基于云计算技术的英语在线考试系统设计

徐福江

(台州职业技术学院 教师发展研究中心, 浙江 台州 318000)

0 引言

英语是当前全球范围内流通性最强的语种，随着经济全球化的来临以及社会与教育体系改革，英语考试已经成为当前教育系统中的主要组成部分[1-2]。随着计算机技术的发展，在线英语考试模式以其方便性与快捷性成为当前英语考试的主要方式。因此设计一个高质量的英语在线考试系统对于英语学习与测试具有巨大的推动作用。

提供资源的网络定义为“云”，并行计算、分布式计算、网络存储、负载均衡等均是云计算的基本特征[3]。作为面向服务的基础设施部署体系结构，云计算可并行、均衡的在大量分布式计算机构建的大规模资源上完成不同任务的计算，同时依照实际需求将具有动态伸缩特性的廉价信息、计算与存储服务提供给应用系统[4]。

为了给英语教学与测试领域创建一个具有高度适应性，且可满足不同用户需求的英语在线考试系统，设计了基于云计算技术的英语在线考试系统，并通过仿真实验分析了其性能。

1 基于云计算技术的英语在线考试系统

1.1 英语在线考试系统的总体结构

英语在线考试系统采用云计算架构模式，结构框架,如图1所示。

图1 英语在线考试系统结构框架

该系统利用私有云或公有云模式在硬件、操作系统、数据层以及业务层中通过基础设施服务和平台服务实施任务分配[5]，英语在线考试管理模块位于系统软件服务层内，是系统的核心模块[6]，利用SOA/Web Services形式向用户提供服务功能。系统整体划分为客户端层、软件服务层、平台服务层和基础设施服务层[7]。为提升英语在线考试系统应用性，系统通过软件服务模式降低设备资金等资源投入和系统维护成本与压力等。系统采用多用户连接方式[8]，即多个用户一起使用分布在软件供应商服务器上的一个应用资源，供应商提供相应资源，用户支付较小的使用代价后可同其它用户共同使用该资源。基于云计算技术的英语在线考试系统中多用户所指的是租用考试系统软件的不同用户。同时该系统也具备中间调度层技术，将数量不等的用户分配至不同的应用资源上，通过数个应用资源的并行运行降低大量用户对系统的使用压力，无需各用户构建私有云。

1.2 英语在线考试管理模块设计

英语在线考试管理模块是英语在线考试系统的核心，云计算的英语在线考试系统设计需满足不同考试需求，依照不同考试规模、考试需求，实时接收并处理数量不等、有所差异的考务命令，实时调控云服务器[9]。同时考试系统还需具备考试资源共享，支持云端管理系统功能，通过专业技术人员管理，满足动态存储需求。英语在线考试管理模块中，出题者可在任意时间内存储自己全部的考试资源，不同出题者可实现考试资源的随存随取。应试者通过身份验证登录系统进行答卷，答卷过程自动计时，实时存储；答卷完成后，立即将相关结果传输至系统内。云端存储的巨大空间可确保存储数据不会损坏与丢失。英语在线考试管理模块结构,如图2所示。

图2 英语在线考试管理模块结构图

英语在线考试管理模块中包括组卷管理子模块、成绩管理子模块、试卷管理子模块、题库管理子模块、在线考试子模块和数据库值模块。组卷管理子模块采用优化的遗传算法进行智能组卷[10]；试卷管理子模块可实现英语在线考试试卷的查询、统计、排版、审核和打印；在线考试子模块能够实现英语在线考试即时控制、过程监控和试卷存储等功能，通过数据库完成数据存储、备份和恢复[11]。

1.3 英语在线考试系统工作流程

英语在线考试系统采用面向对象编程语言—JAVA开发软件，开发简单、美观、易操作的考试界面。英语在线考试系统工作流程,如图3所示。

图3 英语在线考试系统工作流程

应试者经身份验证成功登录系统后，进入英语在线考试模块进行考试，通过考试科目、时间、规则和考生信息校核后，正式开始答卷。正式答卷过程中，系统会显示考试开始时间、考试结束时间和考试剩余时间[12]；当考试结束后，系统自主保存并提交试卷，提交成功后，显示试卷已提交。系统对比提交的英语试卷和数据库内的正确答案，通过校卷确定应试者最终成绩。

1.4 智能组卷算法设计

1.4.1 智能组卷数学描述

英语在线考试题库中，若一道英语试题具有若干个属性，x和y分别表示题库内试题数量和属性数量，构建一个x×y矩阵用来描述一份英语试卷,如式(1)。

(1)

