一種大規(guī)模教育監(jiān)測問卷填答系統(tǒng)實現(xiàn)方法

袁曉敏，吳德操，萬 君，譚必玉，陳洪余

（1.重慶市教育評估院；2.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400020）

0 引言

問卷調(diào)查是用于收集資料的一種常用工具，根據(jù)載體不同，可分為紙質(zhì)問卷填答和網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查兩種形式。傳統(tǒng)紙質(zhì)問卷調(diào)查方式費時費力、效率低。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查以簡單、快速、跨地域的優(yōu)勢［1］被廣泛應(yīng)用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。

為滿足信息采集需求，很多單位和部門研究開發(fā)了問卷調(diào)查系統(tǒng)。例如，王君［2］為及時了解患者需求，為醫(yī)院改善醫(yī)療環(huán)境、提升服務(wù)質(zhì)量提供參考意見，開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的患者滿意度問卷調(diào)查系統(tǒng)；李云皓等［3］針對“對分課堂”教學(xué)模式的學(xué)習(xí)效果進行調(diào)查，設(shè)計了基于Web 的在線問卷調(diào)查系統(tǒng)，可使教師快速了解學(xué)生對課程的意見或建議；蔣艷華等［4］設(shè)計并實現(xiàn)了基于移動平臺的課程目標(biāo)達成度問卷調(diào)查系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持教師在線發(fā)布調(diào)查問卷，輕松了解學(xué)生對各知識點的掌握情況，有利于后續(xù)教學(xué)設(shè)計的優(yōu)化；陸毅等［5］從醫(yī)院管理的角度出發(fā)對各類學(xué)會和期刊進行分類，對常見學(xué)術(shù)任職進行整理，并借助問卷星平臺構(gòu)建了一套學(xué)術(shù)任職登記系統(tǒng)。

有別于一般的簡單社會調(diào)查，教育監(jiān)測領(lǐng)域觀察指標(biāo)維度豐富［6-7］，調(diào)查對象復(fù)雜多樣，涉及學(xué)科門類眾多，網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查的開展仍存在諸多難點，以上方法尚無法很好地解決。首先，大規(guī)模監(jiān)測中的教師問卷環(huán)節(jié)涉及角色眾多，且存在一人兼任多種角色的現(xiàn)象，不同角色組合需要完成的題目亦不相同。傳統(tǒng)解決方式是對角色進行各種組合，分別制定不同問卷，人為根據(jù)角色進行分發(fā)。這種方式過于依賴前期采集數(shù)據(jù)，存在教師所答問卷與實際基本信息不相符的情況；而且問卷覆蓋范圍局限，容易造成兼任多角色的對象調(diào)查疏漏，這就要求網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查系統(tǒng)具備問卷分發(fā)功能。此外，教育監(jiān)測問卷題庫按照系列觀測指標(biāo)與維度進行分組設(shè)置。在問卷填寫過程中，理想狀態(tài)是根據(jù)同一類角色的不同答題結(jié)果實時調(diào)整后續(xù)題組，從而實現(xiàn)調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性與全面性。以往的系統(tǒng)題組跳轉(zhuǎn)功能不夠完善，通常只能采用不分角色全題庫、多學(xué)科聯(lián)合調(diào)查的方式替代，極易造成受試者疲勞，系統(tǒng)使用滿意度低，短時間、大規(guī)模、多學(xué)科測評的教學(xué)評價難以實現(xiàn)?，F(xiàn)有商用問卷系統(tǒng)不能很好地滿足上述功能需求，且教育監(jiān)測數(shù)據(jù)具有保密性，故亟需設(shè)計一種適用于教育行業(yè)大規(guī)模監(jiān)測的專用問卷調(diào)查系統(tǒng)。

