摘 要：現(xiàn)如今，計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的紙質(zhì)試卷方式，大幅度減少了監(jiān)考教師的工作量。應(yīng)當(dāng)注意到遺傳算法在其中也起到了非常重要的作用。文章簡(jiǎn)單描述了什么是遺傳算法，然后結(jié)合實(shí)例詳細(xì)闡述了遺傳算法在計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)的應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；計(jì)算機(jī)；考試系統(tǒng)

遺傳算法的整體搜索策略、優(yōu)化搜索方法在計(jì)算時(shí)可以不借助梯度信息以及其他輔助知識(shí)，只需要借助可影響搜索方向的目標(biāo)函數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)。也就是說(shuō)遺傳算法提供了一種實(shí)用、高效地復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題解決框架。也正因?yàn)槿绱?，遺傳算法的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。其中計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)便是其中之一。近年來(lái)，隨著IT行業(yè)的發(fā)展，基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)研究也越來(lái)越成熟[1]。

1 遺傳算法概述

遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論中的自然選擇、生物進(jìn)化過(guò)程的一種過(guò)程搜索最優(yōu)解方法。這種算法是1975年美國(guó)Holland教授提出的。具有可以直接操作結(jié)構(gòu)對(duì)象、無(wú)連續(xù)求導(dǎo)限制、全局尋最優(yōu)解、內(nèi)在隱并行性的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，遺傳算法可采用概率化方法，自動(dòng)化獲取、搜獲、調(diào)整得到最優(yōu)解。正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)，遺傳算法被廣泛應(yīng)用在信號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面。尤其是在計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，遺傳算法作為其中關(guān)鍵技術(shù)之一，起到了非常重要的作用[2]。

2 基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)框架

計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：（l）服務(wù)器端。服務(wù)器端又可分為3個(gè)模塊，即教師信息管理模塊，在這個(gè)模塊中可以進(jìn)行教師信息的增、刪、改、查；考試成績(jī)回收模塊。其主要功能就是從學(xué)生客戶(hù)端回收評(píng)分成績(jī)；數(shù)學(xué)備份模塊，主要是對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，一旦發(fā)生意外情況，可自動(dòng)恢復(fù)。（2）教師客戶(hù)端。其中包括考試信息管理模塊、學(xué)生信息管理模塊、試題維護(hù)模塊、考試狀態(tài)管理模塊4個(gè)部分。其中考試信息管理模塊主要提供設(shè)置考試班級(jí)、日期、市場(chǎng)以及試卷組建、分配功能；學(xué)生信息管理模塊主要就是對(duì)學(xué)生信息進(jìn)行增、改、刪、查；試題維護(hù)模塊主要是指對(duì)試題的增、刪、改、查；考試狀態(tài)管理是指實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生參加考試、正在考試、未參加考試3種狀態(tài)的管理，這一模塊能有效幫助教師實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)時(shí)監(jiān)控。（3）學(xué)生客戶(hù)端。該部分包括試題下載、自動(dòng)評(píng)分兩個(gè)模塊。在試題下載模塊中，學(xué)生完成登錄后，就可通過(guò)該模塊將試題下載到本地。當(dāng)學(xué)生完成答卷之后，單擊“交卷”，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)學(xué)生試卷自動(dòng)閱卷，評(píng)分并將其最終結(jié)果傳送到服務(wù)器端。另外，如果考試時(shí)間為零，系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行自動(dòng)閱卷、評(píng)分，并發(fā)送到服務(wù)器[3]。

2.2遺傳算法應(yīng)用原理

在計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)中包含多套考試題，在考試過(guò)程中系統(tǒng)可依照成套標(biāo)準(zhǔn)靈活選擇試題。但以往的組卷方法靈活度不足，無(wú)法有效控制試題選取。因而，為了進(jìn)一步提高試題的靈活性，實(shí)現(xiàn)重新組卷，可采用遺傳算法。這樣便能模擬自然遺傳規(guī)律，搜索最優(yōu)解。其主要應(yīng)用步驟包括：應(yīng)用遺傳算法理論進(jìn)行組卷問(wèn)題分析；先定義染色體，實(shí)現(xiàn)試題編碼；而后初始化種群，并對(duì)種群進(jìn)行遺傳算法操作；經(jīng)過(guò)選擇、交叉、變異，搜索到最優(yōu)解后算法停止。其中交叉操作是指對(duì)于不同的染色體利用某種方式使其部分基因交換，這樣就可以形成一個(gè)新的染色體。常見(jiàn)的交叉方法包括單點(diǎn)交叉、多點(diǎn)交叉、均勻交叉。選擇操作是指在完成某個(gè)染色體個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值計(jì)算后，采用輪盤(pán)賭選擇機(jī)制進(jìn)行選擇；變異操作是指用其他字符代替某個(gè)染色體編碼串的部分基因，對(duì)于計(jì)算機(jī)算法來(lái)說(shuō)，其變異方式包括二進(jìn)制編碼染色體變異、浮點(diǎn)編碼染色體變異。可以說(shuō)遺傳算法應(yīng)用組卷，既能保證高效的組卷速度，也能保證試卷質(zhì)量。但需要注意的是傳統(tǒng)的遺傳算法容易出現(xiàn)過(guò)早收斂的問(wèn)題。隨后，隨著遺傳算法研究的深入，多種能夠彌補(bǔ)過(guò)早收斂問(wèn)題的遺傳算法走進(jìn)了人們的視野。如單親遺傳算法、基于概率和自適應(yīng)遺傳算法、采用功能結(jié)構(gòu)改進(jìn)遺傳算法等。

