基于校园网的通用试题库系统研究

王平水 张雪东

基于校园网的通用试题库系统研究

王平水 张雪东

随着网络技术与数据库技术的飞速发展以及高校教学体制改革的不断深化，试题库建设已成为高校教学改革的重要组成部分。试就如何组建通用试题库系统进行深入分析和研究，针对目前高校试题库需求现状，设计了基于校园网络的通用试题库系统框架，提出了基于改进的遗传算法的智能组卷方法，实践结果表明所提方法的可行性和有效性。

校园网;通用试题库系统;B/S模式;遗传算法

目前，我国高校的教学考核与试卷命题方式大多仍采用传统的人工方式，年复一年的重复劳动造成了大量时间和人力资源的浪费，而且容易产生各种不良现象，也违背了高校教考分离的基本出发点，不利于教学水平与教学质量的提高。

随着网络技术与数据库技术的飞速发展以及高校教学体制改革的不断深化，试题库建设已成为高校教学改革的一个重要组成部分。基于校园网络的通用试题库系统越来越受到各高校的高度重视，相关技术也得到相关领域学术界的广泛研究，提出了多种解决方案。［1－4］

然而，现有的试题库系统还存在诸多不足之处，比较突出的主要表现在以下几个方面:有的通用性不够强，无法满足多学科课程试题库建设与考核之用;有的组卷策略设计不够合理，严重影响组卷成功率;有的算法不够优化，执行效率低下;等等。针对现有系统中存在的问题和目前高校试题库建设需求现状，我们设计了一个基于校园网的通用试题库系统框架，提出了基于改进的遗传算法的智能组卷策略，取得了良好的应用效果，实践证明了所提方法的可行性和有效性。

一 基于校园网络的通用试题库系统结构

1.系统架构。

本系统基于校园网络，采用三层 B/S 模式，［5，6］如图1所示。用户通过浏览器访问Web服务器，Web服务器接收、解释用户的数据操作命令并将其传送给数据库服务器，数据库服务器执行相应的命令并将执行结果通过Web服务器返回到用户浏览器。

图1 系统架构(B/S模式)

2.系统设计。

根据网络试题库的功能以及使用者的不同身份对系统功能模块进行了详细划分，以下简要说明主要模块的功能及特点。

(1)系统管理模块。实现系统用户及权限管理与维护功能，包括用户管理、权限管理以及密码管理等。用户分为系统管理员用户、教务管理用户、课程管理用户、题库管理用户、教师用户、学生用户等。系统管理员用户，具有权限分配和创建教务管理用户的功能;教务管理用户具有组织试卷、创建课程管理用户及相应权限分配的功能;课程管理用户具有建立课程结构与组卷方案、创建题库管理用户、教师用户以及将课程的知识点维护权限分配给教师用户的功能;题库管理用户具有对题库中所负责的知识点进行维护的功能;教师用户具有创建学生用户、分配操作权限及相关信息发布与接收功能;学生用户可登录系统进行相关课程章节练习、作业提交、在线测试等。

(2)题库管理模块。实现题库管理与维护功能，包括课程结构管理，试题的增、删、改等编辑以及查询统计功能。课程结构管理用于实现课程知识点管理与维护功能。鉴于试题库的通用性和集成性，试题管理采用ActiveX技术实现Word文档在线编辑的功能，以满足不同学科不同形式试题的编辑需要，如非文本型试题中文字、公式、图形的图文混排功能。

(3)组卷管理模块。实现自动智能组卷功能，包括多条件多套试卷的自动生成与打印输出功能。组卷规则由课程管理用户创建，为实现组卷的科学性、合理性与题库的智能维护功能，采用改进的遗传算法完成组卷过程，详见本文第3部分。

(4)试卷分析模块。实现试卷难易程度等的统计分析功能。考试结束后，课程管理用户和教师用户根据考生试卷各小题的成绩对试卷难易程度、成绩分布等相关信息进行统计分析，以统计图表的形式反映出相关结果，并将统计分析结果作为组卷方案维护、题库相关参数维护的依据。统计分析包括整卷分析、题型分析、题目分析等内容。

(5)练习测试模块。实现在线练习与测试功能。学生用户可完成作业提交、在线练习与测试等操作。在线练习可选择课程分章节按题型练习，练习的同时可查看参考答案或解题思路。在线测试可通过选择课程、章节、题型、难度等相关参数，由系统随机生成相应试题，完成答卷后提交答案(不限定时间)，系统自动进行评分(限客观型试题)并给出参考答案或解题思路。

(6)在线考试摸块。实现在线考试功能。学生用户可在规定时间内进入考试系统，选择相应课程，系统将自动生成试卷，从而完成在线考试功能。考试时间由系统设定，考试时间结束后系统自动完成试卷提交、自动评分并给出答题成绩及参考答案(限客观型试题)。

