多屬性多關聯的工程圖學試題庫與多路徑智能組卷系統(tǒng)研究

李瑞森，張樹有，伊國棟，薛立華，譚建榮

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多屬性多關聯的工程圖學試題庫與多路徑智能組卷系統(tǒng)研究

李瑞森1，張樹有1，伊國棟1，薛立華2，譚建榮1

(1. 浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310027；2. 高等教育出版社，北京 100029)

針對面向多種專業(yè)工程圖學類課程考試與評價的試題庫建設需求，提出一種自底向上的工程圖學試題庫建設方案，從工程圖學試題的描述表達入手，結合工程圖學課程特點，構建了多屬性多關聯的試題模型，分析工程圖學課程的選題組卷過程，對基于試題屬性參數的多路徑選題組卷方法、歷史試卷特征提取的試卷智能再生技術，試卷圖形化交互布局方法進行了研究，開發(fā)了相應的工程圖學試題庫組卷系統(tǒng)。

工程圖學；試題庫；組卷系統(tǒng)

工程圖學是工科院校普遍開設的一門量大面廣的基礎課程，包含機械、土木、水工、建筑等多個專業(yè)類別，圖學課程注重讀圖、作圖能力的培養(yǎng)，以圖形化的試題作為課程考試的主要內容[1]。目前通用的試題庫系統(tǒng)主要以文字類型為主，其組卷功能也主要基于試題文字的內容換行進行規(guī)劃[2]，難以應用到以圖為主的工程圖學試題組卷領域，因此需要設計專門的試題數據結構框架和組卷功能，滿足工程圖學試題庫的建設需求。工程圖學試題庫需具備良好的數據擴展和可移植性，又要與當前教學環(huán)境、已有教學資源等緊密集成，滿足題庫的擴展性、易用性和實用性要求。在工程圖學試題庫研究方面，夏超文等[3]從試題庫的系統(tǒng)框架入手，將試題庫系統(tǒng)分為試題庫與試卷庫，對試題庫系統(tǒng)的功能模塊進行了規(guī)劃。王妍等[4]從試題庫的用戶角色與功能流程分析入手，規(guī)劃試題庫功能模塊，對試題庫的試題圖形格式存儲、組卷方式等進行了研究。陳英和李守英[5]從試題庫系統(tǒng)的依賴軟件入手，結合AutoCAD軟件對試題庫的功能需求、試題參數等進行了研究。

在已有研究基礎上，本文提出一種自底向上的工程圖學試題庫建設和開發(fā)方案，從工程圖學試題的描述表達入手，結合工程圖學課程特點，構建了多屬性多關聯的試題模型，分析工程圖學課程的選題組卷過程，對基于試題屬性參數的多路徑選題組卷方法、歷史試卷特征提取的試卷智能再生技術，試卷圖形化交互布局方法進行了研究，開發(fā)相應的工程圖學試題庫組卷系統(tǒng)。構建的工程圖學試題庫面向工程圖學領域多專業(yè)課程組卷需求，最終打印生成紙質的工程圖學試卷，用于各高校工程圖學課程的階段測驗、期中考試、期末考試等場合。考慮到當前國內工程圖學領域的教學現狀，試題庫中的試題、試卷數據文件載體為DWG文件，使用AutoCAD軟件進行試題資源的制作和內容數據修改。

1 多屬性多關聯的試題庫試題模型

試題是題庫的基本組成單元，對試題進行全面分析，建立完整的試題模型，是構建試題庫的起點。結合“事物特性表”技術的對象描述思想[6]，本文采用試題屬性參數對試題進行表達描述。試題屬性參數是對試題多方面特性的規(guī)范化描述，通過屬性參數可以將內容形式多樣的海量試題分類聚合為一個有機整體，進而滿足題庫選題組卷的核心功能需求。在通過試題屬性參數對試題進行表達描述的基礎上，考慮與各類屬性參數相關聯的對象因素，可以構建多屬性多關聯的試題庫試題模型，如圖1所示。

