基于改進(jìn)蟻群算法的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)

張菊玲

(西安思源學(xué)院，文商學(xué)院，陜西，西安 710038)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，英語考試方式已從紙質(zhì)考試向自動(dòng)化智能在線考試方式轉(zhuǎn)變。自動(dòng)組卷系統(tǒng)是新型教育考評體系，可將人工智能與教育理論聯(lián)系在一起[1-2]。自動(dòng)組卷系統(tǒng)按照考試的規(guī)則和用戶制定的性能指標(biāo)，在試題庫內(nèi)抽選1組滿足要求的試卷試題，并排版打印。設(shè)計(jì)英語考試自動(dòng)組系統(tǒng)減輕教師的工作負(fù)擔(dān)，使考教分離，保證考試的質(zhì)量[3-4]，實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)的科學(xué)管理。

但以往設(shè)計(jì)的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)存在一定的缺陷，如文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的基于知識水平的改進(jìn)智能遺傳組卷系統(tǒng)，在進(jìn)行英語考試自動(dòng)組卷過程中缺乏對試題難度的控制，容易出現(xiàn)信息不對稱等問題；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的多屬性多關(guān)聯(lián)的工程圖學(xué)試題庫與多路徑智能組卷系統(tǒng)，側(cè)重于多屬性多關(guān)聯(lián)的試題，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低。改進(jìn)蟻群算法具有良好的群體智能搜索、全局尋優(yōu)能力。為了英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)更加智能化，本文采用改進(jìn)蟻群算法對蟻群算法中的信息素做更新并改進(jìn)問題求解算法。因此，本文設(shè)計(jì)基于改進(jìn)蟻群算法的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)英語考試的高效管理，增加英語考試自動(dòng)組卷的效率。

1 基于改進(jìn)蟻群算法的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提高英語考試自動(dòng)組卷效率，研究基于改進(jìn)蟻群算法的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)是由用戶管理、題庫管理、試卷管理等模塊組成。用戶管理模塊的作用是設(shè)置系統(tǒng)用戶的使用權(quán)限。用戶管理員可修改系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)。系統(tǒng)管理人員通過用戶管理模塊完成用戶權(quán)限認(rèn)證，然后實(shí)施題庫管理，在題庫管理模塊對英語考試試題實(shí)施添加、更新、刪除、統(tǒng)計(jì)、修改等操作，經(jīng)試卷管理模塊還可以實(shí)施試卷的自動(dòng)組卷與后期英語考試的評分。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 題庫管理模塊

題庫管理模塊包括試題添加、試題更新、試題修改、試題統(tǒng)計(jì)等子模塊。試題添加流程如圖2所示。由圖2可知，按照英語考試題庫設(shè)計(jì)要求，輸入適合英語考試試題表，在數(shù)據(jù)庫中包括各種信息表。例如：英語考試試題類型表、英語考試試題難度表、英語試卷信息表、知識點(diǎn)表等[7]。

圖2 試題添加流程

1.3 自動(dòng)組卷實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)組卷是系統(tǒng)中的重要部分，按照用戶需求輸入相關(guān)參數(shù)實(shí)施自動(dòng)組卷，生成符合考試要求的試卷。自動(dòng)組卷進(jìn)程如圖3所示。由圖3可知，擁有管理權(quán)限的英語老師，通過自動(dòng)組卷子模塊完成英語試卷與英語試卷答案生成。

基于改進(jìn)蟻群算法的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)的自動(dòng)組卷子模塊設(shè)計(jì)主要涉及組卷策略、組卷目標(biāo)、改進(jìn)蟻群算法尋優(yōu)求解方面。

1.3.1 組卷策略

組卷策略是試卷控制參數(shù)的主要表現(xiàn)形式。設(shè)試卷控制參數(shù)有：各題型的分?jǐn)?shù)用TWj描述、試卷的估計(jì)用時(shí)用T

圖3 自動(dòng)組卷用例圖

描述、試卷的試題類型用(j=1,2,3,4,5)描述，試卷區(qū)分度用D描述、各題型的試題個(gè)數(shù)用TNj描述、試卷的總分值用W描述、試卷的試題個(gè)數(shù)用N描述、試卷難度用P描述。其中,試卷難度P、試卷區(qū)分度D的計(jì)算，分別用式(1)和式(2)表示:

