王宣策　歐陽鑫玉

摘要：針對大學(xué)課程考核及題庫建設(shè)需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于改進遺傳算法的智能組卷系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Word文檔保存試題的內(nèi)容和答案;在組卷策略上采用了改進遺傳算法，詳細設(shè)計了組卷問題的染色體結(jié)構(gòu)、適應(yīng)度函數(shù)和遺傳操作等，克服了傳統(tǒng)隨機組卷方法存在的局限性，科學(xué)合理地解決了智能組卷問題。通過測試后發(fā)現(xiàn)，本智能組卷系統(tǒng)可操作性強、組卷效率高，可以顯著提高組卷的質(zhì)量，完全能夠滿足課程考核的實際需求。

關(guān)鍵詞：智能組卷;遺傳算法;系統(tǒng)設(shè)計;題庫建設(shè)

中圖分類號：TP11; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0065-03

Abstract： Aiming at the needs of university course assessment and item bank construction， an intelligent test paper generating system Based on improved genetic algorithm is designed and implemented. The system uses Word document to save the contents and answers of the test questions， and adopts improved genetic algorithm to organize the test papers. The chromosome structure， fitness function and genetic operation of the test paper problem are designed in detail， which overcomes the limitations of the traditional random test paper generation method and solves the problem of intelligent test paper generation scientifically and reasonably. After testing， it is found that the intelligent test paper generating system has strong operability， high efficiency， can significantly improve the quality of test paper， and can fully meet the actual needs of curriculum assessment.

Key words： intelligent test paper generating; genetic algorithm; system design; item bank construction

1 概述

隨著信息時代的發(fā)展，計算機已成為了人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞑豢苫蛉钡墓ぞ?，在大學(xué)教學(xué)改革過程中，也成為重要的教學(xué)輔助工具和教學(xué)管理手段。隨著高校教學(xué)改革不斷推進，利用計算機進行大學(xué)課程的題庫系統(tǒng)建設(shè)得到了廣泛的重視和應(yīng)用，各種類型的題庫及其應(yīng)用系統(tǒng)在日常教學(xué)管理中正發(fā)揮著越來越重要的作用。

在題庫系統(tǒng)建設(shè)過程中，如何保障生成的試卷能最好地滿足教學(xué)評價目標要求，是整個系統(tǒng)設(shè)計的一個難點和重點問題。傳統(tǒng)的題庫系統(tǒng)一般采用人工或隨機組卷方法，在題庫規(guī)模越大越大的情況下，很難保證所形成的試卷在質(zhì)量、難度、廣度等方面達到滿意的效果;尤其是在約束性條件越多的情況下，越難組成滿意的試卷。當前比較流行的組卷方法主要有回溯組卷算法、粒子群算法和遺傳算法等[1-4]?；厮萁M卷算法是基于隨機抽取算法，粒子群算法是通過模擬鳥群覓食行為而發(fā)展起來的一種基于群體協(xié)作的隨機搜索算法[5-6]，這兩種算法的缺點是隨機性較強;而遺傳算法是一種自適應(yīng)全局優(yōu)化搜索算法，具有全局優(yōu)化強的特點，為多目標的優(yōu)化問題提供了更好的解決方法[7]。

因而，本文將以《土木工程施工》課程為例，針對課程考核目標和要求，在遺傳算法的基礎(chǔ)上，通過適當改進后形成優(yōu)化組卷策略，設(shè)計并實現(xiàn)一個大學(xué)課程智能組卷系統(tǒng)。

2 需求分析

本項目的目標是開發(fā)一個通用、易用、高效的試題庫管理及自動組卷系統(tǒng)，要求圍繞如何實現(xiàn)科目與題型的自定義、試題的重復(fù)檢測、智能組卷等關(guān)鍵問題進行研究和設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)主界面功能需求

要求主界面簡潔美觀，可以按照用戶的要求隱藏或者顯示，可以添加四個按鈕供用戶快速操作，分別是“隱藏章節(jié)目錄”“隱藏功能區(qū)”“隱藏答案”“隱藏考點面板”。此外，還需在主界面下方添加狀態(tài)欄，顯示當前打開的題庫和登錄的用戶名。

2.2 組卷系統(tǒng)管理功能需求

為了滿足不同課程需要，本系統(tǒng)要求提供章節(jié)管理、考點管理、題型管理、試卷分類、組卷設(shè)置、試卷模板管理，使用戶能夠自定義題庫結(jié)構(gòu)。各個管理模塊界面左側(cè)采用樹形控件顯示題庫的結(jié)構(gòu)信息，并提供增加、刪除、上移、下移、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能按鈕。在章節(jié)管理中，提供章節(jié)導(dǎo)入導(dǎo)出功能。

