淺析工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)試題庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

黃海燕

（江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212003）

淺析工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)試題庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

黃海燕

（江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212003）

闡述了工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)中的試題庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、組卷算法及其流程、系統(tǒng)功能等關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方式。試題庫系統(tǒng)采用合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了試題庫的實(shí)時管理；系統(tǒng)利用遺傳算法提高了組卷的成功率和速度。

工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)；試題庫；自動組卷；遺傳算法

教學(xué)評估是一項(xiàng)對師資隊(duì)伍、教學(xué)管理、課程建設(shè)、教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)輔助手段等方面進(jìn)行評價的系統(tǒng)工程。試題庫建設(shè)有利于進(jìn)一步規(guī)范考試環(huán)節(jié)，也有利于合理評估不同教師的教學(xué)效果和不同屆別、不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

長期以來，工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)的理論考試基本上是任課教師根據(jù)個人教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)命題。其優(yōu)點(diǎn)主要是教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的教師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和學(xué)術(shù)動態(tài)組織試題，考查學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。其缺點(diǎn)主要是命題具有較大的主觀隨意性，缺乏科學(xué)的、統(tǒng)一的命題標(biāo)準(zhǔn)。同一學(xué)期的考試，不同教學(xué)班級學(xué)生的考試成績與其實(shí)際水平可能會有較大的差異，會對教師教學(xué)質(zhì)量評估、學(xué)生學(xué)習(xí)效果檢查、教學(xué)方法改進(jìn)等方面產(chǎn)生一些負(fù)面影響。如果采用試題庫系統(tǒng)統(tǒng)一組卷考試，則能在一定程度上消除這些影響。因?yàn)樵囶}庫系統(tǒng)自身具有一套統(tǒng)一的量化指標(biāo)體系，能夠?qū)處煹慕虒W(xué)質(zhì)量、學(xué)生的學(xué)習(xí)效果作出較為科學(xué)的評估；同時，試題庫系統(tǒng)給出的試卷具有一定的知識覆蓋面，能較為全面、科學(xué)地反映學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識的情況和運(yùn)用知識的能力。因此，根據(jù)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)大綱，筆者開發(fā)了一套工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)科題庫管理系統(tǒng)，以提高考試命題的規(guī)范性、科學(xué)性和可比性，實(shí)現(xiàn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)科教學(xué)管理現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)對教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)控的目標(biāo)。

試題庫系統(tǒng)的架構(gòu)

傳統(tǒng)的試題庫通常是指印刷出來的試題冊。這種題庫一般以某種方式（課程、章節(jié)、知識點(diǎn)等）進(jìn)行分類和編著，缺點(diǎn)很多。現(xiàn)代試題庫系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合性試題庫系統(tǒng)。其中，單機(jī)版試題庫從成卷要求到數(shù)據(jù)庫響應(yīng)到生成試卷，都屬于單用戶單線程模式，這種題庫已經(jīng)不適應(yīng)時代發(fā)展要求了。目前，較為常見的是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多用戶多線程模式題庫。

筆者選擇目前常用的、技術(shù)上已經(jīng)比較成熟的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式作為信息平臺。該平臺為由客戶端、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫組成的3層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。客戶端采用統(tǒng)一的瀏覽器作為對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的訪問工具；服務(wù)器端安裝著WEB服務(wù)器軟件以及各種系統(tǒng)應(yīng)用組件；數(shù)據(jù)信息存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和文件服務(wù)器。其優(yōu)點(diǎn)是用戶只要通過瀏覽器，連接網(wǎng)絡(luò)，便可在圖形用戶界面的引導(dǎo)下輕松使用，大大降低了對題庫使用者的技術(shù)要求；同時，這種題庫便于集中管理、共享使用、開放使用。

整個系統(tǒng)采用Microsoft.NET作為基礎(chǔ)開發(fā)平臺，開發(fā)工具采用Visual studio.NET 2005。其總體技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 B/S結(jié)構(gòu)組成圖

圖2 試題庫系統(tǒng)總體技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)圖

表示層表示層為用戶提供友好的使用界面。客戶端應(yīng)用程序模型采用B/S模式，具有易于安裝和部署、維護(hù)的優(yōu)勢。該層實(shí)現(xiàn)技術(shù)采用ASP.NET技術(shù)和C#語言。

