（机械工程专业论文）高职教育中《机械制图》试题库系统建设与组卷算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 机械制图试题库是计算机辅助教学( c a i ) 中的一部分，它充分发挥计算机与 试题库软件的优势来完善教学管理的，是我院高职教育教学改革项目中机械基础 课堂教学与实践教学综合改革的研究与实践的重要组成部分。它利用了二项式分 布原理、比较法、排序算法等柬建立该库的。 本文通过研究目前试题库的应用技术和发展现状，并根据机械制图课程的 特点，进行了机械基础系列课程试题库软件的需求分析，建立了软件模型，提出了 软件的解决方案，该方案的特点可以很好的控制整个试卷中各种难度试题的分布。 在算法方面，提出了“优化试卷随机赋分组卷算法”。此算法以“二项式分布 函数”为基础数学模型，能够按照某种特定的试卷结构，设定要选择的每一道试题 的难度，从而使最终组成的试卷总体难度得到较好的控制。在排版方面，对a u t o c a l ) 文件试题 1 w o r d 文件试题混和排版和打印进行了探索和研究。分析了将a u t o c a d 试题 嵌入至r w o r d 文件试题中、将w o r d 试题嵌入i 【f a u t o c a d 文件试题中等几种情况，然后在 试题库软件中进行实现。 该课题以我校教研室大量的机械制图课程试题为基础，结合教学的实际需 求利用v b a 技术和v b 语言完成了机械制凰课程试题库软件系统的开发。该软件 具有智能性、独立性和开放性。通过本试题库软件，教师可以方便的对大量试题进 行开放式的管理，协助教师迅速地从试题数据库中将a u t o c a d 试题和w o r d 试题混和选 题、组卷和打印，从而得到需要的考试试卷。 当然，该题库还有待于进一步完善。把该题库开发成网络版，提高图形的显示 精度是今后的研究方向。 关键词：机械制图：试题库：数据库；v b a 技术；组卷算法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e “m e c h a n i c a ld r a w i n g ”q u e s t i o nl i b r a r yb e l o n g st ot h es e r i e so fc a i t a k i n g f u l lu s eo fc o m p u t e ra n ds o f t w a r eo fi t e mb a n kt oi m p l e m e n tt h et e a c h i n gm a n a g e m e n ti s a l li m p o r t a n tp a r to ft h er e s e a r c ho ft e a c h i n gr e f o r mi nb a s i cs e r i e so fm e c h a n i c a l c o u r s e ，w h i c hf a l l si n t ot h ec a t e g o r yo fw u h a ne l e c t r i cp o w e rv o c a t i o n a lc o l l e g e sh i g h t e a c h i n gr e f o r m i tt a k e su s eo f l a wd i s t r i b u t i n go f b i n o m i a l 、c o m p a r a t i v el a w 、a l g o r i t h m o fa r r a n g i n gi no r d e ra n ds oo n t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dr e l a t i v et e c h n o l o g yo ft h et e s tq u e s t i o ni ss t u d i e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo f s e r i e so f m e c h a n i c a ld r a w i n g ”，t h ep a p e rc o m p l e t e t h ed e m a n da n a l y z i n g ，m a k et h em o d e lo fs o f t w a r ea n db r i n gu pt h es o l u t i o n a d j u s t i n g t h ed i f f i c u l t ya n de a s yo fe a c hq u e s t i o ni na c c o r d i n gw i t hs o m ec e r t a i nk i n d so fp a p e r 。