李 慧

（鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

1 研究背景及意義

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，計(jì)算機(jī)等級考試作為一種測試計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識掌握程度和上機(jī)實(shí)際操作能力的評判標(biāo)準(zhǔn)被迅速推廣起來。為了更好地幫助學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識，許多高校都建立計(jì)算機(jī)等級考試的試題庫供學(xué)生學(xué)習(xí)、檢測使用。然而，傳統(tǒng)的試題庫存在以下幾點(diǎn)缺陷：一是試題庫的維護(hù)需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間；二是隨著試題庫的不斷增大，題庫中的題目不可避免地會(huì)出現(xiàn)冗余和重復(fù)[1]。為此，本課題研究了利用本體技術(shù)建立一個(gè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識的知識庫，通過分析現(xiàn)有的江蘇省計(jì)算機(jī)等級考試的真題，總結(jié)出各類出題模式，并利用描述邏輯（Description Logic，DL）的有關(guān)理論生成多項(xiàng)選擇題的干擾項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)目前計(jì)算機(jī)等級考試中的理論題目（填空題、多項(xiàng)選擇題和判斷題）的自動(dòng)出題。

目前自動(dòng)出題系統(tǒng)雖然方法各異，但所有系統(tǒng)的基本框架都是一致的，通過總結(jié)，得出一個(gè)題目自動(dòng)生成系統(tǒng)的一般框架如圖1所示。

圖1 題目自動(dòng)生成系統(tǒng)一般構(gòu)架

圖中知識庫、語料庫和文檔是試題題目的來源，一般只考慮一種，虛線框1是填空題必須經(jīng)過的步驟，虛線框1和2是選擇題必須經(jīng)過的步驟。

2 自動(dòng)出題系統(tǒng)分析和總體設(shè)計(jì)

2.1 可行性分析

文中以江蘇省計(jì)算機(jī)一級考試的真題考試為研究對象，詳細(xì)說明自動(dòng)出題技術(shù)的技術(shù)可行性。文中隨機(jī)選擇了近幾年的江蘇省計(jì)算機(jī)一級考試的8份試卷，人工地將每份試卷中的與概念有關(guān)的試題提取出來，與概念相關(guān)的題目具體情況見表1。

表1 歷年概念題題量分析表

由表1可見，與概念相關(guān)的試題題目的比例基本達(dá)到50%，有些甚至超過50%，這就說明利用本體技術(shù)可以解決計(jì)算機(jī)一級考試中的相當(dāng)一部分試題題目。

綜合一級考試的題目特點(diǎn)，文中完全可以利用本體技術(shù)和描述邏輯技術(shù)來解決本系統(tǒng)的出題技術(shù)。本體技術(shù)主要用來解決概念的問題，邏輯描述技術(shù)可以用來解決試題中的并、非、包含、等價(jià)等形式[2]。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用DL技術(shù)，利用本體中的概念及其關(guān)系和出題策略來生成一個(gè)完整的題目題干以及正確答案。系統(tǒng)共可以生成3種類型的題目：填空題、判斷題和選擇題，也即是系統(tǒng)共有3個(gè)模塊。系統(tǒng)最后可以將生成的題目放入到試題庫中。本系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

3 自動(dòng)出題系統(tǒng)本體的設(shè)計(jì)和出題模式

文中采用的是斯坦福大學(xué)研究開發(fā)的Protégé軟件作為工具，并參考了當(dāng)前比較常用的一些本體建立方法，選取了彭勝華老師主編的《大學(xué)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)》中的第二、三章為知識源，建立了一個(gè)OWL（Web Ontology Language）測試本體[1]。

3.1 本體的建立

文中所建立的本體中，共列舉了16個(gè)概念和術(shù)語。在這些概念中共建立了86個(gè)類，其中，計(jì)算機(jī)、電腦、主機(jī)、主板、顯示器、鼠標(biāo)等被定義為類；定義了9個(gè)屬性（其中，5個(gè)對象屬性，4個(gè)數(shù)據(jù)屬性）。另外還建立了26個(gè)個(gè)體實(shí)例，如ENIAC、超級計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)等，本體定義了所選章節(jié)中具有多個(gè)屬性值的個(gè)體，比如個(gè)體“ENIAC”具有的屬性值有：所屬國家美國，加法速度為5000次／s，乘法速度為300次／s等。

類的關(guān)系中主要建立了兩類關(guān)系：一類是父類和子類的關(guān)系，如計(jì)算機(jī)和大型計(jì)算機(jī)的關(guān)系；另外一類是等價(jià)關(guān)系，即兩個(gè)類表示同一個(gè)事物，如電腦和計(jì)算機(jī)為等價(jià)關(guān)系。在建立類的關(guān)系時(shí)，還要設(shè)置互不相交關(guān)系，計(jì)算機(jī)分為巨型、大型、中型、小型和微型計(jì)算機(jī)，這些類型的計(jì)算機(jī)之間互不相交。當(dāng)然，除了個(gè)體類之間存在以上關(guān)系外，屬性的關(guān)系也存在以上兩種情況。

