基于.NET平臺(tái)下試卷自動(dòng)生成系統(tǒng)研究

陳加糧　黃賢順

【摘 要】本文研究的主要內(nèi)容是試卷自動(dòng)生成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)試題的一組特征值進(jìn)行研究，再根據(jù)用戶(hù)提供的題型、題量、難易程度等多種條件，然后借助系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)文件，最后采用自動(dòng)生成試卷的算法動(dòng)態(tài)地生成滿足各項(xiàng)約束條件的試卷。本文還提出了生成試卷后如何用Word格式輸出和如何具體實(shí)現(xiàn)等相關(guān)技術(shù)。解決了教師傳統(tǒng)手動(dòng)出卷的復(fù)雜性和試題內(nèi)容、分值分布等概率問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】試題庫(kù)；試卷生成；算法；Word格式

【Abstract】The main content of this thesis is the design and implementation of the test paper by automatic generation system. Through a set of test question characteristic values were studied， then based on the types， quantity， difficulty degree of topic， and with the help of related data files in the system， finally adopt the algorithm of automatic generating test paper dynamically generate test paper which satisfy the constraint conditions . This thesis also proposes how to use Word format output and how to implement the related technologies， so many problems of the complexity， contents and distribution in manual rollout are solved.

【Key words】Item bank； Test paper generation； Algorithm； Word format

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，試卷的組織管理方式不僅難以控制試卷的難易程度和題量大小，而且工作任務(wù)相當(dāng)繁重。出卷老師很難把握試卷在各章節(jié)中分布情況以及和歷年試卷試題的重復(fù)率等問(wèn)題，因而給試卷命題和管理帶來(lái)很多相關(guān)問(wèn)題[1]。鑒于以上各類(lèi)問(wèn)題，如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)三者相結(jié)合，研發(fā)出種能智能、自動(dòng)生成試卷系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)試卷自動(dòng)生成系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，能讓出卷工作和試卷管理變得高效而便捷[2]。

20 世紀(jì) 80 年代我國(guó)有部分大學(xué)開(kāi)始向外國(guó)學(xué)習(xí)借鑒相關(guān)技術(shù)，陸續(xù)研制開(kāi)發(fā)了一批計(jì)算機(jī)相關(guān)考試系統(tǒng)，比較著名的有浙江大學(xué)的 C 語(yǔ)言考試系統(tǒng)和ACM（計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽）考試系統(tǒng)、21 世紀(jì)教育網(wǎng)上考試系統(tǒng)等[3]。前期的這些試題庫(kù)和考試系統(tǒng)大多是在等級(jí)考試和認(rèn)證考試中的應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)等級(jí)考試的上機(jī)考試系統(tǒng)、ADOBE 認(rèn)證考試等，很少應(yīng)用到教學(xué)考試中。因此，開(kāi)發(fā)應(yīng)用于高校課程教學(xué)考試的自動(dòng)試卷生成系統(tǒng)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)完善試卷試題庫(kù)的建立、修改及按要求隨機(jī)抽取試題自動(dòng)生成試卷的功能，是一項(xiàng)很有意義的工作。

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

研發(fā)一個(gè)面向教師的試卷自動(dòng)生成系統(tǒng)，它的開(kāi)發(fā)工作包括數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)管理等兩部分程序設(shè)計(jì)。前臺(tái)系統(tǒng)操作員為教師，因此開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)要求界面美觀實(shí)用、出卷流程清晰、操作簡(jiǎn)單方便、系統(tǒng)可靠、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。介于以上各種情況，經(jīng)過(guò)分析比較，本系統(tǒng)決定選擇以下方案構(gòu)建系統(tǒng)：采用B/S模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，用面向?qū)ο驤AVA作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，同時(shí)使用.NET技術(shù)進(jìn)行頁(yè)面的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，選用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和管理[4]。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)需求分析

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)查分析，得知要求系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）教師可以批量錄入試題并共享自己的試題；

