可拓集成模式的工程圖學試題庫組卷方法研究

李瑞森， 張樹有， 伊國棟， 譚建榮

(浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310027)

可拓集成模式的工程圖學試題庫組卷方法研究

李瑞森， 張樹有， 伊國棟， 譚建榮

(浙江大學機械工程學院，浙江 杭州 310027)

工程圖學試題庫具有功能需求多樣化、專業類別差異化、試題形式圖形化等特點，為了更好滿足工程圖學課程考試與評價需求，提出一種可拓集成模式的工程圖學試題庫構建與組卷方法。在分析工程圖學試題組卷需求的基礎上，規劃了工程圖學試題庫組卷系統體系架構，構建了可拓展的工程圖學試題庫，研究了集成模式的試題庫組卷方法，并開發了相應的工程圖學試題庫組卷系統。

工程圖學；組卷系統；可拓題庫；集成模式

工程圖學是工科院校普遍開設的一門量大面廣的基礎課程，對培養學生工程思維、圖形思維及進一步學習專業技術知識等具有十分重要的作用。近年來，許多高校針對工程圖學在教學體系、教學內容、教學方法、教學手段等方面都進行了多種改革嘗試[1-5]，但工程圖學的課程考試仍然是圖學課程教學成果檢驗的必要手段，因此工程圖學試題庫建設是圖學課程評價體系的重要組成部分[1-3,5]。

工程圖學題庫與其他課題題庫相比，具有如下特點：

(1) 試題形式圖形化。由于工程圖學的大部分試題均以圖形形式出現，一般的通用試題庫無法滿足工程圖學的組卷需求[6-7]，同時試題圖形信息量大，試題的屬性表達依賴于教師評判，存在部分主觀和局限性。對試題庫系統的試題存儲管理提出了較高要求。

(2) 題庫功能需求多樣化。在學校層面，需要面向教考分離的自動組卷和快速等效組卷；在教師用戶層面，需要用戶主導過程把控的計算機輔助組卷、便捷的試題查詢和統計分析；在教學過程層面：需要根據教學進度快速進行單元測驗、階段測驗、期中測驗、期末測驗等不同范圍的試題組卷。對試題庫系統的組卷功能完備性提出了較高要求。

(3) 面向專業類別差異化。工程圖學在專業上分為機械、土建、水工、其他工科大類等不同分支。各高校由于采取多種教學改革模式，工程圖學的教學計劃、教學內容、教學要求均不相同，這導致各高校對于工程圖學的試卷內容需求存在較大差異。

目前，各高校一般是根據實際情況分別開發專用的試題庫組卷系統進行自動組卷，或者利用現有的工具軟件進行人工組卷，缺乏能廣泛適用于大多數高校的試題庫組卷系統。因此，開發一套具有以下特點的工程圖學試題庫組卷系統變得十分必要：試題與試卷的表達分析內容符合用戶學校的課程專業實際情況，試題的組卷過程體現用戶的選題組卷意圖，試題組卷結果滿足工程圖學的教學考察要求[8]。

1 試題庫組卷系統體系結構

在研究當前工程圖學試題庫系統技術的基礎上[9]，以提升試題庫系統自適應性能，擴大試題庫系統應用范圍為目標，考慮試題庫自動組卷與人工組卷的協同情況[10]，提出一種可拓集成模式的工程圖學試題庫組卷系統構建方法。系統的主要組成結構如圖1所示。

圖1 試題庫組卷系統組成

試題庫組卷系統分為客戶端和服務端兩部分。

客戶端部分主要由試題庫組卷平臺、試題庫組卷框架及其中間通信模塊構成。試題庫組卷平臺即AutoCAD，利用AutoCAD的.Net API(C#)進行二次開發，用于試題庫試題的繪制、排版、打印等工作。試題庫組卷框架采用C#語言編寫，承擔試題數據的管理、篩選搜索、組卷等功能的具體實現。組卷框架與AutoCAD二次開發模塊均由同一語言編寫，可以方便地實現組卷框架與AutoCAD軟件之間的數據通信。

