初中理化生实验 教学和测评系统
目录
第一章 方案设计
1.1 需求分析
依据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《国家中长期教育改革和发展规划纲要》（2010-2020）的精神和要求，国务院制定并印发了国家教育事业发展“十三五”规划，明确提出了把教育放在优先发展的战略地位，大力实施人才优先发展的国家战略。规划纲要同时也指明了中国教育改革发展的方向。其中特别强调，必须从中小学做起，着力推进基础教育课程和教育模式改革，注重激发学生的科学兴趣和创新意识，加强对学生实践动手能力和创新能力的培养。
中小学实验教学作为基础教育阶段学生综合科学素养和创新能力培养的主要路径，得到了教育部和各级教育主管部门的高度重视。近十年来，国家和各级地方政府持续加大了在基础教育装备上的投入，实验教学有效开展的硬件环境已基本具备。同时，为了提升实验教学质量，在制度和其他软件环境建设上也进行了多方位的探索。目前、全国已有多个省份将实验操作考试纳入了中考考试范畴，高考中对实验操作方面的知识考查点也在逐年增加，所以说，中小学实验教学在基础教育阶段中的作用和地位必然会逐步提高，这是我国经济社会发展对创新型人才的现实需求所决定的，也必然是中国教育改革发展的方向和着力点。
1.2 政策解读
根据省教育考试院正式发布《进一步推进高中阶段学校考试招生制度改革的实施意见》（以下简称《意见》）。明确将物理、化学和生物中的实验操作纳入考试范围，实验操作成绩不低于每门科目考试总成绩的10%。《意见》要求，中考考试涵盖国家《义务教育课程设置实验方案》（7～9年级，以下简称《课程方案》）规定的全部科目，包括语文、数学、外语、道德与法治、历史、地理、物理、化学、生物、体育与健康、音乐、美术、信息技术等科目，引导学生认真学习每门课程，达到合格要求，确保初中教育的基本质量。
中考考试内容应增强基础性和综合性，着重考核学生掌握学科基础知识与基本技能的宽度和广度，试题试卷的整体难度适当，减少单纯记忆、机械训练性质的内容，杜绝偏题、怪题；增强应用性，注重与学生生活、社会实际和科技发展等的联系，侧重考核学生在真实情境中发现问题、运用所学知识分析和解决问题的能力；增强创新性，增加探究性和开放性试题的比例，培养学生创新精神和实践能力。
1.3 设计原则
Ø 开放性
1、向上对接学籍系统、层级发布系统、文件储存系统等
2、向下提供接口，供各厂家考场设备接入
Ø 实用性
1、设备要做到体积小巧、容易搭建、便于收纳
2、功能设计要做到简单易用
3、支持模拟考试和正式考试等多种场合
Ø 稳定性
1、中考作为我国重要的选拔考试，容不得差错
2、系统必须具备高度的稳定性，能够保障中考的正常运行
Ø 容错性
1、系统可以应对网络故障、断电等意外情况
2、系统应具有一定的应急措施，可以保障考试的正常进行
Ø 安全性
1、考试时，不受IP冲突、ARP网络攻击等
2、考试后，视频文件不被恶意份子篡改或删除
第二章 建设方案
2.1 产品组成
系统由市级平台、校级平台、监考端、学生端以及现场评分端组成。
2.1.1 实验考试系统WEB端管理平台
Ø 介绍
实验考试系统云平台，是一套基于网络的云平台软件系统，系统采用优秀先进的架构设计，可以同时为全市的考生提供统一的实验考试安排、实验考题管理、实验考试管理及考试评分等多个模块的功能，平台支持多种客户端管理，提供基于Web的访问模式，同时支持移动端管理等多种丰富的途径。
在易用性上，平台提供各级用户角色及功能分配充分考虑各级管理员及考务老师的功能分配，整体功能强大稳定，但细分至每一层用户操作简单，每一层用户角色都可以快速简易上手，在各级用户整体搭配上，实现全市的实验考试操作及管理。
Ø 产品特点
① 平台采用分布式架构，能够应对瞬间8万并发量，能够很好地应对市级统考，确保考试过程流畅、稳定。
② 考试成绩数据可视化设计，通过考试平台，可对所有考生数据进行分析和统计，并可以导出报表，实现实验考试数据电子化，并且可以开放接口与其他系统对接，完成数据导出工作，准确把握教学质量。