2）教師可以有條件選擇進(jìn)行試卷自動(dòng)生成；

3）學(xué)生支持在線答題，并可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)答案；

4）系統(tǒng)進(jìn)行客觀題評(píng)分，教師負(fù)責(zé)批改主觀題。

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，自動(dòng)組卷、題庫(kù)管理是十分重要的組成部分，對(duì)任課老師來(lái)說(shuō)也至關(guān)重要。其中包括錄入試題、修改試題、查詢(xún)?cè)囶}、刪除試題、確定試題相關(guān)參數(shù)等。通過(guò)試卷自生成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可以將試題按“學(xué)科”、“章節(jié)”、“題型”、“難易程度”等參數(shù)進(jìn)行歸類(lèi)?？梢钥焖偕梢惶譝ord文檔試卷，并能生成配套的Word文檔的參考答案[5]。同時(shí)還可以根據(jù)輸入的查詢(xún)條件對(duì)試題進(jìn)行查詢(xún)，編輯和保存。

2.2 試卷生成模塊設(shè)計(jì)

試卷生成一般分為兩種方式：手動(dòng)生成和自動(dòng)生成兩種。

手動(dòng)生成試卷是指老師自己根據(jù)需求在試題庫(kù)中選擇試題，當(dāng)用戶(hù)選擇的試題重復(fù)時(shí)（比如：某一知識(shí)點(diǎn)在填空題中出現(xiàn)后，又在選擇題或判斷題中出現(xiàn)），系統(tǒng)必須能自動(dòng)檢測(cè)出沖突，用戶(hù)必須重新選擇相關(guān)試題。并能根據(jù)選擇的試題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)各類(lèi)題型的數(shù)目及分值，并能總計(jì)題量及總分。

自動(dòng)生成試卷是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)采用交互方式進(jìn)行組卷，即系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)輸入各種約束條件，自動(dòng)生成一份滿足條件的試卷。因而試題庫(kù)必須在前期就按用戶(hù)需求設(shè)計(jì)好。通常情況下我們按照“知識(shí)點(diǎn)”和“”章節(jié)”來(lái)構(gòu)建整個(gè)試題庫(kù)，構(gòu)建試題庫(kù)的基本原則是：首先把教學(xué)內(nèi)容細(xì)致分解為若干個(gè)小知識(shí)點(diǎn)，然后將知識(shí)點(diǎn)按層次進(jìn)行分類(lèi)，再根據(jù)題量、題型、難易度等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)程序控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成每份試卷、在知識(shí)點(diǎn)的難易程度和分值分布上都具有較強(qiáng)的科學(xué)性。因此，參數(shù)的設(shè)置必須按各類(lèi)題型的共性進(jìn)行設(shè)置，這樣整套試卷才合理。只有按基于知識(shí)點(diǎn)建構(gòu)試卷的原則、這樣才能提高所建構(gòu)試卷的質(zhì)量，提高自動(dòng)生成試卷的效率。通常在組卷過(guò)程中系統(tǒng)將向用戶(hù)詢(xún)問(wèn)以下相關(guān)信息：endprint

1）要生成滿分為100分試卷；

2）考試試卷包含哪些章節(jié)內(nèi)容，根據(jù)用戶(hù)需求輸入所考章的章節(jié)號(hào)；

3）列出該門(mén)課程在系統(tǒng)試題庫(kù)表中所有的題型，方便供用戶(hù)選擇；

4）輸入所考類(lèi)型的具體代號(hào)，以及該類(lèi)型題目的數(shù)目和所占分?jǐn)?shù)；

5）按章節(jié)分配各種題型的題數(shù)和分值；

6）控制整套試卷的難度系數(shù)；

通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置好上述參數(shù)有后，確保題庫(kù)中題目數(shù)目能滿足上述條件，這樣就可按要求自動(dòng)生成一份試卷。

2.3 試卷生成算法設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)自動(dòng)組卷實(shí)際上就是滿足約束條件的過(guò)程。自動(dòng)組卷過(guò)程：先設(shè)置好整個(gè)試卷的難易系數(shù)和每種題型的相關(guān)約束條件，再根據(jù)這些約束條件在試題庫(kù)中搜索出滿足條件的題目構(gòu)成一套完整的試卷。而這些約束條件通常包含各種題目的題型、題量、難度程度、分值分布等。通過(guò)這些局部約束條件來(lái)控制整個(gè)試卷達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)的均衡，從而形成全局的約束條件。這樣就可以完成一套完成試卷約束條件的設(shè)置，自動(dòng)生成一套完整、合理的試卷。

