改進(jìn)的遺傳算法在智能組卷系統(tǒng)的應(yīng)用

韓英慧

韓英慧/黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院講師(黑龍江哈爾濱150025)。

當(dāng)代中國(guó)教育教學(xué)模式不斷推陳出新，并且伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋更加廣泛，教育工作者對(duì)于組卷的速度與效率提出了更高要求。經(jīng)過(guò)組卷后產(chǎn)生的試卷題型必須多樣、試題涵蓋的知識(shí)面要廣、注重考查學(xué)生的綜合素質(zhì)等。智能組卷系統(tǒng)在教育教學(xué)等領(lǐng)域以其實(shí)用性、科學(xué)性發(fā)揮著重要作用，為各類用戶減少了大量的工作量，解決了許多實(shí)際困難，然而組卷時(shí)間長(zhǎng)、速度慢仍是現(xiàn)有組卷系統(tǒng)普遍存在的缺點(diǎn)，已經(jīng)很難更好地適應(yīng)各類考試需求。許多專家通過(guò)較為深入的研究發(fā)現(xiàn)，解決好全局尋優(yōu)、收斂速度快慢的問(wèn)題，是組卷系統(tǒng)生成的試卷題目組織成為最佳或者是近乎最佳方案組合的關(guān)鍵。

一、遺傳算法的基本原理研究

1.遺傳算法基礎(chǔ)理論。遺傳算法的群體中的解在未達(dá)到最優(yōu)解或接近最優(yōu)解時(shí)，個(gè)體不能再繼續(xù)進(jìn)化下去，性能不能超過(guò)其上一代，且個(gè)體之間存在高度相似性，這種遺傳算法特有而常見的現(xiàn)象被稱為“早熟”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象導(dǎo)致算法無(wú)法向下進(jìn)行，終止于一個(gè)局部最優(yōu)解，不能找到全局最優(yōu)解。

2.遺傳算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)。遺傳算法要能正確的應(yīng)用到智能組卷系統(tǒng)中，我們采用了主要技術(shù)包括遺傳編碼、初始化群體、適應(yīng)度數(shù)及遺傳算法選擇操作。生物遺傳學(xué)與遺傳算法做了細(xì)致的對(duì)比分析，結(jié)合數(shù)學(xué)理論對(duì)遺傳算法的流程進(jìn)行了研究。詳盡介紹了遺傳算法實(shí)現(xiàn)所涉及的主要因素，并對(duì)算法步驟進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，提出了問(wèn)題解決的有效措施，保證智能組卷系統(tǒng)能正常實(shí)現(xiàn)。

二、改進(jìn)的遺傳算法

1.遺傳算法編碼設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)在程序運(yùn)行過(guò)程中只認(rèn)識(shí)二進(jìn)位制編碼，因此，遺傳算法的重要編碼形式也是二進(jìn)位制編碼，二進(jìn)位制編碼的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)染色體的出現(xiàn)，利用實(shí)數(shù)編碼技術(shù)進(jìn)行二進(jìn)位制編碼，編碼的方法有多種選擇，利用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行編碼，編碼的效率也使實(shí)現(xiàn)遺傳算法能正確應(yīng)用到智能組卷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)組卷系統(tǒng)的智能化。

二進(jìn)制編碼雖然編碼方式簡(jiǎn)單并且易于進(jìn)行交叉與變異操作，但是當(dāng)運(yùn)算量大時(shí)占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間過(guò)大以及表達(dá)精度下降的缺點(diǎn)十分明顯。實(shí)數(shù)編碼則不受計(jì)算量的影響，對(duì)于處理復(fù)雜的決策變量的約束問(wèn)題，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.確定適用度數(shù)。遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)的確定是采用該算法進(jìn)行智能組卷的關(guān)鍵。適應(yīng)度函數(shù)值為遺傳進(jìn)化過(guò)程設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，以此標(biāo)準(zhǔn)有效地區(qū)分個(gè)體的優(yōu)劣。如果適應(yīng)度函數(shù)確定的好，在區(qū)分個(gè)體優(yōu)劣時(shí)，能夠防止好的個(gè)體過(guò)快擴(kuò)散、壞的個(gè)體過(guò)快淘汰，從而對(duì)群體多樣性的保持起到積極作用，遏制“早熟”現(xiàn)象的出現(xiàn)。

將第i項(xiàng)組卷因素對(duì)試卷重要程度的估算權(quán)值設(shè)為Wi，取值區(qū)間為[0,1]。Wi等于僅參照單類綜合誤差的收斂代數(shù)對(duì)六次僅參照誤差參數(shù)的收斂代數(shù)和的比值，得到其計(jì)算分為六部分，依重要程度高低的順序分別為：①章節(jié)分值；②知識(shí)點(diǎn)分值；③總分與各題型分值；④考卷難度；⑤考卷的能力層次；⑥優(yōu)先級(jí)、計(jì)算量及答題時(shí)間。將第i項(xiàng)組卷因素對(duì)組卷目標(biāo)的誤差設(shè)為40ek（ek≥0），體現(xiàn)其滿足第k類綜合誤差的程度，等于此類參數(shù)當(dāng)前誤差值對(duì)初始統(tǒng)計(jì)平均誤差值（兩百次平均）的比值。為增強(qiáng)ek值對(duì)適應(yīng)度函數(shù)產(chǎn)生的影響，充分利于精度計(jì)算，將ek設(shè)成底數(shù)40的指數(shù)函數(shù)。