s f r a m e w o r kt oc o n t r o lt h ed i f f i c u l t yo ft h ew h o l e p a p e ri st h ec h a r a c t e r i s t i c i nt h ea s p e c to fc a l c u l a t i n g ，a na l g o r i t h mc a l l e d ”t h ea l g o r i t h mr e s e a r c ho f c o n s t i t u t i n gp a p e rb ym a xp o w e r i sp r o p o s e di nt h ep a p e r t h i sa l g o r i t h mi so nt h eb a s e o fd i s t r i b u t i n go fb i n o m i a l ，a n dc a l la a j u s tt h ed i f f i c u l t yo fe a c hq u e s t i o ni na c c o r d i n gw i t h s o m ec e r t a i nk i n d so fp a p e r sf r a m e w o r k s oa st ow e l lc o n t r o lt h ed i f f i c u l t yo ft h ew h o l e p a p e r a n di nt h ea s p e c to f p a p e rm a k i n g u p ，t h ep r o b l e mo nt h em a k i n gu pt h ep a p e ra n d p r i n t i n ga n da u t o c a df i l e sa n dw o r df i l e sh a sb e e nr e s e a r c h e da n de x p l o r e d ，b y a n a l y z i n gs e r i e ss i t u a t i o n sl i k ei n s e r t i n gt h ea u t o c a df i l e si n t ow o r df i l e so fi n s e r t i n g w o r df i l e si n t oa u t o c a df i l e s a n dt h e nt h e ya r et a k e ni n t op r a c t i c ei nt h et e s tq u e s t i o n l i b r a r ys o f t w a r e b a s e do f fl o t so ft e s tq u e s t i o n so f0 1 2 1 s t a f fr o o ma n dt h ea c t u a ls i t u a t i o n v b a t e c h n i c a la n dv bl a n g u a g ea r ee m p l o y e dt od e s i g na n di m p l e m e n tt h es o r w a r eo ft e s t q u e s t i o n so fb a s i cs e r i e so f t h i ss o f t w a r ei s “m e c h a n i c a ld r a w i n g ”i n t e l l e c t u a l ， i n d e p e n d e n ta n do p e n t h r o u g ht h es o f t w a r e ，t h et e a c h e rc a nm a n a g eag r e a tn u m b e ro ft e s t s ，s e l e c tt h e a u t o c a df i l e sa n dw o r df i l e sf r o mt h eq u e s t i