實驗技能自動測評系統(tǒng)框架研究與設(shè)計

摘要：介紹了框架的概念、特征、應(yīng)用案例及其在實驗技能自動測評系統(tǒng)中的應(yīng)用思路，并給出了實驗技能自動測評系統(tǒng)框架設(shè)計與實現(xiàn)的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：計算機輔助測評；框架；實驗技能

中圖分類號：TP391．7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0218－02

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0引言

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，計算機輔助測評（Computer Assisted Assessment，CAA）已成為計算機教育應(yīng)用的重點。然而，目前的計算機輔助測評技術(shù)往往只支持選擇、填空等簡單的客觀題測試或IT技能的自動測評，對于各種理科實驗的設(shè)計與操作能力的測評支持得還很不夠。同時，隨著計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的成熟，用于培養(yǎng)各種實驗設(shè)計和操作能力的計算機仿真平臺已經(jīng)相當(dāng)完善，如各種仿真化學(xué)實驗室、仿真物理實驗室等，但這些軟件一般都由各個開發(fā)商獨立設(shè)計開發(fā)，基本上都沒有提供測評考試的功能模塊，也沒有提供必要的接口供其他研發(fā)單位在其基礎(chǔ)上開發(fā)測評模塊。

為了彌補當(dāng)前計算機輔助測評的不足，如何利用計算機仿真環(huán)境對學(xué)生的實驗技能進行考核，特別是運用現(xiàn)有資源方便地構(gòu)建出各種實驗技能自動測評系統(tǒng)，成為計算機輔助測評的重要突破口。不妨借鑒基于框架的軟件工程方法，構(gòu)建一個實驗技能自動測評系統(tǒng)通用框架。有了這套框架，各虛擬實驗室系統(tǒng)只需遵循其中的規(guī)范，就既能用于學(xué)習(xí)訓(xùn)練，又能用于考試測評；實驗技能的考核也不需要專門開發(fā)虛擬實驗室系統(tǒng)，只要調(diào)用已有的系統(tǒng)就可以了。

1框架及其主要應(yīng)用簡介

目前，工業(yè)化的軟件復(fù)用已經(jīng)從通用類庫進化到了面向領(lǐng)域的應(yīng)用框架。框架是一個可重用的設(shè)計，它規(guī)定了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，闡明了整體設(shè)計、協(xié)作構(gòu)件之間的依賴關(guān)系、責(zé)任分配和控制流程。框架的關(guān)鍵在于框架內(nèi)對象間的交互模式和控制流模式。框架為構(gòu)件提供了重用環(huán)境，為構(gòu)件處理錯誤、交換數(shù)據(jù)以及激活操作提供了標(biāo)準(zhǔn)的方法[1]。

采用框架技術(shù)進行軟件開發(fā)的主要特點包括：

（1）領(lǐng)域內(nèi)的軟件結(jié)構(gòu)一致性好；

（2）建立更加開放的系統(tǒng)；

（3）重用代碼大大增加，軟件生產(chǎn)效率和質(zhì)量也得到了提高；

（4）軟件設(shè)計人員主要專注于對領(lǐng)域的了解，使需求分析更充分；

（5）存儲了經(jīng)驗，可以讓那些經(jīng)驗豐富的人員去設(shè)計框架和領(lǐng)域構(gòu)件，而不必限于低層編程；

（6）有利于一個項目的多人協(xié)同工作；

（7）大粒度的重用使得平均開發(fā)費用降低，開發(fā)速度加快，開發(fā)人員減少，維護費用降低，而參數(shù)化框架使得適應(yīng)性、靈活性增強。

