案例分享丨在线考试系统规划与实践
2020年春季学期，注定是一个多年后依然让教师们刻骨铭心的学期，新冠疫情对这一时段的教学产生了巨大影响。
广东工业大学积极响应教育部提出的“停课不停学”的要求，利用自建的蕴瑜课堂等在线教学平台，开展线上教学工作。
2020年5月起，学校课程陆续进入期末考试环节。考试是与学生成绩关系最大的教学环节，不容有错。
在全校师生共同努力、各部门通力配合下，学校在基于Moodle的蕴瑜课堂成功组织了多门课程的期末集中在线考试，其中包括多场500人以上的大型考试。
机遇与挑战
蕴瑜课堂是广东工业大学基于Moodle开源系统自建的在线教学平台，系统的环境架构如图1所示。
图1 系统的环境架构
蕴瑜课堂具备强大的教学过程管理与学习评价功能，支持成绩管理、分组教学、师生互动等，提供课程教学资源、活动和过程的“一站式”管理服务。蕴瑜小课堂是微信移动端课堂小程序，是蕴瑜课堂在手机移动端的功能延伸。
蕴瑜课堂的测验模块安全稳定，支持的题型有单选题、多选题、填空题、判断题、匹配题、随机题、计算题、简答题等。教师能在自己的课程中方便地建立题库、设置测验活动、出题和组卷，用于正规的在线考试以及布置平时作业。
2020年疫情突如而来，学校响应教育部提出的“停课不停学”的要求，利用蕴瑜课室进行在线上课，蕴瑜课堂的访问量大增（如图2所示）。
图2 蕴瑜课堂2019-2020学年访问次数
由于学校在校学生总数超5万人（本科生与研究生），剧增的在线教学需求，给蕴瑜课堂的系统管理、硬件支撑带来了巨大挑战。
特别是在线考试，与其他在线教学环节相比，对系统的要求更加高：
大量学生同时进场开考、同时交卷产生的高并发，对系统的稳定性、可靠性会造成很大的挑战；
蕴瑜课堂的测验模块，老师以往用得不多，大多数老师并不熟悉；
平台功能强大，教师能通过灵活的模块设置实现功能多样化，但如果操作不熟练，也容易因设置错误而导致整场考试出现严重问题；
考试环节的失误不容易补救，会影响成绩公平性，甚至造成考试无效。
在线考试的实现
面对以上挑战，在学校的支持下，学校相关部门迎难而上，克服了重重困难，在短时间把服务器硬件性能增加三倍，从改善系统运行环境、扩展测验功能、细致筹划考前各项工作、错峰开考等方面对蕴瑜课堂的在线考试进行部署。
改善系统运行环境
疫情前期，为使蕴瑜课堂稳定运行，学校网络信息与现代教育技术中心加大网络资源倾斜力度，紧急对教学平台带宽和服务器资源进行扩容，对系统进行了全方位的优化调整（如图3所示），解决了燃眉之急，也为期末考试打下较好的基础。高并发下，系统能承载1000人同时进行考试。
图3 系统优化措施
1.全面优化PHP（超文本预处理器）的基础配置。
2.通过Nginx（Engine X）进行服务器反向代理，应用服务器从3台增加至7台，每台用于负载均衡的应用服务器，内存均提升至32G。
通过Nginx实现了基于优先级的加权轮询算法，使资源分配更加合理化，即每台服务器有其对应的权重（weight），服务器的性能越好相对应的权重（weight）越高，可以承载更多的请求。
3.因疫情影响，线上授课需求突然剧增，导致存储服务器读写跟不上，为此，学校紧急更换一台NAS（网络附属存储）作为新的存储服务器，提升近4倍存储服务器读取速度。
4.引入云服务商提供的内容分发网络（Content Delivery Network，CDN），将蕴瑜课堂主站的部分资源缓存到全国各地的分布服务器，供用户就近获取，极大地降低了蕴瑜课堂主站的压力。
5.克隆数据库服务器，实现多台数据库服务器主从复制、读写分离，提高数据库的并发性能，原理是当Master节点进行insert、update等操作时，按照操作的顺序写入到binlog当中，salve从库连接master主库，创建对应的binlog dump线程，当binlog发生变化时，再通知各节点将相应的binlog内容推送给slave节点，I/O线程收到之后写入本地relay-log。SQL线程读取I/O线程写入的relay-log，并根据其内容对从数据库进行对应的操作。
扩展测验功能
