韋忠慶 袁煜 蔡軍

摘 ?要： 紙質(zhì)考試命題組卷以人工為主，試卷知識(shí)點(diǎn)、考題類(lèi)型等組卷因素需要人為把控，存在組卷效率低下的弊端。設(shè)計(jì)基于SaaS模式的分布式在線(xiàn)考試系統(tǒng)，系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)中的題庫(kù)管理模塊構(gòu)建自身屬性的考試題庫(kù)，學(xué)生登入系統(tǒng)后在考試模塊中選取考試科目，題庫(kù)管理模塊根據(jù)學(xué)生選取的科目，在題庫(kù)里采用基于改進(jìn)遺傳算法的智能組卷算法組卷后返回至考生頁(yè)面，考試后學(xué)生和老師可在信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊中查詢(xún)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)組卷耗時(shí)為9.35 ms，組卷成功率高達(dá)100%，組卷效率與組卷質(zhì)量較高;和同類(lèi)型考試系統(tǒng)相比，具有響應(yīng)速度快、承壓能力好的優(yōu)勢(shì)，得到多數(shù)考試機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

關(guān)鍵詞： SaaS模式; 分布式系統(tǒng); 在線(xiàn)考試; 組卷; 題庫(kù)管理; 遺傳算法

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919?34; TP311.1 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0048?04

Abstract： The question setting and test composition in paper examination are mainly manual， and the test paper composition factors such as knowledge points and examination question type of test papers need to be artificially controlled， resulting in the disadvantage of low test paper composition efficiency. Therefore， a distributed online examination system based on the SaaS mode is designed. The examination question database management module in the core service of the system is used to build the examination question database with its own attribute. Students select the examination subject in the examination module after login into the system. In accordance to the subjects selected by students， test paper composition is conducted in the examination question database by using the intelligent test paper composition algorithm based on the improved genetic algorithm， after which the student page is returned. Students and teachers query the results in the information query and statistic module after the examination. The experimental results show that the designed system has the time consumption of 9.35 ms and a success rate of 100% for the test paper composition， and high test paper composition efficiency and quality; and in comparison with other examination systems of the same type， the designed system has the advantages of faster response speed and better pressure?bearing ability， which is accepted by most examination institutions.

Keywords： SaaS mode; distributed system; online examination; test paper composition; examination question database management; genetic algorithm

0 ?引 ?言

伴隨網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日趨成熟，傳統(tǒng)紙質(zhì)考試已逐漸被在線(xiàn)考試所取代[1]。但是，考試機(jī)構(gòu)自主研發(fā)的在線(xiàn)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)使用時(shí)，系統(tǒng)建設(shè)未設(shè)定嚴(yán)謹(jǐn)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)尺度，且題庫(kù)反復(fù)建立導(dǎo)致資源未能合理應(yīng)用，運(yùn)維成本也逐漸增大[2];而考試機(jī)構(gòu)必須建立符合自身特征、低成本的在線(xiàn)考試系統(tǒng)，才能保證穩(wěn)定發(fā)展。

SaaS（Soft?as?Service）軟件運(yùn)營(yíng)屬于互聯(lián)網(wǎng)供給軟件的服務(wù)模式。SaaS模式的基本要素包括在Internet平臺(tái)中使用、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、根據(jù)使用定制收費(fèi)、多重租賃功能。隨著在線(xiàn)考試系統(tǒng)的逐漸成熟，SaaS憑借低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、高便捷度三種優(yōu)勢(shì)得到廣大考試機(jī)構(gòu)青睞[3]。應(yīng)用SaaS模式過(guò)程中，非單一考試機(jī)構(gòu)都能同時(shí)使用一套SaaS平臺(tái)，服務(wù)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)具有共享性。所有用戶(hù)個(gè)性化需求都可根據(jù)客戶(hù)化設(shè)定完成，對(duì)其他用戶(hù)不產(chǎn)生干擾?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)本文設(shè)計(jì)基于SaaS模式的分布式在線(xiàn)考試系統(tǒng)，并采用基于改進(jìn)遺傳算法的智能組卷算法完成智能組卷。

1 ?分布式在線(xiàn)考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于SaaS模式的分布式在線(xiàn)考試系統(tǒng)的在線(xiàn)考試模式和以往模式具有差異性，面向全省以及全國(guó)學(xué)生，考生來(lái)自不同地區(qū)。該系統(tǒng)由考試機(jī)構(gòu)、Web表現(xiàn)層、核心業(yè)務(wù)以及元數(shù)據(jù)服務(wù)等構(gòu)成，其中核心業(yè)務(wù)由題庫(kù)管理模塊、考試模塊和信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊構(gòu)成[4?5]。核心業(yè)務(wù)中的題庫(kù)管理模塊構(gòu)建自身屬性的考試題庫(kù)，學(xué)生登入系統(tǒng)后在考試模塊中選取考試科目，題庫(kù)管理模塊根據(jù)學(xué)生選取的科目，在題庫(kù)中隨機(jī)選題組卷后返回至考生頁(yè)面。考試后，學(xué)生和老師可在信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊中查詢(xún)成績(jī)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?基于SaaS模式的分布式在線(xiàn)考試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1） 題庫(kù)管理模塊