圖1 多屬性多關聯的試題庫試題模型

對試題進行類別劃分，通過試題的專業(yè)及所屬知識單元，可以實現試題在題庫中的分類有序存放。試題的類別劃分需要構建相應的專業(yè)知識類別體系，通過多級細分結構的專業(yè)知識樹可以明確試題的知識層級關系，保證選題組卷的區(qū)域范圍有效性。對試題進行內容分析，確定試題的題目類型、題目難度、做題所用時間、做題估計得分情況、圖形特征關鍵詞等屬性參數。此類屬性參數與用戶學校課程的教學及生源情況密切相關，需要建立面向用戶學校的屬性參數動態(tài)調整機制，通過試題屬性參數值的調節(jié)實現試題內容與用戶需求的關聯匹配，保證選題組卷的結果準確性。對試題進行形態(tài)特征規(guī)劃，確定試題的幅面尺寸、題文位置布局、定位坐標等屬性參數。為保證選題后卷面布局的合理性，需要同步進行試卷卷面的形態(tài)規(guī)劃，以試卷卷面的尺寸、布局區(qū)域分布等信息為基礎確定試題形態(tài)屬性參數的具體取值，保證選題組卷后的試卷滿足考試卷面要求。對試題進行狀態(tài)分析，考慮試題的使用狀態(tài)屬性參數，避免近年試卷試題的重復使用和組卷過程的重復選題。因此需要在題庫中記錄歷年的試卷數據和選題過程數據并在選題過程中進行調用。

試題模型是題庫基礎數據構建的框架要求，在進行試題入庫前，需要根據試題模型確定試題描述的屬性參數項，再根據與屬性參數項關聯的對象給定試題屬性參數項的取值選項或范圍要求，保證題庫中的試題能順利參與選題組卷過程。

2 試題屬性選取與出題模板的多路徑選題組卷方法

目前已有的試題庫選題組卷方法分為手動與自動組卷兩類。手動組卷中，用戶高度參與組卷過程，手動確定試卷每道題目的選擇結果，所獲得的選題結果符合用戶需求，但組卷過程需要不斷瀏覽查看題庫中的試題，操作步驟較多，組卷效率相對較低，是一種面向上課教師考教合一需求的組卷方法。自動組卷中，用戶僅給出組卷規(guī)則，題目的選定交由程序自動進行，選題組卷效率較高，但選題結果的可用性取決于組卷規(guī)則及庫中試題內容，是一種面向考教分離需求的組卷方法。由于不同高校的教學考核模式存在差異性，試題庫系統(tǒng)的選題組卷功能考慮采用兩種選題組卷方法并存的方式。

手動組卷方法考慮組卷效率的提升，系統(tǒng)需要向用戶提供一種方便快捷的試題查找方法，減少用戶查找試題的時間，將注意力放在對題目內容的審查上。自動組卷方法考慮組卷結果可用性的改善，系統(tǒng)需要向用戶提供一種能準確表達選題需求的組卷規(guī)則描述方法，進而獲得符合用戶需求的選題結果。通過對手動和自動組卷方法的過程分析可知，兩種選題組卷方法都聚焦于對試題的準確規(guī)范化描述上。本文考慮以試題屬性參數為核心建立手動和自動組卷方法的主要步驟。

通過收集分析當前工程圖學教師在選題組卷時考慮的因素，確定用于選題組卷過程的試題屬性參數及對應取值見表1。

表1 試題屬性參數表

針對手動組卷，本文提出一種多屬性參數并聯搜索的交互試題查詢模式。在手動組卷界面列出試題屬性參數表中的屬性參數和取值選項，用戶根據需要自行給出試題的屬性參數取值條件，試題庫根據用戶給定條件搜索符合要求的試題集合并實時呈現給用戶。通過多個屬性參數條件的并聯使用，用戶能快速準確鎖定目標試題的選擇范圍，提高手動組卷方法的效率。

針對自動組卷，本文提出一種基于出題模板的自動組卷選題方法。出題模板中給定了試卷題目總數以及每道題目的選題規(guī)則。題目的選題規(guī)則由若干個屬性參數取值條件組成，取結果交集。每道題目的選題規(guī)則各不相同，均由用戶設定，完全模擬手動組卷選題過程。組卷的自動性僅體現在符合題目選題規(guī)則的試題集合中隨機選擇一道試題。考慮到試題屬性參數是對試題的規(guī)范化描述表達，在題目選題規(guī)則中屬性參數條件齊全的情況下，獲得的選題結果能符合用戶需求。

3 歷史試卷特征提取的試卷智能再生技術

在出新試卷時，用戶需要仔細考慮試卷的題目知識分布、難易程度、題量等多個因素，通過不斷的斟酌調整過程，最終形成一份試卷。但在完成一份新試卷后，需要出同類卷時，用戶則會希望試題庫能根據已出完的試卷快速自動生成若干份同類試卷。本文基于多屬性多關聯的試題模型和對試題選題組卷方法的研究，提出歷史試卷特征提取的試卷智能再生技術，主要流程如圖2所示。

