浅析工程力学实验试题库系统的设计

摘要:阐述了工程力学实验课程建设中的试题库系统的设计方法,介绍了系统架构、组卷算法及其流程、系统功能等关键技术及其实现方式。试题库系统采用合理的数据库设计方法,运用面向对象的程序设计技术,实现了试题库的实时管理;系统利用遗传算法提高了组卷的成功率和速度。

关键词:工程力学实验;试题库;自动组卷;遗传算法

中图分类号:G712文献标识码:A文章编号:1672-5727(2010)07-0155-03

教学评估是一项对师资队伍、教学管理、课程建设、教学质量和教学辅助手段等方面进行评价的系统工程。试题库建设有利于进一步规范考试环节,也有利于合理评估不同教师的教学效果和不同届别、不同专业学生的学习水平。

长期以来,工程力学实验的理论考试基本上是任课教师根据个人教学实践和经验命题。其优点主要是教学经验丰富的教师可以根据学生的实际情况和学术动态组织试题,考查学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。其缺点主要是命题具有较大的主观随意性,缺乏科学的、统一的命题标准。同一学期的考试,不同教学班级学生的考试成绩与其实际水平可能会有较大的差异,会对教师教学质量评估、学生学习效果检查、教学方法改进等方面产生一些负面影响。如果采用试题库系统统一组卷考试,则能在一定程度上消除这些影响。因为试题库系统自身具有一套统一的量化指标体系,能够对教师的教学质量、学生的学习效果作出较为科学的评估;同时,试题库系统给出的试卷具有一定的知识覆盖面,能较为全面、科学地反映学生掌握基础知识的情况和运用知识的能力。因此,根据工程力学实验课程教学大纲,笔者开发了一套工程力学实验学科题库管理系统,以提高考试命题的规范性、科学性和可比性,实现力学实验学科教学管理现代化,实现对教学质量进行有效监控的目标。

试题库系统的架构

传统的试题库通常是指印刷出来的试题册。这种题库一般以某种方式(课程、章节、知识点等)进行分类和编著,缺点很多。现代试题库系统是以计算机技术、数据库技术、网络技术为基础的综合性试题库系统。其中,单机版试题库从成卷要求到数据库响应到生成试卷,都属于单用户单线程模式,这种题库已经不适应时代发展要求了。目前,较为常见的是基于网络技术的多用户多线程模式题库。

笔者选择目前常用的、技术上已经比较成熟的浏览器/服务器(B/S)模式作为信息平台。该平台为由客户端、服务器和数据库组成的3层结构,如图1所示。客户端采用统一的浏览器作为对网络服务器的访问工具;服务器端安装着WEB服务器软件以及各种系统应用组件;数据信息存储在数据库服务器和文件服务器。其优点是用户只要通过浏览器,连接网络,便可在图形用户界面的引导下轻松使用,大大降低了对题库使用者的技术要求;同时,这种题库便于集中管理、共享使用、开放使用。

整个系统采用Microsoft.NET作为基础开发平台,开发工具采用Visual studio.NET 2005。其总体技术实现架构如图2所示。

表示层表示层为用户提供友好的使用界面。客户端应用程序模型采用B/S模式,具有易于安装和部署、维护的优势。该层实现技术采用ASP.NET技术和C#语言。

业务外观层业务外观层是一个隔离业务层和表示层的中间层,这有利于项目团队的分工协作。业务外观层通过封装业务层组件,为客户端提供统一界面,同时为客户端程序和其他外部系统提供服务。该层实现技术采用Mierosoft.NET平台的ASP.NET和XML Web Services。

业务层业务层是整个试题库系统的核心,业务层封装的是业务逻辑和规则。用户注册、登录、题库采编、组卷管理等及各种查询都是具体的业务逻辑。业务层被封装为.NET组件。每个业务逻辑都有相应的类/对象与之对应。业务逻辑表现为对象之间的交互。

数据访问层数据访问层主要负责业务层和数据层之间的交互。使用ADO.NET技术实现对数据库的连接、查询、插入、修改和删除等操作。

数据层数据层用于完成系统中的数据管理工作。该层实现技术采用Microsoft SQL Server 2000。

组卷算法的实现

组卷过程是在考试大纲的题分、难度系数、试题覆盖面、题型比例等条件约束下,根据考试目的,通过对不同的知识点赋予恰当的题型组合,完成组卷的决策过程。在题库试题质量较高的前提下,自动组卷的效率与质量完全取决于抽题算法的设计。如何既快又好地组成一套最符合考试要求的试卷,是一个涉及全局寻优和收敛速度快慢的问题。组卷算法是试题库系统的核心与灵魂。国内外许多学者对其进行了研究,但至今没有一种十分有效的自动组卷算法。以往的组卷算法常采用随机选取法和回溯试探法。

