《基于SpringBoot的在线考试系统设计与实现》9000字

基于SpringBoot的在线考试系统设计与实现目录1引言 11．1选题背景及研究意 11．2国内外研究现状 12需求分析 32．1选题背景及研究意 32．2用例分析 32．3功能性需求分析 42．4非功能性需求分析 53开发环境 53．1Vue简介 53．2MySQL简介 53．3Springboot简介 54系统总体设计 54．1系统总体框架设计 54．2数据库设计 75系统详细设计 105．1用户登录界面 105．2考试管理模块 105．3题库管理模块 125．4成绩查询界面 145．5用户管理模块 165．6学生考试界面 175．6自动判题模块 185．7学生留言界面 196测试过程与结论 196．1测试方法 196．2功能测试 196．3性能测试 206．4结果分析 21结论 22参考文献 241引言1．1选题背景及研究意1.1.1研究背景及意义当今世界，随着不断发展和进步的信息技术，学校的考试方式正在发生巨大的转变。逐渐从传统的纸质考试转变为在线考试，在线考试在高校多种考试方式中的重要程度不断提高[1]。尤其是近期受到疫情的影响，在线考试系统对大学生的学习提供了巨大的帮助。在家通过网络也能参加考试，保障了正常的学习进度。在线考试系统不仅减少了对人力物力的消耗，更加提高了学生的考试效率，极大便利了学生，教师和教学单位[2,3]。考试作为检验学生学习成果的最主要方式之一，需要在公开透明的环境下进行。传统的纸质考试出题时间慢，印刷周期长且存在试题泄露的风险。基于传统考试的部分缺陷，在线考试系统逐渐发展起来，电子阅卷的形式可以在一定程度上减少人工阅卷可能造成的失误，也可以避免教师在出试题时间和精力上的浪费。本文将主要介绍基于springboot的在线考试系统的设计与实现[4,5]。1.1.2项目工作和主要功能项目工作分为两部分，系统界面的搭建，以及后端数据库设计。系统界面的搭建使用Vue框架，后端采用SpringBoot框架。完成以上两块的工作需要掌握Java语言的相关语法、Vue的语法、事件处理器和组件。运用的开发软件是IDEA。本项目主要功能点包括以下几点。（1）教师发布考试，添加修改试题。（2）学生作答试卷，查看成绩。（3）管理员管理教师和学生的信息1．2国内外研究现状1.2.1国内研究现状我国就在线考试系统的发展相较于国外晚一些，首批在线教育系统在1998年才逐渐出现[6,7]。目前在线考试系统的发展已经进入稳步阶段，在线考试系统的模式可以减轻很多教育、培训方面的工作压力。在线考试提高工作效率，对应经常需要组织考试的人员或机构来说，不需要打印试卷、组织考场，只需要几个步骤，就可以发布一场考试，而且考后也会自动阅卷，自动出成绩、考试报告，非常方便，考试在网上进行，解决了地域和时间的限制，在一定程度上提高了考试的执行效率且节约了大量人工成本[8,9]。近期以来，受到疫情的影响，为了安全防疫，更加推动了对在线考试的研究和发展，例如研究生招生考试的复试大多采取线上考试的形式[10]。全国计算机考试也常常采用在线考试系统的方式进行，考生只需在就近考场即可参加考试，考试试题往往是随机的，每个人的试题并不相同，在很大程度上避免了作弊的可能[11]。在我国机动车驾驶考试中，对于驾驶汽车的学习初期也采用了电子模拟驾驶的学习形式，在熟悉操作后再上路进行车辆的驾驶学习，大大提高了安全性，在一些理论考试和实际操作考试上也采用了无纸化在线考试的形式，方便了考试的安排和流程[12]。国内市场上有许多很受欢迎的在线考试系统如问卷星、清华大学的雨课堂考试平台在保证在线考试的功能外，同时保证了用户的信息保护、身份认证、网络支持等要求。