服務端部分主要由可拓試題數據庫、試題文件庫及通信模塊組成。可拓試題數據庫針對試題庫中的多元變化數據(試題屬性、知識體系、組卷規則等)建立3層數據結構，通過增加數據庫底層的基礎數據量進行試題庫的總體數據擴展，增加數據庫中間層的模板數據增加試題庫的基礎數據關聯映射模型以滿足用戶需求的多樣性變化，通過數據庫頂層的顯示層提供對系統客戶端的數據訪問服務。試題文件庫采用文件夾形式構建，存放試題庫中的試卷模板、試題、組卷結果等文件數據。通信模塊用于實現服務端與客戶端之間的數據通信。

當試題庫組卷系統的客戶端和服務端均安裝在同一臺計算機上時，試題庫組卷系統作為單機程序使用。考慮到組卷單位用戶對試題庫的數據共享需求，可以專門用一臺計算機安裝試題庫的服務端部分，在其他日常使用的計算機上安裝試題庫的客戶端部分，系統服務端的通信模塊增加試題庫的用戶驗證及權限管理功能，以實現組卷單位局域網環境的網絡試題庫組卷系統。

2 工程圖學可拓試題庫構建方法

試題庫建立過程通過各種途徑收集工程圖學的試題題目，采用統一的試題繪制方法在AutoCAD中繪制試題文件，需要考慮因素包括試題的幅面大小劃分、試題的圖層設置、試題的字體線型標注樣式等。試題文件完成后需確定試題的屬性信息，包括試題所屬知識點、試題名稱、試題類型、試題難度、做題時間、試題區分度等，記錄在數據庫中。但是普通的題庫數據庫由數據表格組成，存在表格數據整體性、表格列固定性和表格結構封閉性的特點，記錄的試題數據只能表達某一高校單個專業的工程圖學課程信息，無法反映各高校千差萬別的工程圖學課程現狀。具體表現為：

(1) 題庫的試題屬性信息(試題難度、做題時間、試題區分度等)的具體數值受組卷對應的課程教學、專業情況影響，需要根據不同高校不同專業進行動態變化以反映實際情況。

(2) 題庫的知識分類體系與高校的工圖課程設計密切相關，需要根據不同高校專業進行個性化定制。

(3) 題庫的組卷規則是用戶組卷意圖的體現，考慮到題庫的組卷規則與試題屬性信息、知識分類體系關聯變化，需要能做到規則的動態擴展與修改，以獲得最佳的組卷結果。

本文系統考慮采用一種可拓的題庫數據信息組成結構，可以根據用戶需求動態拓展試題庫頂層顯示信息，以實現試題庫的試題屬性信息可拓、試題庫知識分類體系可拓、試題組卷規則可拓。

基本思路是通過對試題庫數據進行結構離散化分解并封裝基元數據，根據用戶需求動態構建試題庫基元數據到用戶可讀信息的關聯映射，獲得多樣的試題庫信息表達模型，滿足不同需求用戶。基元數據表示試題庫數據庫中可拓的最小數據結構對象，不可再分解。

以試題的屬性信息為例說明可拓題庫的構建過程：

步驟1. 分析試題屬性信息結構。試題屬性中的試題名稱、試題長、試題寬、試題知識點、試題類型等項屬于試題的客觀信息，不隨用戶需求變化，統一存儲于同個數據表中。得分率、做題時間、備注等項會隨不同高校不同專業變化，需作為題庫的基元數據進行分解封裝。

步驟2. 提取步驟1信息結構中的基元數據對象(屬性)，并建立數據表格進行存儲，記為試題屬性項表。通過記錄各試題屬性的具體信息包括屬性的名稱、數值類型、取值限制等，使組卷系統能正確應用屬性進行試題的搜索選題工作。

步驟3. 提取步驟1信息結構中的基元數據對象的值，并建立數據表格進行存儲，記為試題屬性信息表。用于記錄各試題的基元數據的具體值，包括試題難度、做題時間等。數據表采用三列結構以實現試題屬性的離散化，單個試題對應的基元屬性項可具有若干個，且數目不定。