③ 可接入网络巡考摄像头，每个考场最多可绑定两个网络摄像头，管理员能够通过后台点播随时查看考场情况。
④ 系统信息资料，如考生信息、考场信息、教师信息等，支持Excel表格导入，方便快捷。
⑤ 智能分配考生，安排考试时系统会根据考生所属的区进行就近随机安排，合理分配考试资源。
⑥ 人性化在线评阅流程，评分视频提供倍速观看、快捷键评分等，有效提高阅卷效率；阅卷数据可视化，实时反馈当前总体以及个人的阅卷数量、平均给分等，有效把握阅卷进度和阅卷质量。
⑦ 支持直播评分，选择直播评分后学生的操作过程会实时播放，老师可以在学校的电脑室登录后台，进行观看直播并评分。
⑧ 行业领先的信息安全性，考试视频采取三方校验，采用目前民用加密领域技术中最为准确、安全的MD5文件校验技术，确保考试文件不被篡改，保证考试的公平、公正（详见3.2）。
⑨ 行业首创的智能排考方案，通过自主研发的算法进行排考能够大大缩短考试时间（详见3.1）。
⑩ 成绩查询即时查看考试视频，考试成绩一目了然，考核更公平、公正。
⑪ 后台拥有设备管理页面、告警页面，实时监看各地区服务器状态，并可通过后台对监考端、学生端进行升级管理。
2.1.2 实验考试系统监考端
Ø 介绍
监考端产品是安装在考场教师电脑上，用于考前的考场配置、考生座位抽签以及座位表的打印；考中的现场监考、考场突发情况的处理等；在考后，监考端还可以作为教学软件，用于日常实验教学示范，增加课堂趣味性等。
Ø 产品特点
① 一键抽签，快速安排考生座位，提高考试效率。
② 多种应急处理方案，现场监考老师能够对异常考生执行取消考试资格、申请补考等多种处理方案。
③ 考后能够对学生端进行指令控制，如批量关机等，便于考后设备管理、收纳。
④ 监考端视频播放使用软件解码技术，资源占用率低，能够确保监考过程视频流畅，不卡顿。
⑤ 独有的实验教学模式，大大提高考试设备的利用率，能够通过系统实现示范教学，老师课堂实验操作能够通过系统传输至学生端，避免实验演示过程中学生的围观；也能够对学生课堂中的实验练习进行录制，老师现场回放，实现课堂点评，提高教学质量（详见3.5）。
⑥ 简单易懂的操作系统，方便教师、学生上手，无需专业人员，通过简单培训所有人都可操作。
2.1.3 实验考试系统学生端
Ø 学生端介绍
学生端是由一台搭载学生端系统的8寸（可选10寸）触屏小电脑和两个USB2.0高清摄像头组成，用于对考生信息的展示、确认以及考试操作过程的录制。
Ø 产品特点
软件：
① 分步式的信息确认，考试流程更加清晰；明确的信息显示、即时报错功能确保考生考试流畅进行。
② 快速的编解码技术，能够确保画面本地显示以及远程传输能够实现流畅、低延时。
③ 独特的系统优化技术，使得学生端系统能够在低配置的电脑上也能够流畅使用。
④ 采取开机自启动、软件锁定等技术，确保学生端系统、文件不被篡改、攻击等。
⑤ 支持本地直接修改系统IP，无需关闭软件设置
⑥ 支持一键重启软件，便于调试
⑦ 软件内置教学模式，支持教师机学生机共用，仅需区分座位号即可。
硬件：
Ø 摄像头
① 宽视野：摄像机采用83°大广角小畸变镜头，显示开阔的画面视野，能够完整拍摄考生实验操作画面。
② 全高清：采用1/2.8英寸207万像素高品质图像传感器，输出分辨率可达1920x1080，输出帧率高达30帧/秒,呈现清晰逼真的高清视频，生动的展现人物的表情和动作。
③ 先进的聚焦技术：VCM马达自动聚焦镜头，先进的自动聚焦算法，快速、准确、稳定地完成自动聚焦。
④ USB2.0接口: 即插即用,可供电、可升级，考试画面0延时。
⑤ USB接口不占用网络IP，所以摄像头不受IP、ARP攻击
Ø 8寸寸小电脑
① 采用嵌入式架构，无风扇设计，安静无噪音，不影响学生考试。内置64G存储，可以本地缓存考试视频数据。
② 内置大容量电池，能够在断电情况下持续录制4小时，保障考试顺利进行。
③ 配备WiFi模块，断网自动连接。
其他硬件
① 航空箱级别收纳箱，轻便、坚固耐用。
② 万向弯曲摄像头连接杆，拍摄角度随意调节，同时便于收纳。
2.1.4 实验考试系统现场评分端
Ø 评分端介绍
现场评分端是现场阅卷老师进行评分的工具，使用灵活、便捷。
Ø 产品特点