还有很多如学习通，钉钉，中国大学生慕课等app都提供了在线考试的功能，为疫情在家的学生提供了很多便利，但在线考试也存在着一定缺陷，如考试进行中网络中断可能会对考试的结果造成一定的影响，在线考试的监考可能无法做到纸质考试那样严格，对考生的自觉性要求过高，在线考试系统可能无法同时让大量考试进行，线上或线下的考试应根据实际情况来安排[13,14]。1.2.2国外研究现状国外对于在线考试系统的研究早于我国，在1960年后就开始进行相关的研究，并且得到一定学者的关注。如由杜克大学开发的ProjectEssayGrady系统，利用统计方法对文章等主观文字进行自动评分[15,16]。1989年，马里兰大学研发的intelligentEssayAssessor系统，以词为元素，通过余弦相关性算法根据在文章中出现的次数以及重要程度计算出文本的得分[17]。国际上著名的CCNP网络工程师、托福等考试对世界各地的考生采用了在线考试的方式，在一定程度上克服了异地考试的困难。在疫情的影响下，国外的高校也采取了利用在线考试的方式对学生进行学习的指导，斯坦福大学、哈佛大学、普林斯顿大学等利用Canvas在线教学平台，该平台提供包含课程作业、课后测试和学习评价等基本功能。还有Blackboard是一个基于java开发，支持百万级用户访问的网络学习平台，由美国毕博公司研发，我国浙江大学、中山大学等也有使用该平台[18]。2需求分析2．1选题背景及研究意在网络上查询相关资料及询问身边同学后，得出用户的需求如下：实现一个在线考试系统。当管理员登录时，可以进行1.考试管理2.题库管理3.成绩查询4.学生管理5.教师管理。当教师登录时，可以进行1.考试管理2.题库管理3.成绩查询4.学生管理。当学生登录时，可以进行1.考试作答2.成绩查询。在线考试系统的出现将提高考试效率，降低错判几率[19]。2．2用例分析根据上述需求分析，设计的管理员用例图如图2.1所示，主要的功能包括登录、考试管理、题库管理、成绩查询、教师信息管理和学生信息管理。图2.1管理员用例图设计的教师用例图如图2.2所示，主要的功能包括登录、考试管理、题库管理、成绩查询、学生信息管理。图2.2教师用例图设计的教师用例图如图2.3所示，主要的功能包括登录、考试作答、成绩查询、学生信息管理。图2.3学生用例图2．3功能性需求分析（1）发布考试：教师新建一场考试，从题库中抽取习题，设置分值及其完成时间，生成考试。（2）题库管理：教师向题库中增加或删除试题。（3）考试批改：电脑自动批阅。（4）考试成绩：电脑自动登分，电脑自动提供学生成绩报告。（5）用户管理：教师和管理员可以进行学生信息的增加、修改、删除。2．4非功能性需求分析系统性能需要通过尽量少的资源成本，获取最大的网站运行速度。系统再未来运营中，势必获得许多用户访问量，这就要求系统具有可扩展性、可靠性和稳定性。为了保证系统后期的高访问量，采用SpringBoot后端框架作为在线考试系统的开发框架[20,21]。3开发环境3．1Vue简介Vue.js是近年较为流行的前端框架。Vue.js不仅有angular.js和react.js的优点，也优化了它们的缺点。Vue.js是一个JavaScriptMVVM库。是以数据驱动和组件化思想构建的，采用了自底向上的增量开发设计。Vue.js提供了简洁、易于理解的API,使得我们能快速上手Vue.js。目前为止element就是较好的支持vue2.0的UI组件[22]。3．2MySQL简介MySQL数据库是一款开放源码的数据库，它提供免费的版本，从而降低了用户的使用成本，适用于不同类型的用户。MySQL数据库为用户提供一个安全可靠的平台，其具有技术成熟、功能齐全、数据处理强和成本低等优点[23]。其还具有很强的可移植性，不仅可以在windows上进行使用，还可以在Linux等平台使用[24]。3．