淺析工程力學實驗試題庫系統(tǒng)的設計*

黃海燕

（江蘇科技大學船舶與海洋工程學院江蘇鎮(zhèn)江212003）

淺析工程力學實驗試題庫系統(tǒng)的設計*

黃海燕

（江蘇科技大學船舶與海洋工程學院江蘇鎮(zhèn)江212003）

闡述了工程力學實驗課程建設中的試題庫系統(tǒng)的設計方法，介紹了系統(tǒng)架構、組卷算法及其流程、系統(tǒng)功能等關鍵技術及其實現(xiàn)方式。試題庫系統(tǒng)采用合理的數(shù)據(jù)庫設計方法，運用面向對象的程序設計技術,實現(xiàn)了試題庫的實時管理；系統(tǒng)利用遺傳算法提高了組卷的成功率和速度。

工程力學實驗；試題庫；自動組卷；遺傳算法

教學評估是一項對師資隊伍、教學管理、課程建設、教學質量和教學輔助手段等方面進行評價的系統(tǒng)工程。試題庫建設有利于進一步規(guī)范考試環(huán)節(jié)，也有利于合理評估不同教師的教學效果和不同屆別、不同專業(yè)學生的學習水平。

長期以來，工程力學實驗的理論考試基本上是任課教師根據(jù)個人教學實踐和經(jīng)驗命題。其優(yōu)點主要是教學經(jīng)驗豐富的教師可以根據(jù)學生的實際情況和學術動態(tài)組織試題，考查學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。其缺點主要是命題具有較大的主觀隨意性，缺乏科學的、統(tǒng)一的命題標準。同一學期的考試，不同教學班級學生的考試成績與其實際水平可能會有較大的差異，會對教師教學質量評估、學生學習效果檢查、教學方法改進等方面產(chǎn)生一些負面影響。如果采用試題庫系統(tǒng)統(tǒng)一組卷考試，則能在一定程度上消除這些影響。因為試題庫系統(tǒng)自身具有一套統(tǒng)一的量化指標體系，能夠對教師的教學質量、學生的學習效果作出較為科學的評估；同時，試題庫系統(tǒng)給出的試卷具有一定的知識覆蓋面，能較為全面、科學地反映學生掌握基礎知識的情況和運用知識的能力。因此，根據(jù)工程力學實驗課程教學大綱，筆者開發(fā)了一套工程力學實驗學科題庫管理系統(tǒng)，以提高考試命題的規(guī)范性、科學性和可比性，實現(xiàn)力學實驗學科教學管理現(xiàn)代化，實現(xiàn)對教學質量進行有效監(jiān)控的目標。

試題庫系統(tǒng)的架構

傳統(tǒng)的試題庫通常是指印刷出來的試題冊。這種題庫一般以某種方式（課程、章節(jié)、知識點等）進行分類和編著，缺點很多?，F(xiàn)代試題庫系統(tǒng)是以計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術為基礎的綜合性試題庫系統(tǒng)。其中，單機版試題庫從成卷要求到數(shù)據(jù)庫響應到生成試卷，都屬于單用戶單線程模式，這種題庫已經(jīng)不適應時代發(fā)展要求了。目前，較為常見的是基于網(wǎng)絡技術的多用戶多線程模式題庫。

筆者選擇目前常用的、技術上已經(jīng)比較成熟的瀏覽器/服務器(B/S)模式作為信息平臺。該平臺為由客戶端、服務器和數(shù)據(jù)庫組成的3層結構，如圖1所示。客戶端采用統(tǒng)一的瀏覽器作為對網(wǎng)絡服務器的訪問工具；服務器端安裝著WEB服務器軟件以及各種系統(tǒng)應用組件；數(shù)據(jù)信息存儲在數(shù)據(jù)庫服務器和文件服務器。其優(yōu)點是用戶只要通過瀏覽器，連接網(wǎng)絡，便可在圖形用戶界面的引導下輕松使用，大大降低了對題庫使用者的技術要求；同時，這種題庫便于集中管理、共享使用、開放使用。

