Giải pháp hệ thống thi trắc nghiệm khách quan ứng dụng công nghệ không dây

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015

109

GIẢI PHÁP HỆ THỐNG THI TRẮC NGHIỆM KHÁCH QUAN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY
BUILDING OBJECTIVE TEST SYSTEM USING WIRELESS TECHNOLOGY
Trương Minh Huy, Nguyễn Thanh Bình
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng;
Tóm tắt - Trắc nghiệm khách quan là công cụ hiệu quả nhằm kiểm
tra, đánh giá kết quả học tập. Hiện nay, có nhiều mơ hình thi trắc
nghiệm khách quan (sau đây gọi tắt là thi trắc nghiệm) nhưng còn
nhiều hạn chế về phương pháp triển khai và thời gian cho kết quả.
Bài báo này giới thiệu về việc thiết kế, chế tạo thử nghiệm một hệ
thống độc lập chuyên dùng cho thi trắc nghiệm. Hệ thống gồm một
máy chủ và nhiều máy trạm kết nối bằng sóng radio với chức năng
lưu trữ đề thi, làm bài thi, chấm bài thi cho kết quả ngay, đồng thời
có thể truy xuất từ máy tính bằng phần mềm. Hệ thống hỗ trợ giảm
tải áp lực về thời gian, chi phí từ hoạt động triển khai thi, thu bài,
chấm bài và công bố kết quả. Hệ thống có thể được ứng dụng rộng
rãi trong các cơ sở giáo dục, đào tạo và khảo thí.

Abstract - The objective test is an effective method to assess
learning outcomes. There are many models for objective tests but
these ones represent restrictions on deployment methods and time
to obtain test results. This paper introduces the design and
implementation of an objective test system to use in independent
tests. The proposed system consists of a server and workstations
connected and communicated via radio, which allows us to
compose tests, take a test and get the results immediately. The
main contribution of the proposed system is that it reduces time

and operation cost compared to objective tests in paper. The
system can be widely employed in educational, training and testing
institutions.

Từ khóa - thi trắc nghiệm khách quan; truyền dữ liệu không dây;
vi điều khiển; Arduino; LCD.

Key words - objective test; wireless data transfer; micro-controller;
Arduino; LCD.

1. Đặt vấn đề
Hiện nay, thi trắc nghiệm là phương pháp được ứng
dụng phổ biến nhằm kiểm tra, đánh giá kết quả học tập của
học sinh. So với phương pháp tự luận truyền thống, thi trắc
nghiệm có nhiều ưu điểm như đảm bảo tính khách quan,
kiểm tra được khối lượng kiến thức lớn, giảm thiểu tiêu cực
phát sinh… Tuy nhiên hoạt động thi trắc nghiệm vẫn gặp
nhiều hạn chế trong khâu triển khai và thời gian cho ra kết
quả. Câu hỏi chúng tôi đặt ra là làm thế nào để cải thiện và
tối ưu hóa việc thi trắc nghiệm, tiết kiệm thời gian, nhân
lực và chi phí cho hoạt động này.
Sau khi xem xét các mơ hình thi trắc nghiệm hiện nay,
nhóm tác giả đề xuất giải pháp mới thay cho các mơ hình
hiện tại và quyết định chế tạo thử nghiệm hệ thống thi trắc
nghiệm ứng dụng công nghệ không dây với các đặc điểm:
- Hệ thống gồm phần mềm trên PC; một máy chủ và
nhiều máy trạm kết nối thành một mạng khép kín.
- Máy chủ trao đổi dữ liệu với các máy trạm bằng sóng
radio trên băng tần 2,4GHz.
- Triển khai thi trắc nghiệm dễ dàng, có ngay kết quả

thi khi thí sinh nộp bài.
- Phần mềm lưu kết quả thi từ máy chủ thành tệp tin có
định dạng bảng tính Excel.
- Máy trạm có khả năng tự khơi phục dữ liệu bài làm
của thí sinh khi bị mất điện đột ngột. Máy chủ cũng có chức
năng bảo vệ dữ liệu phiên thi.
- Mơ hình phục vụ cho hình thức thi trắc nghiệm hồn
tồn với tối đa 4 phương án trả lời cho mỗi câu hỏi.