三、智能組卷系統(tǒng)理論研究

任何系統(tǒng)都有一定的指標(biāo)體系，每個(gè)指標(biāo)在該系統(tǒng)中有一定作用，在指標(biāo)體系中，每一個(gè)參數(shù)都有一定意義，扮演一定角色，具有一定描述功能，每個(gè)指標(biāo)的建立都是為智能組卷系統(tǒng)服務(wù)的，各個(gè)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，該系統(tǒng)就有一定的優(yōu)化功能。指標(biāo)體系沒(méi)有固定的模式，該智能組卷系統(tǒng)指標(biāo)體系分為如下：

1.題型。試題類型的劃分可以因用戶需求不同而變化，通常設(shè)為6種題型，分別是選擇題、填空題、判斷題、概念與簡(jiǎn)答題、計(jì)算與分析題、綜合與應(yīng)用題。

2.所屬章節(jié)。題庫(kù)中的試題與課程的章節(jié)間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.知識(shí)點(diǎn)。亦即考核點(diǎn)，是試題所反映的教學(xué)大綱要求的知識(shí)點(diǎn)。

4.難度系數(shù)。在命題時(shí)，試題的命題難度隨著考試所針對(duì)的對(duì)象的不同、教學(xué)階段的不同而變化。按照組卷要求來(lái)搜索難度系數(shù)，得到符合難度要求的試卷，試題難度系數(shù)表示為:

其中，qi為試題i的難度系數(shù)，Ri為該題得分平均值，n為該題滿分值。

由于被測(cè)試群體的變化及測(cè)試環(huán)境的變化（例如測(cè)試的時(shí)間間隔）等因素對(duì)難度系數(shù)影響較大，要更加科學(xué)、客觀地確定難度系數(shù)，在參考以上算式結(jié)果的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合命題人員的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將數(shù)據(jù)模糊化為4個(gè)難度等級(jí)——容易、中等、較難、難，如表1所示 。

難度等級(jí) 容易 中等 較難 難難度區(qū)間 0.00-0.25 0.25-0.50 0.50-0.75 0.75-1.00模糊化 0.2 0.4 0.7 0.9

通常試卷的平均難度控制在0.50左右，這樣試卷分?jǐn)?shù)的分布才呈現(xiàn)正態(tài)分布，考試成績(jī)才具備價(jià)值。

5.信度。試題的信度能夠反映等價(jià)試卷多次對(duì)同一組被測(cè)試對(duì)象進(jìn)行測(cè)試所得結(jié)果的穩(wěn)定性和一致性，是衡量試卷可靠性程度的指標(biāo)。同一組被測(cè)試對(duì)象經(jīng)過(guò)等價(jià)的試卷多次測(cè)驗(yàn)后，如果所得分?jǐn)?shù)大致相同，就反映出試卷具有較高的信度，如果所得分?jǐn)?shù)相互之間差距較大，則反映出試卷信度較低。由于考試的可靠性即信度很大程度上由試卷信度決定，因而常用試卷信度來(lái)指代。信度一般通過(guò)對(duì)同一組被測(cè)試對(duì)象進(jìn)行多次內(nèi)容組成、試題題型、難度和區(qū)分度等指標(biāo)相當(dāng)?shù)钠叫袦y(cè)試來(lái)獲得。

6.效度。試卷的效度體現(xiàn)試卷內(nèi)容與教育教學(xué)大綱及考試大綱符合程度，是反映某項(xiàng)考試達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的程度的指標(biāo)。一份試卷如果可以比較準(zhǔn)確地測(cè)試出學(xué)生掌握和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的真實(shí)度，就是效度高的試卷。依據(jù)教學(xué)大綱和考試大綱進(jìn)行命題，各個(gè)章節(jié)所占分?jǐn)?shù)與大綱要求的學(xué)時(shí)數(shù)呈正比關(guān)系，是試卷效度得以保障的重要基礎(chǔ)。

7.答題時(shí)間。答題時(shí)間是完成該道試題所需的時(shí)間，在這里“完成時(shí)間”包括大多數(shù)學(xué)生做完該題所需時(shí)間以及檢查該題所需時(shí)間兩部分。出題者可根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合客觀情況做適當(dāng)調(diào)整。

總之，遺傳算法是一種應(yīng)用前景十分廣泛的優(yōu)化算法，在具備其他算法無(wú)法企及的諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在一定的缺點(diǎn)和不足。本論文針對(duì)性的對(duì)編碼設(shè)計(jì)、適應(yīng)值函數(shù)、交叉和變異算子的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種自適應(yīng)遺傳算法，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，在智能組卷系統(tǒng)中應(yīng)用取得一定效果。遺傳算法是數(shù)據(jù)挖掘的一種常用方法，現(xiàn)在是大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們常利用云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等與數(shù)據(jù)挖掘結(jié)合在一起使用，在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域中取得一定成果。

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