基于云計算技術的英語在線考試系統設計

徐福江

(臺州職業技術學院 教師發展研究中心, 浙江 臺州 318000)

0 引言

英語是當前全球范圍內流通性最強的語種，隨著經濟全球化的來臨以及社會與教育體系改革，英語考試已經成為當前教育系統中的主要組成部分[1-2]。隨著計算機技術的發展，在線英語考試模式以其方便性與快捷性成為當前英語考試的主要方式。因此設計一個高質量的英語在線考試系統對于英語學習與測試具有巨大的推動作用。

提供資源的網絡定義為“云”，并行計算、分布式計算、網絡存儲、負載均衡等均是云計算的基本特征[3]。作為面向服務的基礎設施部署體系結構，云計算可并行、均衡的在大量分布式計算機構建的大規模資源上完成不同任務的計算，同時依照實際需求將具有動態伸縮特性的廉價信息、計算與存儲服務提供給應用系統[4]。

為了給英語教學與測試領域創建一個具有高度適應性，且可滿足不同用戶需求的英語在線考試系統，設計了基于云計算技術的英語在線考試系統，并通過仿真實驗分析了其性能。

1 基于云計算技術的英語在線考試系統

1.1 英語在線考試系統的總體結構

英語在線考試系統采用云計算架構模式，結構框架,如圖1所示。

圖1 英語在線考試系統結構框架

該系統利用私有云或公有云模式在硬件、操作系統、數據層以及業務層中通過基礎設施服務和平臺服務實施任務分配[5]，英語在線考試管理模塊位于系統軟件服務層內，是系統的核心模塊[6]，利用SOA/Web Services形式向用戶提供服務功能。系統整體劃分為客戶端層、軟件服務層、平臺服務層和基礎設施服務層[7]。為提升英語在線考試系統應用性，系統通過軟件服務模式降低設備資金等資源投入和系統維護成本與壓力等。系統采用多用戶連接方式[8]，即多個用戶一起使用分布在軟件供應商服務器上的一個應用資源，供應商提供相應資源，用戶支付較小的使用代價后可同其它用戶共同使用該資源。基于云計算技術的英語在線考試系統中多用戶所指的是租用考試系統軟件的不同用戶。同時該系統也具備中間調度層技術，將數量不等的用戶分配至不同的應用資源上，通過數個應用資源的并行運行降低大量用戶對系統的使用壓力，無需各用戶構建私有云。

1.2 英語在線考試管理模塊設計

英語在線考試管理模塊是英語在線考試系統的核心，云計算的英語在線考試系統設計需滿足不同考試需求，依照不同考試規模、考試需求，實時接收并處理數量不等、有所差異的考務命令，實時調控云服務器[9]。同時考試系統還需具備考試資源共享，支持云端管理系統功能，通過專業技術人員管理，滿足動態存儲需求。英語在線考試管理模塊中，出題者可在任意時間內存儲自己全部的考試資源，不同出題者可實現考試資源的隨存隨取。應試者通過身份驗證登錄系統進行答卷，答卷過程自動計時，實時存儲；答卷完成后，立即將相關結果傳輸至系統內。云端存儲的巨大空間可確保存儲數據不會損壞與丟失。英語在線考試管理模塊結構,如圖2所示。

圖2 英語在線考試管理模塊結構圖

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據庫值模塊。組卷管理子模塊采用優化的遺傳算法進行智能組卷[10]；試卷管理子模塊可實現英語在線考試試卷的查詢、統計、排版、審核和打印；在線考試子模塊能夠實現英語在線考試即時控制、過程監控和試卷存儲等功能，通過數據庫完成數據存儲、備份和恢復[11]。

1.3 英語在線考試系統工作流程

英語在線考試系統采用面向對象編程語言—JAVA開發軟件，開發簡單、美觀、易操作的考試界面。英語在線考試系統工作流程,如圖3所示。

圖3 英語在線考試系統工作流程

應試者經身份驗證成功登錄系統后，進入英語在線考試模塊進行考試，通過考試科目、時間、規則和考生信息校核后，正式開始答卷。正式答卷過程中，系統會顯示考試開始時間、考試結束時間和考試剩余時間[12]；當考試結束后，系統自主保存并提交試卷，提交成功后，顯示試卷已提交。系統對比提交的英語試卷和數據庫內的正確答案，通過校卷確定應試者最終成績。