步驟4. 提取步驟1信息結構中的客觀信息數據(試題名稱、幅面、知識點、試題類型等)，并建立數據表格進行存儲，記為試題信息表。

步驟5. 建立步驟2～4中數據表格的關聯關系，記為試題屬性模板表。用于記錄當前組卷環境下試題附帶的屬性編號信息，試題屬性模板編號作為標識列，不同高校不同專業的用戶在進行組卷時可以分別設置專用的試題屬性模板，以匹配教學要求。

步驟6. 以步驟5建立的數據表為入口，實現某一試題模板下的試題屬性信息表達模型。具體采用數據庫的多表連接方法進行數據表組合連接，形成整合數據視圖，數據視圖是數據表的結果映射，能隨數據表內容實時更新。具體數據視圖及操作語句如圖2所示。

圖2 數據視圖

由以上步驟可知，可拓化改造后的試題屬性數據視圖與最初的試題數據表格具有相同的表達結構。通過在步驟 2～5中的數據表中增添新的屬性數據記錄并改變步驟 6中的數據庫操作語句，即可獲得具有不同數據列的試題屬性信息，實現題庫在試題屬性上的可拓性。通過相同的步驟同理可以實現試題庫知識分類體系和組卷規則的可拓性。

可拓的工程圖學試題庫實現了試題庫中題庫數據存儲結構、題庫數據顯示結構與題庫上層功能的分層隔離，僅需修改題庫數據記錄即可匹配大部分的用戶需求，大大降低了試題庫系統在用戶多樣化需求下的修改成本。

3 多集成模式的迭代交互組卷方法

工程圖學的自動組卷一般采用基于過程的組卷方式[7-8]，從用戶輸入試卷要求到試卷成卷階段，數據信息單向傳遞，缺少階段性的數據信息反饋途徑，組卷結果往往呈現出“結果很符合”與“結果很不符合”的極端二元狀態。而用戶在對組卷結果進行修正時，由于組卷界面缺乏直觀的試卷效果顯示，因此試題的修改替換過程通常局限于組卷界面或者需要在組卷界面與AutoCAD界面之間來回切換進行。

利用現有工具進行的人工組卷采用基于對象的組卷方式，用戶繪制試卷、選擇試題、試題排版等操作全部圍繞同一軟件工具界面進行。組卷過程完全可見，用戶可以隨時對半成品的試卷進行判斷分析，并在軟件界面調入多道同類試題進行對比選擇，操作所見即所得，用戶體驗較好。由于在組卷時能方便地進行試題的橫向類比，因而組卷結果能適用于各類復雜的考試要求。但是由于不采用數據庫進行試題數據管理，用戶一般只能通過試題的知識點等有限條件進行試題的查找，對于歷次組卷結果也難以進行有效的管理分析與統計。

通過綜合考慮以上不同組卷方式的優缺點，本文提出一種既使用數據庫對試題進行統一管理，又滿足試題組卷過程的可視化與迭代交互需求的半自動計算機輔助組卷方法。通過試題庫系統與AutoCAD多方面集成，使用戶在組卷過程中既可以針對部分試題進行自動組卷，也可在自動組卷過程中隨時切換為人工組卷模式，進行特定試題的詳細對比篩選。組卷過程中試卷狀態由試題庫系統操作在AutoCAD窗體實時呈現，試卷中各試題的信息(位姿坐標、題序、分數等)實時反饋到試題庫系統進行保存記錄，實現組卷過程中試題數據在整個系統范圍內的實時同步：

3.1 知識樹與試題關聯集成

在組卷過程中，試題庫系統中以工程圖學知識樹為代表的試題組卷知識與規則信息與AutoCAD中的試題試卷圖形互相關聯，試題庫系統窗體與AutoCAD界面有機結合，避免組卷時窗體的反復切換。在自動組卷過程中，試題庫系統的試題組卷知識與規則信息起主導作用，因此采用Windows系統的API函數，將AutoCAD界面嵌入試題庫系統的框架窗體，在框架窗體的左側、上方、右側分別布置試題知識樹列表、試題搜索工具欄、試卷內容交互與狀態信息顯示欄，窗體形式如圖3所示。