o n sl i b r a r y ，a n dc o n s t i t u t et e s tp a p e ra n d p r i n tt h ep a p e r ，a n dt h e nt h et e s tp a p e ri sw e l l d o n e o fc o u r s e ，t h ei t e mb a n kn e e dp r o g r e s s w es h a l lw o r kh a r dt oc h a n g et h ei t e mb a n k i n t oi n t e m e t k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ld r a w i n g ，d a t a b a s e ，i t e mb a n k ， v b a ， a l g o r i t h mo f c o n s t i t u t i n gt e s tp a p e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 ， 学位论文作者签名：己17 前 日期：私年阳同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文韵规定，郧：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据庠进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本诊寸属千 不保密区 ( 请在以上方框内打“”) 篡黼昌卿曰期：瓣物矽曰 磁：纠 华中科技大学硕士学位论文 1 1 教育一0 b e - 试题库 1 1 1 教育现状 1 绪论 1 ) 现代教育面临的挑战 ( 1 ) 知识的更新对教育的要求计算机技术、通讯技术和其他的电子技术等 现代信息技术的应用，绘制造业带了巨大的变化，从高技术新设备的使用到加工手 段的改变使人类知识迅速更新从而要求人们用更多的手段获取知识，利用知泌， 鼠雨翘汉啦堪长邃度在信息霹 弋投隽迅猛，形成“熟识瀑炸”，联合晷教科文组织扮 统计说明，人类有史以来，一百万年所积累的知识只占1 0 ，而近3 0 年来所积累的 知识占9 0 。英国技术预测专家詹姆斯马丁( j a m e s t a r t i n ) 的预测也表明了同样 的结论，他测算出人类知识在1 9 世纪是每5 0 年增长一倍，2 0 世纪是每l o 年增长一 倍，7 0 年代是每5 年增长一倍而目前是每三年增长一倍。因此，如何解决人们的 学习时问、理解的有限性与知识激增之问的矛盾是教育面临的首要问题。 ( 2 ) 人才的需求量对教育的要求知识更新速度的加快，势必会影响职业的变 化。一方面，新兴产业在现代信息技术的发展过程中不断产生，返就需要新的人才 培养机制和新的知识体系：另一方面，旧的产业也随着技术的进步发生了深刻的变 化，这就要求人们在自己的工作中能够应用新兴技术。所以对人才蛉露求量有昕增 加，特别是在现代制造业中，现代制造技术的使用对具有高水平读图能力和广泛知 识基础与新的知识体系的高职技术工人的需求大重增加：而培养高级技术工人的专 门教育是由高等职业技术学院来完成的高等职业技术学院是我国最近1 0 年才开办 的，时间短需不断的完善，因此，教育面临的第二个问题就是知识内容体系的变 化、以及毅墼人才钓需求量稻适应每个学习者不同需要之间的矛盾， ( 3 ) 教育的需求量对教育的要求信息时代是一个终身教育的时代，学习不仅 是学校的任务还是整个社会的需求。根据有关的资料显示，一个在校生只能学到 华中科技大学硕士学位论文 他所需知识的1 0 ，9 0 需要在今后的工作中继续学习。高等职业技术教育也是如此， 学生在校学习时阎目前为三年，扶2 0 0 5 年秋季招生开时，改为两年。因此，教育面 临的第三个重要问题是教育的需求量和师资之间的矛盾。 ( 4 ) 人才质量对教育的要求信息时代要求人们的智力和知识高度发展，否则 很难适应和推动社会的进步。教育专家的研究表明，信息时代的教学活动不再以发 展人的记忆力为主要目标，而以发展人的智力、培养创造力为主要目标。正如列 夫托尔斯泰指出的那样，“知识，只有当他靠积极的思维得来，丽不是凭记忆得柬 的时候，彳是真j 下的知识。”而高等职业技术教育是以培养学生的动手能力为主要目 标。因此。教育面临的第四个主要阃题是如何培养学生学会学习、善于思维、勇于 创造的精神。 信息时代对社会和教育提出的这些要求舟传统的教育方法是很难满足的。