框架在許多領(lǐng)域的軟件開發(fā)中都有了成功的應(yīng)用。IBM SanFrancisco[2]是IBM根據(jù)市場經(jīng)驗設(shè)計的一個企業(yè)應(yīng)用框架，定位于為企業(yè)應(yīng)用開發(fā)者提供通用的組件。SanFrancisco框架總共分為三個層次，即基礎(chǔ)層、公共業(yè)務(wù)對象層、核心業(yè)務(wù)處理層。核心層定義了基礎(chǔ)的類以及類的使用策略，如工廠類用來負(fù)責(zé)所有對象的創(chuàng)建；公共業(yè)務(wù)對象層定義了企業(yè)中的一些通用對象，如公司、賬戶、客戶等；而核心業(yè)務(wù)處理層定義了企業(yè)應(yīng)用所需要的關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程，包括會計框架、應(yīng)收應(yīng)付、訂單處理、庫存管理幾個方面。這三個層次可以進行獨立的重用，越高的層次重用價值越大。

教育方面，英國的JISC（Joint Information Systems Committee，聯(lián)合信息系統(tǒng)委員會）針對E－Learning軟件開發(fā)者設(shè)計開發(fā)了E－Learning Framework(ELF)[3]。ELF分為User Agents、Application Services、Common Services、Institutional Infrastructure四個層次，采用SOA（Services Oriented Architecture，面向服務(wù)的架構(gòu)）方式。也就是說，它不是簡單地把一個個獨立的大系統(tǒng)連接起來形成一個MLE（Managed Learning Environment，可管理的學(xué)習(xí)環(huán)境），而是把學(xué)校技術(shù)框架中需要的所有不同方法分解為不同層次的服務(wù)。

2實驗技能自動測評系統(tǒng)框架設(shè)計

2．1實驗技能自動測評系統(tǒng)框架的目標(biāo)

利用框架方法，可以通過分析總結(jié)得出實驗技能自動測評系統(tǒng)的一般體系結(jié)構(gòu)，定義出必需的接口模塊以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，解決各個不同系統(tǒng)之間的交互與通信問題，以便促進資源的共享和現(xiàn)有虛擬實驗室系統(tǒng)在測評中的應(yīng)用，從而簡化測評系統(tǒng)的開發(fā)。如圖 1所示，有了實驗技能自動測評系統(tǒng)通用框架，基于該框架的測評系統(tǒng)將可以方便地調(diào)用各種符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的題庫系統(tǒng)、仿真實驗室系統(tǒng)、測評管理系統(tǒng)等；同時測評系統(tǒng)也可以被這些系統(tǒng)所調(diào)用。原本各自封閉的系統(tǒng)之間因為有了共同的框架與標(biāo)準(zhǔn)而變得交互自如。

2．2實驗技能自動測評系統(tǒng)框架的設(shè)計

實驗技能自動測評系統(tǒng)框架的設(shè)計要考慮兩方面的內(nèi)容：①立足于現(xiàn)有各種系統(tǒng)平臺（如虛擬實驗室系統(tǒng)、測評管理系統(tǒng)、題庫系統(tǒng)、自動評分系統(tǒng)等），開發(fā)一套通用的技能測評系統(tǒng)框架，各系統(tǒng)只要實現(xiàn)框架要求的接口，便可通過測評系統(tǒng)開展考試測評活動；②提供一套開放的標(biāo)準(zhǔn)與接口，不同系統(tǒng)的開發(fā)商只要遵循這些標(biāo)準(zhǔn)并實現(xiàn)相關(guān)接口，其系統(tǒng)就可以被測評系統(tǒng)或其他程序所調(diào)用，從而用于考試測評。也就是說，該測評框架中的模塊既能為已有的或?qū)淼母鱾€系統(tǒng)所調(diào)用，成為其測評模塊，又可以作為獨立的測評系統(tǒng)，調(diào)用各個相關(guān)系統(tǒng)對考生進行測試。