圖3 基于試題知識導向的關聯集成

在人工組卷時，用戶主要根據試題與試卷的圖形呈現狀態[11]對試卷進行評判，因此人工組卷過程以AutoCAD界面為主，試題庫的功能模塊以對話框和工具條的形式出現，在完成試題搜索選擇等操作后，對應功能界面隱藏并把程序焦點自動切換至AutoCAD界面并利用AutoCAD的命令行窗口顯示試題庫當前的組卷狀態，為試卷的評判提供參考信息。實現與AutoCAD普通繪圖操作的完全匹配，用戶可以采用類似于二維制圖的方式直接“繪制”試卷。窗體形式如圖4所示。

圖4 基于試題圖形導向的關聯集成

3.2 異構系統間關聯數據集成

試題庫組卷系統中，試題庫組卷框架與AutoCAD是2個獨立的子系統，試題庫框架記錄用戶組卷操作過程數據，AutoCAD記錄試卷的圖形結果數據。通過組卷過程數據與試卷圖形數據之間的關聯映射，可實現試題庫組卷系統內部數據的雙向互通，為迭代交互的組卷過程提供基礎支撐。試題庫組卷系統采用 Windows套接字(Socket)編寫單獨的數據通信模塊完成內部數據互通，在系統體系框架下實現系統功能的模塊化與關聯集成，降低計算機軟硬件環境變化對組卷系統的影響并使組卷系統能輕松實現從單機組卷程序向網絡版組卷系統的轉換。

3.3 迭代交互驅動的關聯集成

即試題庫組卷框架與AutoCAD之間的試題操作命令的傳遞及執行，包括根據試題組卷需求驅動的試題載入、修改、打印等操作和根據試題操作信息驅動的試題編號賦分、同類試題類比、試卷分析評價等。由于數據通信模塊采用多線程的工作模式，試題庫組卷系統采用C#中的函數回調方法和事件觸發機制完成系統內驅動數據到函數命令的映射調用。以試題載入的例子說明驅動調用過程：由試題組卷框架向AutoCAD發送在試卷中載入試題的命令，命令內容包括試題的編號、試題文件路徑、試題插入點坐標等信息。AutoCAD的二次開發模塊獲得命令信息后，通過函數回調方法將命令信息存入主線程的特定窗體控件，進而觸發設置的控件事件函數，在事件函數中訪問并調用AutoCAD完成試題的插入操作。

系統采用 AutoCAD二次開發模塊中的圖塊(Block)和拖拽類(EntityJig)實現試題插入過程的可視化及操作撤銷效果。在試題插入過程中，試題的插入點坐標由用戶的鼠標位置確定，隨著鼠標的移動，計算機屏幕上會出現隨動的試題動態更新圖像，當用戶確定鼠標位置時，試題在相應坐標進行圖塊插入，當用戶取消插入操作時，試題圖像直接消失。整個試題操作過程通過二次開發的方法將 AutoCAD中的圖塊基礎操作與試題庫中的試題篩選搜索功能集成，在滿足操作過程可視化的基礎上配置強大的試題篩選能力，實用性更強。

4 結 論

本文通過分析當前工程圖學試題組卷過程的需求特點和技術難點，提出了可拓集成模式的工程圖學試題庫組卷方法，在構建可拓題庫的基礎上，通過試題庫系統的知識樹與試題關聯集成、異構系統關聯數據集成、交互驅動關聯集成，實現多集成模式的工程圖學試題迭代交互組卷，為工程圖學類試題庫系統的應用研究提供參考。

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Research on the Test Paper Generating Method of Engineering Graphics Based on the Extension and Integration Mode

Li Ruisen, Zhang Shuyou, Yi Guodong, Tan Jianrong
(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China)

The engineering graphics test database has thefeatures of diversified functional requirements, different majors and graphical exam content.A test paper generating method of engineering graphics based on the test database was presented to meet the requirement of engineering graphics examination and evaluation. This article established the architecture of test paper generating system, built an extendable test database, researched the test paper generating method of integration mode, and developed an engineering graphics test paper generating system.

engineering graphics; test paper generating system; extendable test database; integration mode

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2016060851

A

2095-302X(2016)06-0851-06

2016-06-16；定稿日期：2016-07-25

李瑞森(1989-)，男，浙江瑞安人，助理實驗師，碩士。主要研究方向為機械設計、產品數字化設計、工程圖學。E-mail：lrs123@zju.edu.cn