圖2 歷史試卷特征提取的試卷智能再生流程( —— ：步驟流程；------- ：數據)

以同類試卷的生成為例，歷史試卷特征提取的試卷智能再生流程主要步驟如下：

步驟1.設置試卷目標范圍。獲取已有試卷方案的估計平均分和做題時間，其由試卷中各道題目的試題做題時間、試題得分率、題目卷面分值計算獲得。根據獲取的試卷平均分和做題時間確定試卷目標范圍，即當后續(xù)獲得的試卷方案的平均分和做題時間在給定目標范圍內時，視該方案為同類試卷方案。

步驟2.建立試卷選題規(guī)則。遍歷已有試卷的題目列表，獲取每道題目的屬性參數值，表1為所列的屬性參數，由于同類試卷對試題的要求是“同類”，因此需要有一個相似程度的指標，根據試題相似度判別規(guī)則，確定每道試題的選題規(guī)則條件并保存到一個選題規(guī)則列表中。

步驟3.根據選題規(guī)則篩選試題集合。遍歷步驟2的選題規(guī)則列表，獲得每條選題規(guī)則對應的試題結果集合，排除其中已經使用過的試題后，保存到一個試題結果集合的列表中。

步驟4.獲取試卷選題方案。經過步驟3，已經獲得了原試卷方案中各道試題的同類試題集合。在各道試題的同類試題集合中分別隨機選擇一道試題，即可組成一個初步的同類試卷方案。計算方案的平均分和做題時間，并檢查是否滿足試卷目標范圍。如果滿足試卷目標范圍，則所得試卷方案即為同類試卷方案，流程結束。如果不滿足，則返回重新選擇試題，直到獲得滿足試卷目標范圍的試卷方案為止。

在生成同類卷時，由于題庫試題量有限、試題選題規(guī)則不合理、試題目標范圍太小等原因，可能會存在無法獲得同類試卷方案的情況，需要為步驟4設置組卷嘗試次數，如果在嘗試次數之內無法獲得同類試卷方案，則結束組卷過程并提示用戶排查失敗原因。

以上同類試卷生成流程與正常選題組卷流程相比，在確定選題規(guī)則階段存在差異。正常選題組卷流程通過給定試題屬性參數取值選項或范圍確定選題規(guī)則，然后選定試題。而同類試卷生成流程根據已有試卷中的題目屬性參數值逆推選題規(guī)則，所得試題結果集合小于正常選題組卷結果，部分同類試卷方案結果無法獲得。需要通過試題的相似性判別準則，對選題規(guī)則進行適當的范圍擴展。試題相似性判別準則具有廣度和深度兩個維度，廣度表示在對試題進行相似性判別時作為判別準則的屬性參數數量，深度表示在對試題進行相似性判別時單項屬性參數的取值相似程度，可以根據用戶對同類卷的相似程度要求進行靈活調節(jié)，擴大同類試卷方案備選解集，最后利用“試卷目標范圍”指標剔除差異太大的試卷方案，使最終的同類試卷方案更符合用戶需求。試題相似度判別準則的擴展如圖3所示。

圖3 試題相似度判別準則多維擴展( —— ：試題屬性； --------- ：試題屬性值)

4 動態(tài)試題預覽與人工交互試卷布局方法

4.1 基于顏色標記幻燈片的試題預覽圖

工程圖學作為一門以圖為主的課程，試題的圖形化預覽顯示是題庫構建的重要內容。目前已有的工程圖學試題庫主要采用試題位圖進行預覽或者通過AutoCAD軟件、預覽控件等讀取試題源數據文件后進行預覽。

采用試題位圖進行預覽時，顯示實現過程簡單且效率較高。但由于位圖中試題圖形數據已完全丟失，所獲得的試題位圖缺乏內容變化，難以在預覽圖中實現對試題圖形線條的粗細、顏色控制，在對試題預覽圖進行縮放時，圖形易失真。試題的題目與答案高度耦合，難以在一張試題位圖上進行切換顯示(部分試題庫采取一道試題分別保存試題題目和答案2個位圖文件的方式，在一定程度上提高了試題預覽的靈活性，但是也增加了試題擴展入庫的工作量和圖形數據不一致的風險)。

采用AutoCAD軟件(例如Adcenter設計中心)或其他預覽插件進行預覽時，由于軟件及插件的封閉特性，難以滿足試題選題的批量和試卷排版布局的過程2種預覽顯示要求。另外，通過讀取試題源數據文件進行預覽顯示的方式在顯示效率上也不盡人意。

