實驗技能自動測評系統框架研究與設計

摘要：介紹了框架的概念、特征、應用案例及其在實驗技能自動測評系統中的應用思路，并給出了實驗技能自動測評系統框架設計與實現的技術路線。

關鍵詞：計算機輔助測評；框架；實驗技能

中圖分類號：TP391．7文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0218－02

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0引言

在信息技術飛速發展的今天，計算機輔助測評（Computer Assisted Assessment，CAA）已成為計算機教育應用的重點。然而，目前的計算機輔助測評技術往往只支持選擇、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實技術的成熟，用于培養各種實驗設計和操作能力的計算機仿真平臺已經相當完善，如各種仿真化學實驗室、仿真物理實驗室等，但這些軟件一般都由各個開發商獨立設計開發，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單位在其基礎上開發測評模塊。

為了彌補當前計算機輔助測評的不足，如何利用計算機仿真環境對學生的實驗技能進行考核，特別是運用現有資源方便地構建出各種實驗技能自動測評系統，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，構建一個實驗技能自動測評系統通用框架。有了這套框架，各虛擬實驗室系統只需遵循其中的規范，就既能用于學習訓練，又能用于考試測評；實驗技能的考核也不需要專門開發虛擬實驗室系統，只要調用已有的系統就可以了。

1框架及其主要應用簡介

目前，工業化的軟件復用已經從通用類庫進化到了面向領域的應用框架。框架是一個可重用的設計，它規定了應用系統的結構，闡明了整體設計、協作構件之間的依賴關系、責任分配和控制流程。框架的關鍵在于框架內對象間的交互模式和控制流模式。框架為構件提供了重用環境，為構件處理錯誤、交換數據以及激活操作提供了標準的方法[1]。

采用框架技術進行軟件開發的主要特點包括：

（1）領域內的軟件結構一致性好；

（2）建立更加開放的系統；

（3）重用代碼大大增加，軟件生產效率和質量也得到了提高；

（4）軟件設計人員主要專注于對領域的了解，使需求分析更充分；

（5）存儲了經驗，可以讓那些經驗豐富的人員去設計框架和領域構件，而不必限于低層編程；

（6）有利于一個項目的多人協同工作；

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

框架在許多領域的軟件開發中都有了成功的應用。IBM SanFrancisco[2]是IBM根據市場經驗設計的一個企業應用框架，定位于為企業應用開發者提供通用的組件。SanFrancisco框架總共分為三個層次，即基礎層、公共業務對象層、核心業務處理層。核心層定義了基礎的類以及類的使用策略，如工廠類用來負責所有對象的創建；公共業務對象層定義了企業中的一些通用對象，如公司、賬戶、客戶等；而核心業務處理層定義了企業應用所需要的關鍵業務流程，包括會計框架、應收應付、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，聯合信息系統委員會）針對E－Learning軟件開發者設計開發了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，面向服務的架構）方式。也就是說，它不是簡單地把一個個獨立的大系統連接起來形成一個MLE（Managed Learning Environment，可管理的學習環境），而是把學校技術框架中需要的所有不同方法分解為不同層次的服務。

2實驗技能自動測評系統框架設計

2．1實驗技能自動測評系統框架的目標

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

2．2實驗技能自動測評系統框架的設計

實驗技能自動測評系統框架的設計要考慮兩方面的內容：①立足于現有各種系統平臺（如虛擬實驗室系統、測評管理系統、題庫系統、自動評分系統等），開發一套通用的技能測評系統框架，各系統只要實現框架要求的接口，便可通過測評系統開展考試測評活動；②提供一套開放的標準與接口，不同系統的開發商只要遵循這些標準并實現相關接口，其系統就可以被測評系統或其他程序所調用，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將來的各個系統所調用，成為其測評模塊，又可以作為獨立的測評系統，調用各個相關系統對考生進行測試。

框架的具體設計可以從兩個方面著手，即系統組件結構的設計和系統層次結構的設計。組件結構方面，一般來說，一個完整的實驗技能自動測評系統主要包括虛擬實驗室系統、題庫系統（包括命題與組卷功能）、測評管理系統（包括考務管理、測試平臺等功能模塊）、自動評分系統等四大核心組件。這方面的設計重點要研究的是如何合理劃分各個模塊的功能結構、定義每一部分的詳細接口信息以及用戶操作與交互標準。層次結構方面，可以根據與具體測評領域或系統的相關程度來劃分[4]，如圖 2所示。從宏觀上來看，整個系統分為四個層次。其中實驗技能自動測評系統框架是框架的核心部分，它又可以分為領域相關和領域無關兩層。當然，每一層次還會有更細致的劃分和更具體的模塊。

2．3相關標準的設計

實驗技能自動測評系統框架要想獲得良好的發展與廣泛的應用必須制定相關的行業標準。其中包括實驗技能自動測評系統的體系結構、相關組件之間的接口和協議、題庫標準等。同時標準必然有其適用的范圍，不同領域的標準各不相同。因此除了共有的標準，還要結合具體測評領域制定相應的標準，用于不同系統之間數據的交互與共享。標準的具體內容包括：

（1）實驗操作的標準化表示，如針對中學化學實驗操作，總結所有實驗儀器和動作及其相關屬性和方法，定義一套中學化學實驗操作表示標準。

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

（3）實驗技能自動測評系統的體系結構標準。整個系統框架的構建標準，主要是功能模塊及組件劃分規范化，從而使不同系統能按這一標準整合起來。

（4）實驗技能自動測評系統各個組件之間的接口與協議。通過詳細的接口定義以及組件之間的數據交換標準實現各個組件之間的通信。

3結束語

實驗技能自動測評系統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和反復修改。一旦研究成功，其研究結果將得到業界的認可，帶來巨大的社會效益和經濟效益，也將極大地促進計算機輔助測評技術的發展。

參考文獻：

［1］謝曉芹，梁邦勇．框架不是框框——應用框架的基本思想[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．架構設計中的方法學[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、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”