二 基于遗传算法的智能组卷方法

智能组卷是试题库系统的核心功能之一。组卷问题本质上是一个带约束的多目标优化问题，采用经典的数学方法很难得以解决，而且组卷的效率和质量也受到很大限制。

遗传算法以其具有的自适应全局寻优和智能搜索技术且收敛速度快的特点可解决传统组卷中编码太长、适应度函数值计算困难等问题。

遗传算法的基本思想是基于Darwin进化论的适者生存优胜劣汰原理和Mendel的遗传学说，1975年由美国的Holland J教授首次提出，采用简单的编码技术表示各种复杂的数据结构，并通过简单的遗传算子(选择、交叉、变异等)实现自我学习和智能搜索功能。［7］

1.问题定义。

科学合理地组织一份试卷受到多种条件的限制，而每道试题又具有多个属性，与组卷过程密切相关的属性大致有以下9个:题型、章节、知识点、认知层次、难度系数、区分度、时间、分数、曝光度等。建立一份包含n道试题的试卷的组卷规则，本质上就是要设定试卷中每道试题的上述9个属性值，即建立如下约束矩阵:

其中，rij表示第道试题的第j个属性值。

考试结束后可通过每道试题的实际得分率修正其难度系数、区分度等相关属性值，以进一步优化试题库。

2.智能组卷算法设计。

本文算法用于同时生成多套试卷，且多套试卷之间存在有约束条件，如任何两套试卷重复率不得超过20%。采用改进的遗传算法求解上述矩阵定义的多目标优化问题，即从试题库中寻找满足矩阵各元素约束的试题组成试卷，同时要满足曝光度之和最低以及重复率约束等条件。

(1)遗传算法求解步骤。

①随机产生初始种群;

②利用适应度函数计算个体适应度值;

③选择适应值较大的个体构成交配池;

④按一定概率执行交叉、变异等遗传操作产生新一代种群;

⑤若满足结束条件(找到最优解或达到指定代数)，则停止，否则转(2)。

(2)设置编码规则。首先将问题的解空间转换为一组有效编码，遗传算法中通常采用二进制编码形式，为缩短编码长度，提高组卷效率，并考虑到编码的可解释性，本系统采用十进制整数分段编码策略，使用试题编号表示基因，同一题型试题形成一相对独立的编码段，所有编码段合并为一条染色体。如x1x2…xk……p1p2…pl，其中x1x2…xk表示选择题对应的基因编码，p1p2…pl表示判断题对应的基因编码，等。

(3)定义适应度函数。为简化计算，我们设定约束条件为:难度系数、区分度、分数、曝光度、重复度。定义误差函数:

其中ωi为约束权重，δi为相应约束误差的绝对值。

由于适应度与误差成反比，我们采用指数变换方式将适应度函数定义为:

f=e－E。

(4)定义遗传算子。选择算子采用适应度比例(80%)方法，适应度高者进入下一代;交叉算子采用按一定概率(0.8)分段单点交叉;变异算子采用按一定概率(0.005)产生基因突变。为确保基因编码的有效性，交叉与变异算子均按题型分段执行。

(5)设定结束条件。遗传操作满足如下条件之一，则结束:

①最优个体适应度值变化值小于0.001;

②遗传代数达到100。

(6)实践结果。本系统采用ASP.Net 3.5开发，数据库采用SQL Server 2000，并已在我校校园网络中成功运行将近一年，平均组卷成功率达98.6%。实践结果表明，本系统架构是合理的，算法是科学的。

三 结束语

基于校园网的通用试题库系统有效解决了传统试题库管理模式中存在的诸多问题，节约了大量的人力和财力资源，提高了工作效率，促进了高校教学体制改革迈上新台阶。鉴于本系统既用于书面试卷的生成，又用于网上在线考试，组卷算法还有待进一步优化，以提高组卷成功率和系统运行效率。

［1］范明虎，孙斌.通用试题库管理系统的设计与实现［J］.计算机工程与设计，2007，28(9):2185－2188.

［2］何春华.基于遗传算法的自动组卷系统的设计与实现［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［3］贾华国，刘志.基于Web的通用试题库平台的设计与开发［J］.计算机系统应用，2009(4):118－122.

［4］ZhANG G，KE H.Design of paperless examination system for princeples of database systems［C］:Proceedings of the International Conference on Research Challenges in Computer Science，2009:206－209.

［5］王诚梅，袁然，王艳.ASP.NET案例开发集锦［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［6］张跃廷，王小科，许文武.ASP.NET数据库系统开发案例精选［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［7］Mitchell T.机器学习［M］.曾华军，张银奎，译.北京:机械工业出版社，2003.

Research on General Examination Database System Based on Campus Network

Wang Pingshui Zhang Xuedong

With the rapid development of network and database technology and the deepening of college teaching system reform，examination database construction has been an important component of college teaching system reform.In light of demand of college examination database，the paper analyses how to create a general examination database system and develops a framework of general examination database system based on campus network，and it proposes an approach of intelligent grouping test paper on the basis of generic algorithms.Practical results show that the proposed method is effective and feasible.

campus network;general examination database system;B/S mode;generic algorithms

TP311

A

1672－6758(2012)04－0035－2

王平水，硕士，副教授，安徽财经大学，安徽·蚌埠。邮政编码:233030

张雪东，硕士，副教授，安徽财经大学，安徽·蚌埠。邮政编码:233030

Class No.:TP311Document Mark:A

(责任编辑:蔡雪岚)