基于遺傳算法的電工學(xué)組卷程序的研究

吳根忠+李劍清

摘 要： 電工學(xué)是非電類工科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程。由于手工命題出卷存在難度不一，試題分布不盡合理和出卷工作繁重等問題，開發(fā)了電工學(xué)組卷程序。組卷程序可以根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容選擇試題范圍、試題形式、題目分值和計(jì)算題的知識(shí)點(diǎn)，采用遺傳算法從試題庫(kù)中選擇合適的試題，給出試卷和答卷。經(jīng)試用后表明該組卷程序的界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，能滿足課程的要求。

關(guān)鍵詞： 組卷程序； 電工學(xué)； 遺傳算法； 試題選擇

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）20?0078?03

Study on electrotechnics test?paper combination program based on genetic algorithm

WU Genzhong， LI Jianqing

（College of Information Engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023， China）

Abstract： Electrotechnics is an important basic course for non?electrical engineering students. To solve the problems of unequal difficulty， unreasonable distribution of test questions and heavy work by traditional manual test paper setting， an electrotechnics test?paper combination program was designed， which can choose the type and range of test， subject score and knowledge of questions according to different teaching contents. The test paper and answer sheet are selected from test database base on genetic algorithm to produce the test paper and answer sheet. The results show that the program has the advantages of concise interface and easy operation to meet the requirements of the course.

Keywords： test paper combination program； electrotechnics； genetic algorithm； item selection

0 引 言

電工學(xué)對(duì)于非電類工科學(xué)生，特別是機(jī)電一體化、機(jī)自、化自等專業(yè)的學(xué)生來說是一門非常重要的課程，電工學(xué)課程一般分為電工技術(shù)基礎(chǔ)和電子技術(shù)基礎(chǔ)兩部分。課程考試模式的改革一直是高校教學(xué)改革的重點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的考試模式通常都是由任課教師輪流命題出卷，由于是人工出卷在試卷的難度、卷面的考題分布、題型分配和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等各方面都會(huì)帶來一定的主觀隨意性和不確定性，也難以真正實(shí)現(xiàn)考教分離[1?2]。組卷程序的開發(fā)是解決上述問題的有效方法之一，它不僅可以讓教師從繁重的出卷工作中解脫出來，防止試卷的題目偏離教學(xué)大綱，試卷難易程度相差較大，題型變化多等問題的出現(xiàn)，同時(shí)也可以促使學(xué)生全面學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，還有利于提高考試成績(jī)的真實(shí)性和可比性。因此組卷程序的開發(fā)越來越受到各類高校的重視。

1 組卷系統(tǒng)要求

電工學(xué)組卷程序主要面向電工學(xué)這門課程。目前我校的電工學(xué)課程分為電工技術(shù)基礎(chǔ)（1～7章）和電子技術(shù)基礎(chǔ)（8～14章）兩部分，分上下兩個(gè)學(xué)期授課，總計(jì)104學(xué)時(shí)，采用的教材是顧偉駟老師主編的《現(xiàn)代電工學(xué)》（第2版）[3]。根據(jù)我校的實(shí)際教學(xué)情況，要求組卷程序能根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容生成相應(yīng)的試卷，如果是第一學(xué)期的考卷，系統(tǒng)將從1～7章中選擇題目生成試卷，如果是第二學(xué)期，系統(tǒng)將從8～14章中選擇題目生成試卷[4]。

在設(shè)計(jì)組卷程序時(shí)，需要考慮的約束條件主要有：試卷難度、試卷總分、知識(shí)點(diǎn)的分布、各種題型比例、試題出現(xiàn)的頻次以及考試時(shí)間等，教師可以根據(jù)這些參數(shù)，生成一份符合教學(xué)大綱要求的、科學(xué)的試卷。在題型上設(shè)置了填空題、選擇題、判斷題、簡(jiǎn)答題和計(jì)算題等5種類型[4]，教師可以通過自動(dòng)組卷界面選擇相應(yīng)的題型和對(duì)應(yīng)數(shù)量。在分?jǐn)?shù)設(shè)置上，每一種題型都可以設(shè)置相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，在生成試卷時(shí)，每一題的分?jǐn)?shù)隨試題打印在試題上。在難易程度方面通過兩方面加以保證：整份試卷有一個(gè)總體難度系數(shù)；每一個(gè)計(jì)算題又都單獨(dú)設(shè)置了難度系數(shù)和知識(shí)點(diǎn)范圍。通過這些選項(xiàng)可以保證試題的范圍不會(huì)超綱，難度可控，保證了考卷的質(zhì)量。

