網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中基于改進(jìn)SGA 的在線考試的研究與設(shè)計

孫澤軍，常新峰

（平頂山學(xué)院 河南 平頂山 467000）

隨著計算機(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)生在時間與空間上的距離，實現(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)平臺是一個支持學(xué)生、教師、教務(wù)管理人員和系統(tǒng)管理員之間的交流，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的開放式平臺。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[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)平臺學(xué)除了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與學(xué)習(xí)內(nèi)容之外，對學(xué)習(xí)效果的評估也是一個必不可少的方面，因此網(wǎng)絡(luò)考試是教學(xué)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，也是教育質(zhì)量保證體系中的一個重要組成部分[3]。傳統(tǒng)的考試出卷、閱卷、評分、登記全部由手工完成，數(shù)據(jù)重復(fù)抄寫，工作效率低下，浪費大量的人力和財力[4]。而在線考試出卷、閱卷、評分等大部分工作由計算機(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)平臺相接合，試題類型過于簡單、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)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺包含有三大庫，教學(xué)庫、資源庫和題庫，系統(tǒng)運行中需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行頻繁的交互操作，為了更好的規(guī)劃和實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問功能，提高數(shù)據(jù)庫訪問效率和處理性能，本文在最底層數(shù)據(jù)庫上加入Nhibernate，把系統(tǒng)中訪問數(shù)據(jù)庫層與Nhibernate結(jié)合成為一體，成為數(shù)據(jù)持久層。整個平臺架框采用的是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 平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Platform structure

1.2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺系統(tǒng)功能

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺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、實驗管理、作業(yè)提交、網(wǎng)上答疑、在線自測等功能模塊。

2)資源管理子系統(tǒng)包括課件資源、視頻資源、題庫資源、其它資源等功能模塊，主要實現(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/手動改卷、試題管理等。主要實現(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)行考試班級的考試權(quán)限管理。試卷批改，分為自動改卷和手動改卷。另外還有試卷統(tǒng)計，查詢成績，成績導(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：主要包括題庫管理，題庫的添加導(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改卷進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如主觀題可設(shè)置為手動批改或機(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)，考試時段設(shè)置，教師手動改卷班級分配等。

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、考試時長、時間的設(shè)定等；手動改卷，如果試卷被設(shè)定為手動改卷，教師可以手動批改主觀題；成績管理，教師可以查詢、導(dǎo)出、打印學(xué)生考試成績。

學(xué)生模塊主要包括學(xué)生在線考試和成績查詢功能模塊，學(xué)生抽題成功考試開始并開始計時，考生在切換試題時自動保存答案，并且每3 min自動保存一次。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，然后使其中的個體以一定的概率進(jìn)行交叉與變異，實現(xiàn)個體結(jié)構(gòu)的重組，再按預(yù)定的評價函數(shù)選擇復(fù)制優(yōu)秀個體，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)成遺傳算法的幾個基本要素，染色體編碼，個體適應(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，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)的遺傳染色體或個體，這一轉(zhuǎn)換叫做染色體編碼。

2)個體適應(yīng)度，個體適應(yīng)度是衡量個體優(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)律從群體中選擇個體。選擇個體的目的是為了強(qiáng)調(diào)群體中適應(yīng)性高的個體，并希望其后代也能具有較高的適應(yīng)性。交叉算子將多個個體進(jìn)行交叉配對，生成新的個體。一方面，它保持了原始群體中優(yōu)良個體的特性；另一方面，它使算法能夠探索新的基因空間，維持了新群體中個體的多樣性。變異算子對個體串的某些基因位置上的基因值作變動。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體的適應(yīng)度，如下降，則以上一代最好個體替換下一代的最差個體。反之則相反[5]。

3 在線考試系統(tǒng)的設(shè)計

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。這種算法雖然簡單，但是要完整地組成一張試卷，其時間復(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，這種編碼實現(xiàn)起來非常簡單，但這給組卷帶來了一個問題，就是試題難度和題量難控制。另外，現(xiàn)實應(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，已有大量實驗表明，解決數(shù)值優(yōu)化問題采用實數(shù)編碼的遺傳算法的效率要高得多，本文采用一種分段實數(shù)編碼機(jī)制，將一份試卷映射為一個染色體，組成試卷的各個試題映射為這條染色體的基因，編碼時將同一題型的試題放在同一段，同一段內(nèi)題號各不相同。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 染色體庫新個體引入機(jī)制

染色體庫的使用主要是用于保存部分優(yōu)秀個體，淘汰不滿足要求的個體。同時為了維持種群的多樣性，染色體庫中還需要保存部分有價值的非優(yōu)秀個體模式。使用染色體庫在增加種群多樣性和縮短收斂時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)秀個體更新染色體庫。引入染色體庫后，種群中新加入個體將以染色體庫中的個體作為母本進(jìn)行變異運算從而使其獲得更多優(yōu)秀的個體模式。同時在種群進(jìn)化的過程中也將有部分的個體被淘汰[9]。優(yōu)秀個體的引人機(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)良染色體的個體或單獨的染色體，由他們與原群體中個體交叉或轉(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)中的一個重要環(huán)節(jié)，特別是對主觀題批改，主觀題的自動閱卷評分是考試系統(tǒng)中的一個難點問題。它涉及詞法分析、語義識別、模式識別等方面的問題[10]。通過分析人式改卷可知影響主觀題評分的因素主要有兩個：一是得分要點吻合度,二是學(xué)生答案和標(biāo)準(zhǔn)答案的相似度。因此可以預(yù)先制定好一套評分標(biāo)準(zhǔn)，然后將一道試題的總分劃分成若干個部分，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)鍵的語句上，通常稱之為得分點，閱卷時檢查學(xué)生答案中有幾個得分點，得分點對應(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)生答案語言是否通順，條理性是否強(qiáng)等因素，適當(dāng)對分?jǐn)?shù)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計算法采用知識點關(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算機(jī)閱卷可能存在誤差，主觀題閱卷分為人工閱卷、計算機(jī)閱卷或兩種方式的組合，即在計算機(jī)自動閱卷之后，人工可以對主觀題的閱卷進(jìn)行審查和補(bǔ)充，從而使系統(tǒng)對考生的成績更加合理、公正和公平。

4 結(jié)束語

本文重點介紹了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中基于改進(jìn)的遺傳算法的在線考試的研究設(shè)計。首先闡述了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的重要意義，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)平臺及其在線考試系統(tǒng)已在平頂山學(xué)院實用，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)省了試卷批改時間，提高了考試的公平性。本考試系統(tǒng)的設(shè)計由于時問倉促，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，使在線考試在實際應(yīng)用中越來越完善。

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