基于數(shù)據(jù)挖掘的在線考試系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張維國

摘 要： 由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的快速發(fā)展，使學(xué)生自主學(xué)習(xí)趨向網(wǎng)絡(luò)化。在線考試系統(tǒng)是學(xué)生檢驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的一個重要手段。結(jié)合現(xiàn)代教育的發(fā)展需要提出了一種基于數(shù)據(jù)挖掘的在線考試系統(tǒng)的設(shè)計方案。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)構(gòu)建在線考試系統(tǒng)，建立一套科學(xué)合理的成績分析和評價系統(tǒng)，可以節(jié)約大量的人力、物力，提高工作效率。該系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)為推動高校的教育信息化管理積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 在線考試； 數(shù)據(jù)挖掘； 數(shù)據(jù)分析； 成績分析； B/S

中圖分類號：TP392 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）12-41-04

Design and implementation of online examination system based on data mining

Zhang Weiguo

（Nanjing Institute of Tourism and Hospitality， Nanjing， Jiangsu 211100， China）

Abstract： Because of the rapid development of the network teaching platform， the students' autonomic learning trends to be network-oriented， and online examination system becomes an important tool for students to test the learning of the courses. With the development requirement of modern education， a design scheme of online examination system based on data mining is put forward in this paper. Using data mining technology to build online examination system， establishing a scientific and reasonable performance analysis and evaluation system， can save a lot of manpower and material resources， improve work efficiency. The design and implementation of the system has accumulated experience for the promotion of education information management in colleges and universities.

Key words： online examination； data mining； data analysis； performance analysis； B/S

0 引言

數(shù)據(jù)挖掘作為一種新興的技術(shù)，包括了人工智能、數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計學(xué)等學(xué)科的內(nèi)容，其主要特點(diǎn)是對數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換和分析，從中提取出能夠?qū)τ脩粲凶饔玫年P(guān)鍵性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)運(yùn)用到在線考試系統(tǒng)中，能夠很好的處理在線考試中涉及到的數(shù)據(jù)，讓在線考試系統(tǒng)的實(shí)用性、高效性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，幫助教師更加快速、完整的統(tǒng)計與分析考試信息，完善課程教學(xué)。

利用在線考試系統(tǒng)所積累的考試數(shù)據(jù)來分析教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析出來的結(jié)果用于指導(dǎo)教學(xué)計劃的制定和教學(xué)任務(wù)的實(shí)施，特別是學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的興趣、教學(xué)效果的檢驗(yàn)等方面的分析和了解，有助于學(xué)校有的放矢地進(jìn)行教學(xué)活動的計劃和實(shí)施。

1 在線考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘的定義

在線考試系統(tǒng)資源挖掘是指從數(shù)據(jù)服務(wù)器上的考試資源中抽取教師及學(xué)生感興趣的知識，“興趣”就是教師和學(xué)生通過考試想獲得的知識（如知識點(diǎn)的掌握情況、考試時間等）。在線考試系統(tǒng)資源挖掘其實(shí)就是對考試試卷、學(xué)生答卷以及教師教學(xué)水平等信息資源的使用，以及對這些資源之間存在的關(guān)系進(jìn)行分析，找出隱藏在這些數(shù)據(jù)背后的有效信息。

原先的網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)用戶在客戶端查詢某門課程、某次考試、某個院系、某個專業(yè)、某個班級或某個學(xué)生的考試情況時，顯示的結(jié)果只是單一的、孤立的條件匹配結(jié)構(gòu)列表清單，而沒有顯示出綜合評價某次考試所反映出來的教學(xué)中隱含的信息和規(guī)律。在線考試系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析后，改變了這種情況。

在線考試系統(tǒng)資源挖掘可以將考試試卷、學(xué)生答卷以及教師教學(xué)水平等信息進(jìn)行分類、匯總，使用戶在在線考試系統(tǒng)資源上查詢信息更加高效、全面、準(zhǔn)確。對于考試數(shù)據(jù)服務(wù)器分析得出的信息規(guī)律，可反饋于教學(xué)，有利于提高教師教學(xué)水平、促進(jìn)教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更有效的學(xué)習(xí)，同時為改革考試方式和內(nèi)容積累經(jīng)驗(yàn)。

2 在線考試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)及功能模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線考試系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)考試方式對時間段和空間上的限制，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和瀏覽器組成，采用B/S三層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運(yùn)用HTML語言、ASP和ActiveX文檔等技術(shù)。用戶打開Web瀏覽器通過HTTP協(xié)議向服務(wù)器發(fā)出請求，并接受和顯示W(wǎng)eb服務(wù)器提供的信息。在線考試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

[用戶層][管理員][院系秘書][教師][學(xué)生] [應(yīng)用層][科目管理][題庫管理][用戶管理][成績管理][分析決策][信息發(fā)布][試卷管理][綜合管理] [數(shù)據(jù)層] [數(shù)據(jù)庫]