2.3 試題模塊功能需求

系統(tǒng)應(yīng)提供單題錄入功能，在錄入時用戶需把試題的章節(jié)信息、難度、類型、分值、考察的知識點以及試題的題目、簡要答案、詳細答案進行錄入，點擊保存即可把試題錄入到系統(tǒng)中。為了讓方便客戶管理試題，系統(tǒng)應(yīng)提供批量刪除、批量修改、重復(fù)檢測、轉(zhuǎn)移試題等功能。

2.4 組卷的需求

系統(tǒng)的核心是要求具有智能組卷功能。通過實際分析，本系統(tǒng)采用基于題目編號編碼的改進遺傳算法進行智能組卷。利用該功能，用戶確定試卷整體架構(gòu)后，系統(tǒng)會給出默認的組卷約束條件，用戶也可以對約束條件中的試題總分、難度系數(shù)、考察的知識點進行重新設(shè)置，然后點擊開始抽題，系統(tǒng)便可以按照設(shè)置和模板自動組成若干套試卷。

2.5 瀏覽需求

瀏覽分為三種瀏覽方式，分別是試題瀏覽、收藏夾瀏覽和回收站瀏覽。在試題瀏覽時，必須先選中一個章節(jié)，然后可以一次瀏覽該節(jié)的所有試題。在瀏覽收藏夾和回收站時，會先判斷是否為空，如果為空則提示為空，否則則打開對應(yīng)的題目。系統(tǒng)應(yīng)提供瀏覽錄入卷和試卷庫的功能，并可以對試卷進行屬性查看和試卷導(dǎo)出。

2.6 權(quán)限控制的需求

要求在用戶設(shè)置里面，根據(jù)用戶級別的不同賦予不同的系統(tǒng)權(quán)限，對系統(tǒng)進行精細化的管理，同時也能保障系統(tǒng)的安全性，在用戶設(shè)置里面，可以對用戶信息進行管理，同時可以對系統(tǒng)中的每一種權(quán)限進行管理。

2.7 系統(tǒng)設(shè)置的需求

在系統(tǒng)設(shè)置中，系統(tǒng)需提供試題難度的五級模型，用戶可以自定義每一級的難度名稱，并能自定義系統(tǒng)的標題，給用戶最大的自由。此外，用戶還可以自由的設(shè)置遺傳算法的初始化參數(shù)，以及開機自啟動等功能。

3 總體設(shè)計

根據(jù)需求分析，本智能組卷系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容主要包括如下16個方面：

1） 系統(tǒng)主界面的設(shè)計;

2） 新建題庫;

3） 最近打開;

4） 章節(jié)管理;

5） 考點管理;

6） 題型管理;

7） 試卷分類;

8） 組卷設(shè)置;

9） 單題錄入;

10） 重復(fù)檢測;

11） 轉(zhuǎn)移試題;

12） 批量刪除和批量修改;

13） 智能組卷的設(shè)計與實現(xiàn);

14） 查看試卷庫和錄入卷;

15） 收藏夾和回收站的實現(xiàn);

16） 系統(tǒng)設(shè)置和用戶設(shè)置。

4 基于改進遺傳算法的智能組卷設(shè)計

本系統(tǒng)的智能組卷采用改進遺傳算法來實現(xiàn)，具體算法流程如圖1所示。

4.1 染色體編碼方式設(shè)計

遺傳算法首先要進行染色體的編碼設(shè)計，其實就是構(gòu)建屬于自己的一套編碼方案。在一般情況下，使用二進制編碼對特征值進行抽象比較普遍，但是對于組卷系統(tǒng)的實際情況來說，這樣的設(shè)計會導(dǎo)致基因序列會非常的冗余，而且在編碼和解碼的過程中耗費大量不必要的時間，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的運行效率非常的低。因此，本系統(tǒng)在設(shè)計的時候，每道題目的命名用一個實數(shù)進行命名，并且保存到試題的屬性中，這樣就可以把試題的名字作為染色體的基因，然后許多的試題構(gòu)成一個染色體，每一個染色體就代表一套試卷，他們建立了一種對應(yīng)關(guān)系，并且把相同題型的試題編號放在染色體的相鄰位置，以便于后期進行各種分段操作。

4.2 初始化種群設(shè)計

初始化種群的時候涉及種群的大小，這個參數(shù)應(yīng)該在系統(tǒng)中有相應(yīng)的設(shè)置，用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)置為自己想要的種群大小，這個參數(shù)的大小直接影響算法最終的結(jié)果，設(shè)置一個適當?shù)闹禃尳Y(jié)果更加的合理。另外，為了讓算法盡快地收斂，在初始化種群的時候，應(yīng)該讓個體滿足一些約束條件，本系統(tǒng)在初始化種群的過程中，讓每個個體滿足題型、題目的數(shù)量和試卷的總分這三個約束條件，這樣在后期的遺傳操作過程中，可以減少迭代的次數(shù)，提高系統(tǒng)的效率。

