基于B/S構架的氣象觀測員培訓考試系統研發

羅宇　夏德奇

摘 要：本文介紹了基于B/S構架開發氣象觀測員上崗考試系統，應用MVC設計典范，綜合應用多種軟件發技術，采用基于遺傳算法的自動組卷策略，最大程度實現了考試的公平性合理性，提升了氣象觀測培訓效果。

關鍵詞：氣象觀測培訓；在線考試；遺傳算法

地面氣象觀測業務是總和氣象觀測業務的重要組成部分，是我國各級氣象觀測站所承擔的主要任務之一[ 1 ]。根據相關文件要求，中國氣象局對氣象觀測員實行持證上崗，并由人事司組織開展氣象觀測員上崗資格考試。相關題庫中試題的按照考試大綱編寫，但人工組卷在一定程度上不能很好反映上崗人員的真實能力水平，缺乏信度和效度分析。因此，有必要在實現題庫的數字化基礎上，建立統一的上崗培訓考試系統平臺，通過分析試題各項指標，建立數學模型，完成在多重約束條件下的機器自動組卷，提高考試質量和效率，進一步推動氣象教育培訓信息化。

1 設計思路

1.1 總體結構

隨著網絡技術迅猛發展，相較于傳統C/S（客戶端/服務器）構架的考試系統，B/S（瀏覽器/服務器）構架技術可以大大的降低客戶端電腦載荷，降低維護及升級成本，使教師和學員通過瀏覽器方便的接入系統，利于推廣使用。本系統采用B/S構架，將所涉及的軟件功能劃分為表現層（UI）、業務邏輯層（BLL）和數據訪問層（DAL）的三層體系結構，如圖1所示。

1）表示層。表現層位于系統最上層，基于瀏覽器提供一套標準的交互界面，以接收用戶（教師、考生）輸入信息或向用戶顯示數據。用戶在交互界面中的操作或請求，通過調用業務邏輯層封裝的事務處理接口來響應。

2）業務邏輯層。根據系統需求，業務邏輯層制定并封裝各種業務規則和業務流程，使得各獨立的對象都有明確的目的和功能。本考試系統的業務邏輯層主要包括試題庫管理、組卷管理、閱卷管理、統計分析、系統管理等功能模塊。

3）數據訪問層。數據訪問層位于數據庫服務器上，也稱為是持久層，包括用戶哭、試題庫、試卷庫、成績庫等數據庫及相應的數據庫管理系統。其功能主要是為業務邏輯層提供服務，負責數據庫相關操作，如數據表的選擇、插入、更新、刪除，以及對象和數據表之間的映射等。

1.2 功能模塊

根據前期需求分析，系統功能劃分為7個模塊供不同角色用戶調用。

1）試題庫管理模塊。用戶通過該模塊提供的查詢、添加、刪除、修改等功能，對試題庫進行維護、管理和分析。

2）組卷管理模塊。該模塊采用基于遺傳算法的自動組卷策略，在題型、知識點、難度、區分度、總分等多重約束條件下自動生成符合考綱要求的試卷。

3）閱卷管理模塊。對于試卷中的客觀題，該模塊提供自動閱卷評分功能；在此基礎上將剩余主觀題分發給相關閱卷老師，并提供參考答案供其閱卷評分。

4）統計分析模塊。該模塊為系統提供學員情況、試題及試卷等統計分析功能，如統計考生中的最高分、最低分及每道題目的使用情況、正確率等；并提供靈活的自定義數據導出功能，方便各類復雜數據分析應用。

5）在線考試模塊。在線考試模塊通過驗證考生輸入的個人身份信息，接受其進入考試系統，在規定時間內進行答題，并每隔一定時間后自動保存考試進度；若規定時間內未完成答題，系統自動交卷。