2.1. Mơ hình truyền thống
Đề thi được in trên giấy và thí sinh được phát phiếu trả
lời trắc nghiệm (TLTN). Thí sinh tơ kín vào các ơ theo lựa
chọn của mình. Hình thức chấm bài: Dùng bìa đục lỗ hoặc
máy chấm bài dựa vào ảnh của bài làm. Mô hình này đang
được sử dụng phổ biến trong các kỳ thi tốt nghiệp THPT,
kỳ thi tuyển sinh đại học, các bài kiểm tra sát hạch, các bài
thi trong các cơ sở đào tạo. Tuy nhiên, hình thức thi này có
nhiều nhược điểm như không cho ra ngay kết quả thi, q
trình triển khai tốn kém, cồng kềnh khi lượng thí sinh lớn…
2.2. Mơ hình thi trắc nghiệm trực tuyến
Đề thi được chuẩn bị trên máy PC dùng làm máy chủ và
thi trên mạng LAN hoặc mạng Internet. Máy chủ chấm bài
ngay khi thí sinh nộp bài. Mơ hình này đang được ưa chuộng
vì tính ưu việt về thời gian cho kết quả thi. Có nhiều phần
mềm thi trắc nghiệm có phí và miễn phí được xây dựng [5];
trong đó hệ thống e-Learning của Moodle được sử dụng khá
rộng rãi trong các cơ sở đào tạo ở nhiều nước trên thế giới
[6]. Mơ hình này rất tốn kém vì cần nhiều PC; đồng thời
khâu chuẩn bị thi và nạp đề vào hệ thống phức tạp.

2. Các mơ hình thi trắc nghiệm hiện nay
Sau quá trình tìm hiểu các giải pháp triển khai thi trắc
nghiệm hiện nay, chúng tôi đã tổng hợp và phân loại thành
hai mơ hình chính: mơ hình thi trắc nghiệm trực tuyến và
mơ hình truyền thống là đề thi, bài làm được lưu trên giấy.

3. Giải pháp đề xuất
Giải pháp đề xuất là một hệ thống độc lập, chuyên phục
vụ thi trắc nghiệm. Kiến trúc hệ thống gồm 3 thành phần:
máy chủ, máy trạm và phần mềm được minh họa như trong
Hình 1. Máy chủ và các máy trạm được thiết kế thành
những thiết bị hoàn chỉnh và tự tạo nên một mạng khơng
dây độc lập. Trong đó, máy chủ là trung tâm truy vấn dữ
liệu và chủ động kết nối để nhận yêu cầu phục vụ từ máy
trạm. Phần mềm có chức năng truy vấn dữ liệu phiên thi
trên máy chủ và tạo bộ đáp án đề thi (BĐAĐT).
Máy chủ: Là thiết bị dùng để chứa đáp án các bộ đề
thi, triển khai thi, chấm điểm và lưu, xuất kết quả thi. Đáp
án các bộ đề thi được nhập trực tiếp từ bàn phím ma trận
hoặc nạp từ PC thông qua phần mềm. Kết quả thi và đáp


Trương Minh Huy, Nguyễn Thanh Bình

110

án thi được lưu ở bộ nhớ bên trong; kết quả thi có thể truy
vấn bằng phần mềm kèm theo. Mỗi máy chủ có thể phục
vụ thi cho 50 máy trạm, liên lạc qua sóng radio băng tầng
2.4GHz. Hệ thống tự tạo ra một mạng không dây độc lập

nhằm hạn chế truy cập từ các thiết bị khơng hợp lệ và đơn
giản hóa q trình triển khai. Hệ thống có thể tự phục hồi
dữ liệu phiên thi nếu bị mất điện đột ngột.
Máy trạm: Mỗi thí sinh sử dụng một máy trạm trong
phiên thi của mình; các đáp án được nhập từ bàn phím ma
trận, hiển thị lên màn hình LCD dạng ma trận điểm đơn
sắc. Máy trạm có bộ nhớ EEPROM lưu tạm bài làm của thí
sinh và tự phục hồi phiên thi cho thí sinh nếu bị mất điện
đột ngột. Bài làm được gửi lên máy chủ để chấm điểm và
kết quả thi được hiển thị ngay lên màn hình.
Phần mềm trên PC: Dùng để tạo bộ dữ liệu đáp án của
đề thi, nạp BĐAĐT vào máy chủ, truy vấn dữ liệu ca thi và
xuất ra bảng điểm theo định dạng bảng tính Excel. Phần
mềm liên lạc với máy chủ thông qua giao thức RS232.