圖1 在線考試系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)庫是在線考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的核心，用戶層通過應(yīng)用層的功能來管理數(shù)據(jù)層；應(yīng)用層包括的主要功能有：科目管理、題庫管理、用戶管理、成績管理、分析決策、信息發(fā)布、試卷管理和綜合管理等；用戶層是在線考試系統(tǒng)中的角色，即：管理員、院系部秘書、教師和學(xué)生。

2.2 系統(tǒng)目標(biāo)和功能

在線考試系統(tǒng)可以用于學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行遠(yuǎn)程自助檢驗(yàn)、結(jié)課考試、學(xué)校的課程清考。對在線考試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，并提供挖掘模式分析，幫助教師更客觀地了解學(xué)生知識點(diǎn)掌握情況，及時針對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，讓課程教學(xué)內(nèi)容更加合理，真正做到因材施教。

在線考試系統(tǒng)主要由以下五個功能模塊組成。

⑴ 組卷模塊

①手動組卷是教師設(shè)定組卷要求，從試題庫中抽取出符合要求的試題組成試卷。②自動組卷模塊的理論基礎(chǔ)涉及試卷評價指標(biāo)與組卷要求、數(shù)學(xué)模型、智能組卷算法、試題庫中試題屬性及編碼方法等。指標(biāo)項有：試卷總分、試題類型、分值、試題難度、考試時間等。用戶將組卷參數(shù)設(shè)置完成后，學(xué)生進(jìn)入在線考試系統(tǒng)后，選擇某一課程進(jìn)入考試時，系統(tǒng)根據(jù)考試計劃設(shè)置好的試卷總分、試題類型、分值、試題難度、考試時間從試題庫中隨機(jī)抽取對應(yīng)課程試題，并自動組成一份試卷。③自動抽卷模塊用于學(xué)校的教考分離，實(shí)現(xiàn)對課程試卷統(tǒng)一管理，在線考試系統(tǒng)可以從課程試卷庫中隨機(jī)抽取考試課程的試卷，試卷抽取完成后，教學(xué)秘書通過網(wǎng)絡(luò)下載并印刷試卷。

⑵ 試題庫模塊

在線考試系統(tǒng)試題庫模塊用于從題庫系統(tǒng)中依據(jù)組卷策略選取對應(yīng)課程的試題。試題庫中的試題要求其屬性能適應(yīng)于在線考試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)論對題庫系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而滿足教學(xué)和考試的需求。

⑶ 考試模塊

學(xué)生根據(jù)學(xué)號和密碼登錄到在線考試系統(tǒng)，在規(guī)定的考試時間內(nèi)進(jìn)行在線考試，包括自動計時、最終將考試數(shù)據(jù)提交到服務(wù)器端等功能。

⑷ 閱卷模塊

在線考試系統(tǒng)依據(jù)學(xué)生提交的結(jié)果進(jìn)行自動閱卷，由閱卷功能模塊自動判卷，并計算出考試成績。同時對學(xué)生的考試數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，提供學(xué)生考試數(shù)據(jù)分析報表，并將數(shù)據(jù)返回給其他功能模塊。

⑸ 挖掘系統(tǒng)

對學(xué)生的考試過程數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，數(shù)據(jù)主要包括答題順序、試題分布、答題時間、難度系數(shù)等，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，其分析結(jié)論用于指導(dǎo)教師的教學(xué)工作。

3 數(shù)據(jù)挖掘在在線考試系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則分析課程對學(xué)生考試成績的影響

在教學(xué)分析中，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析是一種使用頻繁，行之有效的方法，它能挖掘出大量數(shù)據(jù)中項集之間有意義的聯(lián)系，對教師的教學(xué)過程起指導(dǎo)作用。將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的關(guān)聯(lián)規(guī)則運(yùn)用于在線考試系統(tǒng)的成績分析當(dāng)中，能夠挖掘出各類課程對學(xué)生成績產(chǎn)生影響的因素，對學(xué)校的?？普n程設(shè)置進(jìn)行指導(dǎo)，從而提高教師的教學(xué)效率，增強(qiáng)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)興趣。

運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法先設(shè)定一個最小可信度和支持度，得到初步的關(guān)聯(lián)規(guī)則，根據(jù)相關(guān)規(guī)則，分析出課程結(jié)構(gòu)的設(shè)置和課程成績分布的影響，從而進(jìn)行專業(yè)課程的結(jié)構(gòu)調(diào)整，讓課程設(shè)置更加合理。在線考試系統(tǒng)隨機(jī)抽取園林技術(shù)專業(yè)一個班6個學(xué)期開設(shè)課程的成績，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，列出學(xué)生課程成績的部分視圖如表1所示。

