醫(yī)學(xué)智能無(wú)紙化考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

范雪雪 徐 晤 王志榮 黃一虹

徐州醫(yī)學(xué)院

無(wú)紙化考試作為一種現(xiàn)代化的考試方式得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合醫(yī)學(xué)考試的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)醫(yī)學(xué)無(wú)紙化考試系統(tǒng)，系統(tǒng)除具有傳統(tǒng)無(wú)紙化考試的隨機(jī)出題、自動(dòng)批改、成績(jī)查詢(xún)的功能外，還能夠快速生成高質(zhì)量試卷。在主觀題批改方面，本文提出了基于一種關(guān)鍵詞集劃分的文本相似度算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)主觀題的批改，提高了系統(tǒng)的智能性。

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，信息技術(shù)對(duì)教育模式產(chǎn)生了巨大的影響，傳統(tǒng)的考試模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)需求。一方面，隨著學(xué)生人數(shù)的不斷增加，教師出卷批改任務(wù)日益繁重，學(xué)校組織大規(guī)模考試需要花費(fèi)更多的人力物力；另一方面，基于互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)模式的迅速發(fā)展要求基于網(wǎng)絡(luò)的考試模式與之相匹配。基于網(wǎng)絡(luò)的無(wú)紙化考試具有實(shí)時(shí)性、互動(dòng)性和準(zhǔn)確性等傳統(tǒng)考試模式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為一種重要的考試模式。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，GRE 考試、全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試等大型考試都實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙化并收到了良好的效果。但是，這些系統(tǒng)并不適合直接應(yīng)用到醫(yī)學(xué)考試中。首先，醫(yī)學(xué)是一門(mén)專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的學(xué)科，其他學(xué)科的考試系統(tǒng)從功能到題庫(kù)都不適合直接使用。第二，目前大多數(shù)考試系統(tǒng)仍然采取簡(jiǎn)單的隨機(jī)出題方式，試卷內(nèi)容比例分配、難度系數(shù)難以控制，自動(dòng)出卷質(zhì)量不高。第三，大多數(shù)考試系統(tǒng)僅限于客觀題的自動(dòng)批改，無(wú)法進(jìn)行主觀題的自動(dòng)批改。本文根據(jù)醫(yī)學(xué)教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套能夠生成高質(zhì)量試卷并具有主觀題批改能力的智能無(wú)紙化考試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)構(gòu)架和功能

系統(tǒng)構(gòu)架和開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用了B/S（瀏覽器/服務(wù)器）三層構(gòu)架模式。B/S 構(gòu)架是基于Web 的一種的軟件構(gòu)架模式，它將系統(tǒng)功能的核心部分集中到服務(wù)器上，客戶(hù)端只需要有瀏覽器就可以進(jìn)行操作。該系統(tǒng)在Windows Server 2003 操作系統(tǒng)和IIS6.0 環(huán)境下開(kāi)發(fā)。采用VS2008 集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用C#語(yǔ)言和ASP.NET3.5 技術(shù)，使用微軟 SQL Server 2005 作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)模擬了普通考試流程，設(shè)計(jì)了學(xué)生考試和管理員管理兩個(gè)子模塊，實(shí)現(xiàn)功能如圖1 所示。

圖1 醫(yī)學(xué)無(wú)紙化考試系統(tǒng)功能模塊圖

考生考試模塊：考生通過(guò)瀏覽器輸入自己學(xué)號(hào)和姓名進(jìn)行登錄。登錄后進(jìn)入試卷選擇界面，如果只是普通練習(xí)，則系統(tǒng)允許學(xué)生隨時(shí)選擇套題進(jìn)行自我測(cè)試。如果是正規(guī)考試則需要在考試允許的時(shí)間內(nèi)時(shí)才能夠選擇到試卷。選擇好試卷后，系統(tǒng)將試題打亂順序呈現(xiàn)到每個(gè)考生的電腦上，防止學(xué)生作弊，同時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。學(xué)生可以在考試結(jié)束之前提前交卷，否則待考試時(shí)間結(jié)束后系統(tǒng)自動(dòng)提交。提交后的試卷無(wú)法進(jìn)行修改。試卷批改后學(xué)生可以隨時(shí)登錄系統(tǒng)查詢(xún)考試結(jié)果。

管理員管理模塊：管理員分為系統(tǒng)管理員和教師管理員兩種角色。系統(tǒng)管理員可以對(duì)教師管理員和學(xué)生的權(quán)限進(jìn)行管理，也可以對(duì)考試科目進(jìn)行管理，教師管理員可以對(duì)參加考試的考生信息進(jìn)行管理，也可以對(duì)題庫(kù)試題進(jìn)行管理。還可以進(jìn)行人工出卷、設(shè)置系統(tǒng)自動(dòng)出卷選項(xiàng)生成試卷、修改生成試卷題目、設(shè)置試卷有效時(shí)間及考試時(shí)間、核對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)批改過(guò)的試卷等等操作。最后系統(tǒng)自動(dòng)將成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)生成報(bào)表。

3 關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)組卷

電子題庫(kù)是無(wú)紙化考試系統(tǒng)的重要組成部分，一個(gè)帶有標(biāo)注的題庫(kù)是生成高質(zhì)量試卷的必要條件。本文對(duì)題庫(kù)中所有題目都標(biāo)注了考察知識(shí)點(diǎn)和難度系數(shù)兩個(gè)參數(shù)。

