基于校園網的通用試題庫系統研究

王平水 張雪東

基于校園網的通用試題庫系統研究

王平水 張雪東

隨著網絡技術與數據庫技術的飛速發(fā)展以及高校教學體制改革的不斷深化，試題庫建設已成為高校教學改革的重要組成部分。試就如何組建通用試題庫系統進行深入分析和研究，針對目前高校試題庫需求現狀，設計了基于校園網絡的通用試題庫系統框架，提出了基于改進的遺傳算法的智能組卷方法，實踐結果表明所提方法的可行性和有效性。

校園網;通用試題庫系統;B/S模式;遺傳算法

目前，我國高校的教學考核與試卷命題方式大多仍采用傳統的人工方式，年復一年的重復勞動造成了大量時間和人力資源的浪費，而且容易產生各種不良現象，也違背了高校教考分離的基本出發(fā)點，不利于教學水平與教學質量的提高。

隨著網絡技術與數據庫技術的飛速發(fā)展以及高校教學體制改革的不斷深化，試題庫建設已成為高校教學改革的一個重要組成部分。基于校園網絡的通用試題庫系統越來越受到各高校的高度重視，相關技術也得到相關領域學術界的廣泛研究，提出了多種解決方案。［1－4］

然而，現有的試題庫系統還存在諸多不足之處，比較突出的主要表現在以下幾個方面:有的通用性不夠強，無法滿足多學科課程試題庫建設與考核之用;有的組卷策略設計不夠合理，嚴重影響組卷成功率;有的算法不夠優(yōu)化，執(zhí)行效率低下;等等。針對現有系統中存在的問題和目前高校試題庫建設需求現狀，我們設計了一個基于校園網的通用試題庫系統框架，提出了基于改進的遺傳算法的智能組卷策略，取得了良好的應用效果，實踐證明了所提方法的可行性和有效性。

一 基于校園網絡的通用試題庫系統結構

1.系統架構。

本系統基于校園網絡，采用三層 B/S 模式，［5，6］如圖1所示。用戶通過瀏覽器訪問Web服務器，Web服務器接收、解釋用戶的數據操作命令并將其傳送給數據庫服務器，數據庫服務器執(zhí)行相應的命令并將執(zhí)行結果通過Web服務器返回到用戶瀏覽器。

圖1 系統架構(B/S模式)

2.系統設計。

根據網絡試題庫的功能以及使用者的不同身份對系統功能模塊進行了詳細劃分，以下簡要說明主要模塊的功能及特點。

(1)系統管理模塊。實現系統用戶及權限管理與維護功能，包括用戶管理、權限管理以及密碼管理等。用戶分為系統管理員用戶、教務管理用戶、課程管理用戶、題庫管理用戶、教師用戶、學生用戶等。系統管理員用戶，具有權限分配和創(chuàng)建教務管理用戶的功能;教務管理用戶具有組織試卷、創(chuàng)建課程管理用戶及相應權限分配的功能;課程管理用戶具有建立課程結構與組卷方案、創(chuàng)建題庫管理用戶、教師用戶以及將課程的知識點維護權限分配給教師用戶的功能;題庫管理用戶具有對題庫中所負責的知識點進行維護的功能;教師用戶具有創(chuàng)建學生用戶、分配操作權限及相關信息發(fā)布與接收功能;學生用戶可登錄系統進行相關課程章節(jié)練習、作業(yè)提交、在線測試等。

(2)題庫管理模塊。實現題庫管理與維護功能，包括課程結構管理，試題的增、刪、改等編輯以及查詢統計功能。課程結構管理用于實現課程知識點管理與維護功能。鑒于試題庫的通用性和集成性，試題管理采用ActiveX技術實現Word文檔在線編輯的功能，以滿足不同學科不同形式試題的編輯需要，如非文本型試題中文字、公式、圖形的圖文混排功能。

(3)組卷管理模塊。實現自動智能組卷功能，包括多條件多套試卷的自動生成與打印輸出功能。組卷規(guī)則由課程管理用戶創(chuàng)建，為實現組卷的科學性、合理性與題庫的智能維護功能，采用改進的遺傳算法完成組卷過程，詳見本文第3部分。

(4)試卷分析模塊。實現試卷難易程度等的統計分析功能。考試結束后，課程管理用戶和教師用戶根據考生試卷各小題的成績對試卷難易程度、成績分布等相關信息進行統計分析，以統計圖表的形式反映出相關結果，并將統計分析結果作為組卷方案維護、題庫相關參數維護的依據。統計分析包括整卷分析、題型分析、題目分析等內容。

(5)練習測試模塊。實現在線練習與測試功能。學生用戶可完成作業(yè)提交、在線練習與測試等操作。在線練習可選擇課程分章節(jié)按題型練習，練習的同時可查看參考答案或解題思路。在線測試可通過選擇課程、章節(jié)、題型、難度等相關參數，由系統隨機生成相應試題，完成答卷后提交答案(不限定時間)，系統自動進行評分(限客觀型試題)并給出參考答案或解題思路。

(6)在線考試摸塊。實現在線考試功能。學生用戶可在規(guī)定時間內進入考試系統，選擇相應課程，系統將自動生成試卷，從而完成在線考試功能。考試時間由系統設定，考試時間結束后系統自動完成試卷提交、自動評分并給出答題成績及參考答案(限客觀型試題)。

