吳 英

WU Ying

（上海政法學(xué)院，上海 201701）

0 引言

在計算機課程的教學(xué)中，把傳統(tǒng)筆試與計算機技術(shù)結(jié)合到一起的考試方式越來越被師生所接受。智能在線考試系統(tǒng)研究主要是用來實現(xiàn)學(xué)生上機考試。軟件系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)置，學(xué)生所用的計算機作為客戶端來登錄服務(wù)器獲得試題，答題完畢后網(wǎng)上提交試卷，軟件系統(tǒng)對學(xué)生的答卷按班級學(xué)號等進行分類、整理。然后進行智能化的判卷、給分（對部分題目類型能夠?qū)崿F(xiàn)）。其中，試題庫系統(tǒng)的開發(fā)一直是教學(xué)改革中的重要方面，對改進教學(xué)方法和提高教學(xué)質(zhì)量以及實現(xiàn)考試的公平性起到了很大的作用。其中全自動成卷模塊是試題庫系統(tǒng)的一個亮點。

1 在線智能考試系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成模塊

學(xué)生考試部分：注冊，登錄，驗證信息，試題下載…

系統(tǒng)管理部分：課程管理，試題管理，學(xué)生管理，成績管理及查詢，補考管理…

數(shù)據(jù)庫部分：學(xué)生基本信息，學(xué)生選課信息，課程信息，教師信息，試卷信息，各題型信息…

1.2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計

1）用戶登錄和注冊：根據(jù)用戶所屬的不同角色顯示不同的操作頁面。如考生登錄時，顯示生成試卷等待頁面；教師登錄時，顯示題庫管理頁面；系統(tǒng)管理員登錄時，顯示系統(tǒng)維護頁面。

2）角色管理：添加角色 修改用戶、刪除用戶、角色權(quán)限管理。

3）用戶管理：添加用戶、修改用戶、刪除用戶、分配用戶的角色。

4）題庫管理：（1）試題類別管理，主要實現(xiàn)試題類別的添加、刪除、修改和排序功能；（2）考試試題管理，主要實現(xiàn)試題的添加、刪除、修改和排序功能；（3）試題答案管理，主要實現(xiàn)試題答案的添加、刪除和修改功能。

5）在線答題：（1）動態(tài)隨機生成試卷，使用遺傳組卷算法動態(tài)地從題庫中取得試卷的題目，每次生成的試卷是不同的；（2）顯示整套試卷。

6）成績管理：……

2 在線智能考試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ASP .NET技術(shù)

ASP .NET是當(dāng)今最先進的開發(fā)平臺，運行在服務(wù)器端。它不僅是Active Server Page（ASP）的下一個版本，還提供了一個統(tǒng)一的Web開發(fā)模型，其中包括開發(fā)人員生成企業(yè)級Web應(yīng)用程序所需的各種服務(wù)，利用它可建立功能更加強大的Web應(yīng)用。作為Microsoft .NET平臺的一部分，ASP .NET提供了劃時代的新程序設(shè)計框架，是創(chuàng)建Web應(yīng)用的首選平臺。ASP .NET開發(fā)速度快，并且為開發(fā)、部署和運行Web應(yīng)用提供了最快捷并且可縮放性程度最高的方式。它可選擇任何一種可用的.NET編譯性程序設(shè)計語言，不需要重新編譯，極大地簡化了部署的過程，只需要將程序復(fù)制到Web服務(wù)器即可。此外，它還提供了一些對數(shù)據(jù)庫訪問的數(shù)據(jù)控件，比如DataList、Dat—aGrid控件，使得對數(shù)據(jù)庫操作更加靈活、方便。鑒于ASP .NET的以上優(yōu)勢和目前遠(yuǎn)程考試存在的問題，采用ASP .NET技術(shù)結(jié)合B/S模式，設(shè)計遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)。

2.2 使用ADO .NET訪問數(shù)據(jù)庫的方法

系統(tǒng)使用SQL Server 2000作為應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)庫，考慮實際需要，主要包括七個表，基本結(jié)構(gòu)如下：

1）角色表：角色ID，角色名稱。

2）用戶表：用戶ID，用戶名，密碼，Email，角色ID。

3）考生表：考生ID，用戶，考試時間，成績。

4）問題種類表：問題類型ID，類型名稱，問題順序號。

5）圖片表：圖片ID，圖片標(biāo)題，圖片存儲地址。

6）問題表：問題表ID，問題標(biāo)題，問題內(nèi)容，添加試題的時問，問題類型ID，問題的圖片ID，難度系數(shù)，成績。

7）問題答案表：問題ID，答案標(biāo)題，答案內(nèi)容，圖片ID，問題ID。

系統(tǒng)采用類DBConnection來封裝訪問數(shù)據(jù)庫的某些基礎(chǔ)屬性和函數(shù)，如數(shù)據(jù)庫連接字符串、添加數(shù)據(jù)庫的參數(shù)等。

