基于遺傳算法的電工學組卷程序的研究

吳根忠+李劍清

摘 要： 電工學是非電類工科學生的重要基礎課程。由于手工命題出卷存在難度不一，試題分布不盡合理和出卷工作繁重等問題，開發了電工學組卷程序。組卷程序可以根據不同的教學內容選擇試題范圍、試題形式、題目分值和計算題的知識點，采用遺傳算法從試題庫中選擇合適的試題，給出試卷和答卷。經試用后表明該組卷程序的界面簡潔，操作簡單，能滿足課程的要求。

關鍵詞： 組卷程序； 電工學； 遺傳算法； 試題選擇

中圖分類號： TN710?34； TP301.6 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0078?03

Study on electrotechnics test?paper combination program based on genetic algorithm

WU Genzhong， LI Jianqing

（College of Information Engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023， China）

Abstract： Electrotechnics is an important basic course for non?electrical engineering students. To solve the problems of unequal difficulty， unreasonable distribution of test questions and heavy work by traditional manual test paper setting， an electrotechnics test?paper combination program was designed， which can choose the type and range of test， subject score and knowledge of questions according to different teaching contents. The test paper and answer sheet are selected from test database base on genetic algorithm to produce the test paper and answer sheet. The results show that the program has the advantages of concise interface and easy operation to meet the requirements of the course.

Keywords： test paper combination program； electrotechnics； genetic algorithm； item selection

0 引 言

電工學對于非電類工科學生，特別是機電一體化、機自、化自等專業的學生來說是一門非常重要的課程，電工學課程一般分為電工技術基礎和電子技術基礎兩部分。課程考試模式的改革一直是高校教學改革的重點之一。傳統的考試模式通常都是由任課教師輪流命題出卷，由于是人工出卷在試卷的難度、卷面的考題分布、題型分配和評分標準等各方面都會帶來一定的主觀隨意性和不確定性，也難以真正實現考教分離[1?2]。組卷程序的開發是解決上述問題的有效方法之一，它不僅可以讓教師從繁重的出卷工作中解脫出來，防止試卷的題目偏離教學大綱，試卷難易程度相差較大，題型變化多等問題的出現，同時也可以促使學生全面學習，提高學習的主動性，還有利于提高考試成績的真實性和可比性。因此組卷程序的開發越來越受到各類高校的重視。

1 組卷系統要求

電工學組卷程序主要面向電工學這門課程。目前我校的電工學課程分為電工技術基礎（1～7章）和電子技術基礎（8～14章）兩部分，分上下兩個學期授課，總計104學時，采用的教材是顧偉駟老師主編的《現代電工學》（第2版）[3]。根據我校的實際教學情況，要求組卷程序能根據不同的教學內容生成相應的試卷，如果是第一學期的考卷，系統將從1～7章中選擇題目生成試卷，如果是第二學期，系統將從8～14章中選擇題目生成試卷[4]。

在設計組卷程序時，需要考慮的約束條件主要有：試卷難度、試卷總分、知識點的分布、各種題型比例、試題出現的頻次以及考試時間等，教師可以根據這些參數，生成一份符合教學大綱要求的、科學的試卷。在題型上設置了填空題、選擇題、判斷題、簡答題和計算題等5種類型[4]，教師可以通過自動組卷界面選擇相應的題型和對應數量。在分數設置上，每一種題型都可以設置相應的分數，在生成試卷時，每一題的分數隨試題打印在試題上。在難易程度方面通過兩方面加以保證：整份試卷有一個總體難度系數；每一個計算題又都單獨設置了難度系數和知識點范圍。通過這些選項可以保證試題的范圍不會超綱，難度可控，保證了考卷的質量。

2 組卷系統功能

組卷系統主要有注冊、登陸、添加試題、刪除試題、查詢試題、修改試題、試題查詢、自動組卷、手工組卷和下載試題等功能，其功能簡介如下：

（1） 注冊：用戶填寫個人信息，如用戶名、密碼等；

（2） 登陸：可以根據已注冊的用戶名和密碼登錄到系統中；

（3） 試題導入：實現單個試題和批量試題的導入；

（4） 修改試題：對試題庫中的試題內容和試題信息進行修改；

（5） 試題刪除：把試題從數據庫中刪除；

（6） 試題查詢：對試題庫中試題內容和試題信息進行查看；

（7） 自動組卷：用戶在界面上設置相應的參數，如難度、章節、題型等，組卷程序根據用戶的輸入需求，通過一定的算法從數據庫中查找出符合要求的題目，并把這些題目組成一份試卷；

（8） 手工組卷：用戶在試題庫中手動選擇試題，最后生成試卷；

（9） 下載試題和答案：用戶可以將生成的試卷和答案進行下載。

3 數據庫

根據上述組卷程序的約束條件和功能，在數據庫中需要對用戶信息、試題信息和試題答案等設置相應的數據庫表。下面列出組卷程序中用到的數據庫表及結構。

（1） 教師信息表。教師信息表有4個字段，分別表示教師編號、教師用戶名、密碼和權限。教師信息表字段展示如表1所示。

表1 教師信息字段表展示

（2） 試題信息表。試題信息表共有9個字段，分別表示題目編號、題目類型、所屬單元、單元內編號、難度、被抽中次數、題目文本篇幅、答案文本篇幅和題目分數。題目信息表的字段展示如表2所示。