2.3遺傳算法應(yīng)用實(shí)踐分析

本文主要針對(duì)一種改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行了分析。其主要應(yīng)用步驟如下[4-5]。

2.3.1編碼

以往傳統(tǒng)的遺傳算法編碼算法主要是應(yīng)用二進(jìn)制編碼方式。這種編碼方式能科學(xué)地、迅速地表達(dá)出多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。但二進(jìn)制編碼的編碼長(zhǎng)度較長(zhǎng)、搜索空間較大，其搜索效率較低。本文提出了一種基于實(shí)數(shù)矩陣的編碼方式，既能有效減少個(gè)體編碼時(shí)間，也能提高求解速度，從而盡可能快地完成最優(yōu)試卷的求解。其基本思想是：先將試題庫(kù)中的每個(gè)試題作為分析對(duì)象，而后對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)數(shù)編碼。如果試題具有Ⅳ_個(gè)屬性值，那么其特征向量則應(yīng)為N+l維，維與組卷參數(shù)一一對(duì)應(yīng)。比如難度、題型等。其中的主要映射方式是：試卷與矩陣染色體對(duì)應(yīng)，試題與矩陣向量對(duì)應(yīng)，試題屬性就是染色體基因位。

2.3.2適應(yīng)度設(shè)計(jì)

適應(yīng)度在遺傳算法中起到了非常重要的作用。通過(guò)適應(yīng)度參數(shù)能夠定量地分析種群個(gè)體在遺傳計(jì)算中能夠達(dá)到的最優(yōu)解。這樣就能夠進(jìn)行多種遺傳算法操作，并且還能夠有效控制算法終止條件。也就是說(shuō)適應(yīng)度對(duì)遺傳算法的收斂有著非常大的影響。在設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)時(shí)，由于其函數(shù)定義域無(wú)條件限制，因而采用將定義域限制為不同的集合。在選擇使用度函數(shù)時(shí)，應(yīng)保證函數(shù)的區(qū)別性，從而保證即便是輸入不同，在計(jì)算后也能夠保證輸出的可區(qū)分，最終提高搜索效率。

針對(duì)組卷問(wèn)題，在設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)時(shí)可應(yīng)用一種基于線性尺度變換的適應(yīng)度函數(shù)。其主要操作方法是目標(biāo)屬性賦權(quán)值、組合目標(biāo)函數(shù)、計(jì)算整體適應(yīng)值。為了保證種群的多樣性，可以將指數(shù)比例變換方法應(yīng)用到適應(yīng)度設(shè)計(jì)中，如采用F=exp （-af），作為目標(biāo)函數(shù)。

2.3.3種群初始化

種群初始化的關(guān)鍵在于起點(diǎn)選擇。以往的遺傳算法采用的隨機(jī)方式進(jìn)行種群初始化。雖然這樣能提高種群的多樣性，但是若將其應(yīng)用在組卷中，則達(dá)不到良好的組卷效果。為此，在種群初始化時(shí)應(yīng)加以改進(jìn)、優(yōu)化。如可以采用這樣一種種群初始化方法：依據(jù)知識(shí)點(diǎn)、題型對(duì)試卷的約束，綜合分析系統(tǒng)參數(shù)，最終得到最優(yōu)試卷種群。

2.3.4改進(jìn)遺傳算子

之所以進(jìn)行遺傳算子改進(jìn)是為了保證算法更加科學(xué)，滿足組卷要求。結(jié)合傳統(tǒng)的基礎(chǔ)選擇、變異、雜交算子，對(duì)傳統(tǒng)選擇算子可以采用基于適應(yīng)值排序的選擇方法，以降低比例變換參數(shù)對(duì)算子的影響；對(duì)傳統(tǒng)雜交算子，可采用分段多點(diǎn)雜交方法，避免雜交子代的沖突；對(duì)傳統(tǒng)變異算子，可采用分段多點(diǎn)變異方法，以保證在題型、知識(shí)點(diǎn)的情況下，進(jìn)行新舊試卷更換。