表1 學(xué)生成績表

[學(xué)號＼&課程1＼&課程2＼&課程3＼&課程4＼&課程5＼&…＼&100551101＼&69＼&70＼&77＼&67＼&92＼&＼&110551112＼&69＼&91＼&52＼&85＼&65＼&＼&120101233＼&63＼&67＼&72＼&76＼&90＼&＼&130101403＼&86＼&60＼&75＼&78＼&91＼&＼&130215113＼&80＼&60＼&65＼&75＼&90＼&＼&…＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&]

通過對45條學(xué)生記錄的32門課程成績的分析，每門課程用A、B、C…Z、a、b、c…z表示，課程成績分成4級，量化規(guī)則如表2。量化后的成績視圖如表3。

通過關(guān)聯(lián)規(guī)則分析發(fā)現(xiàn)，對課程A和課程E學(xué)得好的學(xué)生，課程M通常很好；對課程B和課程C學(xué)不好的學(xué)生，課程E通常不好；對課程A、課程N(yùn)和課程O學(xué)得好的學(xué)生，課程P學(xué)得也不錯；導(dǎo)致留級或退學(xué)的課程主要有課程B、課程C、課程J、課程b等。通過成績預(yù)警模型的運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，學(xué)生有課程導(dǎo)致留級或退學(xué)的課程出現(xiàn)不及格，可及時制定相應(yīng)的策略，發(fā)出警示，加強(qiáng)對這些學(xué)生的管理，盡可能避免留級或退學(xué)的情況發(fā)生。

3.2 采用分類算法分析對考試成績有影響的因素

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的分類算法就是對一組對象或一個事件進(jìn)行歸類，通過這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行分類模型的建立和未來的預(yù)測。分類算法對考試中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，通過學(xué)生的一些基本情況探討一些對考試成績有影響的因素。分類算法可以用以下步驟實(shí)施。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集的工作是從數(shù)據(jù)源獲得能夠保存至數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)信息。在線考試系統(tǒng)中采集需要的數(shù)據(jù)，學(xué)生信息（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，籍貫，院系，專業(yè)，班級等）、課程成績（學(xué)號，課程代碼，成績等）、課程信息（課程代碼，課程名稱，院系等）、考試易錯題（課程代碼，本次考試易題，以往考試易錯題）。

3.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是數(shù)據(jù)挖掘前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，一方面保證挖掘數(shù)據(jù)的正確性和有效性，另一方面通過對數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容的調(diào)整，使數(shù)據(jù)更符合挖掘的需要。其目的在于把一些與數(shù)據(jù)分析和挖掘無關(guān)的項清洗掉，為了給挖掘算法提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。

⑴ 數(shù)據(jù)集成。把數(shù)據(jù)采集過程中得到的多種信息，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的數(shù)據(jù)庫技術(shù)生成相應(yīng)的學(xué)生考試成績分析數(shù)據(jù)庫。

⑵ 數(shù)據(jù)清理。在學(xué)生成績分析數(shù)據(jù)庫中，會出現(xiàn)一些情況缺失，對于這些空缺處，就需要使用數(shù)據(jù)清理技術(shù)來填補(bǔ)遺漏。例如，可以采用忽略元組的方法來處理那些沒有參加考試的學(xué)生數(shù)據(jù)。

⑶ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的離散化操作。在這個過程中可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行分類，比考試成績0～59分到較差類、60～80分為中等類、81～100分為優(yōu)秀類。

⑷ 數(shù)據(jù)消減。數(shù)據(jù)消減的功能是把所需挖掘的數(shù)據(jù)庫消減但又不能影響到最終的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。比如在分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況的影響因素中，學(xué)生信息表中的字段很多，可以選擇性的刪除院系、班級、籍貫等字段，形成一份新的學(xué)生基本成績分析數(shù)據(jù)表。

3.2.3 利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，得出結(jié)論

通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用，從在線考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)中得到學(xué)生數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，比如：學(xué)生考試中的易錯點(diǎn)在什么地方，學(xué)生考試成績的自身原因和環(huán)境原因，師資隊伍的搭配情況，課程的設(shè)置情況等，從中得出調(diào)整學(xué)校教學(xué)資源的方案等，完善學(xué)校對學(xué)生的教學(xué)。

4 總結(jié)

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是目前計算機(jī)應(yīng)用上的前沿研究方向之一，特別是在電子商務(wù)、通信領(lǐng)域取得了令人矚目的成績。在教育領(lǐng)域，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用還不夠深入和廣泛。隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的不斷普及，數(shù)據(jù)挖掘的研究和應(yīng)用也會越來越受到重視和推廣。數(shù)據(jù)挖掘和關(guān)聯(lián)規(guī)則在網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)上的應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)教育平臺上的網(wǎng)絡(luò)考試系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，從而對授課老師提供反饋意見，有助于老師改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的知識薄弱點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)校人才培養(yǎng)方案的制定工作。

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