數據結構在線考試系統研究

劉城霞

（北京信息科技大學 計算機學院，北京 100101）

0 引 言

數據結構在線學習系統的考核中,不但要有對數據結構基本概念的考核,基于邏輯結構應用的考核,還要有對數據結構程序設計的考核,而基于網絡去做這些考核存在許多問題,比如技術實現有困難或對答案的機器評價有歧義。如何做到真正的網上合理考核,是主要研究和探討的內容。

隨著網絡教學平臺的發展與推廣,越來越多的學生和教育機構選擇網絡教學來完成知識的傳遞。比如美國很多大學運用網絡完成了很多的在線教育任務,學生足不出戶就可以完成全部的教學任務,對于留學生來說更是提供了很大的便利,也節省了許多支出。再比如,國內各個高校也都紛紛建立自己的在線教學體系,在專門的網站上開設各種課程學習。

在線教學中,如何正確有效地評價學生在線學習的效果尤為重要,正確地評價能促進學生學習積極性并將學生不足的地方指出,指導學生進一步地學習。目前評價學生學習效果主要通過在線考試來完成。在線考試與傳統紙質考試比起來更靈活、更公平、更省資源、更高效。很多學者也在在線考試方面做了探索[1-2],但如何真正做到合理、有效、準確地考試并評價,要著重研究和探索。

1 數據結構在線考試題目的分類

在對數據結構的學習系統研究之后[3-5],如何對數據結構進行在線考試成為一個關鍵的問題。數據結構在線考試系統中題目如何劃分,是首先要考慮的問題。傳統的數據結構考試中,一般包括選擇題、填空題、判斷題、簡答題、應用題、編程題、算法分析題等。而在線考試系統中,大致可以分為客觀題和主觀題兩大類,見圖1。其中客觀題是答案確定且易于判斷的題目,比如選擇題、填空題、判斷題;主觀題是答案大意確定但具體文字描述不確定的題目,比如簡答題、編程題、應用題及算法分析題。

客觀題目非常適合計算機進行機考,很多在線考試試題中題目都是客觀題,但對于數據結構課程來說,只有客觀題遠遠不足以評價考生的真實水平,所以需要增加主觀題幫助對考生進行全面評判。而主觀題進行線上考試時會出現自動評判困難、需要人工復核等,這就使得線上考試的優勢被磨滅了。如何正確地自動評價是在線考試迫切需要解決的問題。

圖1 在線考試題目類型圖

2 數據結構在線考試的評價體系

如何準確地評價學生的學習效果,需要作為數據結構在線考試系統重點考慮。評價體系主要涉及3個部分:①日常學習的評價②考試成績的評價;③綜合能力的評價。

2.1日常學習評價

日常學習包括學生對課程內容的學習,完成每章作業,進行章節測試等,對日常學習的評價主要在于作業的完成度及完成質量的評價、章節測試結果等。日常學習及評價過程如圖2所示。

圖2 日常學習及評價過程

當內容學習完成后去完成章節作業,作業完成后進行測試,測試通過后學生可以進入下一章節學習,否則需要重新進行本章節學習。測試題主要由客觀題和答案固定的主觀題構成,客觀題目可直接給出成績,答案固定的主觀題可由答案對比結果給出參考成績。

2.2 考試成績的評價

考試是指在線考試,在完成各章學習后,可以進行在線考試,考試題目包含上述主觀題和客觀題。對于客觀題的評價只需要和答案進行對比即可。對于主觀題的評價需要由3方面構成:①答案對比(如簡答題、算法分析題);②運行結果對比(如編程題);③關鍵點匹配(如應用題、編程題、算法分析題)。具體可見圖3。有的題目需要由2個或3個方面一起進行評價,綜合給出最終題目成績。另外設置申訴機制,如對評判結果有異議,可以提出申訴,申訴后由老師人工進行復核,以期更正自動評分中出現的錯誤。

圖3 考試主觀題的評價方法

2.3 綜合能力的評價

綜合能力的評價包含以上兩種評價結果,主要評價學生綜合運用知識的能力。這里綜合能力評價會將前兩種評價的結果進行綜合,并且根據一定的分析給出一個綜合分數。綜合能力評價中還有一些開放性題目,這些開放性題目主要涉及實際工程應用中的問題,學生可以尋找資料后自由回答,沒有標準的答案,由人工進行評價。開放性題目作為學生學習能力及創新能力的評價,提供學生自由選擇,不作為考試成績。見圖4、圖5所示。

圖4 綜合能力評價組成部分

3 數據結構在線考試系統的設計

數據結構在線考試系統主要涉及作業題、章節自測題及考試題目部分,開放性題目不作為考試系統的內容。該系統可以實現根據要求自動組卷及自動評分,如此既可以減少教師出題及閱卷的工作量,又可以讓學生更加靈活的學習和考試。在學生某項知識較薄弱時還可以針對該薄弱知識點章節進行針對性的復習測試,提高學生學習的效果和效率。

3.1 考試系統功能設計

系統中包括兩類用戶,教師和學生。基于此將系統分成兩大模塊:一個模塊用于教師部分,教師主要負責進行個人信息及學生信息的管理,對題庫、考試、成績進行管理;另外一個模塊用于學生部分,學生的主要功能就是進行在線考試和查詢考試成績等。

