孫澤軍，常新峰

（平頂山學(xué)院 河南 平頂山 467000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、Internet技術(shù)的發(fā)展和普及，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)作為一種全新的教學(xué)方式正逐步滲透到高等教育的教學(xué)過程中。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)突破了教師與學(xué)生在時(shí)間與空間上的距離，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源最大范圍的整合與共享，填補(bǔ)了傳統(tǒng)課堂教學(xué)過程中存在的空白，有效提升了教學(xué)效率[1]。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)是一個(gè)支持學(xué)生、教師、教務(wù)管理人員和系統(tǒng)管理員之間的交流，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的開放式平臺(tái)。它作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充及延伸，不僅可供教師網(wǎng)上教學(xué)、網(wǎng)上發(fā)布作業(yè)、教學(xué)資料等，更重要的是為學(xué)生提供課后自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)[2]，促進(jìn)學(xué)生與老師之間、學(xué)生與學(xué)生之間的溝通與交流，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

網(wǎng)絡(luò)學(xué)教學(xué)平臺(tái)學(xué)除了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與學(xué)習(xí)內(nèi)容之外，對(duì)學(xué)習(xí)效果的評(píng)估也是一個(gè)必不可少的方面，因此網(wǎng)絡(luò)考試是教學(xué)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是教育質(zhì)量保證體系中的一個(gè)重要組成部分[3]。傳統(tǒng)的考試出卷、閱卷、評(píng)分、登記全部由手工完成，數(shù)據(jù)重復(fù)抄寫，工作效率低下，浪費(fèi)大量的人力和財(cái)力[4]。而在線考試出卷、閱卷、評(píng)分等大部分工作由計(jì)算機(jī)完成大大減輕了教師工作量，提高了工作效率。但現(xiàn)有許多在線考試系統(tǒng)沒有與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)相接合，試題類型過于簡(jiǎn)單、組卷速度慢、試卷難度和隨機(jī)性很難控制。本文所設(shè)計(jì)的基于改進(jìn)遺傳算法的在線考試系統(tǒng)有效的解決了傳統(tǒng)組卷慢、題型重復(fù)、難度分布不均、組卷質(zhì)量底等問題。

1 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)系結(jié)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)包含有三大庫(kù)，教學(xué)庫(kù)、資源庫(kù)和題庫(kù)，系統(tǒng)運(yùn)行中需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行頻繁的交互操作，為了更好的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問功能，提高數(shù)據(jù)庫(kù)訪問效率和處理性能，本文在最底層數(shù)據(jù)庫(kù)上加入Nhibernate，把系統(tǒng)中訪問數(shù)據(jù)庫(kù)層與Nhibernate結(jié)合成為一體，成為數(shù)據(jù)持久層。整個(gè)平臺(tái)架框采用的是3層結(jié)構(gòu)，表示層、業(yè)務(wù)邏輯層，數(shù)據(jù)庫(kù)層與Nhibernate作為數(shù)據(jù)持久層。Spring.Net為各層提供了事務(wù)管理抽象和事務(wù)管理技術(shù)。根據(jù)以上分析，基于Spring.Net+NHibernate框架的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示。Spring.Net+NHibernate構(gòu)建多層應(yīng)用程序，架構(gòu)具有松耦合性、接口編程、并且有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Platform structure

1.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)功能

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)主要包括幾大子系統(tǒng)：教學(xué)管理、資源管理、考試管理、系統(tǒng)管理。

1)教學(xué)管理子系統(tǒng)包括在線學(xué)習(xí)、課程管理、實(shí)驗(yàn)管理、作業(yè)提交、網(wǎng)上答疑、在線自測(cè)等功能模塊。

2)資源管理子系統(tǒng)包括課件資源、視頻資源、題庫(kù)資源、其它資源等功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)資源的添加、刪除、編輯、審核等管理，提供教學(xué)資源觀看下載。

3)考試管理子系統(tǒng)包括在線考試、組卷管理、自/手動(dòng)改卷、試題管理等。主要實(shí)現(xiàn)考試課程設(shè)置，考試試題管理（試題導(dǎo)入、導(dǎo)出、添加、修改、刪除），試卷管理，試卷添加和試卷設(shè)置（包括人工試卷和隨機(jī)試卷），可以設(shè)置試卷的題型，題量以及到章節(jié)的題型和各難度的題量。能進(jìn)行考試班級(jí)的考試權(quán)限管理。試卷批改，分為自動(dòng)改卷和手動(dòng)改卷。另外還有試卷統(tǒng)計(jì)，查詢成績(jī)，成績(jī)導(dǎo)出等。

4)系統(tǒng)管理子系統(tǒng)包括系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、公告管理等功能模塊。

1.3 在線考試功能結(jié)構(gòu)

在線考試子系統(tǒng)主要包括考試管理模塊、教師模塊、學(xué)生模塊。在線考試子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 在線考試功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Online examination function structure