本文綜合目前2種顯示方式的優(yōu)缺點，提出一種基于幻燈片的試題預覽圖顯示方法?；脽羝且环N輕量級矢量圖文件，在AutoCAD軟件中，通過“MSLIDE”命令可以將DWG文件的屏幕圖形輸出為幻燈片文件[7]。通過試題文件生成幻燈片時，會將原試題文件中的文字、曲線、圖塊等均以屏幕分辨率精度轉換為線段和多邊形填充數據。因此，使用幻燈片進行預覽時，在保留同等顯示效果的基礎上，由于不需要讀取原試題文件的圖層、線型、文字樣式、圖塊等數據，能大大提升預覽圖的顯示效率。

在幻燈片的基礎上，對不同類型的試題圖形線條進行顏色標記見表2。即可根據試題預覽的不同場景需求，對試題進行多種顯示模式的預覽切換?；脽羝淖x取操作是實時重繪，因此能方便地實現試題不同部分、不同試題之間、試題與試卷卷面模板之間顯示風格、尺寸的一致性，為試卷布局排版過程的人工交互提供了良好的可視化基礎。

幻燈片可以從AutoCAD中直接生成，有利于已有試題資源的規(guī)整入庫和新試題的數據擴充?；脽羝淖x取顯示可以通過簡單的自主編程實現，與設備、操作環(huán)境、AutoCAD軟件等均無關聯，具備良好的跨平臺可移植性。

4.2 基于坐標定位的人工交互試卷布局方法

在選定試題后，需要將試題排版到對應的試卷上。良好的試卷排版功能必須滿足用戶在排版過程中的各種操作需求，又不能讓用戶陷入對試卷局部細節(jié)的繁瑣修改。工程圖學的組卷排版操作，從試卷層面考慮，用戶主要是在特定的試卷頁上布置各道試題和填寫試卷的卷面標題信息(學年、學期、測驗類型、考試時間等)；從試題層面考慮，用戶主要確定試題的順序、卷面分數、坐標位置、旋轉角度、圖形縮放系數等。因此，組卷排版過程可視為試卷數據元素的反復疊加過程，這里的數據元素包括卷面標題文字、試題題目文字和試題題目圖形。

表2 試題預覽圖顏色標記

以數據元素的坐標定位為基礎，規(guī)劃工程圖學試題庫的布局排版功能。以試卷卷面模板為載體，建立布局排版的二維坐標系。試卷卷面模板上的標題作為添加的第一類數據元素(通過新建多行文字對象的方式)，標題的文字樣式、定位坐標、旋轉角度、縮放系數等參數由試卷卷面模板確定，用戶僅需要填寫標題的文字內容。試題題目圖形作為添加的第二類數據元素(通過插入圖塊的方式)，用戶通過對試題的移動拖放確定試題在試卷卷面上的坐標位置，根據試卷卷面的空閑區(qū)域分布，自行決定是否需要對試題題目圖形進行旋轉、縮放等操作。試題題目文字作為添加的第三類數據元素(通過新建多行文字對象的方式)，在用戶確定試題順序和分數后，將試題序號、分數和試題題目文字進行合并，然后添加到試題對應位置，與試題題目圖形構成完整的試題。試卷內容數據分解如圖4所示。

圖4 試卷內容數據分解(—— ：試卷內容分類；--------- ：試卷內容舉例)

試卷布局排版流程分為兩個階段。第一階段確定試卷的內容數據，構建基于預覽圖的試卷布局平臺，通過載入試卷卷面模板信息確定試卷的形態(tài)尺寸和各試卷頁的布局排版區(qū)域，引導用戶輸入試卷卷面標題信息；將試題封裝為圖形對象，用戶通過交互方式對試題進行題目順序調整和卷面分數的指定，將試題加入到試卷頁后，可以進行移動、旋轉、縮放等操作，試卷布局平臺以動態(tài)預覽圖形式對試卷布局排版過程進行實時顯示反饋；完成所有試題的布局排版后，試卷內容數據即確定。第二階段生成試卷的結果文件，根據第一階段試卷內容數據，自動在試卷模板文件中加入試題源數據文件，并添加卷面標題、頁碼、試題序號、卷面分數等文字對象，生成完整的試卷用于后續(xù)試卷存檔和印刷考試。