2.3.5算法實(shí)現(xiàn)

首先，在算法過(guò)程中。試題數(shù)據(jù)庫(kù)選擇SQL Server2000，同時(shí)采用MATLAB2010進(jìn)行算法編碼。其試題的基本參數(shù)主要包括題型、難度、曝光度、區(qū)分度、知識(shí)點(diǎn)。其中題型包括選擇、填空、判斷、計(jì)算、簡(jiǎn)單共5個(gè)。難度包括較難、難、中、易、較易5個(gè)。曝光度分為9種。區(qū)分度也分為9種。知識(shí)點(diǎn)共100個(gè)。在應(yīng)用遺傳算法時(shí)，對(duì)于參數(shù)設(shè)置可將其進(jìn)化代數(shù)設(shè)置為1 000，種群規(guī)模分為10，20，50 3種。其算法流程主要包括：開(kāi)始、染色體編碼、種群初始化生產(chǎn)、依據(jù)適應(yīng)度排序。而后如果滿足停止條件，則進(jìn)行試卷編排、輸出，最終結(jié)束。如果不滿足停止條件，則要進(jìn)行遺傳選擇操作，雜交操作，變異操作，并返回到適應(yīng)度排序操作，繼續(xù)循環(huán)下去，直至滿足停止條件，進(jìn)行試卷編排、輸出后，結(jié)束算法。通過(guò)應(yīng)用結(jié)果能夠看出采用這種算法能夠有效提高種群群體平均適應(yīng)值的收斂速度，且能夠保證基本上都可以達(dá)到最優(yōu)值。最重要的是能保證指標(biāo)誤差小于1%。如果種群規(guī)模不同，其遺傳進(jìn)化速度也會(huì)有所不同。也就是如果迭代代數(shù)增加，則種群規(guī)模變大，進(jìn)化速率提升。 總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)用上述算法具有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：（l）能夠降低算法過(guò)程沖突。比如在種群初始化階段，可根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)置；其基因變異、染色體雜交算子基本是同題型、通知識(shí)點(diǎn)變異，在變異操作時(shí)能避免數(shù)據(jù)庫(kù)沖突。（2）試題編碼方式有助于系統(tǒng)試題屬性擴(kuò)展。（3）分段雜交算子能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)知識(shí)點(diǎn)的穩(wěn)定，減少題庫(kù)中存在試題編號(hào)的問(wèn)題。

3 計(jì)算考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1需求分析

首先，在用戶(hù)需求方面，結(jié)合實(shí)際分析能夠發(fā)現(xiàn)基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)應(yīng)滿足一下幾個(gè)要求：操作靈活、安全穩(wěn)定、高效。其次，在功能需求方面，其計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)應(yīng)包括題庫(kù)管理、組卷、統(tǒng)計(jì)分析、教師和學(xué)生管理[6]。

3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

之前已經(jīng)提到了系統(tǒng)的三大客戶(hù)端及其每個(gè)客戶(hù)端下屬的功能模塊。為此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證每個(gè)功能模塊都能夠?qū)崿F(xiàn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是采用B/S結(jié)構(gòu)模式，對(duì)用戶(hù)操作界面、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、題庫(kù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等部分進(jìn)行層次處理，從而保證邏輯結(jié)構(gòu)的清晰、完整，避免出現(xiàn)功能耦合現(xiàn)象，最終提高系統(tǒng)的編碼效率和可擴(kuò)展性。

3.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)主要包括概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)、主功能模塊設(shè)計(jì)、成績(jī)模塊設(shè)計(jì)。其中概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)實(shí)體、數(shù)據(jù)屬性、數(shù)據(jù)關(guān)系3方面內(nèi)容。該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)實(shí)體包括教師、學(xué)生、試題、試卷、試題；而數(shù)據(jù)屬性是指數(shù)據(jù)實(shí)體與關(guān)系的基本特征；數(shù)據(jù)關(guān)系是指數(shù)據(jù)與實(shí)體的一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一關(guān)系。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指各數(shù)據(jù)表之間的邏輯關(guān)系表示。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)是指對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行細(xì)化、設(shè)計(jì)[7]。如上文中提到的教師模塊內(nèi)容、功能。主功能模塊設(shè)計(jì)亦是如此。之所以將成績(jī)模塊單獨(dú)列出，主要是因?yàn)樵撃K對(duì)題庫(kù)的各項(xiàng)指標(biāo)有較大的影響，并且其實(shí)用功能也非常強(qiáng)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，能有效提高計(jì)算機(jī)考試系統(tǒng)的實(shí)用性。但也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，遺傳算法的應(yīng)用會(huì)更加成熟、廣泛。

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