1.4 智能組卷算法設計

1.4.1 智能組卷數學描述

英語在線考試題庫中，若一道英語試題具有若干個屬性，x和y分別表示題庫內試題數量和屬性數量，構建一個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個屬性。

1.4.2 目標函數構建

由于分數、考試時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，因此在設置y的過程中設定y值為4，即每一道英語試題包含四個屬性，分別是：難度系數，章節知識點、認知層次以及區分度，分別用N、J、C和Q表示。通過降低這四個屬性對應的分數值與期望值間的誤差，可獲取高質量的英語試卷。在此基礎，可以建立如下的英語試卷組卷目標函數,如式(2)。

f=k1×WN+k2×WJ+k3×WC+k4×WQ

(2)

式中，ki和Wi分別表示第i個的屬性權重和屬性所占分數值。

1.4.3 智能組卷策略設計

為獲取高質量的英語試卷組卷結果，將英語試卷組卷的目標函數作為適應度函數，采用遺傳算法的交叉與變異算子進行進化操作最終確定最優解，基于優化遺傳算法的智能組卷策略詳細過程分為四步：編碼、構建適應度函數、交叉操作、變異操作。英語在線考試試卷組卷進行編碼時，參考當前高校紙質英語考試試卷題型，設定四種不同類型的題型，對應的編碼方式,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。同時設定的編碼段有所差異，能夠區別有所差異的題型，避免編號相同。

設計適應度函數的主要目的是獲取最優解。變化適應度函數，以實現實際分數與期望分數之間差異的最小化。適應度函數變換表達式,如式(3)。

(3)

式中，fitness(v)=f，Cmax表示適應度函數的上限值。

為確保設定的編碼內不同題型固定不變，結合交叉點位置實施段內交叉。若段內具有重復試題編號，則需利用無重復的編號替代。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據取代原數據。通過上述過程獲取智能組卷最優解。

2 仿真實驗

為了測試云計算技術的英語在線考試系統應用性能，在設定相應實驗環境下，對本文系統性能進行仿真測試。

2.1 系統界面設計

本文系統相關結果設計,如圖4所示。

(a) 系統登錄界面

由圖4可知，用戶在系統登錄界面對話框內輸入用戶名與密碼后，可登錄系統，進入系統主界面。在組卷界面內輸入相關參數，系統將依照參數設計，自動生成相應試卷。在成績查詢界面應試者可詳細查詢自己的考試成績，發現自身缺陷。

2.2 功能測試

實驗為測試系統功能的有效性，分別從系統登錄、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 功能測試結果

由表2可知，本文系統功能測試中，各項功能實際測試結果與期望結果一致，均滿足本文系統應用需求。

2.3 資源占用率對比

為測試本文系統在運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、在線考試和數據庫等面訪對比本文系統、基于Web的英語在線考試系統、基于移動終端的英語在線考試系統對于CUP與RAM的占用情況，如表3所示。

表3 不同系統資源占用率(%)對比

由表3能夠得到，采用本文系統進行英語在線考試過程中，CPU占用率和RAM占用率總值分別達到27.2%和19.3%，與兩個對比系統相比，本文系統CPU占用率總值下降18.2%以上，RAM占用率總值下降14.5%以上。由此可知本文系統在進行英語在線考試過程中資源占用率較低。

2.4 響應時間對比

對比并發人數為1 000人時，上述三個系統在系統登錄、試卷答題、試卷提交、成績查詢四方面的響應時間，如圖5所示。

圖5 系統響應時間對比

分析圖5得知，采用本文系統進行英語在線考試過程中，系統登錄與試卷答題等功能的響應時間遠遠低于兩個對比系統，由此可知本文系統具有較高地響應效率，可大幅提升系統運行效率。

3 總結

應社會發展潮流與教育體系改革的要求，本文設計基于云計算技術的英語在線考試系統。仿真測試結果顯示,本文系統功能全面、穩定，具有較低的資源占用率和較高的功能運行響應時間。但本文系統設計過程中對于系統日常管理與應急方案等方面的內容沒有涉及到，在后續優化過程中，將著重這方面的研究。