本課題組長期致力于大規(guī)模測試中問卷調(diào)查系統(tǒng)功能的研究，于2013 年提出一種支持邏輯跳轉(zhuǎn)與填答約束的網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查系統(tǒng)實現(xiàn)方法［8］。該方法于2013-2017 年在重慶市基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測教師問卷調(diào)查中得到應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，以及教育行業(yè)監(jiān)測需求及復(fù)雜程度的增加，課題組自2018 年起在已有功能的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行了重構(gòu)，作出以下改進：①基于指標(biāo)與題目之間的邏輯關(guān)系，在系統(tǒng)中根據(jù)指標(biāo)和觀測點對題目進行分類與層級管理；②增加大量新題型，題目和選項均采用富文本編輯，提高其趣味性和互動性；③在指標(biāo)和觀測點上設(shè)置觸發(fā)跳轉(zhuǎn)功能，分角色控制好題目分類。在測試過程中，以觀測點為最小單位，依據(jù)受試者已有的答案組合和觸發(fā)跳轉(zhuǎn)設(shè)置屬性自動邏輯判斷，動態(tài)跳轉(zhuǎn)至后續(xù)題組；④在題目作答校驗中，除提供單題校驗外，還增加多題聯(lián)合約束功能。如此以來，既能保證被試者在合理測試時間內(nèi)完成測驗，又能保證全面采集到有效數(shù)據(jù)。

本文結(jié)合2020 年和2022 年重慶市基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測教師問卷調(diào)查系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，具體探討如何在網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查系統(tǒng)中基于Angular 技術(shù)［9］實現(xiàn)多組合邏輯跳轉(zhuǎn)和多題聯(lián)合約束功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體功能

為方便管理與維護，將整個系統(tǒng)分為管理端和填答端，部分功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。管理端主要功能包括用戶登錄、角色管理、角色授權(quán)、功能管理、機構(gòu)管理、信息修改、項目管理、教師基本信息管理、學(xué)生基本信息管理、指標(biāo)設(shè)計、題目設(shè)計、問卷管理、問卷填答統(tǒng)計等。填答端界面自適應(yīng)手機、平板和電腦客戶端，支持微信認證登錄，主要功能包括發(fā)送驗證碼、用戶登錄、用戶測驗等。

Fig.1 System functional structure（partial）圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)（部分）

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)高內(nèi)聚、低耦合的原則，系統(tǒng)采取業(yè)務(wù)邏輯層、顯示層、數(shù)據(jù)層3層架構(gòu)［10］。

1.2.1 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層根據(jù)查詢條件、配置項簡單處理返回結(jié)果，從而進行數(shù)據(jù)分發(fā)工作。系統(tǒng)采用C++網(wǎng)絡(luò)服務(wù)框架構(gòu)建了一個輕量級、高性能的 Web 應(yīng)用服務(wù)端程序，在初始化時按需加載維度、題目、約束條件等關(guān)鍵信息，當(dāng)用戶訪問時可以直接從服務(wù)器的緩存中根據(jù)問卷ID 獲取對應(yīng)的關(guān)鍵信息，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性。

1.2.2 顯示層

顯示層基于Angular 框架中豐富的組件庫進行設(shè)計。Angular 是一個應(yīng)用設(shè)計框架與開發(fā)平臺，其將應(yīng)用程序劃分為一系列組件，每個組件負責(zé)處理特定的功能，組件之間可以嵌套使用，形成復(fù)雜的頁面結(jié)構(gòu)。組件化開發(fā)使得代碼模塊化、可重用性高，方便團隊協(xié)作和維護。在具體實現(xiàn)方式中，運用響應(yīng)式布局適配手機、平板、電腦端。基于代碼的可重用性和可讀性考量將指標(biāo)、指標(biāo)層次關(guān)系、每種題型編輯、顯示、填答等封裝成組件，實現(xiàn)顯示與邏輯的分離，化繁為簡。

