高校网络考试系统的数据库模型设计

马华 张西学 张念华 李聪 张海东

摘   要：本文为简化高校网络考试系统中数据库的设计，在网络考试数据库的概念模型设计时，结合使用传统ER图和现代ER图两种工具，提供了一个体现自顶向下、逐步求精的数据库设计方案。该方案简洁自然地完成了考试数据库模型的设计，有力支持了高校网络考试系统多种功能的实现。

关键词：ER图;网络考试;数据库模型

中图分类号：TP311.52 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）07-0090-04

一、引言

在互联网大发展和教育信息化蓬勃开展的今天，考试无纸化和网络化因其方便、快捷、公平、公正等特点，成为高等教育领域的研究热点。各种考试系统被开发出来并应用于各类考试，有的考试系统能通用于多门课程的考试，如基于XML技术的网络考试系统[1]、基于Web的网考平台[2]、基于Web服务的智能考试平台[3]、基于Web的在线考试管理系统[4]、考易网络题库与考试系统[5]等;有的只用于单一课程的考试，如基于Web的在线英语考试系统[6]、基于asp.net的医学在线考试与教学辅助系统[7]等。考试系统的核心都是考试数据库的设计。对于数据库的设计，以上文献甚少提及。文献《基于JSP技术的网络考试系统数据库的设计》[8]、《网络考试系统中数据库的设计及架构》[9]专门对考试数据库进行了设计，也不太适合我校考试的实际情况。

经过对我校考试实际进行大量分析，并兼顾考试通用情况，本文详细介绍了网络考试系统中数据的关系模型设计，该模型既适合我校考试实际情况，也考虑到考试通用情况。

二、方法

采用数据库设计方法设计考试数据库。数据库的设计一般分为四个阶段——需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计。本文在需求分析后，主要对考试数据的概念模型和逻辑模型进行设计。

1.需求分析

网络考试系统主要完成教师创建课程、课程管理、导入题库、组卷、批卷和试卷分析，学生在线登录考试、交卷，管理员对学生和教师用户进行管理，完成数据备份、试卷和考卷备份等功能。教师出卷后，由教研室、院系和学校对试卷进行三级审核。当学生、教师和课程的数据量很大时，为了高效管理这些数据，需要通过学校、学院、专业、年级、学历对学生进行組织，通过学校、学院和教研室对教师进行组织。课程包含三级知识点，题目属于第三级知识点。数据库都放在服务器中，各用户通过网考系统远程登录访问。

2.概念模型设计

概念模型就是从现实世界到信息世界的第一层抽象，以确定领域实体属性关系，用E-R图表示。E-R图主要是由实体、属性和联系三个要素构成的。

根据需求分析，网考系统中用来存储数据的实体应该包含学校、学院、专业、教师、学生、课程、题目、试卷等。各实体之间的联系如下：一个学校包含多个学院、一个学院包含多个专业、一个专业包含多个学生;一个学院拥有多名教师，一名教师教授多门课程，一门课程包含多个一级知识点（章）、一个一级知识点包含多个二级知识点（节），一个二级知识点包含多个三级知识点，一个三级知识点包含多个题目，一个题目包括一个或多个题干、0个或多个选项和对应的正确答案（题目类型决定题干和选项的数目）;从一门课程的题库可以组多份试卷，一份试卷可以选定多名学生考试，并保存学生对每个题的答案。

概念模型通常使用ER图来表达，ER图分为传统的和现代的ER图，这两种图形工具各具特点。为了使数据模型更清楚和更好理解，本文分别设计了考试数据的传统ER图和现代ER图。绘制ER图的工具软件较多，本文使用微软Office中的visio作为绘制工具。

（1）传统ER图设计

在传统ER图的图形符号中，矩形框表示实体，椭圆表示实体的属性特征，菱形表示实体之间的联系。联系有三种类型：1∶1、1∶n（或n∶1）、m∶n，分别表示一对一、一对多（或多对一）、多对多。为使ER图看起来简洁，只在图中列出实体名称及实体之间的联系，并未列出实体的属性。图1为考试数据的传统ER图。