管理模塊：主要包括題庫(kù)管理，題庫(kù)的添加導(dǎo)入、修改、刪除、審核等操作；試卷管理，試卷狀態(tài)更改，試卷設(shè)置等；閱卷管理管理主要是對(duì)改卷進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如主觀題可設(shè)置為手動(dòng)批改或機(jī)改；考生管理主要設(shè)置考生的考試權(quán)限，如沒有打開權(quán)限，則考生不能參加考試；系統(tǒng)設(shè)置主要設(shè)置考試系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，考試時(shí)段設(shè)置，教師手動(dòng)改卷班級(jí)分配等。

教師模塊：主要包括試題管理，試題的添加、修改、刪除等操作；組卷管理，教師組卷，題型、題量、難度系數(shù)、考試內(nèi)容、考試時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間的設(shè)定等；手動(dòng)改卷，如果試卷被設(shè)定為手動(dòng)改卷，教師可以手動(dòng)批改主觀題；成績(jī)管理，教師可以查詢、導(dǎo)出、打印學(xué)生考試成績(jī)。

學(xué)生模塊主要包括學(xué)生在線考試和成績(jī)查詢功能模塊，學(xué)生抽題成功考試開始并開始計(jì)時(shí)，考生在切換試題時(shí)自動(dòng)保存答案，并且每3 min自動(dòng)保存一次。非人為原因中斷考試，學(xué)生還可重新登陸繼續(xù)考試，試題仍為首次登陸時(shí)所抽試題。

2 遺傳算法

遺傳算法是一種模擬自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)優(yōu)化算法[5]，該算法模擬達(dá)爾文的自然界遺傳學(xué)：繼承（基因遺傳）、進(jìn)化（基因突變）、優(yōu)勝劣汰（優(yōu)的基因大量被遺傳復(fù)制，劣的基因較少被遺傳復(fù)制）[6]。首先生成一定規(guī)模的初始群體，然后使其中的個(gè)體以一定的概率進(jìn)行交叉與變異，實(shí)現(xiàn)個(gè)體結(jié)構(gòu)的重組，再按預(yù)定的評(píng)價(jià)函數(shù)選擇復(fù)制優(yōu)秀個(gè)體，組成新的一代，如此循環(huán)迭代，以期最終找到滿足尋優(yōu)條件的全局最優(yōu)解[5]。

構(gòu)成遺傳算法的幾個(gè)基本要素，染色體編碼，個(gè)體適應(yīng)度，遺傳操作（包括選擇算子，交叉算子，變異算子），最優(yōu)保存策略。

1)染色體編碼使用遺傳算法求解問題時(shí)，應(yīng)把問題解的參數(shù)形式轉(zhuǎn)換成由基因編碼組成的具有一定結(jié)構(gòu)的遺傳染色體或個(gè)體，這一轉(zhuǎn)換叫做染色體編碼。

2)個(gè)體適應(yīng)度，個(gè)體適應(yīng)度是衡量個(gè)體優(yōu)劣的尺度。適應(yīng)度函數(shù)的選取至關(guān)重要，它的設(shè)計(jì)直接影響到遺傳算法的性能。

3)遺傳操作，選擇算子將按照一定的規(guī)律從群體中選擇個(gè)體。選擇個(gè)體的目的是為了強(qiáng)調(diào)群體中適應(yīng)性高的個(gè)體，并希望其后代也能具有較高的適應(yīng)性。交叉算子將多個(gè)個(gè)體進(jìn)行交叉配對(duì)，生成新的個(gè)體。一方面，它保持了原始群體中優(yōu)良個(gè)體的特性；另一方面，它使算法能夠探索新的基因空間，維持了新群體中個(gè)體的多樣性。變異算子對(duì)個(gè)體串的某些基因位置上的基因值作變動(dòng)。變異算子使得算法具有局部的隨機(jī)搜索能力，增加了群體的多樣性。

4)最優(yōu)保存策略選擇、交叉、變異操作后，再比較上下兩代最好個(gè)體的適應(yīng)度，如下降，則以上一代最好個(gè)體替換下一代的最差個(gè)體。反之則相反[5]。

3 在線考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)的遺傳算法組卷

考試系統(tǒng)的組卷方式是考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，在傳統(tǒng)的組卷算法中，大多采用隨機(jī)選取和回溯試探法。這種算法雖然簡(jiǎn)單，但是要完整地組成一張?jiān)嚲?，其時(shí)間復(fù)雜度很大[7]。遺傳算法經(jīng)常被用在在線考試系中進(jìn)行組卷，然而傳統(tǒng)的遺傳算法常采用二進(jìn)制編碼來(lái)表示，用1表示該題被抽中，0則剛好相反，表示未被抽中，這種編碼實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但這給組卷帶來(lái)了一個(gè)問題，就是試題難度和題量難控制。另外，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，常常出現(xiàn)提前出現(xiàn)收斂，遺傳算法產(chǎn)生早熟，其結(jié)果直接影響到試卷生成質(zhì)量，產(chǎn)生早熟主要是由于部分操作的誤差隨著種群多樣性減小而引起的。因此本文采用改進(jìn)的遺傳算法組卷，改進(jìn)后的遺傳算法改進(jìn)了染色體編碼方法，引入染色體庫(kù)使生成試卷的質(zhì)量得到了保證。