1.2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)訪問層主要負責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問，針對數(shù)據(jù)進行增添、刪除、修改、查找等操作。在重慶市基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測教師問卷中，每個用戶需要填答的問卷題目不同、數(shù)量不固定、填答類型不固定，且被試者人數(shù)達到10 萬，均需在規(guī)定時間內(nèi)完成?；谶@些特性，本文選擇更為適用的主流非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB［11-12］。該數(shù)據(jù)庫除支持動態(tài)模式外，還支持海量數(shù)據(jù)存儲并且讀寫速度較快。將用戶填答的數(shù)據(jù)在一條document 中通過JSON［13］格式集中存儲（字段結(jié)構(gòu)如表1 所示），不僅邏輯結(jié)構(gòu)簡單，而且不需要多表查詢操作，可視性較強。

Table 1 Structure of questionnaire response表1 問卷答題字段結(jié)構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文在2013年數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了改進，將用戶表和結(jié)果集合成一張表，設(shè)計了以下幾個集合（部分表結(jié)構(gòu)），分別為教師答案表（Q_TEA_ANS）、問卷集合（QSURVEYS）、問卷題目對應(yīng)集合（Q_SURVEY_QUESTIONS）、維度集合（Q_DIMENSIONS）和題目集合（Q_QUESTIONBASE），具體如圖2 所示。教師答案集合主要存儲教師基礎(chǔ)信息（包括教師登錄問卷系統(tǒng)所需的賬號和密碼）和回收的調(diào)查數(shù)據(jù)；問卷集合用于存儲問卷基本信息，包括問卷標(biāo)題、問卷指導(dǎo)語、評價對象、微信授權(quán)登錄、開始時間、結(jié)束時間等屬性；問卷題目對應(yīng)集合用于存儲問卷集合與題目集合的對應(yīng)關(guān)系，以及所屬維度信息；維度集合存儲指標(biāo)、觀測點基本信息，包括名稱、所屬階段、所屬對象等及其層級關(guān)系；題目集合用于存儲題目信息，包括標(biāo)題、題目類型、所屬觀測點和維度、填答約束規(guī)則、跳轉(zhuǎn)邏輯設(shè)置等。

Fig.2 Database design圖2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.4 系統(tǒng)平臺搭建

服務(wù)器具體配置信息如表2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 指標(biāo)設(shè)計

在評估領(lǐng)域，指標(biāo)體系具有評價功能［2］。根據(jù)指標(biāo)體系制定相應(yīng)題目可提高測評的全面性和精準(zhǔn)性，也可使測試內(nèi)容脈絡(luò)清晰，科學(xué)評估既定目標(biāo)的實現(xiàn)程度。評估指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)具有層次性，因此本文將指標(biāo)接口返回結(jié)果組裝成樹形結(jié)構(gòu)展示并進行分頁管理。初始化數(shù)據(jù)時在頁面首先加載第一層，通過判斷其是否有子節(jié)點進行迭代遞歸。每一層均具有添加子級、編輯基本信息、刪除功能。在編輯基本信息中設(shè)置以下功能：①為使指導(dǎo)語更醒目、有趣，采用富文本編輯器提供基本文檔格式化功能，以及視頻、圖片、表情等多種多樣的格式；②提供用戶類別、所屬階段、所屬年級設(shè)置功能，以便在組卷功能中進行動態(tài)篩選；③設(shè)置觸發(fā)條件用于問卷答題時進行多組合邏輯跳轉(zhuǎn)，支持與、或、非等多種表達式（括號｛｝內(nèi)為題目唯一標(biāo)識）的組合邏輯；④支持動態(tài)調(diào)整指標(biāo)層級關(guān)系。

2.2 題目錄入與校驗

基于指標(biāo)體系與題目的邏輯關(guān)系，本文設(shè)計了在觀測點下添加題目的功能，支持評論語、單選、多選、填空、多行文本、多項填空、矩陣填空、星級、矩陣單選、分組多選、滑塊組合題、餅狀組合題、矩陣多選、上傳圖片、多選填空組合題、材料題、時刻題、數(shù)字加減題、矩陣滿意度題、動態(tài)選項題、級聯(lián)選項題、問卷嵌套題等20 余種題型的錄入。每道題增加唯一的變量標(biāo)識，標(biāo)題和選項采用富文本編輯器編輯。該種方式可以設(shè)計出符合學(xué)生年齡特點的題目，增強題目的互動性和趣味性。