在软件方面，为满足学校教务处对学生答卷的存档要求，学校网络信息与现代教育技术中心紧急联系技术人员扩展测验功能，快速开发线上电子答卷导出插件，使教师可以方便地批量导出包含详细学生答题轨迹、教师批改轨迹的PDF答卷。
蕴瑜课堂具有良好的系统开放性和扩展性，维护简单，这使得学校网络信息与现代教育技术中心可以快速响应疫情带来的紧急教学需求。
广东工业大学蕴瑜课堂网络页面
细致筹划考前的各项工作
疫情期间的在线考试，学生分布在各地，如何监考、学生的网络状况、学生的上网设备、蕴瑜课堂的性能、应急预案等因素都要考虑周全。
学校自2020年4月起，就开始部署蕴瑜课堂在线考试的有关工作。学校网络信息与现代教育技术中心服务团队为学校师生提供细致的支持服务，主动了解师生遇到的问题，及时解答、处理教师在题目录入、各种题型的使用、考试设置等方面遇到的问题，消除教师对在线考试的各种顾虑；
积极与老师沟通协商，在蕴瑜课堂组织多场高并发的模拟考试，经过几轮压力测试调优，确保千人考试不出问题；考前，会再次协助老师在蕴瑜课堂检查考试的各项设置是否正确，做到万无一失。
错峰开考，降低服务器压力
大型在线考试并发量高，服务器面临着严峻考验。并发高峰主要发生在开始考试和结束考试这两个时间点，并且，在线考试的题目可能含有图像、音频、视频、动画等富媒体，数据量大，系统不可避免地会出现流量峰值，一旦高峰期出现流量过载，就会导致系统的不稳定，影响整个蕴瑜课堂的访问。
为保障系统稳定运行，除了上面提到的扩容服务器等措施，学校还采用了错峰开考的策略，学生数大于200人的考试，一般建议老师错峰开考。
在蕴瑜课堂，教师可以很方便地自己设置错峰开考：将学生分成多个小组，一般按班分组就行，每组不多于200人，为每组开设一个考试活动，每个考试活动的开考时间错峰5分钟左右，错峰时间越大，对服务器的减压效果就越好，但错峰时间太大，会增大学生作弊的机会，不利于监考。
在线考试实践案例
广东工业大学的《机械设计》课程由学校机电工程学院授课团队多位教师在蕴瑜课堂共建共享。2020年春季课程总共849人参与了期末在线测试，设置了大约200人为一组，每组错峰5分钟登录。
考试从课程题库随机抽题，学生之间的数据存在较大差异，无法进行互相抄袭。考试时长2小时，试题全部是客观题，考试结束后，由系统自动完成评分和数据分析。
系统运行稳定，考试过程非常顺利，取得了非常理想的效果。老师反映个别学生使用的网络不稳定，重新登录或者换用手机热点信号问题就解决了。
在防作弊方面，由于学生分散在各地，可以在系统方面与监控方面做相关的措施。
在系统方面，可以加大题库题量，采用随机组卷、题目乱序，选项乱序等方法，增加考试作弊的难度。
期末考试试题由单项选择题（每小题2分，共24分）、填空题（每小题2分，共26分）、判断题（每小题1分，共10分）、受力分析题（本题10分）和计算题（6分+12分+12分）五种题型组成。
在题库中，选择题、填空题和判断题根据知识点和难易程度被分别归成12类、13类和10类，每个类别保证题目数多于5题，考试的选择题、填空题和判断题从每类随机抽取一道题进行组卷。
受力分析题和计算题，是这个考试的设计亮点。教师将受力分析题和计算题转化为同时能具有选择题、填空题、数字题等多种题型的完形填空题，每个题目给出10组不同的数值，然后随机抽取一组数值进行组卷。
经过成功的在线考试后，据老师们反馈，在线考试虽然要在熟悉系统使用、题库试题的大量录入与校对方面花费不少精力，但减少了大量的阅卷工作量，优势明显。
以客观题为主的在线考试，考试结束后，系统自动完成客观题评分和数据分析，在大大减少了工作量的基础上也提高了阅卷的准确度。
疫情期间，在线课堂需求剧增既是机遇也是挑战。对学校推广教学平台的应用和进行线上线下混合式教学改革是一个很好的促进作用，但也对技术保障提出了更高的要求。
学校网络信息与现代教育技术中心技术团队排除万难，很好地解决了相关问题，提高了师生对蕴瑜课堂的接受程度，用户数大幅增加。
但同时也暴露出用户答疑人手不足等问题，在下一阶段，广东工业大学会继续进行系统的优化等工作，力争进一步提高满意度，助力学校教学改革。
作者：巫桂梅、罗捷中（广东工业大学网络信息与现代教育技术中心）