4.3 適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計

在遺傳算法中，通常用適應(yīng)度來表示個體的好壞，一個個體的適應(yīng)度越高，表明它的進化過程中更加的適應(yīng)環(huán)境。而適應(yīng)度的計算要根據(jù)具體的適應(yīng)度函數(shù)來決定，所以適應(yīng)度函數(shù)是設(shè)計是決定遺傳算法最終結(jié)果的關(guān)鍵。所謂的適應(yīng)度，就是判斷種群中的個體和預(yù)期想要的結(jié)果的一致性，因為在初始化的時候，已經(jīng)達到了一些要求，所以在后期判斷的時候主要考慮難度系數(shù)是否滿足設(shè)置的要求，還要把知識點的涵蓋范圍作為一個參考，總的來說，就是難度系數(shù)盡量和預(yù)期的一致，知識點涵蓋的范圍越廣越好。

通過分析，可以設(shè)計出組卷系統(tǒng)的適應(yīng)度函數(shù)。例如用戶希望得到的試卷考察[N]個知識點，但是把個體中所有題目含有的知識點放在一起，總數(shù)是有[M]個，則這套試卷的知識點分布率為[MN]。用戶希望試卷的難度系數(shù)為[P]，一個個體經(jīng)過計算后的難度系數(shù)為[p]，則適應(yīng)度函數(shù)如下：

其中，[k1]為知識點在評價適應(yīng)度中的比例系數(shù)，[k2]表示難度系數(shù)在評價適應(yīng)度中的比例。當[k1=0]時表示試題難度系數(shù)占有全部的權(quán)重，不考慮知識點的影響，當[k2=0]時表示適應(yīng)度只考慮知識點。

4.4 遺傳算子的設(shè)計

（1） 選擇算子。在遺傳算法中，肯定有的個體要被淘汰，淘汰就是通過選擇進行的，在這個過程中被選中則留下，否則就不能進行下一步的操作。選擇算子從當前進化群體中選擇適應(yīng)度高的個體，交叉算子只能從選擇算子選擇的個體中選取個體執(zhí)行交叉操作。遺傳算法中有很多的選擇策略，本系統(tǒng)采用了基本遺傳算法的選擇策略——輪盤賭方法，其具體設(shè)計為：通過適應(yīng)度函數(shù)計算出每個個體的適應(yīng)度[Fi]，種群的大小為[N]，則每個個體被保留的幾率為[Fii=0NFi]。

（2） 交叉算子。由于在設(shè)計編碼方案時每道題目的文件名稱作為一個基因，文件名稱都是一個整數(shù)，而且按照題型的不同分了幾個部分，所以在進行交叉時可以在每一段選擇一點交叉，這樣從整體來看的話染色體就實現(xiàn)了在多個地方交叉。交叉的具體步驟：每兩個染色體組合為一對，然后隨機產(chǎn)生一個數(shù)[r]，交換[r]位置及之后的共兩道題目，這樣就得到了下一代，但是還要判斷總分是否還能滿足要求。交叉后可能會使新生成的子代包含題號一樣的情況，此時可以將一樣的題號中的一個換成沒有出現(xiàn)過的題號，這樣就可以滿足要求了。

（3） 變異算子。在遺傳算法中，變異概率都比較小，考慮到這種情況，本系統(tǒng)就不再在每一段上都進行變異，而是隨意選擇一個片段中的一個基因進行變異。變異的步驟如下：在染色體長度范圍內(nèi)產(chǎn)生一個隨機數(shù)P，這個數(shù)就是基因?qū)⒁儺惖奈恢?，然后從試題庫所有題目中找一個各個屬性值和[P]位置基因差不多的題目替換掉即可。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

本智能組卷系統(tǒng)以課程題庫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用C#語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2017：社區(qū)版，運行環(huán)境是Windows XP以上。

系統(tǒng)登陸界面如圖2所示;系統(tǒng)主界面如圖3所示;組卷成功界面如圖4所示。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了以Word形式存儲的智能組卷功能，能夠增加、刪除、編輯課程目錄和對應(yīng)的題目;根據(jù)組卷設(shè)置自動生成一套試卷;方便快捷地完成目錄導(dǎo)入和導(dǎo)出，還提供了重復(fù)檢測的功能，能夠準確定位重復(fù)的試題。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個智能組卷系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了便捷的工具欄和信息豐富的狀態(tài)欄，使操作更人性化;開發(fā)遵循了傳統(tǒng)Windows應(yīng)用的布局方式;采用Word文檔保存試題的內(nèi)容和答案，解決了課程題目中的圖片、表格、公式等傳統(tǒng)組卷系統(tǒng)很難解決的問題。在組卷策略上采用了改進遺傳算法，解決了科學(xué)合理的智能組卷問題。該系統(tǒng)可操作性強、組卷效率高，顯著提高了組卷的質(zhì)量，很好地滿足了用戶的實際需求。

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