為減少后期問卷調(diào)查數(shù)據(jù)清理工作量，需要對用戶填答的數(shù)據(jù)格式進行約束以確?；厥諗?shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，因此需要在問卷發(fā)布前設(shè)置好問題的填答規(guī)則［14］。本文采用模塊化思想對用戶填答校驗部分進行設(shè)計，傳入約束規(guī)則、填答結(jié)果以及題目相關(guān)信息即可獲得用戶填答的校驗結(jié)果。

除在單題校驗中提供驗證整數(shù)、小數(shù)、日期、文本、手機格式、密碼、郵件、身份證號、護照等功能，本文系統(tǒng)還支持多道題聯(lián)合約束。以下分別以餅狀組合題、矩陣填空題為例介紹用戶填答約束的實現(xiàn)方法。

（1）在餅狀圖中內(nèi)置校驗，除校驗填答類型為數(shù)字外，還要求各項小題比例總計達到100%。例如在學(xué)校信息化建設(shè)中，各項經(jīng)費包括網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與設(shè)備購置費用、數(shù)字資源和平臺開發(fā)費用、培訓(xùn)費用、運行與維護費用、研究與其他費用，總和應(yīng)為100%，當(dāng)用戶填答存在任一小題答案不是數(shù)字類型時，則提示用戶類型錯誤，需要修改，否則繼續(xù)判別其各項總計是否為100%，如果不是，則提示用戶重新填寫，直至填寫正確后才進入下一題。

（2）矩陣填空是一組填空題的組合，除每道題約束填寫格式和范圍外，題目間也可以相互約束。圖2 中的ACONSTRAIN 表示填答校驗約束，主要用于單題校驗規(guī)則設(shè)置。例如某項題目要求填答類型為數(shù)字，且介于14～60之間，則設(shè)置為"｛"atype"："number"，"minvalue"：14，"maxvalue"：60｝"，通過解析調(diào)用相關(guān)校驗功能實現(xiàn)對用戶輸入的約束。題目間的規(guī)則約束存儲在字段INTERNAL_RULE 中（見圖2 題目表）。以圖3 的題目為例，有教師資格證的在職教師數(shù)量應(yīng)小于等于在職教師總?cè)藬?shù)，填答規(guī)則設(shè)置為｛PIASA_09_SC09_3｝<=｛PIASA_09_SC09_1｝，｛｝內(nèi)為題目唯一標(biāo)識，同時需要滿足有教師資格證的代課教師數(shù)量應(yīng)小于等于代課教師。兩項規(guī)則以分號（；）隔開，設(shè)置為｛PIASA_09_SC09_3｝<=｛PIASA_09_SC09_1｝；｛PIASA_09_SC09_4｝<=｛PIASA_09_SC09_2｝。在用戶填答端，系統(tǒng)按照分號自動分解、解析填答規(guī)則，通過正則表達式將｛變量名｝替換為用戶填答的值，通過eval（）函數(shù)判斷每項表達式的值是否正確，如果結(jié)果為false，提示用戶修改。

Fig.3 Multi-topic constraint setting圖3 多題約束設(shè)置

2.3 問卷自動生成

在用戶選擇維度后，系統(tǒng)根據(jù)維度基礎(chǔ)信息自動判定是否與用戶所選階段、評價對象相匹配，若匹配則標(biāo)記為藍色，用戶可拖動至新建問卷中。進入問卷后，系統(tǒng)會自動篩選出符合角色（學(xué)生、教師、家長）要求的題目，并在維度右方標(biāo)記題目數(shù)量。在問卷保存過程中，系統(tǒng)按照拖拽的維度順序?qū)︻}目進行自動排序，且在保存時保持被觸發(fā)的題目位于觸發(fā)題目后方。例如選擇題A 為必答題，題B被觸發(fā)的條件為“題A 選擇a 選項”，則在排序時A 的序列號小于B 的序列號。