2.3 基于遺傳算法的自動組卷技術(shù)

以往智能在線考試系統(tǒng)大多采用隨機選取法和回溯試探法。隨機選取法方法結(jié)構(gòu)簡單，對于單道題的抽取運行速度較快，但是對于整個組卷過程來說組卷成功率低，有時能夠抽取出一組令用戶滿意的試題。只不過由于它隨機選取試題的范圍太大，無法確定目前條件下哪些區(qū)域能夠抽取合適的試題，反而可能在那些已經(jīng)證明是無法抽取合適試題的區(qū)域內(nèi)反復(fù)選題，進行大量的無效操作進入死循環(huán)，最終導(dǎo)致組卷失敗。即使組卷成功，花費時間也令人難以忍受。回溯試探法是種有條件的深度優(yōu)先算法，對于狀態(tài)類型和出題量都較少的題庫系統(tǒng)而言，組卷成功率較好，但在實際應(yīng)用時對內(nèi)存的占用量很大，程序結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，而且選取試題缺乏隨機性，組卷時間長，對于現(xiàn)今越來越流行的考生網(wǎng)上隨機即時調(diào)題的考試過程來說，它已不符合要求。

我們從試題的數(shù)量及試題庫結(jié)構(gòu)兩個方面分析，將遺傳算法應(yīng)用到該系統(tǒng)中，努力實現(xiàn)試卷的生成和考查的知識點盡可能地接近、并由教師控制試卷的難度系數(shù)等。遺傳算法是模擬生物界適者生存、自然選擇等生物進化機制發(fā)展起來的一種高度并行、隨機和自適應(yīng)的搜索算法，是解決復(fù)雜問題的一個有效途徑。

2.4 遺傳算法的一般結(jié)構(gòu)

在設(shè)計遺傳算法時通常按以下步驟進行閉：1）編碼方案：遺傳算法求解問題．一般不是直接在問題的解空間上，而是利用解的某種編碼表示。2）確定適應(yīng)函數(shù)：適應(yīng)值是對解的質(zhì)量的一種度量。解的適應(yīng)值是演化過程中進行選擇的依據(jù)。3）選擇策略的確定：優(yōu)勝劣汰的選擇機制使得適應(yīng)值好的解有較高的存活概率。4）控制參數(shù)的選?。嚎刂茀?shù)主要包括種群規(guī)模、算法執(zhí)行的最大代數(shù)、執(zhí)行不同的遺傳操作的概率及一些輔助性的控制參數(shù)。5）算子的設(shè)計：主要有雜交、變異和再生。6）確定算法的終止準(zhǔn)則。

2.5 基于遺傳算法的組卷問題的設(shè)計

1）染色體編碼

編碼就是用一種數(shù)字排列方案來表示問題的解的方法，利用編碼將問題的解空間映射到GA算法的編碼空間。如何將問題的解轉(zhuǎn)換為編碼表達的染色體是遺傳算法的關(guān)鍵問題，即先要將問題的解空間映射成一組代碼串。編碼方案的選擇依賴于問題的性質(zhì)，并影響到算法內(nèi)操作的設(shè)計，是影響算法性能的重要因素。常見的編碼方案有二進制編碼、十進制編碼、實數(shù)編碼等。采用二進制編碼，用l表示該題被選中，O表示該題未被選中。這種編碼簡單明了，但進行交換等遺傳操作時，各題型的題目數(shù)難以精確控制。而且，當(dāng)題庫中題量很大時，編碼很長。我們采用實數(shù)編碼，將一份試卷映射為一個染色體，組成試卷的各個試題映射為基因，基因的值直接用試題的題號表示。這樣染色體的編碼可表示為（G1，G2，G3，…Gn）。其中Gi（i＝l，2，…n，n為試卷的總題目數(shù)）為試題編號。比如要組成一份選擇題5道、填空題5道、簡答題2道的一份試卷，則染色體編碼可以是：

編碼時將同一題型的題目放在一起，同時為保證一份試卷中考查點不重復(fù)，每條染色體中各基因的考查點編碼必須各不相同。由于不同的題型是從不同的題型表中取出，有可能在同一個基因串中會出現(xiàn)相同的試題編號，它們屬于不同題型，考察的知識點也未必相同。故這種情況很正常的，不影響我們進行組卷。