2 組卷系統(tǒng)功能

組卷系統(tǒng)主要有注冊(cè)、登陸、添加試題、刪除試題、查詢?cè)囶}、修改試題、試題查詢、自動(dòng)組卷、手工組卷和下載試題等功能，其功能簡(jiǎn)介如下：

（1） 注冊(cè)：用戶填寫個(gè)人信息，如用戶名、密碼等；

（2） 登陸：可以根據(jù)已注冊(cè)的用戶名和密碼登錄到系統(tǒng)中；

（3） 試題導(dǎo)入：實(shí)現(xiàn)單個(gè)試題和批量試題的導(dǎo)入；

（4） 修改試題：對(duì)試題庫(kù)中的試題內(nèi)容和試題信息進(jìn)行修改；

（5） 試題刪除：把試題從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除；

（6） 試題查詢：對(duì)試題庫(kù)中試題內(nèi)容和試題信息進(jìn)行查看；

（7） 自動(dòng)組卷：用戶在界面上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，如難度、章節(jié)、題型等，組卷程序根據(jù)用戶的輸入需求，通過一定的算法從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找出符合要求的題目，并把這些題目組成一份試卷；

（8） 手工組卷：用戶在試題庫(kù)中手動(dòng)選擇試題，最后生成試卷；

（9） 下載試題和答案：用戶可以將生成的試卷和答案進(jìn)行下載。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)

根據(jù)上述組卷程序的約束條件和功能，在數(shù)據(jù)庫(kù)中需要對(duì)用戶信息、試題信息和試題答案等設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表。下面列出組卷程序中用到的數(shù)據(jù)庫(kù)表及結(jié)構(gòu)。

（1） 教師信息表。教師信息表有4個(gè)字段，分別表示教師編號(hào)、教師用戶名、密碼和權(quán)限。教師信息表字段展示如表1所示。

表1 教師信息字段表展示

（2） 試題信息表。試題信息表共有9個(gè)字段，分別表示題目編號(hào)、題目類型、所屬單元、單元內(nèi)編號(hào)、難度、被抽中次數(shù)、題目文本篇幅、答案文本篇幅和題目分?jǐn)?shù)。題目信息表的字段展示如表2所示。

表2 題目信息表字段展示

（3） 試題答案表。試題答案表由3個(gè)字段組成，分別為試題編號(hào)、試題內(nèi)容和答案內(nèi)容。試題答案表字段展示如表3所示。

表3 試題答案表字段展示

4 組卷參數(shù)屬性

在組卷過程中，需要根據(jù)用戶輸入的組卷?xiàng)l件即各種試卷參數(shù)，將這些信息傳到后臺(tái)，經(jīng)過一系列的計(jì)算，再由系統(tǒng)選擇出符合組卷要求的試卷并將其以Word文檔輸出。一份試卷的質(zhì)量好壞，主要體現(xiàn)在試卷的題型、難度、重復(fù)率、知識(shí)點(diǎn)的覆蓋面等幾方面。其中難度又分為試卷的總體難度以及每一道試題的難度。一份試卷是由各種題目組成的，試卷的質(zhì)量是根據(jù)試題的屬性來綜合決定的。