具體系統應該實現的功能:用戶根據不同的身份登錄到系統上,對于教師來說,可以進行如下管理工作。

(1)考試管理:教師可以添加考試,由教師規定考試所適用的班級、考試的日期和考試限時,教師還可以設置考試范圍。

(2)試題管理:教師可以對題庫中的試題進行基本的增刪改查的操作:添加新的試題和刪除舊的試題,其中試題類型包括程序題、填空題和選擇題;對于不同類型的試題,教師可以設置除了題目、章節、難度、答案之外的備選項、關鍵字等不同的屬性值。

(3)成績管理:教師可以查看考生的所有考試成績進行確認、調整及修改,并打印輸出等。

(4)學生管理:教師可以對選課學生的資料進行添加、修改、刪除,確認學生是否為選修該課程學生,確認學生是否有考試資格等。

對于學生身份來說,可以進行如下工作。

(1)在線考試:學生可以在教師規定的時間內進行在線考試。最晚不得超過開考時間后的半個小時。考試開始半個小時內,考生可以在確認交卷之前返回考試界面,重新點擊考試更換試卷,但是考試時間不會延長。考試結束后,系統將進行在線閱卷。考生可在考試后立即知道考試結果。

(2)查詢考試成績:學生可以在線查詢以前參加過的考試成績,同一場考試多次參加只顯示幾次考試中的最高成績。

3.2 考試系統試卷的生成策略

考試系統需要自動地生成試卷,一般情況下由老師輸入一些組卷參數, 系統根據這些參數抽出相應的試題, 組成能用來考試的試卷。定義這些參數以及對參數進行變換的算法, 我們稱之為組卷策略。在考試系統中組卷效率和組卷質量主要取決于組卷策略,因此許多學者也對組卷策略進行了研究[6-9],這也是本項目中的一個重要內容。

目前,常用的組卷算法有隨機法、回溯法、遺傳算法和隨機定位搜索法。文獻[10]中也對這幾種組卷算法進行了研究,本項目中對章節測試采用隨機法進行組卷,而對最終的考試采用遺傳算法進行組卷,最終實現了試題的生成。

1)隨機法。

隨機法是組卷算法中一個比較基礎的算法,采用隨機的題目抽取方法,抽出題目后,再判斷題目的各項內容是否滿足要求,滿足則保留,不滿足則舍棄。這其中可能存在抽取試題重復的情況,所以抽取完成后還需要驗證組合的試卷是否存在題目重復問題。

隨機法算法的基本過程是由計算機隨機生成一個隨機數r,這個隨機數即題目編號ID,從數據庫中取出題目ID為r的題目,判斷該題目是否滿足要求,若滿足則放入試卷,否則重新產生隨機數。不斷從試卷表中抽取題目,直到達到試卷總題目數,即試卷生成完畢。算法流程圖如圖6所示。

圖6 隨機法組卷過程

2)遺傳算法。

遺傳算法是組卷算法中效果較好的算法,它采用遺傳學原理對整套試卷題目進行變換,以得到效果最好的題目。遺傳算法首先生成一個種群,種群中有固定個數的個體,個體即試卷,個體的基因即試題編號。再通過賭輪法把適應度值較高的個體選擇出來,進行交叉和變異,即進行試題的交換和替換。流程圖如圖7所示。

遺傳算法的基本操作主要包括:①初始化,隨機生成滿足“題目數量”和“題型”要求的一套考試試卷;②通過適應度函數計算出試卷的“難度系數”和“知識點分布”是否合理;③選擇,通過賭輪法選擇,適應度高的試卷更容易被選擇;④交叉,隨機選擇類型、分值一樣的題目進行交換,形成新的試卷;⑤變異是指改變試卷中的個別題目,從而形成新的試卷。

4 在線考試系統的測試

圖7 遺傳法組卷過程

老師登錄系統后左側會有教師的操作目錄,包括教師信息管理、學生信息管理、題目管理、考試管理、組卷策略管理等,如題目的管理功能,老師可以進行題目的錄入包括主觀題和客觀題的錄入;題目內容的查看;題目內容的修改以及題目的刪除等。再如組卷管理功能,老師可以錄入組卷要求,也可以修改之前已有的組卷要求。根據組卷要求,生成試卷時采用隨機法或者遺傳算法,生成需要的試卷,供學生考試需要。學生登錄后可以進行考試,考試后學生可以查看考試成績,以及查看以往考試成績。

經過學生進行模擬考試測試后,學生能夠通過該考試系統的各級考試發現自己的不足之處并逐漸地改進。如編程題目在線考試部分,它相對于紙質的編程考試要求更高、更細,不再是靜態地看語句,而是動態地執行,學生在此類考試時就會更注重代碼的規范性和正確性。再如學生考試后系統會自動評分,包括日常學習的評分(通過章節測試完成)及考試的評分,系統會綜合兩類評分結果,給出學生的綜合評分及學習重點的建議,這樣可以讓學生更有針對性地學習,取得更好的學習效果及考試結果。

5 結 語

筆者主要探索研究了如何有效地實現一個數據結構在線考試系統,老師可以在線管理考試,學生能夠在線進行考試,并且對考試組卷策略進行了分析和選擇,對考試評價方法進行了探索及分級綜合,最終使學生能在在線學習后對其學習效果進行評價。