另外，分別建立了對象屬性關(guān)系和數(shù)據(jù)屬性關(guān)系，通過這些屬性關(guān)系，建立了個(gè)體和個(gè)體之間的聯(lián)系。比如“所屬國家”屬性是一個(gè)對象屬性，用于連接兩個(gè)個(gè)體，如“ENIAC”所屬國家為“美國”[3]。

3.2 本體的層次結(jié)構(gòu)

所建立的本體中，類的層次圖如圖3所示。

其中，owl：Thing類是由Protégé初始建立的，表示包含所有個(gè)體集合的概括類，其它任何由用戶建立的類都是該類的子孫類。在owl：Thing類下，本體共定義了5個(gè)大類：電腦、硬件屬性、國家、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中電腦和計(jì)算機(jī)屬于等價(jià)類，實(shí)際上建立的類一共4個(gè)。國家類主要用于描述個(gè)體實(shí)例的所屬地，它只有一個(gè)類元素組成。硬件屬性類主要描述硬件中的一些屬性指標(biāo)，如字長、主頻等。計(jì)算機(jī)類主要描述計(jì)算機(jī)的分類，如分為巨型、大型計(jì)算機(jī)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類主要描述計(jì)算機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)，下有軟件和硬件類。

圖3 類的層次圖

本體所建立的屬性層次圖如圖4所示。

圖4 屬性層次圖

其中有1個(gè)屬性“所屬國家”為對象屬性，專門用于描述各類計(jì)算機(jī)以及各種硬件、軟件中的個(gè)體和國家類的個(gè)體之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)類型屬性共有4個(gè)。屬性也可以有子屬性。本體中所建立的個(gè)體有26個(gè)，一個(gè)個(gè)體可以屬于多個(gè)不相矛盾的類。

3.3 基于DL Axiom的出題策略

為了更好地表示出題策略，文中根據(jù)DL和OWL的一些語法，定義了一些符號的規(guī)則：利用大寫的A，B，C，D來表示Class，利用R，S來表示屬性關(guān)系，利用小寫的a，b，c來表示個(gè)體，利用A（a）來表示個(gè)體a屬于類A，利用R（b，c）來表示個(gè)體b和個(gè)體c存在二元關(guān)系R，利用?，≡等符號來表示子關(guān)系、等價(jià)關(guān)系等。

3.3.1 基于Class的出題策略

3.3.1.1 SubClassOf關(guān)系

在本體中，一般情況下，一個(gè)類如果有子類，往往有多個(gè)子類，即Ci?D（i＞＝1）。這種情況可以填空、選擇和判斷題。

3.3.1.2 EquivalentClasses關(guān)系

判斷題的出題策略為C≡D is True or C≡D is False。填空題與多項(xiàng)選擇題的出題策略是：如果兩個(gè)類是等價(jià)的，即C≡D，可以利用這種相等關(guān)系進(jìn)行出題。如果是多項(xiàng)選擇題，其干擾項(xiàng)可以利用C的父類、子類和兄弟類等。

3.3.1.3 DisjointUnion關(guān)系

不相交集主要表述的是一個(gè)類，是由其它幾個(gè)類組成的，并且組成的這幾個(gè)類互不相交，即C＝D1∪…∪Di（i＞1，Di∩Dj＝Φ）。這種公理模式一般用以描述一個(gè)類的組成部分，如DisjointUnion（a：計(jì)算機(jī)a：軟件a：硬件）。

3.3.2 基于Property的出題策略

3.3.2.1 SubPropertyOf和 EquivalentProperties關(guān)系

在基于屬性的出題策略上，SubPropertyOf關(guān)系和SubClassOf的關(guān)系以及EquivalentProperties與EquivalentClasses的關(guān)系類似，其出題策略只需將類換成屬性即可，在此不再贅述。

3.3.2.2 利用 ObjectProperty關(guān)系

ObjectProperty關(guān)系主要用以連接兩個(gè)個(gè)體，以表達(dá)個(gè)體間的關(guān)系。

3.3.2.3 DataProperty關(guān)系

DataProperty關(guān)系主要用以連接一個(gè)個(gè)體和一個(gè)數(shù)值，即：R（a，Datatype），其中 Datatype可以是int，float等。對于多項(xiàng)選擇題，干擾項(xiàng)的選取可以采用加倍的關(guān)系，由于計(jì)算機(jī)中均采用二進(jìn)制，則一般可采用2的n次倍或者縮小2的n次倍的形式。