自動(dòng)組卷一個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)之處即如何在龐大的試題庫(kù)中選出符合用戶(hù)需求的各類(lèi)試題，并使整個(gè)組卷具有較高的效率和成功率。

目前流行的試題庫(kù)系統(tǒng)組卷一般有兩種方法：一是，利用隨機(jī)函數(shù)根據(jù)每道試題的題型、難度、章節(jié)分布等各項(xiàng)約束條件隨機(jī)進(jìn)行選取。這種方法的確能按用戶(hù)的要求選出的相應(yīng)的試題，但繁瑣工作量較大，并不實(shí)用；二是，采用回溯法找到滿足整套試卷的全部約束條件解。但是這種方法往往約束條件較多，較為復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法找到滿足整個(gè)約束條件，難以自動(dòng)生成滿足要求的試卷。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了自身的組卷算法。首先將整套試卷進(jìn)行量化，構(gòu)建試卷的量化模型：根據(jù)用戶(hù)需求確定各種題型的分值分配矩陣和各章中難易度分配矩陣，再采用隨機(jī)抽取和近似匹配的策略進(jìn)行抽題組卷。這種近似匹配的方法不僅能夠生成滿足約束條件的試卷，而且可以讓用戶(hù)工作量大大減輕，并在一定程度上提高了整個(gè)組卷的效率。本文闡述的近似匹配組卷策略對(duì)用戶(hù)命題要求主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1）隨機(jī)抽取的試卷具有隨機(jī)性；

2）整個(gè)試卷中不能出現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)相同的試題；

3）分配好整套試卷所涉及的題型、章節(jié)、分值；

4）控制試卷的整體的難易度和每種題型難易度設(shè)置；

為了生成一套規(guī)范、合理的試卷必須避免題庫(kù)系統(tǒng)盲目地選題。首先用戶(hù)必須將整個(gè)試卷的命題要求全局進(jìn)行規(guī)劃，分解成各項(xiàng)局部指標(biāo)。（各類(lèi)題型的難易程度和分值）其次通過(guò)人機(jī)交互的方式給系統(tǒng)設(shè)置整體難度系數(shù)和各章節(jié)分布以及各類(lèi)實(shí)體的比例；然后根據(jù)用戶(hù)的要求讓系統(tǒng)自動(dòng)在試題庫(kù)中有的放矢，篩選出符合或者基本符合要求的試題。這樣就能大幅度提高組卷的效率和成功率。

如果生成的試卷只需要滿足滿足條件1這一點(diǎn)，我們的算法實(shí)現(xiàn)是比較簡(jiǎn)單的，但是要同時(shí)滿足條件以上四點(diǎn)要求，組卷算法就相對(duì)比較復(fù)雜了。組卷和出卷算法必須需要滿足：1）在試題庫(kù)中能隨機(jī)選出試題；2）生成的試卷題型要求、試卷整體難度要求、各類(lèi)試題難度要求、總分為100分等要求；3）試卷中各類(lèi)試題的的知識(shí)點(diǎn)不能重復(fù)；4）試題庫(kù)結(jié)構(gòu)的合理。

本文主要介紹了以章節(jié)知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)的試題庫(kù)模型，采用隨機(jī)算法進(jìn)行抽取試卷，必須將每種題型生成不同的表單，這樣才能使生成的試卷滿足基本教學(xué)和考試要求。以下以四種題型為例：