框架的具體設(shè)計可以從兩個方面著手，即系統(tǒng)組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計。組件結(jié)構(gòu)方面，一般來說，一個完整的實驗技能自動測評系統(tǒng)主要包括虛擬實驗室系統(tǒng)、題庫系統(tǒng)（包括命題與組卷功能）、測評管理系統(tǒng)（包括考務(wù)管理、測試平臺等功能模塊）、自動評分系統(tǒng)等四大核心組件。這方面的設(shè)計重點要研究的是如何合理劃分各個模塊的功能結(jié)構(gòu)、定義每一部分的詳細(xì)接口信息以及用戶操作與交互標(biāo)準(zhǔn)。層次結(jié)構(gòu)方面，可以根據(jù)與具體測評領(lǐng)域或系統(tǒng)的相關(guān)程度來劃分[4]，如圖 2所示。從宏觀上來看，整個系統(tǒng)分為四個層次。其中實驗技能自動測評系統(tǒng)框架是框架的核心部分，它又可以分為領(lǐng)域相關(guān)和領(lǐng)域無關(guān)兩層。當(dāng)然，每一層次還會有更細(xì)致的劃分和更具體的模塊。

2．3相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計

實驗技能自動測評系統(tǒng)框架要想獲得良好的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用必須制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中包括實驗技能自動測評系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、相關(guān)組件之間的接口和協(xié)議、題庫標(biāo)準(zhǔn)等。同時標(biāo)準(zhǔn)必然有其適用的范圍，不同領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)各不相同。因此除了共有的標(biāo)準(zhǔn)，還要結(jié)合具體測評領(lǐng)域制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，用于不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交互與共享。標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容包括：

（1）實驗操作的標(biāo)準(zhǔn)化表示，如針對中學(xué)化學(xué)實驗操作，總結(jié)所有實驗儀器和動作及其相關(guān)屬性和方法，定義一套中學(xué)化學(xué)實驗操作表示標(biāo)準(zhǔn)。

（2）支持操作題的題庫標(biāo)準(zhǔn)。在目前國際上通用的題庫標(biāo)準(zhǔn)IMS QTI（Question Test Interoperability，問題與測試互操作）規(guī)范[5]的基礎(chǔ)上，擴展操作題的表示標(biāo)準(zhǔn)，使之支持操作題的題目呈現(xiàn)與答案表示，以及相關(guān)評分機制等。試題按此標(biāo)準(zhǔn)以XML文檔的形式表示，可以用于不同的測評系統(tǒng)。

（3）實驗技能自動測評系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。整個系統(tǒng)框架的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)，主要是功能模塊及組件劃分規(guī)范化，從而使不同系統(tǒng)能按這一標(biāo)準(zhǔn)整合起來。

（4）實驗技能自動測評系統(tǒng)各個組件之間的接口與協(xié)議。通過詳細(xì)的接口定義以及組件之間的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)各個組件之間的通信。

3結(jié)束語

實驗技能自動測評系統(tǒng)通用框架是一項非常有意義的研究。目前它還處于研究與探索階段，框架的形成與完善還需要不斷總結(jié)和反復(fù)修改。一旦研究成功，其研究結(jié)果將得到業(yè)界的認(rèn)可，帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，也將極大地促進計算機輔助測評技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］謝曉芹，梁邦勇．框架不是框框——應(yīng)用框架的基本思想[J/OL]．計算機世界，2002（4）（2005－03－16）.http://www2.ccw.com.cn/02/0204/b/0204b02_5.asp．

[2]林星．架構(gòu)設(shè)計中的方法學(xué)[EB/OL]．[2006－03－08].http://www－128.ibm.com/developerworks/cn/linux/software_engineering/Methodology/part15/index.html．

[3]CETIS Enterprise Special Interest Group．JISC e－learning framework [EB/OL]．(2005－03－23).http://www.cetis.ac.uk/members/enterprise/frameworks/．

[4]CHEN Xin．Developing application frameworks in .NET [M]．[S.l.]：Apress，2004．

[5]IMS Global Learning Consortium， Inc．IMS question and test interope－rability overview version 2.0 final specification[EB/OL]．(2005－01－24).http://www.imsglobal.org/question/qti_v2p0/imsqti_oviewv2p0.html．

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”