3Springboot简介SpringBoot框架是由Spring框架发展而来的，它简化了之前搭建项目的复杂性，简化了开发人员的操作，使开发人员更专注代码的编写。它通过注解的自动注入，而不需要处理XML文件[25,26]。配置maven还可以处理依赖文件的版本问题。SpringBoot框架内部提供了tomcat等访问容器，而不需要另外配置。使用SpringBoot框架进行软件开发时，通过往pom文件中添加依赖，再使用注解就可以代替xml配置文件，非常简便。SpringBoot的层次结构也非常分明，每一层各司其职，逻辑清晰，许多代码利用IDEA可以自动生成[27]。4系统总体设计4．1系统总体框架设计本系统考试管理、题库管理、成绩查询、用户管理等模块组成。考试管理模块包括考试查询和添加考试两个功能，超级管理员和教师可以查询试卷名称、介绍、所属学院、所属专业、年级、考试日期、考试时长、总分、试卷类型并对它们进行修改和删除操作。添加考试功能可以添加新的考试，其中考试日期采用了日期插件，方便规范日期的选择。学生在登陆后，可以查看已经发布的考试，选择并进入考试进行答题，答题完成后立刻得到成绩。题库管理模块包括查询题库和增加题库两个功能，超级管理员和教师可以查询题库中的所有题目，查看试卷名称、题目信息、所属章节、题目类型、试题分数、题目难度等信息，还可以进行增加题库和自动组卷操作。添加试题可以根据下拉框选择题目类型，题目类型分为选择题、填空题和判断题。可以手动添加题目，也可以根据题目难度自动组卷。成绩查询模块包括管理员、教师查询学生成绩和学生查询自己成绩，管理员和教师可以选择某门学科种类并查询该门课程所有学生的成绩，并用饼图表示出各个分数段百分比和人数，也可以选择某场考试进行成绩分段查询，查询每位学生所有成绩的分数变化。学生的各科成绩在登陆学生界面后点击我的成绩按钮进行查询。用户管理模块主要提供给超级管理员对教师和学生的信息删除和编辑操作，可以添加学生或教师信息，教师只能对学生信息的修改、新增或删除操作。学生不能进行注册账号操作，只能通过管理员或教师添加账号，学生用户可以根据账号密码登录，初始密码为123456，学生在登录后可以自行修改密码。总体结构图如图4.1所示。图4.1系统总体结构图4．2数据库设计下面分别介绍数据库实体和数据关系和数据库表结构设计。在线考试系统整体ER图如图4.2所示。图4.2系统ER图重要数据表及字段说明，如下表所示。表3-1管理员表备注列名类型主键非空长度ID号adminIdint是是10姓名adminNamevarchar否是20性别sexvarchar否是2电话telvarchar否是11邮箱emailvarchar否是20密码pwdvarchar否是16证件号cardIdvarchar否是18角色rolevarchar否是1表3-2教师表备注列名类型主键非空长度ID号teacherIdint是是10姓名teacherNamevarchar否是20学院institutevarchar否是20性别sexvarchar否是2电话号码telvarchar否是11电子邮箱emailvarchar否是20职称typevarchar否是20密码pwdvarchar否是16证件号cardIdvarchar否是18角色rolevarchar否是1表3-3学生表备注列名类型主键非空长度ID号studentIdint是是9姓名studentNamevarchar否是20学院institutevarchar否是20性别sexvarchar否是2电话telvarchar否是11邮箱emailvarchar否是20年级gradevarchar否是4密码pwdvarchar否是16证件号cardIdvarchar否是18角色rolevarchar否是1表3-4考试管理表备注列名类型主键非空长度考试