1）填空題表單，用來(lái)存放全部填空題的數(shù)據(jù)；

2）選擇題表單，用來(lái)存放全部選擇題的數(shù)據(jù)；

3）判斷題表單，用來(lái)存放全部判斷題的數(shù)據(jù)；

4）簡(jiǎn)答題表單，用來(lái)存放全部簡(jiǎn)答題的數(shù)據(jù)；

根據(jù)這四組表單，設(shè)置表單查詢(xún)的相應(yīng)關(guān)鍵字段。查詢(xún)條件中主要包括：章節(jié)、難易度、分值等。

人工組卷時(shí)，只要匹配以上查詢(xún)條件。就可以根據(jù)查詢(xún)條件在試題庫(kù)中查找滿足條件的試題。

自動(dòng)組卷時(shí)，試卷模型的設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)生合適的隨機(jī)數(shù)直接影響到生成試卷的好壞。在設(shè)計(jì)試卷模型時(shí)，應(yīng)綜合考慮試題的章節(jié)、難易程度及試題總量和分值等因素，再通過(guò)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)0-1之間的隨機(jī)數(shù)，然后通過(guò)取整函數(shù)將此數(shù)變成一個(gè)合適的整數(shù)。在編程過(guò)程中，通過(guò)程序先得到所有滿足條件的記錄，再通過(guò)隨機(jī)數(shù)確定記錄和試題編號(hào)，然后檢查是否滿足條件。最后通過(guò)循環(huán)控制試題的總數(shù)，完成整個(gè)試卷的自動(dòng)生成。為避免各類(lèi)題型之間出現(xiàn)相同的試題內(nèi)容，每成成一道試題，必須與以前生成的試題進(jìn)行比對(duì)，如果出現(xiàn)相同內(nèi)容或相同題目都會(huì)重新再查詢(xún)。這樣就能確保證抽取的試題既能滿足條件又內(nèi)容不相同。

2.4 生成Word文檔設(shè)計(jì)

自動(dòng)生成試卷系統(tǒng)最終目標(biāo)是根據(jù)隨機(jī)抽取后的試題，按照已有的試卷模板，生成所需要的Word文檔試卷[6]。為解決這一關(guān)鍵問(wèn)題，我們需要掌握在ASP中正確使用以及MS Office COM對(duì)象的理解。主要掌握以下幾個(gè)方面的知識(shí)內(nèi)容

1）首先必須正確安裝Word應(yīng)用程序；

2）理解MS Word對(duì)象層次關(guān)系結(jié)構(gòu)；

3）利用VBA編程；

主要采用的Word對(duì)象及使用方法如下：

1）Paragraphs集合對(duì)象。該對(duì)象的作用是段落對(duì)齊的集合。可以通過(guò)Paragraphs（Index）對(duì)象來(lái)對(duì)指定段落進(jìn)行必要的對(duì)齊編輯。

2）Sections集合對(duì)象。該集合對(duì)象主要包含了選定內(nèi)容、范圍或文檔中的所有節(jié)。

3）Range對(duì)象。該對(duì)象的功能是表示文檔中的一個(gè)范圍。每一個(gè)Range對(duì)象都包含一個(gè)起始和一個(gè)終止字符位置兩部分的定義。

4）InsertParagaphAfter方法，該方法的功能是在指定的所選內(nèi)容或區(qū)域之后插入一個(gè)新段落符號(hào)。

5）InsertParagaphBefoe方法，該方法的功能是在指定的所選內(nèi)容或區(qū)域前插入一個(gè)新段落。

本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了如何將生成的試卷在Word 2010中進(jìn)行輸出：

1）在系統(tǒng)中添加引用Microsoft word 11.0 Object Library；

2）將Doc.Application.obsible屬性調(diào)試為T(mén)rue；

3）根據(jù)不同科目試卷的要求，必須在題庫(kù)中查詢(xún)相應(yīng)的考試科目、考試時(shí)間等。然后設(shè)置好文檔中的Sebction對(duì)象，如字體，字號(hào)、字體顏色等屬性設(shè)置。

4）對(duì)于文檔中存儲(chǔ)了圖形、大篇文字、參考答案等可以先采用PDF格式存為臨時(shí)文件，然后通過(guò)程序在Word中插入該臨時(shí)文件即可。

5）在Word 2010中按要求調(diào)整試卷的格式，然后進(jìn)行打印輸出即可。

系統(tǒng)自動(dòng)生成試卷后，我們可以采用同樣的辦法，根據(jù)試卷模板生成需要的格式，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的試卷參考答案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)系統(tǒng)中自動(dòng)生成試卷部分的算法研究以及如何將自動(dòng)生成的試卷采用Word文檔輸出方法的實(shí)現(xiàn)。采用自動(dòng)生成試卷系統(tǒng)，能提高教師工作效率、促進(jìn)試卷管理逐步走向正規(guī)化和自動(dòng)化。

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