整個系統(tǒng)采用Microsoft.NET作為基礎開發(fā)平臺，開發(fā)工具采用Visual studio.NET 2005。其總體技術實現(xiàn)架構如圖2所示。

圖1 B/S結構組成圖

圖2 試題庫系統(tǒng)總體技術實現(xiàn)架構圖

表示層表示層為用戶提供友好的使用界面?？蛻舳藨贸绦蚰Ｐ筒捎肂/S模式，具有易于安裝和部署、維護的優(yōu)勢。該層實現(xiàn)技術采用ASP.NET技術和C#語言。

業(yè)務外觀層業(yè)務外觀層是一個隔離業(yè)務層和表示層的中間層，這有利于項目團隊的分工協(xié)作。業(yè)務外觀層通過封裝業(yè)務層組件，為客戶端提供統(tǒng)一界面，同時為客戶端程序和其他外部系統(tǒng)提供服務。該層實現(xiàn)技術采用Mierosoft.NET平臺的ASP.NET和XML Web Services。

業(yè)務層業(yè)務層是整個試題庫系統(tǒng)的核心，業(yè)務層封裝的是業(yè)務邏輯和規(guī)則。用戶注冊、登錄、題庫采編、組卷管理等及各種查詢都是具體的業(yè)務邏輯。業(yè)務層被封裝為.NET組件。每個業(yè)務邏輯都有相應的類/對象與之對應。業(yè)務邏輯表現(xiàn)為對象之間的交互。

數(shù)據(jù)訪問層數(shù)據(jù)訪問層主要負責業(yè)務層和數(shù)據(jù)層之間的交互。使用ADO.NET技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的連接、查詢、插入、修改和刪除等操作。

數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層用于完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理工作。該層實現(xiàn)技術采用Microsoft SQL Server 2000。

組卷算法的實現(xiàn)

組卷過程是在考試大綱的題分、難度系數(shù)、試題覆蓋面、題型比例等條件約束下，根據(jù)考試目的，通過對不同的知識點賦予恰當?shù)念}型組合，完成組卷的決策過程。在題庫試題質量較高的前提下，自動組卷的效率與質量完全取決于抽題算法的設計。如何既快又好地組成一套最符合考試要求的試卷，是一個涉及全局尋優(yōu)和收斂速度快慢的問題。組卷算法是試題庫系統(tǒng)的核心與靈魂。國內外許多學者對其進行了研究，但至今沒有一種十分有效的自動組卷算法。以往的組卷算法常采用隨機選取法和回溯試探法。

隨機選取法根據(jù)狀態(tài)空間的控制指標，隨機抽取一道試題，此過程不斷重復，直到組卷完畢或已無法從題庫中抽取滿足條件的試題為止。該算法的主要優(yōu)點是簡單、快速；缺點是很難全面考慮試題的相關參數(shù)，形成的試卷在覆蓋面、難易度、重復題率等指標上不可能有令人滿意的結果，組卷成功率低。

回溯試探法是按用戶設置的組卷參數(shù)的要求建立一個過濾模型，將隨機選取法產(chǎn)生的每一狀態(tài)都記錄下來，當搜索失敗時釋放上次記錄的狀態(tài)類型，然后再依據(jù)一定的規(guī)律變換一種新的狀態(tài)類型進行試探，通過不斷地回溯試探直到試卷生成完畢或退回出發(fā)點為止。這種有條件的深度優(yōu)先法，對于狀態(tài)類型和出題量都較小的題庫系統(tǒng)而言，組卷成功率較好，但在實際應用時發(fā)現(xiàn)這種算法對內存的占用量較大，程序結構相對比較復雜，而且選取試題缺乏隨機性，組卷時間較長。

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化而形成的一種搜索算法，具有內在并行性、高魯棒性、全局尋優(yōu)和收斂速度快的特點。對于解決隨機選取法的盲目隨機性，提高搜索效率，有獨特的優(yōu)勢。因此，筆者選擇遺傳算法為組卷算法，其組卷算法流程如圖3所示。