式中，axy为第x道试题的第y个属性。

1.4.2 目标函数构建

由于分数、考试时间等会对于英语在线考试试卷组卷影响并不显著，可以忽略，因此在设置y的过程中设定y值为4，即每一道英语试题包含四个属性，分别是：难度系数，章节知识点、认知层次以及区分度，分别用N、J、C和Q表示。通过降低这四个属性对应的分数值与期望值间的误差，可获取高质量的英语试卷。在此基础，可以建立如下的英语试卷组卷目标函数,如式(2)。

f=k1×WN+k2×WJ+k3×WC+k4×WQ

(2)

式中，ki和Wi分别表示第i个的属性权重和属性所占分数值。

1.4.3 智能组卷策略设计

为获取高质量的英语试卷组卷结果，将英语试卷组卷的目标函数作为适应度函数，采用遗传算法的交叉与变异算子进行进化操作最终确定最优解，基于优化遗传算法的智能组卷策略详细过程分为四步：编码、构建适应度函数、交叉操作、变异操作。英语在线考试试卷组卷进行编码时，参考当前高校纸质英语考试试卷题型，设定四种不同类型的题型，对应的编码方式,如表1所示。

表1 编码方式

表1中的Q和T分别表示选择题和填空题，D和H分别表示阅读理解题和作文题，L表示编码长度。同时设定的编码段有所差异，能够区别有所差异的题型，避免编号相同。

设计适应度函数的主要目的是获取最优解。变化适应度函数，以实现实际分数与期望分数之间差异的最小化。适应度函数变换表达式,如式(3)。

(3)

式中，fitness(v)=f，Cmax表示适应度函数的上限值。

为确保设定的编码内不同题型固定不变，结合交叉点位置实施段内交叉。若段内具有重复试题编号，则需利用无重复的编号替代。在各题型段中任意生成变异位置，随后任意生成一组满足约束条件的基因串，确定该基因串是否存在于编码中，若在编码中则以新数据取代原数据。通过上述过程获取智能组卷最优解。

2 仿真实验

为了测试云计算技术的英语在线考试系统应用性能，在设定相应实验环境下，对本文系统性能进行仿真测试。

2.1 系统界面设计

本文系统相关结果设计,如图4所示。

(a) 系统登录界面

由图4可知，用户在系统登录界面对话框内输入用户名与密码后，可登录系统，进入系统主界面。在组卷界面内输入相关参数，系统将依照参数设计，自动生成相应试卷。在成绩查询界面应试者可详细查询自己的考试成绩，发现自身缺陷。

2.2 功能测试

实验为测试系统功能的有效性，分别从系统登录、试卷答题、试卷提交、查看成绩等方面模拟用户操作流程，对比实际功能与期望功能之间的一致性，如表2所示。

表2 功能测试结果

由表2可知，本文系统功能测试中，各项功能实际测试结果与期望结果一致，均满足本文系统应用需求。

2.3 资源占用率对比

为测试本文系统在运行过程中的资源占用情况，分别从组卷管理、成绩管理、试卷管理、题库管理、在线考试和数据库等面访对比本文系统、基于Web的英语在线考试系统、基于移动终端的英语在线考试系统对于CUP与RAM的占用情况，如表3所示。

表3 不同系统资源占用率(%)对比

由表3能够得到，采用本文系统进行英语在线考试过程中，CPU占用率和RAM占用率总值分别达到27.2%和19.3%，与两个对比系统相比，本文系统CPU占用率总值下降18.2%以上，RAM占用率总值下降14.5%以上。由此可知本文系统在进行英语在线考试过程中资源占用率较低。

2.4 响应时间对比

对比并发人数为1 000人时，上述三个系统在系统登录、试卷答题、试卷提交、成绩查询四方面的响应时间，如图5所示。

图5 系统响应时间对比

分析图5得知，采用本文系统进行英语在线考试过程中，系统登录与试卷答题等功能的响应时间远远低于两个对比系统，由此可知本文系统具有较高地响应效率，可大幅提升系统运行效率。

3 总结

应社会发展潮流与教育体系改革的要求，本文设计基于云计算技术的英语在线考试系统。仿真测试结果显示,本文系统功能全面、稳定，具有较低的资源占用率和较高的功能运行响应时间。但本文系统设计过程中对于系统日常管理与应急方案等方面的内容没有涉及到，在后续优化过程中，将着重这方面的研究。