考試機(jī)構(gòu)進(jìn)入題庫(kù)管理模塊后能夠構(gòu)建自身屬性的考試題庫(kù)，其中可建立考試知識(shí)點(diǎn)管理子模塊、考試類(lèi)型管理子模塊、導(dǎo)入考題等子模塊。題庫(kù)管理模塊整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2） 考試模塊

考試模塊包含考試科目生成、在線(xiàn)考試、自主閱卷三種程序。學(xué)生進(jìn)入后，必須選取考試科目，依據(jù)考生選取的科目和教師設(shè)定的考試規(guī)則中的難度、知識(shí)點(diǎn)等參數(shù)[6?7]，在題庫(kù)里隨機(jī)選題組卷后返回至考生頁(yè)面。此模塊會(huì)依據(jù)考試規(guī)則中對(duì)考試時(shí)間的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，提示考試注意答題時(shí)間。考試模塊整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 ?題庫(kù)管理模塊整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 ?考試模塊整體結(jié)構(gòu)圖

3） 信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊

信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊中包含信息統(tǒng)計(jì)子模塊與信息查詢(xún)子模塊，詳情如圖4所示。信息統(tǒng)計(jì)子模塊主要用于采集題庫(kù)中每類(lèi)統(tǒng)計(jì)信息。信息查詢(xún)子模塊主要用于查詢(xún)考試成績(jī)與題目信息?？忌稍诳荚嚭蟛樵?xún)成績(jī)，管理員與教師可通過(guò)信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊查詢(xún)題庫(kù)中的題目信息[8?9]。

圖4 ?信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊整體結(jié)構(gòu)

1.2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用基于改進(jìn)遺傳算法的智能組卷算法在題庫(kù)管理模塊中根據(jù)學(xué)生選取的科目隨機(jī)選題智能組卷[10]。

1.2.1 ?編碼策略

智能組卷時(shí)，編碼策略與整體染色體的構(gòu)成息息相關(guān)，是遺傳算法運(yùn)行效果的核心因素，系統(tǒng)使用面向試卷的基因段整數(shù)編碼，此類(lèi)編碼策略把一份試卷映射成一份染色體[11]，并將選取的試題映射成染色體里的基因因子，在題庫(kù)管理模塊里以編碼形式體現(xiàn)。且根據(jù)相應(yīng)的題型特征順序分布，根據(jù)題型特征把所有基因分成若干份，算法只保存試卷里每個(gè)題型的數(shù)量，就能夠判定染色體每個(gè)基因段的所屬題型[12]。

1.2.2 ?基因修正模型

上述編碼策略在初始化與變異時(shí)，由于基因變化的非定性導(dǎo)致基因整數(shù)未能在所定區(qū)域重復(fù)，個(gè)體便會(huì)出現(xiàn)消亡，最終導(dǎo)致組卷失敗[13]。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖5描述的基因修正模型。

圖5 ?基因修正模型功能示意圖

基因修正模型中包含基因范圍修正和基因重復(fù)修正。基因范圍修正是在基因初始化與變異操作時(shí)，控制基因的變動(dòng)區(qū)間，確保其在設(shè)定的正常區(qū)間中變化，防止進(jìn)化時(shí)基因超出正常區(qū)間;基因重復(fù)修正是基因段整數(shù)編碼進(jìn)化時(shí)基因重復(fù)異常會(huì)引起組卷失敗，所以在基因進(jìn)化時(shí)設(shè)計(jì)基因重復(fù)修正功能，在基因初始化與變異時(shí)監(jiān)測(cè)基因重復(fù)，并把重復(fù)因子自主變換為正常區(qū)間中的正?；騕14]，并實(shí)時(shí)修正基因，克服重復(fù)異常基因?qū)笃诮M卷的干擾，降低組卷失誤率。

1.2.3 ?交叉和變異概率

交叉概率[qc]和變異概率[qm]與遺傳算法的收斂性息息相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法中交叉概率與變異概率通常是設(shè)定好的，如[qc]取值區(qū)間為[0.4，0.99]，[qm]取值區(qū)間是[0.001，0.100]，[qc]值變大，則算法產(chǎn)生新個(gè)體性能越好，但偏大便會(huì)導(dǎo)致個(gè)體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞;[qm]值變小，種群多樣性變少，算法早熟收斂，陷入局部最優(yōu)。[qm]偏小，種群出現(xiàn)新個(gè)體性能變?nèi)?，進(jìn)化速度降低;[qm]偏大，算法成為隨機(jī)搜索問(wèn)題，收斂速度也隨之降低。