(1)

(2)

其中，各題型的難度用TPj描述。在組卷目標(biāo)中加入TPj的限制條件，為了避免因個(gè)體性難度高對試卷均分的影響。各題型的難度TPj描述為

(3)

1.3.2 組卷目標(biāo)

生成試卷的期望目標(biāo)，用試卷控制參數(shù)的定量值描述[8-10]。系統(tǒng)中的組卷目標(biāo)如下。

(1) 試卷要求的試題個(gè)數(shù)用NR描述，與試卷的實(shí)際試題個(gè)數(shù)相等，具體如式(4):

(4)

(2) 試卷要求的總分用WR描述，與試卷中全部題型的實(shí)際總分相等，具體為

(5)

(3) 試卷要求的考試時(shí)間用TR描述，與試卷中全部試題的實(shí)際考試時(shí)間總和相等，具體如式(6):

(6)

其中,第i題的答題時(shí)間用Ti描述。

(4) 要求的難度用PR描述與試卷的實(shí)際難度用P描述大致相同，具體如式(7):

(|PR-P|/PR)≤ωP

(7)

其中，試卷的難度誤差限定比率用ωP描述。

(5) 要求的區(qū)分度用DR描述與試卷的實(shí)際區(qū)分度用DR描述大致相同，具體為

(|DR-D|/DR)≤ωD

(8)

其中，試卷的區(qū)分度誤差限定比率用ωD描述。

(6) 要求的難度用TPj描述與各題型的實(shí)際難度用TPRj描述大致相同，具體為

(|TPRj-TPj|/TPRj)≤ωPj

(9)

其中，題型J的難度誤差限定比率用ωPj描述。

1.3.3 改進(jìn)蟻群算法

自動(dòng)組卷子模塊采用改進(jìn)蟻群算法減少被選取試題的信息素，提升沒有被選取的試題選中的概率，實(shí)現(xiàn)英語考試智能化自動(dòng)組卷。

(1) 信息素的初始化與更新。各個(gè)試題的信息素與權(quán)重成正比，每個(gè)范圍里的連續(xù)區(qū)間，權(quán)重越低，信息素值越小，被選取的概率越低。信息素取值用1個(gè)區(qū)間的權(quán)重描述。

假設(shè)：1個(gè)長度區(qū)間用L描述，設(shè)置一個(gè)要求是為了減少計(jì)算開銷，降低試題選擇相差的懸殊。設(shè)置要求如式(10)：

L>(tmin×Q)×n

(10)

其中，參數(shù)系數(shù)用n描述，最小權(quán)重是選取的信息素的最小值用tmin描述，題庫中試題的總數(shù)用Q描述。

在系統(tǒng)運(yùn)行以前，設(shè)置初始值L，擴(kuò)增長度區(qū)間來滿足試題數(shù)量的增加區(qū)域。如果L沒有符合條件時(shí)，擴(kuò)增規(guī)則如式(11)：

(11)

其中，參數(shù)系數(shù)用m描述。

為了保證1個(gè)空間合理的選取范圍，需對L實(shí)施更新。

(a) 新插入題目情況下。對新插入的題目，如式(12)：

(12)

對原有的題目，如式(13):

(13)

其中，原有試題原始信息素用told描述，設(shè)定的長度區(qū)間用L描述，原有題目的個(gè)數(shù)用Q描述。

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，插入題目信息素平均值的新題信息素，在原有題目分值上降低占有權(quán)重。

(b) 考試結(jié)束后對試題信息素更新情況。被選中的題目用i描述，具體如式(14)：

(14)

其他題目用j描述，具體如式(15)：

(15)

降低考試內(nèi)已選試題的信息素，減少試題的重復(fù)率，增加其他試題被選概率。

(2) 路徑構(gòu)建。螞蟻尋食的路徑構(gòu)建是在符合約束條件時(shí)，在題庫內(nèi)按照信息素選取試題。將此方法用在試題集的選擇中，若選中第i題，第j題選中概率如式(16)：

(16)