業(yè)務(wù)外觀層業(yè)務(wù)外觀層是一個隔離業(yè)務(wù)層和表示層的中間層，這有利于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的分工協(xié)作。業(yè)務(wù)外觀層通過封裝業(yè)務(wù)層組件，為客戶端提供統(tǒng)一界面，同時為客戶端程序和其他外部系統(tǒng)提供服務(wù)。該層實(shí)現(xiàn)技術(shù)采用Mierosoft.NET平臺的ASP.NET和XML Web Services。

業(yè)務(wù)層業(yè)務(wù)層是整個試題庫系統(tǒng)的核心，業(yè)務(wù)層封裝的是業(yè)務(wù)邏輯和規(guī)則。用戶注冊、登錄、題庫采編、組卷管理等及各種查詢都是具體的業(yè)務(wù)邏輯。業(yè)務(wù)層被封裝為.NET組件。每個業(yè)務(wù)邏輯都有相應(yīng)的類/對象與之對應(yīng)。業(yè)務(wù)邏輯表現(xiàn)為對象之間的交互。

數(shù)據(jù)訪問層數(shù)據(jù)訪問層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層之間的交互。使用ADO.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的連接、查詢、插入、修改和刪除等操作。

數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層用于完成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理工作。該層實(shí)現(xiàn)技術(shù)采用Microsoft SQL Server 2000。

組卷算法的實(shí)現(xiàn)

組卷過程是在考試大綱的題分、難度系數(shù)、試題覆蓋面、題型比例等條件約束下，根據(jù)考試目的，通過對不同的知識點(diǎn)賦予恰當(dāng)?shù)念}型組合，完成組卷的決策過程。在題庫試題質(zhì)量較高的前提下，自動組卷的效率與質(zhì)量完全取決于抽題算法的設(shè)計(jì)。如何既快又好地組成一套最符合考試要求的試卷，是一個涉及全局尋優(yōu)和收斂速度快慢的問題。組卷算法是試題庫系統(tǒng)的核心與靈魂。國內(nèi)外許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究，但至今沒有一種十分有效的自動組卷算法。以往的組卷算法常采用隨機(jī)選取法和回溯試探法。

隨機(jī)選取法根據(jù)狀態(tài)空間的控制指標(biāo)，隨機(jī)抽取一道試題，此過程不斷重復(fù)，直到組卷完畢或已無法從題庫中抽取滿足條件的試題為止。該算法的主要優(yōu)點(diǎn)是簡單、快速；缺點(diǎn)是很難全面考慮試題的相關(guān)參數(shù)，形成的試卷在覆蓋面、難易度、重復(fù)題率等指標(biāo)上不可能有令人滿意的結(jié)果，組卷成功率低。

回溯試探法是按用戶設(shè)置的組卷參數(shù)的要求建立一個過濾模型，將隨機(jī)選取法產(chǎn)生的每一狀態(tài)都記錄下來，當(dāng)搜索失敗時釋放上次記錄的狀態(tài)類型，然后再依據(jù)一定的規(guī)律變換一種新的狀態(tài)類型進(jìn)行試探，通過不斷地回溯試探直到試卷生成完畢或退回出發(fā)點(diǎn)為止。這種有條件的深度優(yōu)先法，對于狀態(tài)類型和出題量都較小的題庫系統(tǒng)而言，組卷成功率較好，但在實(shí)際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)這種算法對內(nèi)存的占用量較大，程序結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，而且選取試題缺乏隨機(jī)性，組卷時間較長。

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化而形成的一種搜索算法，具有內(nèi)在并行性、高魯棒性、全局尋優(yōu)和收斂速度快的特點(diǎn)。對于解決隨機(jī)選取法的盲目隨機(jī)性，提高搜索效率，有獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，筆者選擇遺傳算法為組卷算法，其組卷算法流程如圖3所示。