自動(dòng)組卷算法的優(yōu)劣直接影響所出試卷的質(zhì)量。目前使用最為廣泛的方法是隨機(jī)法：即由計(jì)算機(jī)從題庫(kù)中隨機(jī)抽取試題，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)電子題庫(kù)要求較低，但缺點(diǎn)是試卷的考察內(nèi)容分布、難度等參數(shù)都很難控制，組卷質(zhì)量不高。近年來(lái)，有很多學(xué)者將人工智能的算法應(yīng)用到了自動(dòng)組卷領(lǐng)域，如：遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。這些算法雖然能夠提高試卷質(zhì)量，但是算法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，不太適宜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的出題方式。本文設(shè)計(jì)了一種能夠快速生成高質(zhì)量試卷的自動(dòng)組卷方法，描述如下：

Step1：設(shè)置考試總分；

Step2：設(shè)置題型、每個(gè)題型的分?jǐn)?shù)；

Step3：設(shè)置每種題型的考察知識(shí)點(diǎn)范圍、對(duì)應(yīng)題量和難度系數(shù)區(qū)間；

Step4：自動(dòng)從題庫(kù)中篩選所有符合設(shè)定題型、知識(shí)點(diǎn)范圍和難度系數(shù)的題目并存入臨時(shí)表；

Step5：從臨時(shí)表中隨機(jī)抽取設(shè)定題量的題目；

Step6：形成新的試卷，呈現(xiàn)給教師等待確認(rèn)。

主觀題自動(dòng)批改算法

對(duì)于客觀題的自動(dòng)批改計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較容易，目前大多數(shù)考試系統(tǒng)均具有這項(xiàng)功能。但是對(duì)于主觀題的批改，由于語(yǔ)言表達(dá)的模糊性和隨意性，一直是人工智能和自然語(yǔ)言理解領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，至今仍然很不完善。主觀題是醫(yī)學(xué)考試的重要題型，本文提出一種能夠?qū)χ饔^題自動(dòng)批改的方法。

教師批改主觀題的方法都是按點(diǎn)給分，即從學(xué)生的答案中找到給分點(diǎn)，并按照和標(biāo)準(zhǔn)答案的吻合程度給分，整個(gè)批改的過(guò)程就是一個(gè)文本相似度計(jì)算的過(guò)程。因此主觀題的自動(dòng)批改就轉(zhuǎn)化為自動(dòng)計(jì)算文本相似度的問(wèn)題。

基于向量空間模型（Vector Space Model，VSM）的TF-IDF 方法是一種基于統(tǒng)計(jì)的相似度計(jì)算方法，廣泛應(yīng)用于信息檢索、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域。它的基本思想是，假設(shè)文本包含的所有詞為W1，W2，…，Wn，那么一個(gè)文本就可以表示為一個(gè)n 維向量T=，其中。iT 表示W(wǎng)i 的TF-IDF 值，p為Wi 在當(dāng)前文本中出現(xiàn)的個(gè)數(shù)，m 為語(yǔ)料庫(kù)中含有Wi的文本的個(gè)數(shù)，M 為語(yǔ)料庫(kù)中所有文本的總數(shù)。則文本T和 T' 的相似度就可以向量之間的余弦距離來(lái)表示。公式為：。由于該方法采用了詞語(yǔ)作為計(jì)算單元，當(dāng)文本較長(zhǎng)的時(shí)文本向量空間的維數(shù)會(huì)很大，計(jì)算量大大增加。為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)。

依照教師批改的過(guò)程，將標(biāo)準(zhǔn)答案分解成若干獨(dú)立的給分點(diǎn)，每個(gè)給分點(diǎn)由若干句子組成，進(jìn)而可以分解為若干個(gè)關(guān)鍵詞。首先，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)答案文本進(jìn)行分詞操作、去除停用詞、虛詞后，計(jì)算給分點(diǎn)中每個(gè)的詞TF-IDF 值并進(jìn)行排序，從中選取TF-IDF 值較大的前n 項(xiàng)作為關(guān)鍵詞，以此關(guān)鍵詞向量作為文本的特征表示。用同樣的方法對(duì)學(xué)生答案進(jìn)行處理（系統(tǒng)要求學(xué)生用數(shù)字序號(hào)分割不同的給分點(diǎn)）。在進(jìn)行相似度計(jì)算之前，先將標(biāo)準(zhǔn)答案給分點(diǎn)關(guān)鍵詞與學(xué)生答案給分點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行比對(duì)，若相同關(guān)鍵詞個(gè)數(shù)大于設(shè)置閾值，則表示該句群與得分點(diǎn)相關(guān)，對(duì)兩個(gè)文本向量進(jìn)行TF-IDF 相似度計(jì)算，并于得分后將此模塊從答案中刪除，再繼續(xù)尋找下一得分點(diǎn)，直到答案為空停止。其中，相關(guān)性閾值既可以是預(yù)設(shè)好的一個(gè)固定值，也可以由教師根據(jù)情況自行設(shè)置，增加系統(tǒng)的靈活性。為了使得分更為準(zhǔn)確客觀，系統(tǒng)會(huì)將標(biāo)準(zhǔn)答案和學(xué)生答案按得分點(diǎn)同時(shí)顯示在屏幕上，方便教師根據(jù)情況更改得分。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著教育信息化改革的不斷進(jìn)行，無(wú)紙化考試作為一種信息化的考試模式得到了越來(lái)越廣泛的認(rèn)可，發(fā)展速度十分迅速。但是目前大多數(shù)無(wú)紙化考試系統(tǒng)功能還比較機(jī)械，缺乏智能性。本文就在提升系統(tǒng)智能性方面做了嘗試，提出并實(shí)現(xiàn)了一種高質(zhì)量試卷自動(dòng)出題算法和一種主觀題批改方法，取得了良好的效果。但是漢語(yǔ)是世界上最復(fù)雜的語(yǔ)言之一，表達(dá)方式千變?nèi)f化，要開(kāi)發(fā)具有高精確度的主觀題自動(dòng)批改系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步研究。