二 基于遺傳算法的智能組卷方法

智能組卷是試題庫系統的核心功能之一。組卷問題本質上是一個帶約束的多目標優(yōu)化問題，采用經典的數學方法很難得以解決，而且組卷的效率和質量也受到很大限制。

遺傳算法以其具有的自適應全局尋優(yōu)和智能搜索技術且收斂速度快的特點可解決傳統組卷中編碼太長、適應度函數值計算困難等問題。

遺傳算法的基本思想是基于Darwin進化論的適者生存優(yōu)勝劣汰原理和Mendel的遺傳學說，1975年由美國的Holland J教授首次提出，采用簡單的編碼技術表示各種復雜的數據結構，并通過簡單的遺傳算子(選擇、交叉、變異等)實現自我學習和智能搜索功能。［7］

1.問題定義。

科學合理地組織一份試卷受到多種條件的限制，而每道試題又具有多個屬性，與組卷過程密切相關的屬性大致有以下9個:題型、章節(jié)、知識點、認知層次、難度系數、區(qū)分度、時間、分數、曝光度等。建立一份包含n道試題的試卷的組卷規(guī)則，本質上就是要設定試卷中每道試題的上述9個屬性值，即建立如下約束矩陣:

其中，rij表示第道試題的第j個屬性值。

考試結束后可通過每道試題的實際得分率修正其難度系數、區(qū)分度等相關屬性值，以進一步優(yōu)化試題庫。

2.智能組卷算法設計。

本文算法用于同時生成多套試卷，且多套試卷之間存在有約束條件，如任何兩套試卷重復率不得超過20%。采用改進的遺傳算法求解上述矩陣定義的多目標優(yōu)化問題，即從試題庫中尋找滿足矩陣各元素約束的試題組成試卷，同時要滿足曝光度之和最低以及重復率約束等條件。

(1)遺傳算法求解步驟。

①隨機產生初始種群;

②利用適應度函數計算個體適應度值;

③選擇適應值較大的個體構成交配池;

④按一定概率執(zhí)行交叉、變異等遺傳操作產生新一代種群;

⑤若滿足結束條件(找到最優(yōu)解或達到指定代數)，則停止，否則轉(2)。

(2)設置編碼規(guī)則。首先將問題的解空間轉換為一組有效編碼，遺傳算法中通常采用二進制編碼形式，為縮短編碼長度，提高組卷效率，并考慮到編碼的可解釋性，本系統采用十進制整數分段編碼策略，使用試題編號表示基因，同一題型試題形成一相對獨立的編碼段，所有編碼段合并為一條染色體。如x1x2…xk……p1p2…pl，其中x1x2…xk表示選擇題對應的基因編碼，p1p2…pl表示判斷題對應的基因編碼，等。

(3)定義適應度函數。為簡化計算，我們設定約束條件為:難度系數、區(qū)分度、分數、曝光度、重復度。定義誤差函數:

其中ωi為約束權重，δi為相應約束誤差的絕對值。

由于適應度與誤差成反比，我們采用指數變換方式將適應度函數定義為:

f=e－E。

(4)定義遺傳算子。選擇算子采用適應度比例(80%)方法，適應度高者進入下一代;交叉算子采用按一定概率(0.8)分段單點交叉;變異算子采用按一定概率(0.005)產生基因突變。為確保基因編碼的有效性，交叉與變異算子均按題型分段執(zhí)行。

(5)設定結束條件。遺傳操作滿足如下條件之一，則結束:

①最優(yōu)個體適應度值變化值小于0.001;

②遺傳代數達到100。

(6)實踐結果。本系統采用ASP.Net 3.5開發(fā)，數據庫采用SQL Server 2000，并已在我校校園網絡中成功運行將近一年，平均組卷成功率達98.6%。實踐結果表明，本系統架構是合理的，算法是科學的。

三 結束語

基于校園網的通用試題庫系統有效解決了傳統試題庫管理模式中存在的諸多問題，節(jié)約了大量的人力和財力資源，提高了工作效率，促進了高校教學體制改革邁上新臺階。鑒于本系統既用于書面試卷的生成，又用于網上在線考試，組卷算法還有待進一步優(yōu)化，以提高組卷成功率和系統運行效率。

［1］范明虎，孫斌.通用試題庫管理系統的設計與實現［J］.計算機工程與設計，2007，28(9):2185－2188.

［2］何春華.基于遺傳算法的自動組卷系統的設計與實現［D］.武漢:華中科技大學，2006.

［3］賈華國，劉志.基于Web的通用試題庫平臺的設計與開發(fā)［J］.計算機系統應用，2009(4):118－122.

［4］ZhANG G，KE H.Design of paperless examination system for princeples of database systems［C］:Proceedings of the International Conference on Research Challenges in Computer Science，2009:206－209.

［5］王誠梅，袁然，王艷.ASP.NET案例開發(fā)集錦［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］張躍廷，王小科，許文武.ASP.NET數據庫系統開發(fā)案例精選［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［7］Mitchell T.機器學習［M］.曾華軍，張銀奎，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

Research on General Examination Database System Based on Campus Network

Wang Pingshui Zhang Xuedong

With the rapid development of network and database technology and the deepening of college teaching system reform，examination database construction has been an important component of college teaching system reform.In light of demand of college examination database，the paper analyses how to create a general examination database system and develops a framework of general examination database system based on campus network，and it proposes an approach of intelligent grouping test paper on the basis of generic algorithms.Practical results show that the proposed method is effective and feasible.

campus network;general examination database system;B/S mode;generic algorithms

TP311

A

1672－6758(2012)04－0035－2

王平水，碩士，副教授，安徽財經大學，安徽·蚌埠。郵政編碼:233030

張雪東，碩士，副教授，安徽財經大學，安徽·蚌埠。郵政編碼:233030

Class No.:TP311Document Mark:A

(責任編輯:蔡雪嵐)