3.3.3 基于Individual的出題策略[4]

3.3.3.1 SameIndividual關(guān)系

SameIndividual關(guān)系主要用以描述兩個(gè)個(gè)體雖然名字不同，但實(shí)際上是指的同一事物這種情況，即a＝b，出題策略與EquivalentClasses相同，這里就不再贅述。

3.3.3.2 DifferentIndividuals關(guān)系

DifferentIndividuals關(guān)系主要描述兩個(gè)個(gè)體不相同的情況，即a≠b。

3.3.3.3 Class Assertions

Class Assertions主要描述某一個(gè)個(gè)體a屬于一個(gè)Class類的情況。例如，描述ENIAC是第一代計(jì)算機(jī)，利用類斷言可以表示為：ClassAssertion（a：第一代計(jì)算機(jī)a：ENIAC）。

3.3.4 基于 Annotation的出題策略[5]

Annotation用以對本體中的各種Class，Property和Individual進(jìn)行注釋和說明。類的注釋對于出題非常重要，類的注釋一般用以描述對該類（概念）的解釋、說明，有時(shí)候是定義，即：AA（C，String），AA 代 表 AnnotationAssertion，String為一個(gè)字符串。例如，AnnotationAssertion（計(jì)算機(jī)軟件“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序及其文檔，程序是計(jì)算任務(wù)的處理對象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料”）。對于多項(xiàng)選擇題，干擾項(xiàng)可以選擇C的兄弟類、父類、子類均可。

3.3.5 多種策略的組合[6]

以上所出的策略都是基于單個(gè)Axiom得出的，其句子結(jié)構(gòu)往往都比較簡單，為了能夠構(gòu)造復(fù)雜的出題策略，將以上策略通過并、交、連接等操作進(jìn)行組合。

以上策略都是以判斷題和子類關(guān)系為例，對于填空題和其它類型關(guān)系與前面所述類似，這里也就不再贅述。

3.3.6 自動(dòng)出題系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)[7]

系統(tǒng)根據(jù)算法中的出題策略，可以出填空題、判讀題和單項(xiàng)選擇題3種類型。系統(tǒng)對本體的訪問和操作實(shí)現(xiàn)是通過HP公司的Jena開發(fā)包來完成的。

要利用本體出題，首先要將本體文件讀入內(nèi)存（Ontology Model）中，然后遍歷整個(gè)本體，在遍歷過程中，利用各個(gè)出題策略進(jìn)行出題[8]。如果是單項(xiàng)選擇題，則根據(jù)正確選項(xiàng)和干擾項(xiàng)生成原則生成干擾項(xiàng)，判斷是否遍歷結(jié)束，如果沒有的話就繼續(xù)遍歷，直至完成遍歷。將生成的題目存放到題庫中備用。

系統(tǒng)要遍歷本體中所有類、屬性和個(gè)體，在遍歷過程中，根據(jù)出題策略生成3種類型的題目，由于類、屬性和個(gè)體的遍歷的過程相似，詳細(xì)步驟如圖5所示[9]。

圖5 自動(dòng)出題的算法流程

[1]丁向民.基于本體的多項(xiàng)選擇題自動(dòng)生成技術(shù)研究[D]：[碩士學(xué)位論文].南京：南京航天航空大學(xué)，2008.

[2]Studer R，Benjamins V R，F(xiàn)ensel D.Knowledge engineering，principles and methods[J].Dataand Knowledge Engineering，1998，25（1／2）：161－197.

[3]許春霞.基于本體和描述邏輯的信息檢索研究[D]：[碩士學(xué)位論文].南京：東南大學(xué)，2009.

[4]李華.基于本體的應(yīng)急領(lǐng)域知識表示與復(fù)用研究[D]：[博士學(xué)位論文].天津：天津大學(xué)，2008.

[5]呂秋培，解素芳，李新利，等.關(guān)于元數(shù)據(jù)及其應(yīng)用[J].檔案學(xué)通訊，2003（3）：47－50.

[6]周明.基于領(lǐng)域本體的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品檢索引擎的研究與實(shí)現(xiàn)[D]：[碩士學(xué)位論文].長沙：湖南大學(xué)，2009.

[7]劉秀琴.基于語義網(wǎng)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中領(lǐng)域本體的創(chuàng)建研究[D]：[碩士學(xué)位論文].長春：東北師范大學(xué)，2008.

[8]禚全剛.企業(yè)應(yīng)用集成中一種基于領(lǐng)域本體的WEB服務(wù)組合方法[D]：[碩士學(xué)位論文].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

[9]蘇海華.基于本體的環(huán)境信息系統(tǒng)框架[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（4）：89－92.