为便于说明图1中的实体及其联系，以下给出试卷、考卷和考题的概念。

①试卷：一门课程的一次考试前，从题库中抽题后组成的试卷，相当于传统考试中教师所出的试卷模板，是将要进行大规模印刷的那份试卷。试卷信息包括试卷名称、考试时间、考试地点、包含的题目、试卷总分等。

②考卷和考题：印刷后分发给学生的每一份试卷中，分为卷头和卷体。卷头包括试卷名称和学生信息（学号、姓名和班级），卷体包含各题目以及留给学生写答案的空间。卷头定义为“考卷”，卷体定义为“考题”。

在图1（a）中，第一、二行为系统中的组织机构和人物实体，包括学校、院系、专业、教研室、教师和学生;中间一行的实体为试卷、考卷、考题和题目;最后一行中的一级、二级和三级知识点，可以对应为章、节和知识点。

试卷、考卷和考题与教师、学生、课程之间的联系较为复杂，对图1（a）中的各个联系从左向右进行具体说明如下：

①教师与学生考题间的批改联系为一对多联系。即一个学生可以答多份考卷（即多门课程的考卷），一门课程的试卷可以由多名考生作答。一名教师可以批改多个考题，一个考题只能由一名教师批改，即一份答卷中的主观题由多名教师分工批改，所以教师和考题之间的批改联系是一对多联系。

②学生与考卷之间的解答联系为一对多联系。一名学生可以在不同的时间解答多份考卷（多门课程的考卷），而一份考卷只能由一名学生解答。

③试卷和考卷之间是一对多（或一对一）联系。该联系表明，用一份试卷可以复制生成多份考卷，也可以生成一份考卷，而一份考卷只能属于一份试卷的复制品。在一门课程的一次考试中，如果一份试卷对应多份考卷，则表示一个课程班的学生用相同试卷考试，或用A、B、C等多份试卷考试;如果一份试卷对应一份考卷，表示该课程班每个学生的考卷是随机产生的，即一人一卷。

④试卷和题目间的组卷关系为多对多联系。在一门课程的组卷过程中，一份试卷可以由多个题目组成，一个题目也可组入多份试卷，如一个题目可以出现在A卷，也可以出现在B卷中，但要控制各卷的题目重复率。

⑤题目、题型类别、小题及选项之间的联系。题目所属的题型为两大类别，即客观题和主观题。

一是当题目属于客观串题时（类似英语的一篇阅读理解），则该题目包含多个小题（小题也是客观题）;当题目属于客观非串题时，该题目只对应一个小题。以上两种情况下，小题都包含多个选项。

二是当题目属于主观串题时，题目包含多个小题，小题也均为主观题;题目是主观非串题时，只对应一个小题。这两种情况下，小题均不包含选项。

为使ER图简洁，把教研室、院系和学校对试卷的“审核”联系单独摘出来，见图1（b）。

（2）考试数据的现代ER图设计

图1中的传统ER图能够清晰表达各实体之间的联系及联系的类型，但如果添加实体的属性后，则ER图会变得复杂凌乱。因此在设计传统ER图后，本文又设计了现代ER图（见图2）。

在现代ER图中，矩形框表示实体，实体间的连接线表示实体之间的联系。矩形框的第一行为实体名称，第二行pk为主键属性，其余行表示实体的其他属性。从图2可以看出，现代ER图只有矩形和连接线，整体比较规整，但无法看出连接线所表示联系的意义。

图2（a）中增加了“组卷”实体，用来保存每个组卷信息，该次组卷含题号、各题分值（可以保存题目的新设分值）、组卷策略（手动组卷或自动组卷）、组卷时间等。该实体对应图1中的题目和试卷间的“组卷”联系。