Điện áp hoạt động

1,9 – 3,6 (V)

Số kênh truyền

128

Hình 2. Mơ đun RF

4.3. Màn hình hiển thị
LCD được sử dụng có kích thước hiển thị 128x64 điểm
ảnh, thuộc loại LCD đồ họa đơn sắc. Chip điều khiển cho LCD
là ST7920. Mỗi lệnh thực thi với chu kỳ trung bình 74µs.

Hình 3. LCD 128x64 ST7920

Hình 1. Mơ hình tổng qt của hệ thống

4. Thiết kế phần cứng
Hệ thống phần cứng được thiết kế gồm: mô đun RF
dùng chip nRF24L01; LCD đồ họa 128x64 điểm ảnh,
DATAFLASH 45DB161D; Vi điều khiển (VĐK)
ATMEGA2560.
4.1. Vi điều khiển
VĐK sử dụng trong máy chủ và máy trạm đều là
ATMEGA2560 của hãng ATMEL. Dịng VĐK này có độ
tin cậy cao, tốc độ xử lý nhanh và bộ nhớ lớn.
Platform Arduino được sử dụng cho dòng VĐK này.
Bảng 1. Bảng thông số của VĐK ATMEGA2560 [2]
Thông số kỹ thuật
Giá trị
Xung nhịp
16 MHz
SRAM
8KB
EEPROM
4 KB
Flash
256 KB
Điện áp hoạt động
5V
Số kênh truyền
128

4.2. Mô đun truyền dữ liệu không dây
Hệ thống dùng mô đun truyền dữ liệu không dây sử
dụng IC nRF24L01 ở băng tần 2.4GHz, mơ đun cịn có
mạch giảm nhiễu và khuếch đại tín hiệu.
Bảng 2. Bảng thơng số mơ đun RF[4]
Thông số kỹ thuật
Giá trị
Băng tần
Tốc độ truyền dữ liệu tối đa

2,4 GHz
2Mbps

4.4. Chip lưu trữ
Hệ thống sử dụng EEPROM AT24C64 để lưu thơng tin
cấu hình và dữ liệu tạm thời của các phiên làm việc. Giao
thức I2C [1] được sử dụng để giao tiếp với VĐK.
DataFlash AT45DB161D được dùng để lưu trữ các bộ
đề và dữ liệu các phiên thi. Chip giao tiếp với VĐK qua
giao thức SPI [3].
5. Thiết kế phần mềm
Chương trình điều khiển máy chủ và máy trạm được
viết bằng ngôn ngữ Wiring [2] trên platform Arduino. Phần
mềm trên PC được viết bằng ngôn ngữ Java. Phần mềm
trên PC trao đổi dữ liệu với máy chủ qua giao thức RS232.
Hệ thống sử dụng nhiều giải pháp để thực hiện, trong đó có
các giải pháp chính được trình bày dưới đây.
5.1. Giải pháp đa truy cập giữa máy chủ và các máy trạm
Trong mơ hình hệ thống, máy chủ phải liên lạc với tất
cả các máy trạm để cung cấp loại đáp án của đề thi, chấm

