基于校園網(wǎng)的通用試題庫系統(tǒng)研究

王平水 張雪東

基于校園網(wǎng)的通用試題庫系統(tǒng)研究

王平水 張雪東

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展以及高校教學(xué)體制改革的不斷深化，試題庫建設(shè)已成為高校教學(xué)改革的重要組成部分。試就如何組建通用試題庫系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和研究，針對目前高校試題庫需求現(xiàn)狀，設(shè)計了基于校園網(wǎng)絡(luò)的通用試題庫系統(tǒng)框架，提出了基于改進(jìn)的遺傳算法的智能組卷方法，實踐結(jié)果表明所提方法的可行性和有效性。

校園網(wǎng);通用試題庫系統(tǒng);B/S模式;遺傳算法

目前，我國高校的教學(xué)考核與試卷命題方式大多仍采用傳統(tǒng)的人工方式，年復(fù)一年的重復(fù)勞動造成了大量時間和人力資源的浪費，而且容易產(chǎn)生各種不良現(xiàn)象，也違背了高校教考分離的基本出發(fā)點，不利于教學(xué)水平與教學(xué)質(zhì)量的提高。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的飛速發(fā)展以及高校教學(xué)體制改革的不斷深化，試題庫建設(shè)已成為高校教學(xué)改革的一個重要組成部分?；谛@網(wǎng)絡(luò)的通用試題庫系統(tǒng)越來越受到各高校的高度重視，相關(guān)技術(shù)也得到相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界的廣泛研究，提出了多種解決方案。［1－4］

然而，現(xiàn)有的試題庫系統(tǒng)還存在諸多不足之處，比較突出的主要表現(xiàn)在以下幾個方面:有的通用性不夠強(qiáng)，無法滿足多學(xué)科課程試題庫建設(shè)與考核之用;有的組卷策略設(shè)計不夠合理，嚴(yán)重影響組卷成功率;有的算法不夠優(yōu)化，執(zhí)行效率低下;等等。針對現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的問題和目前高校試題庫建設(shè)需求現(xiàn)狀，我們設(shè)計了一個基于校園網(wǎng)的通用試題庫系統(tǒng)框架，提出了基于改進(jìn)的遺傳算法的智能組卷策略，取得了良好的應(yīng)用效果，實踐證明了所提方法的可行性和有效性。

一 基于校園網(wǎng)絡(luò)的通用試題庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.系統(tǒng)架構(gòu)。

本系統(tǒng)基于校園網(wǎng)絡(luò)，采用三層 B/S 模式，［5，6］如圖1所示。用戶通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接收、解釋用戶的數(shù)據(jù)操作命令并將其傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器執(zhí)行相應(yīng)的命令并將執(zhí)行結(jié)果通過Web服務(wù)器返回到用戶瀏覽器。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)(B/S模式)

2.系統(tǒng)設(shè)計。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)試題庫的功能以及使用者的不同身份對系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)劃分，以下簡要說明主要模塊的功能及特點。

(1)系統(tǒng)管理模塊。實現(xiàn)系統(tǒng)用戶及權(quán)限管理與維護(hù)功能，包括用戶管理、權(quán)限管理以及密碼管理等。用戶分為系統(tǒng)管理員用戶、教務(wù)管理用戶、課程管理用戶、題庫管理用戶、教師用戶、學(xué)生用戶等。系統(tǒng)管理員用戶，具有權(quán)限分配和創(chuàng)建教務(wù)管理用戶的功能;教務(wù)管理用戶具有組織試卷、創(chuàng)建課程管理用戶及相應(yīng)權(quán)限分配的功能;課程管理用戶具有建立課程結(jié)構(gòu)與組卷方案、創(chuàng)建題庫管理用戶、教師用戶以及將課程的知識點維護(hù)權(quán)限分配給教師用戶的功能;題庫管理用戶具有對題庫中所負(fù)責(zé)的知識點進(jìn)行維護(hù)的功能;教師用戶具有創(chuàng)建學(xué)生用戶、分配操作權(quán)限及相關(guān)信息發(fā)布與接收功能;學(xué)生用戶可登錄系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)課程章節(jié)練習(xí)、作業(yè)提交、在線測試等。

(2)題庫管理模塊。實現(xiàn)題庫管理與維護(hù)功能，包括課程結(jié)構(gòu)管理，試題的增、刪、改等編輯以及查詢統(tǒng)計功能。課程結(jié)構(gòu)管理用于實現(xiàn)課程知識點管理與維護(hù)功能。鑒于試題庫的通用性和集成性，試題管理采用ActiveX技術(shù)實現(xiàn)Word文檔在線編輯的功能，以滿足不同學(xué)科不同形式試題的編輯需要，如非文本型試題中文字、公式、圖形的圖文混排功能。