在實際組卷過程中，假設(shè)在試卷中每種題型的數(shù)目是固定的，且相同題型的分?jǐn)?shù)和答題時間是相同的。這樣我們將整個編碼串按照題目類型劃分為不同的功能塊，每個功能塊可以認(rèn)為是獨立的編碼。也就是說每個功能塊對應(yīng)一種特定的題型。顯然按這種規(guī)則產(chǎn)生的群體已經(jīng)滿足了試卷對題型、分?jǐn)?shù)和答題時間的要求。

2）群體的初始化

根據(jù)用戶選定的考試內(nèi)容及各種題型的題目數(shù)，按同一試卷中考查點不重復(fù)的原則，從相應(yīng)題型表中隨機抽取試題。生成初始群體，群體的大小按經(jīng)驗或?qū)嶒灲o出由于遺傳算法和其它啟發(fā)式算法一樣，不對全部解空間進行窮舉搜索。因此初始的候選解群體的選擇會對得到最終解的速度和質(zhì)量有影響，初始的候選解群體在解空間內(nèi)分布得越均勻，它們擁有的遺傳基因就越有代表性。

3）適應(yīng)度函數(shù)

在遺傳算法中，以適應(yīng)度大小來區(qū)分群體中個體的優(yōu)劣。設(shè)di（i＝1，2，… ，m，m為試卷的總題目數(shù)）表示基因串中所選試題的考查點，用集合表示用戶要求試卷中應(yīng)包含考查點的集合，生成的試卷滿足用戶關(guān)于各考查點要求的程度可以用f1的大小來評價：

可見，f1的取值范圍為：0≤f1≤1，f1的值越小，生成的試卷越接近于用戶關(guān)于各考查點的要求。

4）遺傳算子

遺傳算法的交叉概率Pc和變異概率Pm是影響遺傳算法行為和性能的關(guān)鍵所在，直接影響算法的收斂性。Pc和Pm越大，算法產(chǎn)生新個體的能力就越強。個體之間的適應(yīng)度波動比較大，產(chǎn)生新的超平面的能力比較強：Pc和Pm越小，算法使個體趨于收斂的能力越強。個體的平均適應(yīng)度比較平穩(wěn)，有可能產(chǎn)生早熟現(xiàn)象。所以我們采用自適應(yīng)的思想，在算法的運行過程中對Pc和Pm進行調(diào)整。讓它們隨著個體適應(yīng)度值的增加而變小，隨著個體適應(yīng)度值的減小而增加。由于種群中每一個功能塊對應(yīng)著一個題型，所以，為了保證每個題型的數(shù)目不變，交叉點的選擇不能破壞功能塊的完整性。假設(shè)交叉點位于第i個功能塊內(nèi)，則前i個功能塊不變，從第i+1個功能塊開始逐位交換。（交叉如果在功能塊內(nèi)也發(fā)生的話，可能會出現(xiàn)同一模塊中有重復(fù)試題的情況）。普通的變異操作可能會使用戶指定范圍外的題目出現(xiàn)在染色體中，也會使各題型的題目數(shù)難以保證，采用有條件的變異算子。即每個個體的每一個基因座上的基因都按設(shè)定的變異概率Pm，在一定范圍內(nèi)（與該基因題型相同且考查點與本個體其他題的考查點不重復(fù)）變異。通過變異算子可以達到局部搜索的目的。

5）最優(yōu)保存策略

進行了選擇、交叉、變異操作后，比較新一代的最好個體與上一代的最好個體的適應(yīng)度，如下降。則以上一代最好個體替換新一代的最差個體。此策略可以保證迄今為止的最優(yōu)個體不會被交叉、變異等遺傳運算所破壞。它是遺傳算法收斂性的一個重要保證條件。

3 結(jié)束語

我院上機考試系統(tǒng)在實施過程中存在的問題也是顯而易見的。例如：試卷的生成和考查的知識點如何盡可能地接近；交叉概率和變異概率波動度有限，導(dǎo)致某些個體產(chǎn)生早熟現(xiàn)象，未能滿足計劃中的考查點的要求等。如何改變由管理員控制試卷的難度系數(shù)，而由系統(tǒng)提高自適應(yīng)性，最終到達根據(jù)學(xué)生在考試過程出現(xiàn)的錯誤給予相應(yīng)的調(diào)整是我們需要進一步研究的。

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