điểm bài làm thí sinh gửi lên… Nhằm nâng cao tính bảo
mật đề thi, hệ thống sử dụng phương máy chủ lần lượt truy
vấn yêu cầu từ máy trạm để giải quyết bài tốn đa truy cập
khơng dây. Giải pháp giúp tránh được tình trạng quá tải cho
máy chủ vì máy trạm không tự động gửi yêu cầu xử lý mà
chờ đến khi máy chủ truy vấn yêu cầu.
Máy chủ có đồng hồ thời gian thực sẽ gửi các thơng tin
đến từng máy trạm và nhận lệnh yêu cầu từ máy trạm để xử
lý. Mỗi chu kỳ quét máy trạm cách nhau nhiều nhất 80ms,
khi máy chủ truy vấn nhưng máy trạm khơng có u cầu nào
thì máy chủ chỉ đồng bộ thời gian và chuyển sang truy vấn
máy trạm khác. Máy trạm chờ tín hiệu phản hồi từ máy chủ
80ms sau mỗi chu kỳ thực hiện hiển thị và xử lý phím nhấn.
Q trình máy chủ giám sát trạng thái các máy trạm cần
diễn ra liên tục để cảnh báo kịp thời rủi ro mất kết nối và dữ


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015

liệu thi của thí sinh. Nếu quét tất cả các máy trạm theo định kỳ
sẽ tốn rất nhiều thời gian, vì vậy, máy chủ sử dụng mức độ ưu
tiên khi quét máy trạm để giảm thời gian trễ như Bảng 3.
Bảng 3. Bảng mức độ ưu tiên khi quét máy trạm
Trạng thái máy trạm

Mức ưu tiên

WAITING
OFFLINE
DISCONNECTED

TESTING

1
2
3
4

Số lần quét
trong toàn kỳ
4
3
2
1

Giải pháp đa truy cập giữa máy chủ và máy trạm có
phần cốt lõi là sơ đồ chuyển trạng thái của máy trạm khi
máy chủ thực hiện kết nối được mơ tả như trong Hình 4.

Hình 4. Sơ đồ chuyển trạng thái của máy trạm

Hình 5. Quy trình PC tải dữ liệu phiên thi từ máy chủ

111

5.2. Thuật toán truy vấn dữ liệu ca thi trên máy chủ từ
phần mềm trên PC
Việc hiển thị kết quả thi trên máy chủ có nhiều hạn chế
do khả năng hiển thị của LCD. Phần mềm trên PC có chức
năng tải dữ liệu phiên thi từ máy chủ qua giao thức RS232.
Để tải dữ liệu này, cần cung cấp thông tin mã số phiên thi

và mật mã truy xuất trên máy chủ. Kết quả và bài làm của
thí sinh được lưu thành một tệp tin theo định dạng của bảng
tính Excel. Quá trình trao đổi dữ liệu từ PC và máy chủ
diễn ra theo lưu đồ như Hình 5.
Nhằm hạn chế trường hợp nhiều thiết bị khác nhau cùng
sử dụng giao thức RS232 đang nối với PC, hệ thống sử
dụng mã định danh để nhận dạng đúng loại thiết bị trước
khi trao đổi dữ liệu.
5.3. Khôi phục dữ liệu phiên thi trên máy trạm
Dữ liệu bài làm cùng thông tin thí sinh sẽ được lưu tại
EEPROM của máy trạm và được cập nhật liên tục để tránh
thất thoát. Cờ trạng thái của phiên thi trong EEPROM được
sử dụng để biết tình trạng phiên thi của máy trạm nhằm
khơi phục dữ liệu nếu quá trình cấp nguồn bị gián đoạn.
Trong trường hợp máy trạm bị hỏng ngoại vi nhưng
VĐK vẫn còn hoạt động, một máy trạm khác sẽ kết nối đến
máy trạm hỏng để tải dữ liệu ra. Để tải được dữ liệu, máy
trạm mới cần nhập một mật khẩu được cung cấp từ máy
chủ và quá trình thi sẽ tiếp tục với dữ liệu được khôi phục.
6. Hệ thống kết quả
Sau khi chế tạo thử nghiệm, hệ thống đã cho kết quả
khả quan về độ tin cậy, giao diện dễ sử dụng và khả năng
triển khai đơn giản.
6.1. Nhập BĐAĐT bằng phần mềm
BĐAĐT được tạo bằng phần mềm trên PC. Khi gửi bộ
đáp án đề thi này vào máy chủ - qua giao thức RS232 - sẽ
được nhận một ID, người cho thi dùng ID này cùng mật
khẩu truy xuất để triển khai thi. Nhằm tạo giao diện trực
quan khi tạo BĐAĐT, đáp án nhập vào phần mềm, như
giao diện trong Hình 6.