3.逻辑模型设计

概念模型设计完成后，由现代ER图转换为相应的逻辑模型，目前最流行的逻辑模型是关系模型。该阶段的任务是将ER图中的实体及实体间的联系转换为关系，并确定这些关系的属性和码。将每一个实体设计为一个关系，实体之间的一对一和多对一联系设计为外键联系，多对多的联系设计为一个关系。以下是由ER图导出的关系模式，一个关系对应关系数据库中的一张表，其中双下画线标注的是主键，单下划线标出的是外键，表示与其他表的联系。

学校（学校编号，学校名称）

院系（院系编号，院系名称，学校编号）

专业（专业编号，专业名称，院系编号）

教研室（教研室编号，教研室名称，院系编号）

学生（学号，姓名，年级，班次，专业编号，学历编号）

教师（教师号，姓名，性别，职称，qq号，电话，教研室编号）

课程（课程号，课程名，学时，学分，教师号）

一级知识点（知识点id1，名称，课程号）

二级知识点（知识点id2，名称，知识点id1）

三级知识点（知识点id3，名称，知识点id2）

题型（题型编号，题型名称）

题目（题目id，题干内容，题型编号，知识点id3）

小题（小题id，题干内容，答案，难度，分值，认知程度，题目id）

选项（选项id，选项内容，小题id）

试卷（试卷号，试卷名称，试卷总分，开考时间，考试地点，审核状态，课程号）

组卷（组卷号，所含题号，各题分值，组卷策略，组卷时间，试卷号）

考卷（考卷号，客观题成绩，主观题成绩，总成绩，开答时间，交卷时间，答题进度，考卷状态，组卷号，学号）

考题（考题号，学生答案，答题时间，得分，批改时间，考卷号，教师号）

三、结果

根据前文的逻辑模型设计出物理数据库的关系表，这里采用Sql Server数据库。限于篇幅，仅列出题目表的結构设计。（详见表1、2、3）

当题型为非串题时，表1中题目表的题干内容为空;当题目题型为客观题时，该题不存在选项，即表3 中不存在该题的选项。

该考试数据库使用sql server 2008 r2设计，以该数据库为核心，辅以memcached缓存技术，利用Asp.net MVC为开发和运行环境，设计了基于B/S模式的高校网络考试系统。该网考系统已连续4年应用于泰山医学院的期末考试中，学期期末网考课程6门，考试班级300多个，网考人次多达10多万。该网考系统允许多门课程同时在线考试，并发人数多达2000人，此时系统运行仍然流畅。

四、结论

本文在设计数据库时经过了需求分析、概念模型设计、逻辑模型设计等步骤，在设计概念模型时利用了传统ER图、现代ER图工具，这种设计方法体现了自顶向下的设计思想，逐层递进，由粗到细，由简到繁。

1.融合使用传统ER图和现代ER图设计数据库

（1）通过需求分析，设计出传统ER图。传统ER图中只有实体名称和含义明确的实体间联系，这样的ER图简洁清晰。

（2）通过传统ER图，设计出现代ER图。现代ER图能详细展示实体的主键属性及其他属性。

（3）在现代ER图基础上，设计出关系模式。将现代ER图中的实体转化为关系模式，并通过实体间联系的类型，设置实体的外键属性。

（4）在关系模式基础上，选用某种关系数据库，设计出关系表。关系表的表名、字段名均采用字母表示，并设计出字段类型、字段宽度，从而完成考试关系数据库的设计。

设计步骤中使用的多个工具相互结合，优势互补，很好地完成了考试数据库的设计。

2.设计的网考数据库有力支持了网考系统的功能

（1）数据结构简洁，数据冗余小。

（2）该数据库有效地支持网考系统的功能。可以支持多门课程、多个班级的考试，支持多种组卷方式、多级试卷审核、多人同卷、一人一卷。多人同卷时，各卷题目顺序随机，同一客观题选项顺序随机。

参考文献：

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（编辑：王天鹏）