离职 教育以“传授知识”为主要目标以教师为中心、课堂为中一1 1 , 和书本为中心的教学 活动，远不能适应社会发展对教育的需要。教育对社会的发展和国家的振兴有着重 要的战略作用，为了适应信息社会的需要离职教育必须做出改革。 2 ) 教育的发展趋势 ( 1 ) 以学校教育为中心的向终身教育转变随着新技术、新发明不断出现， 知识的“陈旧化”的过程加快，知识的“半衰期”不断缩短。在这种情况下，对脑 力和体力工作者来说，只靠在学校里学习的知识就想在社会上受用一生已经不可能 了。因此，为了适应信息时代的要求，提出了教育概念的“扩大”和“更新”，这种 提法认为学校只能为一生的教育打下“基醯”，邸培养学生的“自我教育“的能力， 要通过“终身教育”获得各种知识和技术。同时，信息时代又使知识的学习可以不 仅在学校晕进行。而且还可以通过出版物、广播、电视、录像、计算机等多种媒体 在各个场合进行。我国的电大、函大、夜大、网校等都是实现“终身教育的”的有 效途径。 ( 2 ) 以培养记忆力为中心向以培养创造力为中心转变 随着信息时代的到 柬，对人们智力的要求也有了相应的变化，只凭记忆能力获得的知识已经不能适应 以创新为中心的知识经济。因此，教育的职能也必须由传授现有知识和技能为主要 华中科技大学硕士学位论文 目标，向培养人们具有丰富的创造力为主要目标转变。教育应由“应试教育”向“素 质教育”转化，应让学生从“学会”转变成“会学”，增加他们的自主性与积极性。 ( 3 ) 从专业划分过窄，过细向一般基础教育转变为了适应新的职业不断产 生和人们职业更换频繁的要求，教育应力图改变专业划分过窄、过细的旧格局，而 不断加强基础教育，以扩大人们选择职业的幅度。我国现在很多高等院校正在逐步 实施允许学生自主选课的制度，打破系与系、专业与专业之间的学科界限，注重学 生的全面发展：而高等职业技术教育也在朝着这方向发展，使学生有宽的择业面。 ( 4 ) 利用现代信息技术现代信息技术的发展，正在对人们的工作方式、交 流方式、学习方式乃至生活方式带来了巨大的改变，知识经济时代，信息高速公路 的出现为学习开辟了广阔的道路。在教学中应尽量使用这些先进的技术手段，将它 们运用于教学，不仅可以发挥教师无法发挥的作用。还可以克服传统教学中以教师 为中心的弊端，做到以学生为中心，实行双向互动式的学习。根据学生的具体情况， 给予不同的帮助和启发引导，从而实现因材施教。 1 1 2c b e 概述 现代信息技术的应用使教育步入了一个崭新的阶段，原有的教育概念与计算机 相结合便形成了一门新的边缘学科计算机辅助教育，它将成为教育研究的一个 热点。 1 ) c b e 定义 计算机辅助教育的英文是c o m p u t e r - - b a s e de d u c a t i o n ，简称为c b e ，有人 翻译为“以计算机为基础的教育”。它是计算机在教育中应用的广阔领域，是一门为 教育服务的综合性的边缘科学，它涉及教育学、心理学、数学等多门学科的知识， 同时依赖于计算机技术的发展与应用。尽管至今还没一个统一的定义，我们在这旱 将c b e 定义为以计算机为主进行的所有教育活动。例如：教师利用计算机授课，教 学管理人员用它进行成绩、学生档案管理等。一般它能分为以下几个部分： ( 1 ) 计算机辅助教学( c o m p u t e r - - a s s i s t e di n s t r u c t i o n ，简称c a i )它是 以计算机为主要教学媒介所进行的教学活动，即利用计算机协助教师完成教学活动。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 计算机管理教学( c o m p u t e r - - m a n a g e di n s t r u c ti o n ，简称c m i ) 它是 以计算机为主要工具所进行的教学管理活动，包括用计算机帮助教师监测和评价学 生的学习进展情况，收集反映学生学习的各种信息，提供教学决策信息，指导学生 的学习过程等等。在c b e 中，c a i 和c m i 是两个主要子域，它们之间的关系如图卜l 所示。 图i - i 2 ) c b e 的发展 ( 1 ) 研究试验阶段2 0 世纪5 0 年代末到7 0 年代后期是计算机辅助教学的 研究试验阶段。在这一时期，进行了各种类型计算机辅助教育的研究与应用试验， 探索了各种可能的应用模式，对效果与作用进行了许多测量与评价，也进行了理论 上的探讨。这一阶段的许多研究成果，特别是一些计算机辅助教育系统，从理论上 和方法上都为8 0 年代的普及与发展奠定了基础。