基于改進蟻群算法的英語考試自動組卷系統(tǒng)

張菊玲

(西安思源學院，文商學院，陜西，西安 710038)

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步，英語考試方式已從紙質(zhì)考試向自動化智能在線考試方式轉(zhuǎn)變。自動組卷系統(tǒng)是新型教育考評體系，可將人工智能與教育理論聯(lián)系在一起[1-2]。自動組卷系統(tǒng)按照考試的規(guī)則和用戶制定的性能指標，在試題庫內(nèi)抽選1組滿足要求的試卷試題，并排版打印。設計英語考試自動組系統(tǒng)減輕教師的工作負擔，使考教分離，保證考試的質(zhì)量[3-4]，實現(xiàn)課程教學的科學管理。

但以往設計的英語考試自動組卷系統(tǒng)存在一定的缺陷，如文獻[5]設計的基于知識水平的改進智能遺傳組卷系統(tǒng)，在進行英語考試自動組卷過程中缺乏對試題難度的控制，容易出現(xiàn)信息不對稱等問題；文獻[6]設計的多屬性多關(guān)聯(lián)的工程圖學試題庫與多路徑智能組卷系統(tǒng)，側(cè)重于多屬性多關(guān)聯(lián)的試題，導致系統(tǒng)效率低。改進蟻群算法具有良好的群體智能搜索、全局尋優(yōu)能力。為了英語考試自動組卷系統(tǒng)更加智能化，本文采用改進蟻群算法對蟻群算法中的信息素做更新并改進問題求解算法。因此，本文設計基于改進蟻群算法的英語考試自動組卷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)英語考試的高效管理，增加英語考試自動組卷的效率。

1 基于改進蟻群算法的英語考試自動組卷系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提高英語考試自動組卷效率，研究基于改進蟻群算法的英語考試自動組卷系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。英語考試自動組卷系統(tǒng)是由用戶管理、題庫管理、試卷管理等模塊組成。用戶管理模塊的作用是設置系統(tǒng)用戶的使用權(quán)限。用戶管理員可修改系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理人員通過用戶管理模塊完成用戶權(quán)限認證，然后實施題庫管理，在題庫管理模塊對英語考試試題實施添加、更新、刪除、統(tǒng)計、修改等操作，經(jīng)試卷管理模塊還可以實施試卷的自動組卷與后期英語考試的評分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 題庫管理模塊

題庫管理模塊包括試題添加、試題更新、試題修改、試題統(tǒng)計等子模塊。試題添加流程如圖2所示。由圖2可知，按照英語考試題庫設計要求，輸入適合英語考試試題表，在數(shù)據(jù)庫中包括各種信息表。例如：英語考試試題類型表、英語考試試題難度表、英語試卷信息表、知識點表等[7]。

圖2 試題添加流程

1.3 自動組卷實現(xiàn)

自動組卷是系統(tǒng)中的重要部分，按照用戶需求輸入相關(guān)參數(shù)實施自動組卷，生成符合考試要求的試卷。自動組卷進程如圖3所示。由圖3可知，擁有管理權(quán)限的英語老師，通過自動組卷子模塊完成英語試卷與英語試卷答案生成。

基于改進蟻群算法的英語考試自動組卷系統(tǒng)的自動組卷子模塊設計主要涉及組卷策略、組卷目標、改進蟻群算法尋優(yōu)求解方面。

1.3.1 組卷策略

組卷策略是試卷控制參數(shù)的主要表現(xiàn)形式。設試卷控制參數(shù)有：各題型的分數(shù)用TWj描述、試卷的估計用時用T

圖3 自動組卷用例圖

描述、試卷的試題類型用(j=1,2,3,4,5)描述，試卷區(qū)分度用D描述、各題型的試題個數(shù)用TNj描述、試卷的總分值用W描述、試卷的試題個數(shù)用N描述、試卷難度用P描述。其中,試卷難度P、試卷區(qū)分度D的計算，分別用式(1)和式(2)表示:

(1)

(2)

其中，各題型的難度用TPj描述。在組卷目標中加入TPj的限制條件，為了避免因個體性難度高對試卷均分的影響。各題型的難度TPj描述為

(3)

1.3.2 組卷目標

生成試卷的期望目標，用試卷控制參數(shù)的定量值描述[8-10]。系統(tǒng)中的組卷目標如下。

(1) 試卷要求的試題個數(shù)用NR描述，與試卷的實際試題個數(shù)相等，具體如式(4):

(4)

(2) 試卷要求的總分用WR描述，與試卷中全部題型的實際總分相等，具體為

(5)

(3) 試卷要求的考試時間用TR描述，與試卷中全部試題的實際考試時間總和相等，具體如式(6):

(6)

其中,第i題的答題時間用Ti描述。

(4) 要求的難度用PR描述與試卷的實際難度用P描述大致相同，具體如式(7):

(|PR-P|/PR)≤ωP

(7)

其中，試卷的難度誤差限定比率用ωP描述。

(5) 要求的區(qū)分度用DR描述與試卷的實際區(qū)分度用DR描述大致相同，具體為

(|DR-D|/DR)≤ωD

(8)

其中，試卷的區(qū)分度誤差限定比率用ωD描述。

(6) 要求的難度用TPj描述與各題型的實際難度用TPRj描述大致相同，具體為

(|TPRj-TPj|/TPRj)≤ωPj

(9)

其中，題型J的難度誤差限定比率用ωPj描述。

1.3.3 改進蟻群算法

自動組卷子模塊采用改進蟻群算法減少被選取試題的信息素，提升沒有被選取的試題選中的概率，實現(xiàn)英語考試智能化自動組卷。

(1) 信息素的初始化與更新。各個試題的信息素與權(quán)重成正比，每個范圍里的連續(xù)區(qū)間，權(quán)重越低，信息素值越小，被選取的概率越低。信息素取值用1個區(qū)間的權(quán)重描述。