Người dùng nhấn chuột trái vào các lựa chọn để thay
đổi xoay vòng một trong các trường hợp:
- 1 đáp án đúng duy nhất;
- 1 trong 2 đáp án đúng;
- Đáp án đúng trong đúng/sai.
Người dùng nhấn chuột phải để hủy chọn. BĐAĐT chỉ
được nạp vào máy chủ khi tất cả các câu hỏi đều có đáp án
hợp lệ.

Hình 6. Giao diện chọn đáp án cho các câu hỏi


Trương Minh Huy, Nguyễn Thanh Bình

112

6.2. Nhập BĐAĐT trên máy chủ
Giao diện nhập BĐAĐT như hình bên dưới:

Hình 7. Giao diện nhập đáp án đề thi

Phím chuyển loại câu hỏi được dùng để thay đổi xoay
vòng loại câu hỏi trước khi nhập đáp án như bằng phần
mềm trên PC. Trong đó, các ký hiệu biểu trưng cho loại
câu hỏi như Bảng 4.
Bảng 4. Bảng ký hiệu loại câu hỏi

Ký hiệu
O
V

□

Ý nghĩa loại câu hỏi
Có 1 lựa chọn
Câu hỏi “đúng/sai”
Câu hỏi có 2 lựa chọn

6.4. Thực hiện thi trên máy trạm
Những máy trạm có địa chỉ liên lạc hợp lệ mới được
đăng ký thi với máy chủ. Quá trình thi trên máy trạm diễn
ra theo tuần tự sau:
- Máy trạm đăng ký vào máy chủ.
- Máy chủ gửi danh sách các mã đề hợp lệ cho máy trạm.
- Thí sinh nhập thông tin cá nhân và mã đề được phát,
máy trạm kiểm tra mã đề hợp lệ và đăng ký thi với máy chủ.
- Máy chủ gửi loại câu hỏi và tính thời gian làm bài.
- Thí sinh nhập các đáp án, máy trạm kiểm tra tính hợp
lệ của đáp án theo loại câu hỏi.
- Thí sinh nộp bài, máy chủ chấm điểm rồi gửi điểm cho
máy trạm.
- Máy chủ lưu bài làm và thơng tin thí sinh vào bộ nhớ
trong, cho phép máy trạm nhập vào lượt thi mới.
- Máy trạm vào giao diện chờ đăng ký thi.
Giao diện nhập phương án trả lời trên máy trạm như
Hình 11.

6.3. Triển khai thi trên máy chủ
Người coi thi cần ID của BĐAĐT và mật khẩu truy xuất
để triển khai thi. Trên máy chủ có ba giao diện để giám sát
q trình thi như trong các Hình 8, 9 và 10.

Hình 11. Giao diện nhập phương án trả lời trên máy trạm

Thí sinh có thể thay đổi phương án lựa chọn khi đang
làm bài.

Hình 8. Giao diện chính giám sát phiên thi

Hình 9. Giao diện giám sát máy trạm

7. Thử nghiệm và đánh giá
Môi trường thử nghiệm gồm 1 máy chủ và 4 máy trạm
với các số liệu thử như sau:
- Máy chủ được cấu hình có 50 máy trạm hợp lệ được quét;
- Gán ID cho 4 máy trạm: 01, 03, 10 và 43;
- Máy chủ chứa bộ đề thi: 6 mã đề thi, 20 câu hỏi/mã đề;
- Mỗi máy trạm thi 10 lần trong 3 phiên thi;
- Máy trạm có ID 01 và 10 bị ngắt điện 4 lần khi trong
q trình thử nghiệm. Trong đó, mỗi máy có 1 lần bị giả
định hỏng ngoại vi.
Các thông số đánh giá hệ thống tập trung vào thời gian
đáp ứng khi có yêu cầu trên máy trạm và độ chính xác kết
quả thi. Kết quả đo bằng đồng hồ bấm giây với sai số 0,1s.
7.1. Thời gian chờ phản hồi
7.1.1. Thời gian nhận loại đáp án đề thi
Bảng 5. Bảng thời gian máy trạm nhận loại đáp án đề thi

ID Máy
trạm
Hình 10. Giao diện kiểm tra thí sinh trên máy trạm

Khi thí sinh nộp bài, máy chủ chấm điểm và lưu trữ bài
làm cùng thơng tin thí sinh vào bộ nhớ trong. Dữ liệu phiên
thi có thể truy vấn từ PC bằng phần mềm.