随机选取法根据状态空间的控制指标,随机抽取一道试题,此过程不断重复,直到组卷完毕或已无法从题库中抽取满足条件的试题为止。该算法的主要优点是简单、快速;缺点是很难全面考虑试题的相关参数,形成的试卷在覆盖面、难易度、重复题率等指标上不可能有令人满意的结果,组卷成功率低。

回溯试探法是按用户设置的组卷参数的要求建立一个过滤模型,将随机选取法产生的每一状态都记录下来,当搜索失败时释放上次记录的状态类型,然后再依据一定的规律变换一种新的状态类型进行试探,通过不断地回溯试探直到试卷生成完毕或退回出发点为止。这种有条件的深度优先法,对于状态类型和出题量都较小的题库系统而言,组卷成功率较好,但在实际应用时发现这种算法对内存的占用量较大,程序结构相对比较复杂,而且选取试题缺乏随机性,组卷时间较长。

遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化而形成的一种搜索算法,具有内在并行性、高鲁棒性、全局寻优和收敛速度快的特点。对于解决随机选取法的盲目随机性,提高搜索效率,有独特的优势。因此,笔者选择遗传算法为组卷算法,其组卷算法流程如图3所示。

试题库系统的功能

试题库系统共划分为五个功能模块:用户管理、试卷管理、查询管理、统计分析和系统管理,如图4所示。

用户管理用户管理模块包括新增用户、修改密码、删除用户和权限分配等功能。

试卷管理试卷管理模块包括组卷、试卷显示、修改、打印、存档等功能。组卷方式有成套抽取、自动组卷和交互组卷三种:(1) 成套抽取。成套抽取方式是将以前抽取的试卷在需要时重新抽出。在试卷成套抽取时,不需要重新从题库中抽取试题。(2) 自动组卷。自动组卷方式是首先输入试卷要求参数,例如知识点、题型、分数比例、题目数、难度系数、考试时间等。然后系统根据参数自动生成试卷,并允许在试卷抽取之后进行调整。(3) 交互组卷。交互组卷方式是用户通过人机对话方式逐题指定试题的指标,系统在试题库中查找符合要求的试题并将查找结果显示出来,用户查看试题内容和答案后选定所要的试题,最终生成试卷。

查询管理试卷管理模块包括试题查询、试卷查询、成绩查询和用户查询等功能。

统计分析统计分析模块包括试题情况统计分析、试卷情况统计分析、成绩统计分析等功能。试题情况统计分析主要用来统计题库的各类指标分布情况,供用户参考。试卷情况统计分析主要用来统计以往试卷的各类指标分布情况,供用户参考。成绩统计分析主要用来对考试结果进行统计分析,以反映考生的学习情况和教学质量,对各次考试情况进行对比。成绩统计分析包括试卷统计属性分析、最高分、最低分、平均分、各个分数段的累计人数、标准差分析、题目分析和知识点情况分析等,然后给出试卷和试题的难度、区分度等指标的实测值。

系统管理系统管理模块包括系统基本信息设置、试题录入、删除与修改、帮助等功能。

工程力学实验题库共编入试题257道,所有试题难度分初、中、高三个等级,每个等级又按教学要求分“掌握”和“了解”两个类别。题型充分采用当前惯用的形式,即客观型与主观型。试题叙述部分力求言简意明,解释唯一,防止歧义。题图、表达式均采用Word录入,题图线条规整光滑,尺寸及其他标注符合要求,视觉效果较好。

试题库系统采用合理的数据库设计方法,运用面向对象的程序设计技术实现了试题库的实时管理,较好地保证了系统的开放性、可扩展性、可移植性。同时,系统利用遗传算法的全局寻优和收敛速度快的特点,提高了组卷的成功率和速度,具有较强的实用价值。

参考文献:

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作者简介:

黄海燕(1975—),男,云南曲靖人,博士,江苏科技大学船舶与海洋工程学院副教授,主要从事教学与工程结构设计。

(本文责任编辑:杨在良)

(本栏责任编辑:王恒)