基于J2EE的无纸化考试试卷分析系统的设计与实现

杨斐，张峰

（榆林学院信息工程学院，陕西榆林719000）

学生成绩是衡量学生是否掌握所学知识的重要标志，也是评估教学质量的重要依据[1]。从表面上看，考试成绩仅仅是数字，但是从这些似乎毫不相关的数字中却可以提炼出对学生学习效果进行评价的信息。目前大部分校各数课程的考试基本上都采用传统的考试方式，组织一次考试至少要经过人工出题、教研组组长与主管教学的系领导审核批准制卷、试卷打印装订、考生考试、人工阅卷、成绩评定和试卷分析等多个步骤，再加上考试教室安排、监考教师分配等等，使学校消耗大量的人力、物力、财力，严重影响学校的工作效率，教师的工作量也越来越大，而考试工作本身就是一件十分繁琐和非常容易出错的事情，显然传统的考试方式已经越来越不能适应现代教学的需求。为推动考核方法改革，加快考核手段的现代化，根据教学的实际需求，应改变传统的纸张考试的方式，充分利用计算机和网络技术，实现网络计算机考试，从而使考试更趋于公证、客观，并进一步激发学生的学习兴趣，所以开发一套基于Web的考试分析系统以满足学校和学生之间的需求。

1 试卷分析系统的主要功能模块

1.1 试卷成绩的统计分析

在对试题、试卷进行各种指标的分析的基础上对学生考试成绩进行必要的统计分析，通过对学生成绩整理、分析，才能清楚地把握整体和个体的知识掌握情况，进而寻求改进教学质量的途径和方法。试卷的统计分析主要包括成绩统计分析以及学生成绩分布曲线分析。

1）成绩统计分析

成绩统计可以对考试的成绩进行较为直观的统计分析。成绩统计分析一般包括统计学生总数、参加考试人数、最高分、最低分、平均分与标准差，通过平均分、标准差可以反映考生群体成绩的个体差异程度，统计最大值、最小值及全距可以反映考生成绩的最大差距[2]。

平均分可以反映全体考试学生的学习水平，但平均值易受极端分数的影响。平均值用表示，平均分计算公式如下：

其中n为考试人数，X为考试成绩。

标准差能够表征考试成绩的波动大小，反应考试分数的离散趋势，它的计算方法是求出每个学生成绩与平均分的差的平方和，计算公式如下：

其中xi为学生该卷得分，为该卷平均分，n为样本人数。

分段统计是试卷分析工作中最常用最形象直接的指标。根据考生人数，将考试成绩划分若干分数段进行各分段人数的统计：即每隔10分为一段，0～59为不及格，60～69为及格、70～79为中等、80～89为良好，90～100为优秀，通过计算优秀、良好、中等、及格与不及格的人数分布及百分比，从中可以大致地看出成绩的分布类型。

2）学生成绩分布曲线分析

检验试卷是否符合考试要求，通常采用学生成绩分布曲线分析来描述[3]。通过编绘直方图，了解成绩分布的类型。用直方图直观表示学生成绩的分布情况，即以分数段作为横坐标，每个分数段的学生的人数作为纵坐标。如果分数段划分的越细，直方图就越准确地代表了学生成绩的实际分布。

总的说来，学生的成绩在数量上分布应符合统计学上的正态分布。如果曲线峰值中间高、两头低、左右大体对称，那么表示分布呈正态或近似正态分布：如曲线峰值向右偏，则呈负偏态分布，说明试题总体难度偏低：如曲线峰值向左偏，则呈正偏态分布，说明试题偏难[4]。因此在考试设计上要求对试题的难度组合进行合理的搭配，当试题总体过难或过易，其分布特征亦随之改变；当试题难易组合不合理，将会对分布峰的形态产生影响。

1.2 系统总体结构

无纸化考试系统的系统目标是在校园网环境中，使用计算机来代替人工实现考试过程中需要完成的考务安排、题库管理、智能组卷、在线考试、自动评分（客观题部分）、主观题与操作题评分、成绩统计分析等一系列工作任务。