目前的自動(dòng)組卷算法大多固定遺傳算法概率，不符合群體的差異性特征，概率固定式影響種群進(jìn)化速度與方向。系統(tǒng)軟件采用的基于改進(jìn)遺傳算法的智能組卷算法，采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)的交叉概率與變異概率，在進(jìn)化時(shí)依據(jù)群體中的適用度值差進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化[15]。優(yōu)化后的交叉與變異概率為：

式中：[Δ=vavg-vmax]，群體適應(yīng)值均值設(shè)成[vavg]，群體適應(yīng)值最大值設(shè)成[vmax];[h1]與[h2]為概率因子。[Δ<1]，[qc]的值域?yàn)閇0.5，1.0]，[qm]的值域?yàn)閇0，1.5]。若種群個(gè)體變大，[qc]變大、[qm]變小，維護(hù)最優(yōu)個(gè)體，維護(hù)種群結(jié)構(gòu)。若種群個(gè)體變小，[qm]變大、[qc]變小，種群出現(xiàn)新個(gè)體性能變強(qiáng)，不會(huì)進(jìn)入早熟收斂現(xiàn)象。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

采用本文系統(tǒng)、阿里云ECS考試系統(tǒng)、在線(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程性評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)某高校大一新生期末測(cè)試進(jìn)行組卷對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 ?三種系統(tǒng)組卷質(zhì)量與效率對(duì)比結(jié)果

分析表1可知，本文系統(tǒng)組卷耗時(shí)為9.35 ms，耗時(shí)最短，且組卷成功率高達(dá)100%，阿里云ECS考試系統(tǒng)、在線(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程性評(píng)價(jià)系統(tǒng)組卷耗時(shí)都大于50 ms，且存在組卷失敗的情況。說(shuō)明本文系統(tǒng)使用改進(jìn)的遺傳算法能夠提高組卷成功率，且智能組卷的執(zhí)行效率也得到提升。

設(shè)定考試科目為語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、物理、化學(xué)、生物，在線(xiàn)考試學(xué)生為500人，分別使用三種系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)考試，統(tǒng)計(jì)三種系統(tǒng)考試過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 ?三種系統(tǒng)考試過(guò)程中的響應(yīng)時(shí)間對(duì)比結(jié)果 ? ? ?

??

分析表2數(shù)據(jù)可知，考試過(guò)程中，本文系統(tǒng)對(duì)于語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、物理、化學(xué)、生物6個(gè)科目的最大響應(yīng)時(shí)間為0.12 ms，阿里云ECS考試系統(tǒng)對(duì)于語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、物理、化學(xué)、生物6個(gè)科目的最大響應(yīng)時(shí)間為0.87 ms，在線(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程性評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)于語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、物理、化學(xué)、生物6個(gè)科目的最大響應(yīng)時(shí)間為0.74 ms。說(shuō)明本文在線(xiàn)考試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間最短，響應(yīng)速度較快。

系統(tǒng)吞吐量體現(xiàn)系統(tǒng)的承壓能力，實(shí)驗(yàn)時(shí)間設(shè)成13：00—17：00，統(tǒng)計(jì)三種系統(tǒng)的吞吐量，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 ?三種系統(tǒng)吞吐量對(duì)比

分析圖6可知，隨著時(shí)間的推移，本文系統(tǒng)吞吐量的變化區(qū)間為[36 500 B，40 000 B]，阿里云ECS考試系統(tǒng)吞吐量的變化區(qū)間為[15 000 B，25 000 B]，在線(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程性評(píng)價(jià)系統(tǒng)吞吐量的變化區(qū)間為[20 000 B，30 000 B]。經(jīng)對(duì)比可得，本文系統(tǒng)吞吐量最大，承壓能力較好。

3 ?結(jié) ?論

為構(gòu)建組卷高效率、高質(zhì)量、可同時(shí)為多數(shù)考試機(jī)構(gòu)使用的在線(xiàn)考試系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)基于SaaS模式的分布式在線(xiàn)考試系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由題庫(kù)管理模塊、考試模塊和信息查詢(xún)統(tǒng)計(jì)模塊構(gòu)成。經(jīng)驗(yàn)證，本文系統(tǒng)組卷耗時(shí)為9.35 ms，本文系統(tǒng)對(duì)于語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、英語(yǔ)、物理、化學(xué)、生物6個(gè)科目的最大響應(yīng)時(shí)間為0.12 ms，具有耗時(shí)短、響應(yīng)效率高的優(yōu)勢(shì)，且本文系統(tǒng)組卷成功率高達(dá)100%，使用價(jià)值較高。

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