(3)組卷管理模塊。實現(xiàn)自動智能組卷功能，包括多條件多套試卷的自動生成與打印輸出功能。組卷規(guī)則由課程管理用戶創(chuàng)建，為實現(xiàn)組卷的科學(xué)性、合理性與題庫的智能維護(hù)功能，采用改進(jìn)的遺傳算法完成組卷過程，詳見本文第3部分。

(4)試卷分析模塊。實現(xiàn)試卷難易程度等的統(tǒng)計分析功能?？荚嚱Y(jié)束后，課程管理用戶和教師用戶根據(jù)考生試卷各小題的成績對試卷難易程度、成績分布等相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，以統(tǒng)計圖表的形式反映出相關(guān)結(jié)果，并將統(tǒng)計分析結(jié)果作為組卷方案維護(hù)、題庫相關(guān)參數(shù)維護(hù)的依據(jù)。統(tǒng)計分析包括整卷分析、題型分析、題目分析等內(nèi)容。

(5)練習(xí)測試模塊。實現(xiàn)在線練習(xí)與測試功能。學(xué)生用戶可完成作業(yè)提交、在線練習(xí)與測試等操作。在線練習(xí)可選擇課程分章節(jié)按題型練習(xí)，練習(xí)的同時可查看參考答案或解題思路。在線測試可通過選擇課程、章節(jié)、題型、難度等相關(guān)參數(shù)，由系統(tǒng)隨機(jī)生成相應(yīng)試題，完成答卷后提交答案(不限定時間)，系統(tǒng)自動進(jìn)行評分(限客觀型試題)并給出參考答案或解題思路。

(6)在線考試摸塊。實現(xiàn)在線考試功能。學(xué)生用戶可在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)入考試系統(tǒng)，選擇相應(yīng)課程，系統(tǒng)將自動生成試卷，從而完成在線考試功能?？荚嚂r間由系統(tǒng)設(shè)定，考試時間結(jié)束后系統(tǒng)自動完成試卷提交、自動評分并給出答題成績及參考答案(限客觀型試題)。

二 基于遺傳算法的智能組卷方法

智能組卷是試題庫系統(tǒng)的核心功能之一。組卷問題本質(zhì)上是一個帶約束的多目標(biāo)優(yōu)化問題，采用經(jīng)典的數(shù)學(xué)方法很難得以解決，而且組卷的效率和質(zhì)量也受到很大限制。

遺傳算法以其具有的自適應(yīng)全局尋優(yōu)和智能搜索技術(shù)且收斂速度快的特點可解決傳統(tǒng)組卷中編碼太長、適應(yīng)度函數(shù)值計算困難等問題。

遺傳算法的基本思想是基于Darwin進(jìn)化論的適者生存優(yōu)勝劣汰原理和Mendel的遺傳學(xué)說，1975年由美國的Holland J教授首次提出，采用簡單的編碼技術(shù)表示各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并通過簡單的遺傳算子(選擇、交叉、變異等)實現(xiàn)自我學(xué)習(xí)和智能搜索功能。［7］

1.問題定義。

科學(xué)合理地組織一份試卷受到多種條件的限制，而每道試題又具有多個屬性，與組卷過程密切相關(guān)的屬性大致有以下9個:題型、章節(jié)、知識點、認(rèn)知層次、難度系數(shù)、區(qū)分度、時間、分?jǐn)?shù)、曝光度等。建立一份包含n道試題的試卷的組卷規(guī)則，本質(zhì)上就是要設(shè)定試卷中每道試題的上述9個屬性值，即建立如下約束矩陣:

其中，rij表示第道試題的第j個屬性值。

考試結(jié)束后可通過每道試題的實際得分率修正其難度系數(shù)、區(qū)分度等相關(guān)屬性值，以進(jìn)一步優(yōu)化試題庫。

2.智能組卷算法設(shè)計。

本文算法用于同時生成多套試卷，且多套試卷之間存在有約束條件，如任何兩套試卷重復(fù)率不得超過20%。采用改進(jìn)的遺傳算法求解上述矩陣定義的多目標(biāo)優(yōu)化問題，即從試題庫中尋找滿足矩陣各元素約束的試題組成試卷，同時要滿足曝光度之和最低以及重復(fù)率約束等條件。

(1)遺傳算法求解步驟。

①隨機(jī)產(chǎn)生初始種群;