无纸化考试系统应该具备6大功能：考务管理、题库管理、组卷管理、在线考试、阅卷管理、试卷分析。图1展示了无纸化考试系统的功能构成。

图1 系统功能结构Fig.1 System function and structure

试卷分析是对整个系统的考试数据进行统计分析，以便于让老师更好地了解学生的学习情况，让学生更好地掌握自己的学习情况，其功能包括：该子系统实现对考生的成绩统计分析（如对平均分、最高分、最低分、及格率、分数段等分析）和对试卷进行综合分析（如难度分析、区分度分析、信度分析、效度分析）等功能，并将相关分析信息存入数据库，作为下一次出题组卷的重要依据。

1.3 系统主要用例分析

本系统参与者只涉及教师，可以分解为报表输出和试卷评价两个用例，其中试卷评价用例可分解为选择分析策略（按科目分析、按班级分析、按题型分析）、试卷分析、试题分析等子用例。

据以上分析，得出程序的主要用例图，如图2所示。主要的角色（Actor）包括企业管理员（Administrator）、企业用户（Customer）、程序系统（System）和数据库（Database）。

图2 试卷分析用例图Fig.2 Diagramofuse case

2 系统的设计与实现

2.1 系统的架构的设计

用例图分析了该应用系统的主要功能需求，这些需求是设计开发的依据。下面开始讲解试卷分析系统的架构设计。整个系统架构（除了客户端数据采集系统）基于J2EE技术体系设计，客户端数据采集系统采用的是桌面单机应用程序[5]。

J2EE体系包括JSP、Servlet、EJB、Web Service等多项技术。这些技术的出现给Web应用开发提供了一个非常有竞争力的选择。怎样把这些技术组合起来，形成一个适应项目需要的稳定架构是项目开发过程中一个非常重要的步骤[6]。

一个成功的软件需要有一个成功的架构，但软件架构的建立是一个复杂而又持续改进的过程，软件开发者们不可能对每个不同的项目做不同的架构，而总是尽量重用以前的架构，或开发出尽量通用的架构方案[5]，Struts就是其中之一，Struts是流行的基于J2EE的架构方案，其他常用的基于J2EE的架构方案还有Hibernate、Spring等。

本系统严格按MVC模式设计，按J2EE分层设计的理念，将中间层严格分成业务逻辑层、DAO层和数据持久层等。MVC层的控制器绝对禁止持久层访问，甚至不参与业务逻辑的实现。表现层采用传统JSP技术。JSP技术结合Struts的标签库，让应用的表现层层次清晰，可读性比较好。架构模型如图3所示。

2.2 系统数据模型的设计

系统设计是在系统分析的基础上由抽象到具体的过程。主要目标是将系统分析阶段所提出的反映了信息需求的系统逻辑方案转换成可以实施的基于计算机与通信系统的物理（技术）方案，进行系统的总体设计和各子模块的设计，实现基于B/S多层结构的试卷分析系统，为下一阶段系统实施提供必要的技术资料。

图3 架构模型Fig.3 System architecture model

业务实体在内存中表现为实体域对象，在数据库中表现为关系数据。实现业务实体包括以下内容：

1）设计域模型，创建域模型实体对象；

2）设计关系数据模型；

3）创建对象-关系映射文件。

其中，前两项适用于大多数由持久化数据驱动的应用程序，最后一项是特定于Hibernate应用的。不同的实现方式可能需要不同的步骤。

该系统应用中的业务实体包括用户表、教师信息实体、课程信息实体、学生成绩实体、学生信息实体、院系属性实体、任课类别实体。下面将详细介绍这些实体模型含义。

1）用户实体有两个属性，分别是用户名、密码。用户名包括管理员用户名、普通教师用户名、用户密码（password）、电子邮件、用户状态、联系地址、联系电话等。

2）教师用户有4个属性，分别是用户名、身份证、姓名、密码。用户名是教务处分配给每个教师的教师号；身份证、姓名用以确保教师身份的唯一性；密码属性有初始默认值，教师用户可自行修改。

3）课程实体有6个属性，其中教师号包含授课教师信息；开课院系包含学生所在院系；学年、学期、课程名、课程号包含课程相关信息。

4）成绩实体有7个属性，开课院系包含代课教师相关信息；学号、班号包含学生相关信息；课程号、课程名包含课程相关信息；成绩、记录方式包含学生试卷成绩相关信息。

5）学生实体有7个属性，身份证号、出生日期、籍贯包含学生自身信息；专业编号、班号、学号、姓名包含试卷成绩相关信息。

6）试卷实体有14个属性，总分、客观题总分、主观题总分、试题总数、试题类型包含了成绩相关信息；考试院系、学科名、课程号、学分、学时、考试时间包含了课程相关信息；考生人数、班级名称包含学生相关信息；教师姓名包含授课教师相关信息。