5 實 例

本文在研究工程圖學試題庫構建技術的基礎上，結合承擔的高等教育出版社試題庫項目，開發(fā)了工程圖學試題庫及組卷系統(tǒng)。試題庫適應機械、土木、水工、建筑等多種專業(yè)工程圖學類課程的考試需要，組卷系統(tǒng)包含以出題教師為主導的手動組卷功能和基于規(guī)則模板的自動組卷功能(圖5~6)，通過多屬性的試題瀏覽搜索、圖形化交互布局排版功能，輔助教師快速獲取滿足要求的工程圖學試卷，支持基于歷史試卷的快速同類卷生成，減輕教師出題工作負擔，提高工程圖學試卷質量。

圖5 工程圖學試題庫及組卷系統(tǒng)主界面

圖6 試題庫系統(tǒng)手動組卷功能

試題庫手動組卷：其功能提供對試題的多屬性參數并聯搜索交互查詢，按試題知識樹關聯各知識單元試題，通過試題類別屬性參數、內容屬性參數等快速定位所需試題范圍，以圖形化的方式批量顯示試題選擇結果?？梢灶A覽查看試題結果的詳細圖形內容(圖7)，支持線寬粗細顯示和答案顯隱等多種顯示模式變化，在確定試題后，將試題加入備選的試題列表中(圖8)。選定組卷所需的所有試題后，組卷過程結束。

圖7 試題預覽查看

圖8 選定的試題列表

試題庫自動組卷：其提供基于歷史試卷的快速出同類卷功能。根據歷史試卷的選題結果，自動提取試題屬性參數構建選題規(guī)則條件(圖9)，自動篩選獲得同類組卷方案(圖10)。提供對選題規(guī)則條件的手動編輯、試題組卷過程的數據記錄和選題結果的瀏覽替換，滿足用戶多樣化需求。

圖9 自動構建選題規(guī)則

圖10 獲得同類組卷方案

試卷布局排版：其功能提供基于坐標定位的人工交互組卷平臺，在選定試題后，以圖形化方式對試題進行排版，顯示試卷圖形環(huán)境，排版結果與實際試卷結果保持一致，支持對試題的拖放、旋轉、放大縮小、坐標指定和上下左右對齊等操作，組卷自由度高(圖11~14)。

圖11 試卷布局排版界面

圖12 試卷布局結果(第1頁)

圖13 試卷布局結果(第2頁)

圖14 試卷布局結果(第3頁)

試卷結果文件生成：將組卷結果導入AutoCAD試卷，其根據布局排版結果數據自動生成(圖15)，并支持試卷圖形線寬顯隱、答案顯隱等多種狀態(tài)查看，最終自動逐頁生成試卷及答卷PDF文件，用于試卷印刷。

圖15 生成最終試卷數據文件

6 結 論

本文建立了一種多屬性、多關聯的工程圖學試題庫模型，提出并實現了基于試題屬性參數的多路徑選題組卷方法、試卷圖形化交互布局方法、歷史試卷特征提取的試卷智能再生技術等。研發(fā)了工程圖學試題庫組卷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足工程圖學手動和自動組卷的需求?？紤]到圖學大數據發(fā)展方向，將進一步開展試題庫在線答題相關技術研究，使試題庫能適用于隨堂測驗、練習自測、在線考試等網絡化、移動化的課程測試需求。

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Research on the Multiple Associated Engineering Graphics Test Database with Multi Attribute and the Multi-Mode Intelligent Test Paper Generating System

LI Ruisen1, ZHANG Shuyou1, YI Guodong1, XUE Lihua2, TAN Jianrong1

(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China; 2. Higher Education Press, Beijing 100029, China)

A bottom-up construction and development plan of engineering graphics test database system was presented to meet the requirement of test database which used in engineering graphics curriculum examinations and evaluations. This article constructed a multiple associated test model with multi attribute, analyzed the process of test paper generating in engineering graphics course. The multi-mode test selection method based on attributes, technology of test paper generating based on the feature extraction of existing paper and the graphical interactive layout method of test paper were researched. Finally, the engineering graphics test paper generating system based on test database was developed.

engineering graphics; test database; test paper generating system

TB 23

10.11996/JG.j.2095-302X.2018020373

A

2095-302X(2018)02-0373-08

2017-10-30；

2017-12-07

李瑞森(1989–)，男，浙江瑞安人，助理實驗師，碩士。主要研究方向為機械設計、產品數字化設計、工程圖學。E-mail：lrs123@zju.edu.cn

張樹有(1963–)，男，浙江龍游人，教授，博士，博士生導師。主要研究方向為機械設計及理論、復雜裝備數字化設計制造技術、計算機圖形學等。E-mail：zsy@zju.edu.cn