汪靜 謝深圳

摘 要：本文對(duì)基于遺傳算法的智能組卷考試系統(tǒng)進(jìn)行研究。遺傳算法具有根據(jù)用戶(hù)的具體需求能夠自動(dòng)修正的特殊優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用在智能組卷考試系統(tǒng)中。本文旨在研究開(kāi)發(fā)一個(gè)功能相對(duì)完善的考試系統(tǒng)，系統(tǒng)使用的是一種改進(jìn)型的遺傳算法。該考試系統(tǒng)具有良好的功能優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)維護(hù)成本低，具有較高的使用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遺傳算法;智能組卷;考試系統(tǒng)

在計(jì)算機(jī)廣泛普及及人工智能飛速發(fā)展的時(shí)代背景下，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與教育的相互融合，傳統(tǒng)的考試方式在滿(mǎn)足教育的發(fā)展要求下明顯力不從心，而智能組卷系統(tǒng)的應(yīng)用是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。如何提高考試的高效性和公平客觀性是目前教學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)核心問(wèn)題。智能組卷和自動(dòng)評(píng)分閱卷不僅使得考試更加客觀公正，而且能夠降低整個(gè)考試過(guò)程中教師出題及閱卷的工作量，節(jié)約大量的人力和物力資源。

智能考試系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)支持下，可以有效地簡(jiǎn)化考試的過(guò)程。通過(guò)建立試題庫(kù)，使用試題庫(kù)完成自動(dòng)生成試卷，是促進(jìn)考試規(guī)范化、科學(xué)化發(fā)展的必由之路。在與計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)飛快發(fā)展的大環(huán)境下，設(shè)計(jì)一套組卷效率高、性能好的智能組卷考試系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)各類(lèi)考試向自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，具有極其現(xiàn)實(shí)的實(shí)用價(jià)值與意義。本文旨在研究開(kāi)發(fā)一個(gè)功能相對(duì)完善的考試系統(tǒng)，系統(tǒng)使用的是一種改進(jìn)型的遺傳算法。

一、智能組卷

1.智能化。智能化指試題庫(kù)管理系統(tǒng)能夠按照考題的作答狀況來(lái)自動(dòng)生成分析試卷的有關(guān)信息，用戶(hù)還能夠以此為參考修正試題的屬性。人工智能技術(shù)的發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)領(lǐng)域添加了一些新鮮元素。本系統(tǒng)中“智能”是指智能查詢(xún)和智能自動(dòng)成卷。

2.組卷。組卷是指把符合試卷相關(guān)屬性項(xiàng)的題目在題庫(kù)中取出，并組成滿(mǎn)足用戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)的試題卷。組卷在題庫(kù)管理模塊中擔(dān)任的是非常重要的角色。在輸入一定的限制參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)參照給定參數(shù)值選取最接近該值的試卷，以便考生作答，定義相關(guān)參數(shù)和操作這些參數(shù)變化的算法，稱(chēng)為組卷策略。組卷策略的本質(zhì)是將組卷參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器可以運(yùn)行的試卷的屬性項(xiàng)，之后按照屬性項(xiàng)的要求，從題庫(kù)中選取試題生成試卷。組卷策略是用戶(hù)對(duì)試卷的具體要求約束和條件。

3.智能組卷?！爸悄芙M卷”是應(yīng)用人工智能，在題庫(kù)中自動(dòng)選取試題，并構(gòu)成符合不同屬性需求的試卷的過(guò)程。“智能組卷”成功的前提是適宜的知識(shí)儲(chǔ)備庫(kù)和高精度的算法模型。鑒于生成的試卷必須應(yīng)用在實(shí)際的考試當(dāng)中，建立知識(shí)儲(chǔ)備庫(kù)和構(gòu)建算法模型時(shí)，不僅要顧及試題難度、知識(shí)點(diǎn)涵蓋等具體要求，而且還必須要兼顧題型分布和內(nèi)容分布，以及試題分值和平均分，乃至及格率等等相關(guān)方面。也可以這樣認(rèn)為，用戶(hù)只需要輸入一定試題要求，包括考試內(nèi)容和難度級(jí)別以及題型等屬性，系統(tǒng)內(nèi)部可以通過(guò)計(jì)算自動(dòng)組成符合要求的試卷。