编号examCodeint是是9考试介绍descriptionvarchar否是50课程名称sourcevarchar否是20试卷编号paperIdint否是10考试日期examDatevarchar否是10持续时长totalTimeint否是3年级gradevarchar否是10学期termvarchar否是10专业majorvarchar否是20学院institutevarchar否是20总分totalScoreint否是4考试类型typevarchar否是255考生须知tipsvarchar否否2555系统详细设计5．1用户登录界面用户分为管理员、教师。学生三种类型，在登录时输入1-9位用户名，和小于16位的密码，三种用户在数据库中设置不同的role属性，0为管理员，1为教师，2为学生，在输入用户名密码后点击登录即可进行登录，根据所输入的数据依次在数据库进行比对，若查询不到此条记录，则弹框显示用户名或者密码错误，清空原先输入的内容即可重新登录。若查询到该条记录，则根据用户的不同role属性跳转到相应的界面。管理员的初始账号为9527，初始密码为123456。教师的初始账号为20081001，密码为123456。通过后期管理员添加新的用户，教师和学生可以根据该账号密码进行登录，本系统的用户不可自行注册账号。用户登录界面如图5.1所示。图5.1用户登录界面5．2考试管理模块考试管理模块只在管理员和教师界面有，考试管理模块包含考试查询和添加考试两个功能，点击考试查询后，会在exam_manage表中查询所有考试并以表格的形式把所有考试的信息输出在前端界面中。在操作一栏中有编辑和删除两个按钮，点击某场考试后的编辑按钮，即可根据该考试ID查询并更改该场考试的信息，如试卷名称、所属学院、所属专业、年级、考试日期、持续时长、总分等，点击确认按钮即可成功修改该场考试信息。为了规范日期的选择用了formatTime时间戳格式转化的方法，将日期格式化并返回规范的数据类型。点击删除按钮，即可删除该条记录。点击添加考试后，输入想要添加考试的信息后点击立即创建，添加成功后会显示数据添加成功。考试查询界面与添加考试界面如图5.2.1、图5.2.2所示。图5.2.1考试查询界面图5.2.2添加考试界面5．3题库管理模块题库查询模块包括查询题库和增加题库两个功能，点击查询所有题库，题型分为选择题、判断题和填空题，会在multi_question表（选择题表）和judge_question表（判断题表）、fill_question表（填空题表）中查询所有试题并以表格的形式把所有试题的信息如试卷名称、题目信息、试题分数等信息输出在前端界面中。增加题库可以往之前添加的考试中添加试题，本系统提供手动添加和自动组卷添加试题两种方式。选择手动添加后，在下拉列表中选择题目类型，分别往相应的试题表中添加一条记录，添加成功后会显示创建成功。选择自动组卷后，在下拉列表中选择题目难度，在数据库中，每种的类型的试题都有一个level属性，范围1-5，1-2对应难度为简单，3-4对应难度为中等，5为困难。选择难度后，会在后端数据库中，根据level属性查询相应数量的题目并根据paperId(试卷号)添加进相应的考试中，点击立即创建，会显示创建成功。查询题库界面、添加题库界面、手动添加试题界面、自动组卷界面如图5.3.1、图5.3.2、图5.3.3、图5.3.4所示。图5.3.1查询题库界面图5.3.2添加题库界面图5.3.3手动添加试题界面图5.3.4自动组卷界面5．4成绩查询界面管理员和教师可以进行学生成绩查询。成绩查询功能分为查询某个学生的成绩变化或者查询某场考试的所有成绩分布，点击相应查询方式即可跳转到对应的分段charts页面，在mounted生命周期函数中实例化Echarts对象，把数据集中存储到了vuex中，echarts组件再从vuex中获取数据。