圖3 組卷算法流程圖

試題庫系統(tǒng)的功能

試題庫系統(tǒng)共劃分為五個功能模塊：用戶管理、試卷管理、查詢管理、統(tǒng)計(jì)分析和系統(tǒng)管理，如圖4所示。

圖4 試題庫系統(tǒng)功能圖

用戶管理用戶管理模塊包括新增用戶、修改密碼、刪除用戶和權(quán)限分配等功能。

試卷管理試卷管理模塊包括組卷、試卷顯示、修改、打印、存檔等功能。組卷方式有成套抽取、自動組卷和交互組卷三種：(1)成套抽取。成套抽取方式是將以前抽取的試卷在需要時重新抽出。在試卷成套抽取時，不需要重新從題庫中抽取試題。(2)自動組卷。自動組卷方式是首先輸入試卷要求參數(shù)，例如知識點(diǎn)、題型、分?jǐn)?shù)比例、題目數(shù)、難度系數(shù)、考試時間等。然后系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)自動生成試卷，并允許在試卷抽取之后進(jìn)行調(diào)整。(3)交互組卷。交互組卷方式是用戶通過人機(jī)對話方式逐題指定試題的指標(biāo)，系統(tǒng)在試題庫中查找符合要求的試題并將查找結(jié)果顯示出來，用戶查看試題內(nèi)容和答案后選定所要的試題，最終生成試卷。

查詢管理試卷管理模塊包括試題查詢、試卷查詢、成績查詢和用戶查詢等功能。

統(tǒng)計(jì)分析統(tǒng)計(jì)分析模塊包括試題情況統(tǒng)計(jì)分析、試卷情況統(tǒng)計(jì)分析、成績統(tǒng)計(jì)分析等功能。試題情況統(tǒng)計(jì)分析主要用來統(tǒng)計(jì)題庫的各類指標(biāo)分布情況，供用戶參考。試卷情況統(tǒng)計(jì)分析主要用來統(tǒng)計(jì)以往試卷的各類指標(biāo)分布情況，供用戶參考。成績統(tǒng)計(jì)分析主要用來對考試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以反映考生的學(xué)習(xí)情況和教學(xué)質(zhì)量，對各次考試情況進(jìn)行對比。成績統(tǒng)計(jì)分析包括試卷統(tǒng)計(jì)屬性分析、最高分、最低分、平均分、各個分?jǐn)?shù)段的累計(jì)人數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差分析、題目分析和知識點(diǎn)情況分析等，然后給出試卷和試題的難度、區(qū)分度等指標(biāo)的實(shí)測值。

系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理模塊包括系統(tǒng)基本信息設(shè)置、試題錄入、刪除與修改、幫助等功能。

工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)題庫共編入試題257道，所有試題難度分初、中、高三個等級，每個等級又按教學(xué)要求分“掌握”和“了解”兩個類別。題型充分采用當(dāng)前慣用的形式，即客觀型與主觀型。試題敘述部分力求言簡意明，解釋唯一，防止歧義。題圖、表達(dá)式均采用Word錄入，題圖線條規(guī)整光滑，尺寸及其他標(biāo)注符合要求，視覺效果較好。

試題庫系統(tǒng)采用合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了試題庫的實(shí)時管理，較好地保證了系統(tǒng)的開放性、可擴(kuò)展性、可移植性。同時，系統(tǒng)利用遺傳算法的全局尋優(yōu)和收斂速度快的特點(diǎn)，提高了組卷的成功率和速度，具有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

[1]張克．基于C/S結(jié)構(gòu)的試題庫隨機(jī)組卷系統(tǒng)的研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007．

[2]秦哲．基于J2EE架構(gòu)的網(wǎng)上試題庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2006．

[3]王宏軍．基于WEB的網(wǎng)絡(luò)試題庫系統(tǒng)開發(fā)[D].西安：西安理工大學(xué)，2007．

[4]黃勇．基于SOA的高校試題庫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．上海：華東師范大學(xué)，2007．

[5]黃蔚,王朝暉．計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)試題庫組卷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)時代，2008,（4）：52－54．

[6]袁鋒．遺傳算法在自動組卷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．山東師范大學(xué)學(xué)報，2006，21(1)：53－56．

（本文責(zé)任編輯：楊在良）

（本欄責(zé)任編輯：王恒）

G712

A

1672-5727（2010）07-0155-03

*本文系2006年度江蘇省高校“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師基金資助項(xiàng)目（蘇教師[2007]2號），江蘇科技大學(xué)優(yōu)秀青年骨干教師基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：37010801）

黃海燕（1975—），男，云南曲靖人，博士，江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院副教授，主要從事教學(xué)與工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。