3 系统的关键技术及具体应用实现

3.1 主要模块实现

试卷评价模块主要实现3个方面的分析。其中试卷质量分析通过对分数数据的处理完成信度、标准差、难度、区分度及各分数段的统计等指标的计算，利用以上的公式，通过编写脚本来实现。试题分析与试卷质量分析大致相同，通过对小题的分数的处理完成试题的分析。如图4所示。用户成功登录系统后，选择试卷分析界面，根据之前的试卷录入情况，从试题名称表、成绩表、课程表、试题详细信息表等表里获取相关数据参数进行分析，试卷评价模块数据流图。

图4 试卷评价功能模块图Fig.4 Paper evaluation modules

3.2 业务系统的实现

依据上述的基本原理，本文基于J2EE平台下设计并实现了试卷分析系统，该原型系统实现了用户登录和注册、试卷情况录入模块、试卷评价模块、试卷分析结果输出模块等。由于各个试卷的不同，我们在试卷成绩录入之前需要进行试卷信息的录入，并且要对试卷的一些信息进行检查。如果出错，则试卷信息录入不成功。另外在录入的时候会有一些附加信息，如院系等。试卷情况录入界面如图5所示。试卷评价模块主要负责选择录入好的试卷，然后进行分析，其界面如图6所示。

图5 试卷情况录入界面Fig.5 Papers of the input UI

4 结论

通过试卷分析系统对学生考试成绩进行定量地统计分析，挖掘数据得出科学的信息并得以判断学生学习情况和鉴定试卷质量。将得到的反馈信息作为改进后续教学工作的参考依据，使教师可有的放矢，在总结与反思过程中，不断提高教学质量。本文根据学校信息化建设的现状，采用了Struts、Spring、Hibernate技术开发试卷分析系统系统，试卷分析工作不断的科学化和规范化是教育评价发展的必然要求，它对检验教育质量、深化教学改革有着重要作用。随着教育测量理论的不断发展，试卷质量评估工作将更为深入细致，现代教育测量理论在考核评价中的应用也将会进一步丰富和发展。目前基于该方案开发的系统已经在国内某高校安装使用，今后将根据用户的反馈继续完善。

图6 试卷评价界面Fig.6 Paper evaluation UI

[1]熊广星.心理与教育测量若干概念的应用问题[J].广西师范大学学报，2000，36（3）：63-65.

XIONG Guang-xing.Issues in exercising some definitions of psychologic and pedagogic measurement[J].Journal of Guangxi Normal University，2000，36（3）：63-65.

[2]马开剑.孙银祚.试卷信度计算公式探讨[J].聊城师院学报：自然科学版，1999，12（1）：85-87.

MA Kai-jian，SUN Yinzuo.The approach to the calculating formulas about reliablity of examination paper[J].Journal of Liaocheng Teachers University：Nat.Sci.，1999，12（1）：85-87.

[3]朱松涛.回归方程的显著性检验的统一形式[J].曲阜师范大学学报，2000，26（3）：43-45.

ZHU Song-tao.Unified form for the significance tests of the regression equation[J].Journal of Qufu Normal University：Natural Science，2000，26（3）：43-45.

[4]龚瑜，江红，黄永.基于Struts的Web开发[J].计算机与数字工程，2009，37（2）：58-62.

GONG Yu，JIANG Hong，HUANG Yong.Development of Web application based on struts framework[J].Computer&Digital Engineering，2009，37（2）：58-62.

[5]戚艳军，刑继军.Ajax与Struts结合构建Web应用研究[J].现代电子技术，2008，32（22）：57-58，66.

QI Yan-jun，XING Ji-jun.Web application using ajax and STRUTS[J].Modern Electronics Technique，2008，32（22）：57-58，66.

[6]Karam M，Keirouz W，Hage R.An abstract model for testing MVC and workflow based Web applications[J].Proceeding of the Advanced Int’l Conference on Telecommunications and Int’l Conference on Internet and Web Applications and Services，2006.