為考察被試者是否對測驗項目作出真實反應(yīng)，通常會引入測謊題。該類題目需要被打亂順序，因此本文設(shè)計修改題號功能，在調(diào)整某道題題號后自動對其余題目進行排序。題號調(diào)整算法步驟為：

Step1：初始化序號數(shù)組ThArr，記錄當(dāng)前位置index，當(dāng)前序號oldid 以及調(diào)整后的序號newid。

Step2：當(dāng)newid 大于 oid 時，順序循環(huán)數(shù)組ThArr（i 為當(dāng)前題號），找到ThArr［i］介于oid 與newid（包括）的值減1。

Step3：當(dāng)newid 小于 oid 時，順序循環(huán)數(shù)組ThArr（i 為當(dāng)前題號），找到ThArr［i］介于newid（包括）與oid 的值加1。

Step4：將當(dāng)前newid 賦值給ThArr［index］。

2.4 多組合條件觸發(fā)跳轉(zhuǎn)

隨著教育行業(yè)監(jiān)測需求的增加，調(diào)研題目設(shè)置愈加復(fù)雜，根據(jù)單道題答案邏輯跳轉(zhuǎn)的功能已不能滿足需求［15］。多組合邏輯跳轉(zhuǎn)可在測試過程中以觀測點為最小單位，根據(jù)受試者已有的答案組合和觸發(fā)跳轉(zhuǎn)設(shè)置屬性自動進行邏輯判斷，動態(tài)跳轉(zhuǎn)至后續(xù)題組。相應(yīng)的實現(xiàn)步驟為：

Step1：初始化題目數(shù)組，并根據(jù)題目屬性構(gòu)建數(shù)組paperQuestionShow。如果第i道題必答且不是被觸發(fā)跳轉(zhuǎn)題，則paperQuestionShow［i］為true，其余為false。如果用戶已經(jīng)開始填答，重新遍歷題目數(shù)組，當(dāng)題目i存在答案時，paperQuestionShow［i］設(shè)為true。如果不存在答案，但所屬維度或觀測點存在觸發(fā)條件且解析判斷結(jié)果為真，則設(shè)為true，同時將每道題的頁碼記錄在數(shù)組questionPage中。初始化完畢后，在界面按照排序加載所有題目，只有paper-QuestionShow［i］為true的才顯示出來。

Step2：在作答過程中，首先根據(jù)設(shè)置好的格式要求校驗用戶填答格式，然后處理當(dāng)前題目的單邏輯跳轉(zhuǎn)（同一維度內(nèi)的題目）。以單選題為例解析單選題的單題跳轉(zhuǎn)邏輯屬性jumpRule，存儲格式為JSON。例如題目1 設(shè)置為［｛key：’1’，qid：［‘題2ID’，’題3ID’］｝，｛key：’3’，qid：［‘‘題4ID’］｝］，表示題目選項為1 時，題目2、題目3 出現(xiàn)；當(dāng)題目選項為3 時，題目4 出現(xiàn)；選擇其余選項時無變化。單題跳轉(zhuǎn)邏輯處理流程如圖4所示。

Fig.4 Single question jump logic processing flow圖4 單題跳轉(zhuǎn)邏輯處理流程

在處理多組合邏輯跳轉(zhuǎn)（跨維度題目）時，由于組卷時保證了被觸發(fā)題目序號始終在觸發(fā)題目序號的后方，系統(tǒng)自動從當(dāng)前題目向后遍歷每一道題目j。若依據(jù)受試者已有的答案組合，題目j的觸發(fā)條件運算結(jié)果為真，則數(shù)組paperQuestionShow［j］設(shè)為true。多組合邏輯跳轉(zhuǎn)處理流程如圖5 所示。觸發(fā)條件設(shè)置支持與（&）、或（；與，）、非（#nin）、表達式（>，>=，<等）等多種操作組合。例如觸發(fā)條件｛A｝=3，4&｛B｝=2；｛A｝=1，2&｛C｝=7，8，表示若滿足條件一（A 題目選項為3 或4，同時B 題目為2），或滿足條件二（A 題目選項為1 或2，同時C 選項為7 或8），則邏輯處理結(jié)果為真，在數(shù)組paperQuestionShow中對應(yīng)的坐標(biāo)設(shè)為true。