假設：1個長度區(qū)間用L描述，設置一個要求是為了減少計算開銷，降低試題選擇相差的懸殊。設置要求如式(10)：

L>(tmin×Q)×n

(10)

其中，參數(shù)系數(shù)用n描述，最小權(quán)重是選取的信息素的最小值用tmin描述，題庫中試題的總數(shù)用Q描述。

在系統(tǒng)運行以前，設置初始值L，擴增長度區(qū)間來滿足試題數(shù)量的增加區(qū)域。如果L沒有符合條件時，擴增規(guī)則如式(11)：

(11)

其中，參數(shù)系數(shù)用m描述。

為了保證1個空間合理的選取范圍，需對L實施更新。

(a) 新插入題目情況下。對新插入的題目，如式(12)：

(12)

對原有的題目，如式(13):

(13)

其中，原有試題原始信息素用told描述，設定的長度區(qū)間用L描述，原有題目的個數(shù)用Q描述。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，插入題目信息素平均值的新題信息素，在原有題目分值上降低占有權(quán)重。

(b) 考試結(jié)束后對試題信息素更新情況。被選中的題目用i描述，具體如式(14)：

(14)

其他題目用j描述，具體如式(15)：

(15)

降低考試內(nèi)已選試題的信息素，減少試題的重復率，增加其他試題被選概率。

(2) 路徑構(gòu)建。螞蟻尋食的路徑構(gòu)建是在符合約束條件時，在題庫內(nèi)按照信息素選取試題。將此方法用在試題集的選擇中，若選中第i題，第j題選中概率如式(16)：

(16)

其中，啟發(fā)式信息用ηj描述，啟發(fā)式信息的相對影響力由參數(shù)β決定，第j題的信息素用tj描述，信息素由參數(shù)α決定，選中第i題后再選取第j題選中概率用Qij描述,選中第i題后可被選的試題集用Ni描述。

2 實驗分結(jié)果與分析

為了評估本文系統(tǒng)的性能，在Windows Server 2018測試環(huán)境下，運行內(nèi)存為6 G，實驗對比系統(tǒng)采用文獻[5]設計基于知識水平的改進智能遺傳組卷系統(tǒng)、文獻[6]的多屬性多關(guān)聯(lián)的工程圖學試題庫與多路徑智能組卷系統(tǒng)，分別應用3種系統(tǒng)模擬設計某學校試題庫的構(gòu)建。將600道試題按要求存于試題庫中，屬性值均用隨機，其中計算題200道，單選、多選各200道。設置組卷要求：英語考試試卷總體難度是0.5、英語考試時間估時是120 min英語考試試卷總分是100分。實驗中迭代次數(shù)為200次。采用LoadRunner模擬該學校英語考試分別選取200、400、600、800、1 000、1 200、1 600名英語考試學生，同時參數(shù)英語考試。英語考試中采用設置用戶思考與反應時間是1 s。實驗參數(shù)設置：tmin=12、L=10 000、n=12、m=2、α=1、β=2。通過3種系統(tǒng)分別實施30次組卷，組卷成功次數(shù)，用圖4描述。平均每次組卷時間，如圖5所示。由圖4、圖5可知，文獻[5]系統(tǒng)組卷成功次數(shù)為25次，平均組卷時間高達29 ms；文獻[6]系統(tǒng)組卷成功次數(shù)為22次，平均組卷時間高達26 ms；而本文系統(tǒng)在迭代次數(shù)100次時組卷成功次數(shù)達到最優(yōu)狀態(tài)，且組卷成功次數(shù)為30次，平均組卷時間低至15 ms，表明本文系統(tǒng)組卷成功率高、組卷速度快。

圖4 組卷成功次數(shù)

圖5 平均組卷時間

在LoadRunner軟件測試下，3種系統(tǒng)的負載測試比較結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，本文系統(tǒng)的負載對比文獻[5]系統(tǒng)、文獻[6]系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。在多名考生同時參加考試，本文系統(tǒng)平均CPU占用率為32%，比另外2個系統(tǒng)低23%、10%，且平均內(nèi)存占用率為1.63 GB比另外2個系統(tǒng)節(jié)省0.44 GB、0.14 GB；本文系統(tǒng)考生提交答案平均保存時間為14.56 ms比另外2個系統(tǒng)快13.07 ms、5.07 ms。因此，本文系統(tǒng)CPU與內(nèi)存占用率低，系統(tǒng)保存答案速度快，系統(tǒng)負載較好。

(a) CUP占有率

為驗證本文方法自動組卷的有效性，分別對某學校會計專業(yè)的部分學生進行人工試卷與自動組卷試卷英語考試，具體考試成績對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同試卷的同一類學生的考試成績比較

由表1可知，相比人工組卷，本文自動組卷試卷的同一類學生的考試成績較高，能夠有效驗證本文方法自動組卷的有效性。

3 總結(jié)

為了提高英語考試自動組卷的效率，研究基于改進蟻群算法的英語考試自動組卷系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合英語考試的標準，組卷成功率高、組卷時間迅速。由于本人時間與精力有限，仍有很多問題需深入研究。下一步主要的研究方向如下：

(1) 運用先進的科學技術(shù)手段，在英語考試自動組卷系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上開發(fā)出適合學生學習的模塊，為學生提供更多學習英語的機會；

(2) 深入研究更好的算法不斷更新完善英語考試自動組卷系統(tǒng)。