其中，啟發(fā)式信息用ηj描述，啟發(fā)式信息的相對影響力由參數(shù)β決定，第j題的信息素用tj描述，信息素由參數(shù)α決定，選中第i題后再選取第j題選中概率用Qij描述,選中第i題后可被選的試題集用Ni描述。

2 實(shí)驗(yàn)分結(jié)果與分析

為了評估本文系統(tǒng)的性能，在Windows Server 2018測試環(huán)境下，運(yùn)行內(nèi)存為6 G，實(shí)驗(yàn)對比系統(tǒng)采用文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)基于知識水平的改進(jìn)智能遺傳組卷系統(tǒng)、文獻(xiàn)[6]的多屬性多關(guān)聯(lián)的工程圖學(xué)試題庫與多路徑智能組卷系統(tǒng)，分別應(yīng)用3種系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)某學(xué)校試題庫的構(gòu)建。將600道試題按要求存于試題庫中，屬性值均用隨機(jī)，其中計(jì)算題200道，單選、多選各200道。設(shè)置組卷要求：英語考試試卷總體難度是0.5、英語考試時(shí)間估時(shí)是120 min英語考試試卷總分是100分。實(shí)驗(yàn)中迭代次數(shù)為200次。采用LoadRunner模擬該學(xué)校英語考試分別選取200、400、600、800、1 000、1 200、1 600名英語考試學(xué)生，同時(shí)參數(shù)英語考試。英語考試中采用設(shè)置用戶思考與反應(yīng)時(shí)間是1 s。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置：tmin=12、L=10 000、n=12、m=2、α=1、β=2。通過3種系統(tǒng)分別實(shí)施30次組卷，組卷成功次數(shù)，用圖4描述。平均每次組卷時(shí)間，如圖5所示。由圖4、圖5可知，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)組卷成功次數(shù)為25次，平均組卷時(shí)間高達(dá)29 ms；文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)組卷成功次數(shù)為22次，平均組卷時(shí)間高達(dá)26 ms；而本文系統(tǒng)在迭代次數(shù)100次時(shí)組卷成功次數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，且組卷成功次數(shù)為30次，平均組卷時(shí)間低至15 ms，表明本文系統(tǒng)組卷成功率高、組卷速度快。

圖4 組卷成功次數(shù)

圖5 平均組卷時(shí)間

在LoadRunner軟件測試下，3種系統(tǒng)的負(fù)載測試比較結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，本文系統(tǒng)的負(fù)載對比文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢。在多名考生同時(shí)參加考試，本文系統(tǒng)平均CPU占用率為32%，比另外2個(gè)系統(tǒng)低23%、10%，且平均內(nèi)存占用率為1.63 GB比另外2個(gè)系統(tǒng)節(jié)省0.44 GB、0.14 GB；本文系統(tǒng)考生提交答案平均保存時(shí)間為14.56 ms比另外2個(gè)系統(tǒng)快13.07 ms、5.07 ms。因此，本文系統(tǒng)CPU與內(nèi)存占用率低，系統(tǒng)保存答案速度快，系統(tǒng)負(fù)載較好。

(a) CUP占有率

為驗(yàn)證本文方法自動(dòng)組卷的有效性，分別對某學(xué)校會(huì)計(jì)專業(yè)的部分學(xué)生進(jìn)行人工試卷與自動(dòng)組卷試卷英語考試，具體考試成績對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同試卷的同一類學(xué)生的考試成績比較

由表1可知，相比人工組卷，本文自動(dòng)組卷試卷的同一類學(xué)生的考試成績較高，能夠有效驗(yàn)證本文方法自動(dòng)組卷的有效性。

3 總結(jié)

為了提高英語考試自動(dòng)組卷的效率，研究基于改進(jìn)蟻群算法的英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合英語考試的標(biāo)準(zhǔn)，組卷成功率高、組卷時(shí)間迅速。由于本人時(shí)間與精力有限，仍有很多問題需深入研究。下一步主要的研究方向如下：

(1) 運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，在英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)原有功能的基礎(chǔ)上開發(fā)出適合學(xué)生學(xué)習(xí)的模塊，為學(xué)生提供更多學(xué)習(xí)英語的機(jī)會(huì)；

(2) 深入研究更好的算法不斷更新完善英語考試自動(dòng)組卷系統(tǒng)。