圖3 組卷算法流程圖

試題庫系統(tǒng)的功能

試題庫系統(tǒng)共劃分為五個功能模塊：用戶管理、試卷管理、查詢管理、統(tǒng)計分析和系統(tǒng)管理，如圖4所示。

圖4 試題庫系統(tǒng)功能圖

用戶管理用戶管理模塊包括新增用戶、修改密碼、刪除用戶和權限分配等功能。

試卷管理試卷管理模塊包括組卷、試卷顯示、修改、打印、存檔等功能。組卷方式有成套抽取、自動組卷和交互組卷三種：(1)成套抽取。成套抽取方式是將以前抽取的試卷在需要時重新抽出。在試卷成套抽取時，不需要重新從題庫中抽取試題。(2)自動組卷。自動組卷方式是首先輸入試卷要求參數(shù)，例如知識點、題型、分數(shù)比例、題目數(shù)、難度系數(shù)、考試時間等。然后系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)自動生成試卷，并允許在試卷抽取之后進行調整。(3)交互組卷。交互組卷方式是用戶通過人機對話方式逐題指定試題的指標，系統(tǒng)在試題庫中查找符合要求的試題并將查找結果顯示出來，用戶查看試題內容和答案后選定所要的試題，最終生成試卷。

查詢管理試卷管理模塊包括試題查詢、試卷查詢、成績查詢和用戶查詢等功能。

統(tǒng)計分析統(tǒng)計分析模塊包括試題情況統(tǒng)計分析、試卷情況統(tǒng)計分析、成績統(tǒng)計分析等功能。試題情況統(tǒng)計分析主要用來統(tǒng)計題庫的各類指標分布情況，供用戶參考。試卷情況統(tǒng)計分析主要用來統(tǒng)計以往試卷的各類指標分布情況，供用戶參考。成績統(tǒng)計分析主要用來對考試結果進行統(tǒng)計分析，以反映考生的學習情況和教學質量，對各次考試情況進行對比。成績統(tǒng)計分析包括試卷統(tǒng)計屬性分析、最高分、最低分、平均分、各個分數(shù)段的累計人數(shù)、標準差分析、題目分析和知識點情況分析等，然后給出試卷和試題的難度、區(qū)分度等指標的實測值。

系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理模塊包括系統(tǒng)基本信息設置、試題錄入、刪除與修改、幫助等功能。

工程力學實驗題庫共編入試題257道，所有試題難度分初、中、高三個等級，每個等級又按教學要求分“掌握”和“了解”兩個類別。題型充分采用當前慣用的形式，即客觀型與主觀型。試題敘述部分力求言簡意明，解釋唯一，防止歧義。題圖、表達式均采用Word錄入，題圖線條規(guī)整光滑，尺寸及其他標注符合要求，視覺效果較好。

試題庫系統(tǒng)采用合理的數(shù)據(jù)庫設計方法，運用面向對象的程序設計技術實現(xiàn)了試題庫的實時管理，較好地保證了系統(tǒng)的開放性、可擴展性、可移植性。同時，系統(tǒng)利用遺傳算法的全局尋優(yōu)和收斂速度快的特點，提高了組卷的成功率和速度，具有較強的實用價值。

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[6]袁鋒．遺傳算法在自動組卷系統(tǒng)中的應用[J]．山東師范大學學報，2006，21(1)：53－56．

（本文責任編輯：楊在良）

（本欄責任編輯：王恒）

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1672-5727（2010）07-0155-03

*本文系2006年度江蘇省高校“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師基金資助項目（蘇教師[2007]2號），江蘇科技大學優(yōu)秀青年骨干教師基金資助項目（項目編號：37010801）

黃海燕（1975—），男，云南曲靖人，博士，江蘇科技大學船舶與海洋工程學院副教授，主要從事教學與工程結構設計。