6）在線練習模塊。在線練習模塊可為考生按題型、知識點、難度、區分度等提供習題在線練習，方便考生備考。

7）系統管理模塊。系統分為教師和考生兩類用戶，教師負責系統維護、題庫管理及考試設置等；考生則可進行在線考試、在線練習和成績查詢等操作。

1.3 考試流程

系統考試流程分為服務器端考試設置流程和瀏覽器端考生考試流程，分別如圖2、圖3所示。

2 關鍵技術研究

2.1 考試題庫數字化

根據《氣象觀測員資格考試大綱》，結合教育部《現代遠程教育資源建設規范（試行）》，對氣象觀測員試題特征進行提取并抽象形成11位編碼，分別對應試題的科目、大類、知識點、順序碼（2位）、題型碼、年代位、掌握程度標識位、填空題標識位、難度標識位、區分度標識位。如編碼“13572341032”的題目，表示：科目1“氣象科學基礎”中，第3大類“大氣中的水分”下的第5知識點“降水分布”知識點下的題目，該題是此知識點內所編寫的“多項選擇題”題型中的第2道試題，編寫于2014年，掌握程度為“理解”，難度為中等，區分度位中等，如圖4所示。隨后將編碼號的試題庫導入SQL Server進行保存及管理，提升系統訪問、管理效率及安全性。

2.2 自動組卷算法研究

自動組卷算法是觀測員上崗考試系統的重要組成部分，關系著考試是否能夠充分反映考生對知識掌握水平。傳統的組卷數學模型并沒有建立一個適應智能組卷的體系[ 2 ]。常用的隨機組卷策略[ 3 ]、回溯組卷策略[ 4 ]、基于深度與廣度搜索算法自動組卷[ 5 ]和基于項目反應理論的自適應測試方法[ 6 ]，存在著組卷成功率低、算法結構復雜、選取試題缺乏隨機性及有效性缺乏驗證等缺陷?；谶z傳算法的自動組卷策略是一種隨機尋優算法，具有全局搜索、收斂速度快等優勢，因此系統采用遺傳算法生成試卷。

首先對系統所涉自動組卷問題進行多目標優化模型建模，考慮如下的屬性約束條件：1）總分約束，指試卷總分值一定；2）題量約束，指試卷中包含試題的多少以及每一種題型的數量；3）知識點約束，指根據考綱要求的各個知識點對應分值情況；4）難度約束，指試卷總體難度屬性，不同難度的題目在試卷中服從正態分布；5）區分度約束，指得分高低差距，和難度屬性共同決定試卷的鑒別力。

隨后采取面向試卷的基因段編碼方式，設定適當的初始集群數量、以及自適應的交叉和變異概率。經測試，該算法可在500代生成滿足需求的試卷，組卷結果平均最大適應度為0.8216。

3 軟件實現

3.1 開發環境

本系統主要基于.Net平臺的C#語言，綜合應用MVC、Entity Framework及jQuery等技術進行開發。

3.2 運行環境

客戶端的軟件環境：操作系統Window XP，瀏覽器IE8.0；硬件配置：處理器Pentium 4，內存1G。服務器端的軟件環境：操作系統Windows7，SQL Server 2005，IIS 7.0；硬件配置：酷睿雙核，4G內存；后臺數據庫。

4 小結

建設觀測員上崗培訓題庫及系統能夠提高相關氣象教育培訓考試的可靠性、有效性和工作效率，降低考試成本，為學員提供更全面、更靈活的培訓考核方式，進而實現對學員全面準確的跟蹤和評價，進一步提升培訓效果，發揮氣象教育培訓工作在氣象人才隊伍建設工作中的推動作用。

參考文獻：

[1] 黃思源，劉鈞.新型自動氣象站觀測業務技術[M].北京：氣象出版社，2014.

[2] 劉懷蘭，牛輝，王佳.基于改進遺傳算法的智能組卷模型優化[J]. 華中科技大學學報（自然科學版），2013，41（5）：82～85.

[3] 謝深泉，胡寧靜.數據庫設計和自動組卷中的幾個問題[J].湘潭大學自然科學學報，2002，24（3）：27～31.

[4] 龔完全.基于最小回溯代價的智能組卷算法[D].湖南：湖南大學軟件學院，2005.

[5] 毛秉毅.智能組卷系統的研究[J].計算機工程，2002，28（6）：278～278.

[6] 董敏，霍劍青，王曉蒲.基于自適應遺傳算法的智能組卷研究[J]， 小型微型計算機系統，2004，25（1）：82～85.

作者簡介：羅宇（1984-），男，四川巴中人，氣象教育培訓工程師，從事氣象教育培訓工作。