ID 01
ID 03
ID 10
ID 43

Thời gian nhận loại đáp án đề thi
(trong 10 lượt thi)
Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất
2,4
2,8
2,9
2,5
2,72
2,9
2,5
2,81
3,5
2,5
2,78
3,1


ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015

7.1.2. Thời gian chấm thi và trả kết quả
Bảng 6. Bảng số liệu thời gian máy trạm yêu cầu chấm thi

và máy chủ gửi kết quả

Thời gian chấm thi, trả kết quả (s)
(trong 10 lượt thi)
Nhỏ nhất Trung bình Lớn nhất
ID 01
2,7
5,33
7,4
ID 03
3,2
5,75
7,2
ID 10
2,7
5,3
7,2
ID 43
2,8
5,38
7,5
Thời gian chấm thi trong bảng số liệu khá lớn so với
thời gian nhận đề thi và đăng ký thi bởi mức ưu tiên dành
cho máy trạm có trạng thái TESTING là thấp nhất. Đồng
thời, khi máy trạm nộp bài thi, thông tin gửi lên máy chủ
được thực hiện 2 lần rồi chấm điểm nên thời gian chờ phản
hồi trong giai đoạn này lâu hơn.
7.2. Độ chính xác
Độ chính xác của hệ thống thể hiện qua điểm của thí
sinh trong các quá trình: tạo BĐAĐT; chấm thi và lưu bảng

điểm vào PC. Trong quá trình thử nghiệm như kịch bản đã
nêu, hệ thống cho kết quả như trong Bảng 7.
ID Máy
trạm

Bảng 7. Bảng số liệu số lần chính xác
trong q trình thi

ID Máy
trạm
ID 01
ID 03
ID 10

Số lần thi có điểm chính xác
(trong 10 lượt thi)
10
10
9

113

ID 43
10
Máy trạm mang ID 10 có 1 trong 2 lần không kết nối
được với máy trạm mang ID 3 khi giả định bị hỏng, nên bị
mất bài làm. Những trường hợp khác đều cho kết quả đúng.
8. Kết luận và hướng phát triển
Hệ thống thi trắc nghiệm khơng dây đã thể hiện tính ưu
việt trong hoạt động triển khai thi và chấm thi trắc nghiệm,

hạn chế thời gian chờ đợi cũng như các sai sót trong quá
trình chấm thi, nhập dữ liệu. Nếu được ứng dụng thực tế,
hệ thống sẽ giúp tiết kiệm chi phí và chun nghiệp hóa
hoạt động tổ chức thi.
Để phát triển hồn thiện hơn, hệ thống cần được nâng
cao tính ổn định và mã hóa dữ liệu truyền trên sóng radio,
dữ liệu bộ đề lưu trên PC. Một thiết bị lưu trữ ngồi chứa
BĐAĐT nên được sử dụng nhằm đơn giản hóa quá trình
triển khai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]

Atmel Corporation, 24C64 Specification, July 2003.
Arduino,
Adesto Technologies, DATAFLASH AT45DB161D, May 2013.
Nordic Semiconductor, nRF24L01 Product Specification_v2_0,
July 2007.
[5] Phạm Quang Dũng, Xây dựng và triển khai Hệ thống thi trắc nghiệm
khách quan trên nền web tại trường đại học nơng nghiệp I, Tạp chí
Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp, Đại học Nông nghiệp I, Số 6, 2006.
[6] Nguyễn Bảo Hoàng Thanh, Lê Thanh Huy, Ứng dụng mã nguồn mở
Moodle trong e-Learning hỗ trợ kiểm tra đánh giá online nâng cao
chất lượng đào tạo theo tín chỉ ở các trường đại học, Tạp chí Giáo
dục, Số 272, 2011.

(BBT nhận bài: 03/12/2014, phản biện xong: 02/03/2015)