成绩查询界面和查询结果界面如图5.4.1、图5.4.2、图5.4.3所示。图5.4.1成绩查询界面图5.4.2查询结果界面1图5.4.3查询结果界面25．5用户管理模块用户管理模块可以编辑学生信息和删除学生信息，操作一栏中有编辑和删除两个按钮。点击编辑按钮后，在数据库的student表中根据学生ID查询该条记录，并且在文本框中手动输入需要修改的信息如姓名、学院、专业、年级等来更新学生的信息，更新成功后会显示修改成功。删除也是根据学生ID在表中删除相应记录，删除成功后会显示操作成功。添加学生同样是手动输入相应信息，在student表中添加一条新的记录。用户管理界面和添加用户界面如图5.5.1、图5.5.2所示。图5.5.1用户管理界面图5.5.2添加用户界面5．6学生考试界面学生登录后，可以进行教师已发布的考试的进行选择，点击该场考试即可进行答题。试卷的显示利用ElementUI做了分页查询，八条记录分成一页，通过axios请求数据绑定到tableData集合来绑定表格的数据。搜索试卷可以根据关键字输入，显示出带有相关字的试卷，具体实现是由后端数据库先查询所有考试记录，再利用前端进行具体筛选，将查询出的所有试卷存入一个集合并进行遍历，根据输入的关键字key用一个过滤器filter筛选出包含此关键字记录，点击搜索即可将相关记录输出在页面。进入答题界面后，点击下一题或题号利用html跳转到相应试题，点击标记按钮会在题号后面通过改变背景颜色标识出来，未答的题目会用白色的背景颜色，已答的题目会用蓝色的背景颜色进行区分。点击用户图标则会显示出考生的考试号和姓名。右上角的倒计时用了Timer方法进行计时，先获取当前系统时间并根据之前所设置的考试时间进行倒计时，返回所剩余的时间并用倒计时的方式输出出来，考生须在倒计时结束前交卷，点击结束考试即可完成考试，考试完成后会立马跳转到此场考试的成绩界面。学生考试界面如图5.6所示。图5.6学生考试界面5．6自动判题模块自动判题模块，利用cookie获取用户数据，定义不同的数组分别保存考生的选项、每种题型的分数和题目总数、用二维数组保存填空题答案，通过后台获取路由传递过来的试卷编号，通过examCode请求试卷详细信息，通过paperId获取题目信息根据数组中保存的答案进行判题，数组循环每种题型得分并加在一起计算出总分，然后将总分存入数据库中。答题界面和得分界面如图5.6.1、图5.6.2所示。图5.6.1考试界面图5.6.2得分界面5．7学生留言界面学生界面上方点击给我留言按钮后，即可进行留言的操作。此功能可以发布留言也可以对已有的留言进行评论。此页面对留言进行了分页处理每页四条记录，点击相应页数即可跳转到该页。在留言标题和留言内容中的输入框中分别输入文本，若有一项内容输入为空，则会显示错误并弹出弹窗提示留言标题或内容不能为空。确认内容后点击发布会显示留言成功。点击已有的留言下方的评论按钮即可进行评论，成功后会显示评论成功。学生留言界面如图5.7所示。图5.7学生留言界面6测试过程与结论6．1测试方法系统测试是软件开发中非常重要的环节，测试工作往往从需求分析时就以及开始了，并不是系统功能做好之后才开始进行测试工作，在软件开发越早期，发现的错误越容易改正。传统的测试方法分为黑盒测试和白盒测试，黑盒测试是不关心软件内部运行过程。将程序看成不能打开的黑盒子，不考虑程序内部结构通过程序接口进行测试，检查程序功能是否按照设计需求的规定能够正常使用[28]。白盒测试需要完全了解系统内部的逻辑结构，对系统进行测试。本系统主要采用的是黑盒测试法[29]。6．2功能测试依据系统的具体需求以及测试目的的要求设计测试用例。实际测试涵盖在线考试系统的所有功能模块，因篇幅有限，下面以考试模块为例介绍功能测试。