① 无需安装任何应用，可直接打开浏览器登录进行评分
② 可自主选择打分对象，打分方案灵活多变
2.2 方案部署
一般情况下，教育局的网络机房具有区域内最好的网络条件和专业的维护人员，所以市级考试系统一般部署在市级教育局的网络机房内；校级平台服务器只需要部署在考点校校内中心机房即可；每个考点校下设理、化、生实验考试考场（可多个）；每个考场配备一台教师监考机、24套学生端+1台备用学生端（数量根据实际情况而定）、现场评分平板电脑6台（数量根据实际情况而定）。
Ø 拓补图
市级平台部署
校级平台部署
2.3 系统管理
Ø 系统角色和职能
市级管理员:具有市级平台的所有权限，包括安排市级考试、编辑下级用户角色、考题管理、考生资料等
区县管理员：只能对当前负责的区县进行编辑管理，包括安排区县级考试、考生管理、区县教师管理等
学校管理员：只能对当前负责的学校进行编辑管理、安排校内模拟考试等
普通教师：只能够登录到平台查询考生成绩和查看考试成绩的大数据等。
Ø 市级实验考试统考流程
市级管理员：登录市级平台创建一场考试，输入相关考试信息后在线发布考试。
监考老师：考前几天登录考场监考端，根据下发的考题信息布置考场（放置每个座位对应的考试用品），考试开始前10分钟在监考端进行考生座位抽签。
阅卷老师：若考试采用在线评分方式，则等待考试结束后，阅卷老师登录市级平台进入在线评分模块进行评分；若采用现场评分方式，则在考试过程中用打分平板进行打分。
第三章 技术优势
3.1 智能排考方案
自主研发智能排考算法，现有考试系统安排考试都是等待一门科目所有考生考试结束之后才开始下一门科目的考试，例如组织一场市级考试，一门科目考完需要3天时间，首先开始物理考试，三天后物理考试结束，才能开始生物考试，生物考试结束再开始化学考试（如图3.1.1），那么这场市级考试就需要9天的时间。
图3.1.1
而我们的智能排考方案，能三门科目同时开考（如图3.1.2），通过我们的算法，我们能够确保考生的考试安排不会冲突，并且能保证考生考试时间的间隔为半天，这样就能将原本9天的考试时间缩短至3天，大大地提高了考试效率，节省大量人力物力。
图3.1.2
3.2 三方视频校验方案
三方录制，就是学生端录制、监考端录制以及校级平台同时录制；监考端和校级平台分别从学生端拉流进行录制的，所以即使监考端和者校级平台都宕机了也能够正常录制，并且学生端也能够在断电断网的情况下录制4个小时，正常情况下考试结束后，在上传视频链路到市级平台之前，我们系统会进行一次三方校验，就是将这三个录制的文件进行比对，只有一致了才会上传，不然就会被判定为异常，我们使用的校验技术是MD5文件校验技术，是目前民用加密领域技术中最为准确、安全的一项技术，能够保障考试操作视频的安全性，体现考试的公平、公正。
图3.2.1
3.3 智能排题方案
自主研发的智能排题算法，自动安排考题，并能保证相邻座位的考试题目不相同，体现实验考试的公平公正。
面对普通24座考场，可以任意增加题目数量，邻座间题目不冲突
面对畸形考场可以任意增加题目数量，邻座间题目依旧不冲突
3.4 层级信息传输方案
系统现有层级结构的考试信息是逐层下发和上传的，这样做不仅可以缓解系统的信息传输压力还可以确保信息的安全性，比如说市级平台安排好考试，试题、考生信息等不会马上就下发，而是在考前的一两天才开始下发，而考生只有在考前的几分钟才会知道自己要考什么题目、坐在哪，这样就不会有泄题的风险，体现出实验考试的的安全性；同样考试结束后的录像文件信息、现场评分数据也是逐级上传这样就能够有效地缓解服务器以及网络的压力。
3.5 示范教学方案
为了提高实验考试系统设备的利用率，我们在原有设备的基础上增加教学模式，提高设备利用率，加强实验课堂的教学质量。在实验课堂上，老师可以使用备用的学生套件进行实验操作的现场直播及录制，学生则可以通过座位上的学生套件进行观看，避免了学生的围观，保证了实验课堂的安全，录制的视频文件可以进行分享，便于学生课后反复观看。
因为学生套件有两个可调节的摄像头，在学生的操作练习过程中可以满足一人一个摄像头进行录制，待练习结束，老师可以使用监考端进行点播，实现练习点评。