3.1.1 改進(jìn)的染色體編碼

遺傳算法已逐步應(yīng)用在考試組卷上，已有大量實(shí)驗(yàn)表明，解決數(shù)值優(yōu)化問題采用實(shí)數(shù)編碼的遺傳算法的效率要高得多，本文采用一種分段實(shí)數(shù)編碼機(jī)制，將一份試卷映射為一個(gè)染色體，組成試卷的各個(gè)試題映射為這條染色體的基因，編碼時(shí)將同一題型的試題放在同一段，同一段內(nèi)題號(hào)各不相同。例如組成一份試卷，包含選擇題10道，填空題5道，判斷題10道，則染色體編碼如圖3所示。題號(hào)編碼方法表達(dá)意義清楚、明確、不需解碼，從而可以提高算法性能，提高運(yùn)算效率。而且交叉和變異操作都在各段內(nèi)部進(jìn)行，因此可以保證組卷過程中各題型題量的正確匹配[8]。

圖3 染色體編碼Fig.3 Chromosome coding

3.1.2 染色體庫(kù)新個(gè)體引入機(jī)制

染色體庫(kù)的使用主要是用于保存部分優(yōu)秀個(gè)體，淘汰不滿足要求的個(gè)體。同時(shí)為了維持種群的多樣性，染色體庫(kù)中還需要保存部分有價(jià)值的非優(yōu)秀個(gè)體模式。使用染色體庫(kù)在增加種群多樣性和縮短收斂時(shí)間上的效果是比較明顯的[9]。

多人次考試過后，可以根據(jù)每次考試結(jié)果自動(dòng)分析出每一道題的抽出率、難度系數(shù)、區(qū)分度，根據(jù)設(shè)定條件可以選出優(yōu)秀個(gè)體更新染色體庫(kù)。引入染色體庫(kù)后，種群中新加入個(gè)體將以染色體庫(kù)中的個(gè)體作為母本進(jìn)行變異運(yùn)算從而使其獲得更多優(yōu)秀的個(gè)體模式。同時(shí)在種群進(jìn)化的過程中也將有部分的個(gè)體被淘汰[9]。優(yōu)秀個(gè)體的引人機(jī)制是在遺傳操作的中后期，引入多種模式，使群體在盡量保留原有搜索成果的基礎(chǔ)上使模式多樣化，它可以是含有優(yōu)良染色體的個(gè)體或單獨(dú)的染色體，由他們與原群體中個(gè)體交叉或轉(zhuǎn)基因得到更好的子代，從而提高精度。

3.2 改卷

試卷批改也是考試系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是對(duì)主觀題批改，主觀題的自動(dòng)閱卷評(píng)分是考試系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)問題。它涉及詞法分析、語(yǔ)義識(shí)別、模式識(shí)別等方面的問題[10]。通過分析人式改卷可知影響主觀題評(píng)分的因素主要有兩個(gè)：一是得分要點(diǎn)吻合度,二是學(xué)生答案和標(biāo)準(zhǔn)答案的相似度。因此可以預(yù)先制定好一套評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，然后將一道試題的總分劃分成若干個(gè)部分，將分?jǐn)?shù)分配到該試題的求解過程中一些關(guān)鍵的步驟或關(guān)鍵的語(yǔ)句上，通常稱之為得分點(diǎn)，閱卷時(shí)檢查學(xué)生答案中有幾個(gè)得分點(diǎn)，得分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)，然后再檢查學(xué)生答案和標(biāo)準(zhǔn)答案的貼近度，貼近度高則分?jǐn)?shù)高，最后再考慮學(xué)生答案語(yǔ)言是否通順，條理性是否強(qiáng)等因素，適當(dāng)對(duì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)算法采用知識(shí)點(diǎn)關(guān)鍵詞匹配法和模糊數(shù)學(xué)中的單向貼近度進(jìn)。

另外，考慮到主觀題部分計(jì)算機(jī)閱卷可能存在誤差，主觀題閱卷分為人工閱卷、計(jì)算機(jī)閱卷或兩種方式的組合，即在計(jì)算機(jī)自動(dòng)閱卷之后，人工可以對(duì)主觀題的閱卷進(jìn)行審查和補(bǔ)充，從而使系統(tǒng)對(duì)考生的成績(jī)更加合理、公正和公平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中基于改進(jìn)的遺傳算法的在線考試的研究設(shè)計(jì)。首先闡述了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的重要意義，提出了現(xiàn)有在線考試系統(tǒng)的不足。接著介紹了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及在線考試功能。然后分析和研究了傳統(tǒng)遺傳算法，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的遺傳算法，利用改進(jìn)的遺傳算法組卷。最后介紹了在線考試閱卷方法及技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及其在線考試系統(tǒng)已在平頂山學(xué)院實(shí)用，在線考試系統(tǒng)的應(yīng)用提高了組卷效率，節(jié)約了考試資源，節(jié)省了試卷批改時(shí)間，提高了考試的公平性。本考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由于時(shí)問倉(cāng)促，組卷生成算法還有待進(jìn)一步提高，不斷優(yōu)化組卷，最大程度地滿足用戶的需求，使在線考試在實(shí)際應(yīng)用中越來(lái)越完善。

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