Fig.5 Multi-combination logic jumping processing flow圖5 多組合邏輯跳轉(zhuǎn)處理流程

Step3：當(dāng)用戶完成當(dāng)前頁題目時，系統(tǒng)動態(tài)確定下一頁題目頁碼并跳轉(zhuǎn)至最近存在paperQuestionShow［i］為true的頁碼。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，本文系統(tǒng)已成功應(yīng)用于2020 年和2022 年重慶市基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測工作中，覆蓋10 余萬教師群體，整體規(guī)模位于全國前列，具備了大規(guī)模、多指標(biāo)數(shù)據(jù)采集的能力。實踐結(jié)果表明：①該系統(tǒng)提高了問卷題目設(shè)計效率。以9 個科目測試為例，出卷人的工作量從以往的4 天組卷84 套減少至只需提出跳轉(zhuǎn)邏輯，每個科目共用一套試卷題目，組卷時間縮短至5 h；②該系統(tǒng)極大減輕了多角色受測群體的答題負擔(dān)。表3 為教師問卷中各級各類角色填答題量。以具有“5 年級德育教師”“管理干部”等多角色的班主任為例，紙質(zhì)版需要填寫1 000 余道試題，包含多項重復(fù)及無關(guān)項，平均測試時長為30 min；而使用本系統(tǒng)最多需要完成64 道題，平均測試時長縮短至5 min。據(jù)調(diào)查，教師對問卷系統(tǒng)的滿意度由53.1%提升至97.0%；③在教育資源有限的農(nóng)村等地區(qū)會出現(xiàn)兼任體育老師、德育老師的現(xiàn)象，提前確定角色的問卷分發(fā)形式往往會出現(xiàn)漏采現(xiàn)象。本系統(tǒng)可使答題人自選角色自動組卷，信息采集更加全面精準(zhǔn)。

Table 3 The number of questions filled in at each level of the teacher questionnaire for each role表3 教師問卷中各級各類角色填答題量

4 結(jié)語

本文提出一種以觀測點為最小單位，多組合邏輯跳轉(zhuǎn)與多題聯(lián)合約束的網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)方法。該方法通過增加新題型、豐富校驗方式提升題目的趣味性和互動性；通過對題目進行分類歸檔提高篩查效能，大大減輕了后期數(shù)據(jù)清理壓力；通過多組合邏輯跳轉(zhuǎn)至觀測點的方式增強了問卷的靈活性和適應(yīng)性；通過分級分類管理設(shè)置觸發(fā)條件后重復(fù)使用的方式減少下一次問卷屬性設(shè)置時間，減輕了管理人員的組卷和檢查壓力。實踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有采集過程高效、采集結(jié)果精準(zhǔn)的特點，能夠以最短的時間獲取最全面真實的信息，在大規(guī)模測試中適用性較強。

然而，該系統(tǒng)尚存在一些不足之處，例如在進行數(shù)據(jù)修改時缺乏對題目信息的保存機制。為解決該問題，擬在后期開發(fā)中將指導(dǎo)語、維度、題目等與問卷相關(guān)的信息冗余存儲于一張專用表中。如此以來，用戶在填寫問卷時可減少對維度表和題目中間表數(shù)據(jù)的檢索頻率，從而有效提高系統(tǒng)返回數(shù)據(jù)的效率，為用戶提供更為卓越的使用體驗。