二、遺傳算法

選擇合適的優(yōu)化算法是許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須經(jīng)歷的一個(gè)重要設(shè)計(jì)過(guò)程。一個(gè)好的算法在創(chuàng)建高性能系統(tǒng)中起著重要的作用，可以事半功倍。通過(guò)研究和對(duì)比基于深度與廣度搜索算法、基于粒子群算法、基于變量算法或隨機(jī)函數(shù)、基于遺傳算法、基于項(xiàng)目反應(yīng)理論、基于人工魚(yú)群算法等幾種常用的智能組卷算法，分析各種智能組卷算法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，在綜合比較無(wú)數(shù)實(shí)際案例的基礎(chǔ)上，最終選擇了遺傳算法為智能組卷系統(tǒng)的基本操作算法。

所有算法都離不開(kāi)對(duì)問(wèn)題的編碼，這是實(shí)現(xiàn)問(wèn)題特征映射的必要過(guò)程，從而可以隨機(jī)生成初始種群。遺傳算法，由表示題目可能潛在的答案的集合的一個(gè)種群開(kāi)始，當(dāng)初始代的種群成立以后，依據(jù)適者生存和優(yōu)勝劣汰的生物學(xué)法則，每代逐步進(jìn)行演繹進(jìn)化組成表現(xiàn)愈來(lái)愈適合環(huán)境的相近解。每一代按照現(xiàn)有個(gè)體在題目空間里的適應(yīng)度選擇優(yōu)勢(shì)個(gè)體。與此同時(shí)，利用自然遺傳學(xué)中的遺傳算子做出組合交叉和變異等仿生物學(xué)行為，從而獲得能夠表現(xiàn)新的解的集合種群。此種方式，能夠讓種群如自然進(jìn)化一樣，后代種群相比前代更能適應(yīng)當(dāng)下的環(huán)境。末代種群中存在的最佳個(gè)體通過(guò)解碼操作便稱(chēng)為題目的相近最優(yōu)解。遺傳算法可以模擬自然進(jìn)化過(guò)程，進(jìn)而得到最佳答案。遺傳算法中相關(guān)的定義：種群，由通過(guò)基因編碼的特定數(shù)量的個(gè)體組成;個(gè)體，是染色體具有某種特征的實(shí)體;染色體，是內(nèi)部的某個(gè)基因組合能夠確定每個(gè)個(gè)體在外部所表現(xiàn)出形態(tài)的物質(zhì)，有遺傳物質(zhì)的主要載體便是染色體。

“適者生存，適者生存”是遺傳算法的基本工作原理，從初始種群中選出個(gè)體，其中選出適應(yīng)度值越高的個(gè)體的概率越高。然后，通過(guò)交叉操作對(duì)選定的兩條染色體進(jìn)行基因交換，從而產(chǎn)生新的群體，實(shí)現(xiàn)變異操作。

三、遺傳算法在組卷中的應(yīng)用研究

遺傳算法作為一種具有開(kāi)放特性的普適算法，它的操作程序無(wú)需遵從某種固定的模式。每份試卷都有對(duì)應(yīng)的染色體，每個(gè)試題對(duì)應(yīng)染色體上的基因，每個(gè)試題數(shù)構(gòu)成染色體編碼，不同組之間的編碼是相互獨(dú)立的。通過(guò)設(shè)置約束條件（如比率、題目數(shù)量和總分）生成隨機(jī)總體。它不僅能夠?qū)唧w要求進(jìn)行一定的調(diào)整，還能結(jié)合其他策略改進(jìn)算法。因此當(dāng)使用遺傳算法求解問(wèn)題時(shí)，可以依照用戶(hù)的具體需求來(lái)修正算法。如何根據(jù)實(shí)際問(wèn)題來(lái)改進(jìn)和修正遺傳算子是我們要解決的問(wèn)題?？梢越档退惴ǖ挠?jì)算量和復(fù)雜度，提高了運(yùn)算效率，保證種群規(guī)模的合理性。在多約束條件問(wèn)題的求解上，遺傳算法可以以不變應(yīng)萬(wàn)變。所以遺傳算法適合應(yīng)用在智能組卷系統(tǒng)中。依托遺傳算法的特殊優(yōu)勢(shì)，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能需求和其他需求，開(kāi)發(fā)出一個(gè)高效實(shí)用的基于遺傳算法的考試系統(tǒng)。