②利用適應(yīng)度函數(shù)計算個體適應(yīng)度值;

③選擇適應(yīng)值較大的個體構(gòu)成交配池;

④按一定概率執(zhí)行交叉、變異等遺傳操作產(chǎn)生新一代種群;

⑤若滿足結(jié)束條件(找到最優(yōu)解或達(dá)到指定代數(shù))，則停止，否則轉(zhuǎn)(2)。

(2)設(shè)置編碼規(guī)則。首先將問題的解空間轉(zhuǎn)換為一組有效編碼，遺傳算法中通常采用二進(jìn)制編碼形式，為縮短編碼長度，提高組卷效率，并考慮到編碼的可解釋性，本系統(tǒng)采用十進(jìn)制整數(shù)分段編碼策略，使用試題編號表示基因，同一題型試題形成一相對獨立的編碼段，所有編碼段合并為一條染色體。如x1x2…xk……p1p2…pl，其中x1x2…xk表示選擇題對應(yīng)的基因編碼，p1p2…pl表示判斷題對應(yīng)的基因編碼，等。

(3)定義適應(yīng)度函數(shù)。為簡化計算，我們設(shè)定約束條件為:難度系數(shù)、區(qū)分度、分?jǐn)?shù)、曝光度、重復(fù)度。定義誤差函數(shù):

其中ωi為約束權(quán)重，δi為相應(yīng)約束誤差的絕對值。

由于適應(yīng)度與誤差成反比，我們采用指數(shù)變換方式將適應(yīng)度函數(shù)定義為:

f=e－E。

(4)定義遺傳算子。選擇算子采用適應(yīng)度比例(80%)方法，適應(yīng)度高者進(jìn)入下一代;交叉算子采用按一定概率(0.8)分段單點交叉;變異算子采用按一定概率(0.005)產(chǎn)生基因突變。為確?；蚓幋a的有效性，交叉與變異算子均按題型分段執(zhí)行。

(5)設(shè)定結(jié)束條件。遺傳操作滿足如下條件之一，則結(jié)束:

①最優(yōu)個體適應(yīng)度值變化值小于0.001;

②遺傳代數(shù)達(dá)到100。

(6)實踐結(jié)果。本系統(tǒng)采用ASP.Net 3.5開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000，并已在我校校園網(wǎng)絡(luò)中成功運行將近一年，平均組卷成功率達(dá)98.6%。實踐結(jié)果表明，本系統(tǒng)架構(gòu)是合理的，算法是科學(xué)的。

三 結(jié)束語

基于校園網(wǎng)的通用試題庫系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)試題庫管理模式中存在的諸多問題，節(jié)約了大量的人力和財力資源，提高了工作效率，促進(jìn)了高校教學(xué)體制改革邁上新臺階。鑒于本系統(tǒng)既用于書面試卷的生成，又用于網(wǎng)上在線考試，組卷算法還有待進(jìn)一步優(yōu)化，以提高組卷成功率和系統(tǒng)運行效率。

［1］范明虎，孫斌.通用試題庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2007，28(9):2185－2188.

［2］何春華.基于遺傳算法的自動組卷系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［3］賈華國，劉志.基于Web的通用試題庫平臺的設(shè)計與開發(fā)［J］.計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009(4):118－122.

［4］ZhANG G，KE H.Design of paperless examination system for princeples of database systems［C］:Proceedings of the International Conference on Research Challenges in Computer Science，2009:206－209.

［5］王誠梅，袁然，王艷.ASP.NET案例開發(fā)集錦［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］張躍廷，王小科，許文武.ASP.NET數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)案例精選［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［7］Mitchell T.機(jī)器學(xué)習(xí)［M］.曾華軍，張銀奎，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

Research on General Examination Database System Based on Campus Network

Wang Pingshui Zhang Xuedong

With the rapid development of network and database technology and the deepening of college teaching system reform，examination database construction has been an important component of college teaching system reform.In light of demand of college examination database，the paper analyses how to create a general examination database system and develops a framework of general examination database system based on campus network，and it proposes an approach of intelligent grouping test paper on the basis of generic algorithms.Practical results show that the proposed method is effective and feasible.

campus network;general examination database system;B/S mode;generic algorithms

TP311

A

1672－6758(2012)04－0035－2

王平水，碩士，副教授，安徽財經(jīng)大學(xué)，安徽·蚌埠。郵政編碼:233030

張雪東，碩士，副教授，安徽財經(jīng)大學(xué)，安徽·蚌埠。郵政編碼:233030

Class No.:TP311Document Mark:A

(責(zé)任編輯:蔡雪嵐)