表2 題目信息表字段展示

（3） 試題答案表。試題答案表由3個字段組成，分別為試題編號、試題內容和答案內容。試題答案表字段展示如表3所示。

表3 試題答案表字段展示

4 組卷參數屬性

在組卷過程中，需要根據用戶輸入的組卷條件即各種試卷參數，將這些信息傳到后臺，經過一系列的計算，再由系統選擇出符合組卷要求的試卷并將其以Word文檔輸出。一份試卷的質量好壞，主要體現在試卷的題型、難度、重復率、知識點的覆蓋面等幾方面。其中難度又分為試卷的總體難度以及每一道試題的難度。一份試卷是由各種題目組成的，試卷的質量是根據試題的屬性來綜合決定的。

（1） 試題屬性。對于一道試題一般有如下的屬性：章節、難度、分值、要求、題型等。本系統涉及到的試題的屬性如表4所示。

表4 有關組卷的試題屬性

（2） 試卷屬性。組卷的試卷屬性包括：試卷編號、難度分布、覆蓋度和被抽中次數。本系統涉及組卷的試卷屬性如表5所示。

表5 有關組卷的試卷屬性

5 遺傳算法

組卷程序的質量也取決于其算法。目前組卷程序中常用算法有：遺傳算法、模擬退火遺傳算法、定性映射方法、智能補償法、隨機抽取法、回溯試探法等[5]，各種方法各有其優缺點，本組卷程序中采用了遺傳算法。遺傳算法的操作步驟為根據相應條件編碼、隨機產生一個初始種群、構建適應度函數、對這個初始種群迭代執行選擇、交叉、變異等操作產生下一代種群，最終獲得最優解和解碼。算法的過程如圖1所示。

圖1 遺傳算法基本運算流程圖

下面對遺傳算法中的適應度函數設計和選擇算子的方法進行說明。

（1） 適應度函數的設計。適應度函數對遺傳算法的收斂速度以及能否找到最優解有直接的影響，同時遺傳算法的復雜度主要由適應度函數的復雜程度決定。考慮到組卷程序的實際情況，適應度函數應盡可能簡單。本系統采用的適應度函數與問題的目標函數一致，即：

[f=WV×V+WB×B+WI×I =WV×i=1n1cim-Ei+WB×i=1n2dim-Pi +WI×i=1n3eim-Ki] （1）

式中：WV為覆蓋度的權重；m為試題總量；n1為試卷章節數，Ci為試卷中第i章節的題量；Ei為命題人要求的第i的覆蓋度。WB為曝光度的權重；n2為年份數；di為試卷中第i年的題量；Pi為命題人要求的第i年的曝光度。WI為難度分布的權重；n3為難度等級級數；ei為試卷中難度為i的試題量；Ki為命題人要求的該難度等級的試題量。

（2） 選擇算子。在遺傳算法中需要按照一定的選擇概率對種群進行復制，一般情況下選擇適應度較好的個體生成下一代。為保證種群的多樣性，適應度較差的個體也可能被選中，本系統中選擇算子采用輪盤賭算法。個體的相對適應度計算公式為：

[Qi=Max（f）fii=1sizeMax（f）fi] （2）

式中：size為種群大小；f為個體適應度；Qi為相對適應度。

在進行選擇時，生成一個[0，1]的隨機數r，若P1+P2+…+Pi-1

6 組卷程序界面

根據上述的要求和算法，最后得到的組卷程序的界面見圖2，圖3。用戶在圖2所示的自動組卷界面中選擇難度、題型和分值后點擊“開始組卷”，就能實現自動組卷。

圖2 自動組卷界面

圖3 知識點展開界面

在圖2界面的左下角點擊“電工學1”右側的“展開”或“電工學2”右側的“展開”，可以進一步得到如圖3所示的知識點展開界面，對試卷范圍進行更具體的選擇。

7 結 語

通過多次的試驗和修改，該組卷系統實現了預定的功能，通過該組卷程序自動生成試卷能選擇試題的題型和分值，還能指定在某個章節中安排計算題，使得試卷能更大程度地符合出卷教師的意愿。

參考文獻

[1] 楊青.基于遺傳算法的試題庫自動組卷問題的研究[J].濟南大學學報：自然科學版，2004，18（3）：228?231.

[2] 袁東華.高校試題庫、試卷庫建設問題的思考[J].黑龍江教育，2013（4）：77?78.

[3] 顧偉駟.現代電工學[M].2版.北京：科學出版社，2009.

[4] 吳根忠，李劍清.“電工學”教學改革探索與實踐[J].中國電力教育，2012（13）：51?52.

[5] 黃英.試題庫系統中隨機抽題算法的設計與實現[J].現代計算機，2010（3）：198?200.

[6] 尹貴祥.通用試題庫系統的設計[J].現代電子技術，2011，34（2）：50?52.

[7] 鄭剛.基于遺傳算法的組卷系統的設計[J].計算機光盤軟件與應用，2012（5）：192?193.