智能組卷系統(tǒng)根據(jù)開(kāi)發(fā)人員預(yù)先設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，可以根據(jù)高校的考試要求，直接從試題庫(kù)中篩選出所需的試題，并利用遺傳算法將其組合成一張新的、完整的試卷。具有能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別的重組試卷的要求和必要參數(shù)是實(shí)現(xiàn)智能試卷功能的重要前提。智能組卷的整個(gè)過(guò)程中首先需要根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，高校教師應(yīng)輸入各種要求和參數(shù)組成試卷，其次是對(duì)試卷的指標(biāo)體系進(jìn)行建模分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析相應(yīng)的模型，選出試題并進(jìn)行重組。抽取出正確的試題，組合符合要求的試卷。

四、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

為了有效地反映考試成績(jī)，對(duì)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了分析，要求智能組卷系統(tǒng)必須正確、穩(wěn)定地運(yùn)行?？茖W(xué)合理的試卷對(duì)學(xué)生的考試起著重要的作用。紙張的形成方式是否規(guī)范尤為重要。在試卷的制作過(guò)程中，試卷應(yīng)包括試題的類(lèi)型、難度、區(qū)分度、認(rèn)知水平、合理性等內(nèi)容。本文力求設(shè)計(jì)的智能組卷考試系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

1.功能齊全：除了考試系統(tǒng)具有的基本功能外，系統(tǒng)還應(yīng)具有考試計(jì)時(shí)管理，用戶(hù)操作權(quán)限管理等功能。2.界面友好： 整合系統(tǒng)對(duì)初次使用的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單，容易掌握功能模塊操作方式。3.性能優(yōu)異：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，支持頁(yè)面自動(dòng)刷新，避免系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，信息調(diào)用反應(yīng)慢的現(xiàn)象。4.成本低：在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在不影響運(yùn)行效率的情況下，對(duì)客戶(hù)端和服務(wù)器端設(shè)備的配置要求應(yīng)盡可能的低，從而減少開(kāi)發(fā)成本。5.兼容性高：開(kāi)發(fā)時(shí)要考慮之后的升級(jí)應(yīng)不影響系統(tǒng)的正常使用，易于未來(lái)維護(hù)。

智能組卷考試以其無(wú)與倫比的優(yōu)越性令普通考試只能望其項(xiàng)背，無(wú)法正面對(duì)抗。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智能考試系統(tǒng)，可以為學(xué)生提供一個(gè)簡(jiǎn)單快捷的考試環(huán)境，可以方便教師快捷、方便地生成試卷，進(jìn)而解放教師的工作量。本文研究開(kāi)發(fā)的是一個(gè)功能全面、性能優(yōu)越、低成本的系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣闊，有較好的實(shí)用價(jià)值和意義。不僅可以減輕教師的工作量，還對(duì)當(dāng)前教育領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

【1】柯岷.基于人工智能的考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).《電子設(shè)計(jì)工程》，2018.12.20

【2】溫靜，郝大治，張曉峰.基于遺傳算法的智能組卷考試系統(tǒng)研究.《科技傳播》2017.11.23

【3】蘭青青.基于遺傳算法的智能組卷考試系統(tǒng)設(shè)計(jì).《信息系統(tǒng)工程》2017.5.20

【4】呂海燕，周立軍，宦婧，張杰.通用在線考試系統(tǒng)智能組卷遺傳算法設(shè)計(jì).《計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化》.2016.12.15