部分测试用例如下表所示。表6-1发布考试测试用例测试用例编号：TC01测试用例名称:发布考试测试用例类型：功能测试测试目的：验证用户是否可以发布考试，数据是否能成功录入数据库，页面的显示是否正确前置条件：P1、用户已登录测试步骤：S1、进入用户主页面，点击添加考试，进入发布考试页面，输入考试名称、介绍、考试时长、考试总分，点击立即添加；预期结果：1、考试数据保存成功，数据成功进入数据库；2、页面跳转到主页面按时间倒序排列，刚发布的考试显示在第一条；测试结果：成功通过表6-2编辑考试测试用例测试用例编号：TC02测试用例名称:编辑考试测试用例类型：功能测试测试目的：验证用户是否可以编辑考试，数据是否能成功录入数据库，页面的显示是否正确前置条件：P1、用户已登录P2、用户已成功发布考试测试步骤：S1、进入查询考试页面，点击编辑按钮，进入编辑考试页面，重新输入考试名称、介绍、考试时长、考试总分，点击修改；预期结果：1、修改考试数据保存成功，数据成功进入数据库；2、页面跳转到主页面按时间倒序排列，刚发布的考试显示在第一条；测试结果：成功通过表6-3删除考试测试用例测试用例编号：TC03测试用例名称:删除考试测试用例类型：功能测试测试目的：验证用户是否可以删除考试，数据库是否已更新，页面的显示是否正确前置条件：P1、用户已登录P2、用户已成功发布考试测试步骤：S1、进入查询考试页面，点击删除按钮；预期结果：1、删除考试成功，数据同步删除到数据库；2、页面跳转到主页面，已不再显示已删除的考试；测试结果：成功通过6．3性能测试在线考试系统的性能测试，是依据系统的性能需求设计测试用例，以下以安全测试为例介绍系统的性能测试。部分测试用例如下表所示。表6-4输入验证测试用例测试用例编号：TC01测试用例名称:输入验证测试用例类型：安全测试测试目的：验证系统是否可以对用户输入的内容进行验证，过滤非法输入前置条件：P1、用户已登录测试步骤：S1、输入特殊字符，html代码，数据库语句；预期结果：1、提示用户输入不可用测试结果：成功通过6．4结果分析通过对本在线考试系统的多轮测试，系统已成功通过所有测试内容。通过对结果的分析得出以下结论：在线考试系统的需求方面，以满足了所有功能需求；在线考试系统的性能方面，系统成功通过了安全测试，保证了系统的安全性与可靠性；在线考试系统的易用性方面，页面采用vue设计，简洁明了。综上所述，在线考试系统基本上通过了所有测试，满足了对用户的需求[30,31]。结论在线考试系统解决了传统纸质考试出题时间慢，印刷周期长等问题，在一定程度上减少了人工批阅可能出现的错误，自动改卷节约了人力和时间，为学校等教育机构和学生提供了便利，在线考试这种考试方式也越来越重要。本文的项目采用了当下较为流行的SpringBoot框架，大大减少了搭建项目的时间，使开发者的工作效率大大提高。本系统采用B/S架构，遵从MVC的设计思想，在原来的基础进行修改，所以此系统主要包括数据访问层、业务逻辑层、控制层和视图层。前端采主要用Vue框架、html、elementUI组件，使前后端数据传送更加方便。本文的项目虽然已经实现了基本功能，但还有许多不足的地方待完善，比如说从题库添加试题进入考试，应该采用自动组卷和手动选择相结合的方式，只有自动组卷或只能手动添加试题的方式缺乏一定的自由性，后期应设法改进。现在的留言功能是直接对文本进行增加和删除，留言功能是非常随意的，连续的操作数据库，势必会给数据库增加负担，所以后续考虑使用redis缓存，定期将操作更新到数据库。本系统的成绩查阅功能也可能更加完善，应该把更详细简明的数据直接呈现给用户，后期考虑用表单将各信息逐条显示给用户查看。

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