词。一个关系型表有一组命名的属性或列，以及一组元组或行。有 时列被称为域，行被称为记录，列和行的交集通常被叫做单元，列标示位置， 有作用域或数据类型，例如字符或整数，行自己就是数据。 2 2 2s q ls e r v e r s q ls e r v e r 是美国m i r c r o s o r 公司提供的以分布式数据库为核心的一组 软件产品；同时s q ls e r v e r 既是一个d b m s 又是一个r d b m s ，因为它维护 了一个数据库、提供多级安全保障、提供了确保数据完整性的手段、处理并 发事件并提供了一种语言接口。同时s q ls e r v e r 又是以高级结构化查询语言 ( s q l ) 为基础的大型关系数据库，它是用方便逻辑管理的语言操纵大量有规 律数据的集合。是目前最流行的数据库之一。 s q ls e r v e 采用客户机服务器体系结构，把工作负载划分成在服务器计 算机上运行的任务和在客户计算机上运行的任务。即中央服务器用来存放数 据库，该服务器可以被多台客户机访问，数据库应用的处理过程分布在客户 机和服务器上。客户程序负责业务逻辑和给用户显示数据。客户程序通常运 行于一台或多台客户机上，但也可以运行于安装有s q ls e r v e 的服务器计算 机上。在系统运行时，由一个进程( 客户程序) 发出请求，另一个进程( 服 务程序) 去执行。从系统配置上，服务程序通常安装在功能强大的服务器上， 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 而客户程序就放在相对简单的p c 机( 客户机) 上。 s q ls e r v e r 数据库的特点： ， ( 1 ) s q ls e r v e r 引入了共享s q l 和多线程服务器体系结构。 但) 提供了安全保密管理。在数据库管理功能、完整性检查、安全性和 一致性方面都有良好的表现。 ( 3 ) 提供了与高级语言的接口，能在j a 、，a 、c + + 等主语言中嵌入s q l 语 句及过程化( t - s q l ) 语句，对数据库中的数据进行操纵。加上它有许多优秀的 前台开发工具如v b ( v i s u a lb a s i c ) 、v f p ( v i s u a lf o x p r o ) 等，可以快速开发生 成基于客户端p c 平台的应用程序。 ( 4 ) 提供了分布式数据库能力。可通过网络较方便地读写远端数据库里 的数据，并有对称复制的技术。 s q ls e r v e r 可分为数据库逻辑结构和数据库物理结构。数据库逻辑结构 主要应用于面向用户的数据组织和管理，如数据库的表、视图、约束、用户 权限等；数据库物理结构主要应用于面向计算机的数据组织和管理，如数据 文件、表和视图的数据组织方式、磁盘空间的利用和回收、文本和图形数据 的有效存储等。 ( 1 ) 物理结构 s q ls e r v e r 采用的是文件管理模式，其文件类型有数据文件、日志文件 与系统文件，数据文件是s q ls e r v e r 存放数据的主要仓库，文件的扩展名 为m d f 或n d f ，前者的数据库主文件，后者为数据从文件，为了保证数据 的安全与一致性，s q ls e r v e r 引入了日志文件，其文件的扩展名为l d f ，日 志文件主要保存数据的更新记录，数据的更新操作一般先在日志中记录，等 更新结束标志到达后才回写至数据库。另外，s q ls e r v e r 引入了文件组概念， 同时为了提高查询速度，s q ls e r v e r 采用了优化的b + 树索引查询及动态的哈 希匹配连接方法等。 ( 2 ) 逻辑结构 s q ls e r v e r 数据库组件由两类数据对象构成：一类是由r d b m s 内部使 用的对象，被称为系统数据库对象，如用户数据表；另一类是可以通过任何 程序访问的对象，被称为用户数据库对象，如系统数据表。s q ls e r v e r 数据 库中还贮存着一些其他的对象，如视图、触发器等以用于用户数据库事务， 各对象具有层次结构，一个服务器可装多个s q ls e r v e r 实例，一个实例可管 理多个数据库，一个数据库可管理多数据表、视图、触发器等，例如引用数 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 据库用户g u 在数据库n o r t h w i n d 数据库中创建的数据表t e s t ( n o ，n a m e ) 中字 段n a m e 时，其格式为：n o r t h w i n d g u t e s t n a m e 。 2 2 3 存储过程 通常情况下，在客户服务器体系结构中，运行在客户端的应用程序通过 s q l 对服务器端的数据库进行访问时，每一条s q l 语句是分别地、一句一 句地从客户端向服务器发出请求，然后数据库服务器再将结果一个一个地返 回给应用程序。但是，有一些应用程序，涉及的服务器端数据库处理活动很 多，而与用户的交互活动较少，在这种情况下，将有关数据库的处理活动以 储存过程的形式放在数据库服务器上完成，则可以大大减轻网上传输流量， 提高应用程序性能。存储过程驻留在数据库中，可以被客户应用程序调用， 也可以从另一个过程或触发器调用。它的参数可以被传递和返回。与应用程 序中的函数过程类似，存储过程可以通过名字来调用，而且它们同样有输入 参数和输出参数。在应用程序中直接调用存储过程有减少网络通信量、执行 速度更快、更强的适应性、分布式工作等好处。 存储过程的程序结构 一个完整的使用储存过程的应用程序由两部分组成：一是储存过程本身， 它被存放在数据库服务器端并数据库服务器上运行；二是对存储过程进行调 用的客户端应用程序，它在客户端上运行。客户端应用程序与服务器端储存 过程分别运行在两个不同的进程空间中，并且有不同的功能划分。 客户端应用程序的主要功能是： a ：有关数据结构和主变量定义、分配并初始化存储空间； b ：与数据库进行连接； c ：通过s q lc a l l 语句调用存储过程 d ：完成事务的提交( c o m m i t ) 和回滚( r o u 卫a c k ) ( 注：除非采 用分布式工作单元，服务器端的存储过程也可以完成事务的提交和回滚) ； e ：执行c o n n e c tr e s e t 语句； 服务器端储存过程的主要功能是： a ：接收客户端应用程序传送的s q l 通信区和s q l 描述区参数等数据库 结构； b ：作为与客户端应用程序相同的事务在数据库服务器上运行； c ：向客户端应用程序返回s q l 通信和其它输出数据； 客户端应用程序在使用c a l l 语句调用存储过程之前必须先执行几个步 骤。首先，必须连接数据库，声明、分配并初始化s q l 描述区结构或宿主变 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 量。 提示：不要在数据库服务器上分配这些变量结构。数据库管理系统将根 据客户端应用程序中的结构在服务器端自动分配所需的存储。 客户端应用程序必须保证在调用存储过程之前已建立了数据库连接，否 则，将会产生错误。客户端应用程序可通过c a l