（1） 試題屬性。對(duì)于一道試題一般有如下的屬性：章節(jié)、難度、分值、要求、題型等。本系統(tǒng)涉及到的試題的屬性如表4所示。

表4 有關(guān)組卷的試題屬性

（2） 試卷屬性。組卷的試卷屬性包括：試卷編號(hào)、難度分布、覆蓋度和被抽中次數(shù)。本系統(tǒng)涉及組卷的試卷屬性如表5所示。

表5 有關(guān)組卷的試卷屬性

5 遺傳算法

組卷程序的質(zhì)量也取決于其算法。目前組卷程序中常用算法有：遺傳算法、模擬退火遺傳算法、定性映射方法、智能補(bǔ)償法、隨機(jī)抽取法、回溯試探法等[5]，各種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，本組卷程序中采用了遺傳算法。遺傳算法的操作步驟為根據(jù)相應(yīng)條件編碼、隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始種群、構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)、對(duì)這個(gè)初始種群迭代執(zhí)行選擇、交叉、變異等操作產(chǎn)生下一代種群，最終獲得最優(yōu)解和解碼。算法的過程如圖1所示。

圖1 遺傳算法基本運(yùn)算流程圖

下面對(duì)遺傳算法中的適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)和選擇算子的方法進(jìn)行說明。

（1） 適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計(jì)。適應(yīng)度函數(shù)對(duì)遺傳算法的收斂速度以及能否找到最優(yōu)解有直接的影響，同時(shí)遺傳算法的復(fù)雜度主要由適應(yīng)度函數(shù)的復(fù)雜程度決定?？紤]到組卷程序的實(shí)際情況，適應(yīng)度函數(shù)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)采用的適應(yīng)度函數(shù)與問題的目標(biāo)函數(shù)一致，即：

[f=WV×V+WB×B+WI×I =WV×i=1n1cim-Ei+WB×i=1n2dim-Pi +WI×i=1n3eim-Ki] （1）

式中：WV為覆蓋度的權(quán)重；m為試題總量；n1為試卷章節(jié)數(shù)，Ci為試卷中第i章節(jié)的題量；Ei為命題人要求的第i的覆蓋度。WB為曝光度的權(quán)重；n2為年份數(shù)；di為試卷中第i年的題量；Pi為命題人要求的第i年的曝光度。WI為難度分布的權(quán)重；n3為難度等級(jí)級(jí)數(shù)；ei為試卷中難度為i的試題量；Ki為命題人要求的該難度等級(jí)的試題量。

（2） 選擇算子。在遺傳算法中需要按照一定的選擇概率對(duì)種群進(jìn)行復(fù)制，一般情況下選擇適應(yīng)度較好的個(gè)體生成下一代。為保證種群的多樣性，適應(yīng)度較差的個(gè)體也可能被選中，本系統(tǒng)中選擇算子采用輪盤賭算法。個(gè)體的相對(duì)適應(yīng)度計(jì)算公式為：

[Qi=Max（f）fii=1sizeMax（f）fi] （2）

式中：size為種群大小；f為個(gè)體適應(yīng)度；Qi為相對(duì)適應(yīng)度。

在進(jìn)行選擇時(shí)，生成一個(gè)[0，1]的隨機(jī)數(shù)r，若P1+P2+…+Pi-1

6 組卷程序界面

根據(jù)上述的要求和算法，最后得到的組卷程序的界面見圖2，圖3。用戶在圖2所示的自動(dòng)組卷界面中選擇難度、題型和分值后點(diǎn)擊“開始組卷”，就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組卷。

圖2 自動(dòng)組卷界面

圖3 知識(shí)點(diǎn)展開界面

在圖2界面的左下角點(diǎn)擊“電工學(xué)1”右側(cè)的“展開”或“電工學(xué)2”右側(cè)的“展開”，可以進(jìn)一步得到如圖3所示的知識(shí)點(diǎn)展開界面，對(duì)試卷范圍進(jìn)行更具體的選擇。

7 結(jié) 語

通過多次的試驗(yàn)和修改，該組卷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能，通過該組卷程序自動(dòng)生成試卷能選擇試題的題型和分值，還能指定在某個(gè)章節(jié)中安排計(jì)算題，使得試卷能更大程度地符合出卷教師的意愿。

參考文獻(xiàn)

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