但当时的计算机昂贵，还需要较高 的运行环境，难以使用和维修，软件与硬件能力有限，对图形描绘、声音的传播都 需专们设备，所以只处在研究阶段。 ( 2 ) 普及应用阶段 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代后期是普及应用阶段。7 0 年代中期出现的微型计算机，其体积小，速度快、容量大和人机对话功能强，而且 价格便易，使用、维护和管理都很方便，多品种的计算机如：a p p l e 、a t a r i 、c o m m o d o r e 华中科技大学硕士学位论文 等都显示出教育的应用价值。因此，计算机在国外被许多学科教师接受，达到了一 定普及程度。我国从7 0 年代末期才开始计算机辅助教学的研究与应用实践，起步较 晚，但发展相当迅速，研究开发工作和推广普及工作是同时进行的。 ( 3 ) 综合发展阶段从2 0 世纪8 0 年代末开始，计算机技术、人工智能和 视听数字化技术得到了前所未有的发展，同时教育理论的研究又有了新的突破，计 算机辅助教育开始进入一个崭新的阶段即综合发展阶段。其主要的特点是：多媒 体与超媒体技术的发展、视听信息数字化技术的发展、超文本数据组织技术的出现 和计算机能力的扩展，使得教学软件操作简单、方便，易于推广使用：信息时代要 求人们更注重团队合作精神和多元化意识，致使教育强调个别化教学转入到注重学 生间的社会交往、群体活动教育，而计算机网络为这一转化提供技术支持；人工智 能技术、计算机多媒体技术、软件工程方法、面向对象程序设计的方法等新技术， 都已经成功的应用于计算机辅助教学的开发中，使9 0 年代的计算机辅助教育软件的 生产量迅速增加，质量也有较大提高。 1 1 3 试题库系统 教学活动中包含教学、练习、测验三个主要环节，利用计算机进行教学也应如 此，其中教学要通过“课件”实现，教学的巩固要通过“练件”实现，教学效果的 检验要通过“测件”实现。所谓的“测件”就是通常说的试题库系统，它是计算机 辅助测验的主要组成部分。 试题库系统是c b e 中应用最为广泛的领域，它是将一定量的试题存储在计算机 外部介质中。通过合理客观的组卷策略，对题库中的试题从题型、难度、分数、章 节等方面来控制计算机的选题过程，最终形成试卷。它由试题库和试题库管理软件 组成。试题库，简称题库，是英文i t e mb a n k 的译音。它是按照一定的教育测量学 理论，利用计算机技术构成的某门学科试题集合。试题库区别于习题集的最大特点 是它不是信息的简单集合，而是一些经过特殊加工处理的具有较大信息量的试题的 有机组合；试题库管理软件是对题型管理、试题管理、试卷管理、系统维护、试卷 分析等有关操作。可见，研究计算机辅助测验就是研究如合建立一个分布合理、试 华中科技大学硕士学位论文 题数量大的试题库和一个运行速度快、性能稳定、组卷质量商的试题库管理软件。 1 2 课题背景 1 2 1 传统考试存在的问题 为了适应2 l 世纪对高职人才的需要，建立高职各类专业机械制图课程的新教学 体系，适应宽口径的教学内容和教学方法，对离职学生实践能力进行评估，特别是 对学生的读图能力的考查，这是高职学生与普高本科生不同的地方，普高本科生既 要有好的绘图能力，还要有强的识图能力。针对高职教学中的重要环节一考试，提 出了机械制图课程考试试题库智能系统的研制问题。这是我教研室承担我校高职教 育教学改革项目中机械基础课堂教学与实践教学综合改革的重要组成部分之一。 试题库软件的丌发和研究也是计算机辅助教学( c a d 技术的发展和探索。 传统高职考试存在一定的问题，主要表现在： 1 ) 命题随意性大一般都是由任课老师自拟试卷测验。由于这种测验的鉴 别力不高难度、测验结果的有效性和可靠性等方面有较大的随意性。使得这种测 验的误差较大，因而其测验结果也就不能准确真实地反映学生的学习成绩和教师的 教学效果也就不能很好地发挥考试在教学方面，教学行政管理方面以及学习辅导 方面的功能。 2 ) 评分标准不一传统考试评分主要依赖于命题者的主观估计和经验判断。 有较大的主观随意性，造成考试评分常有较大的误差，严重影响了考试的可信度。 除此之於，繁琐的命题、审卷、阏卷工作，势必会浪费教师的宝贵时间。 3 ) 试题取样不合理 传统考试具有一定的局限性、封闭性，各学科、各学校 之间标准不一样，考试试题的抽取缺乏合理的分布，因而考试效率低，成绩缺乏可 比性。 传统的高职考试已不能适应信息时代发展，对考试做出必要改革势在必行。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 考试的改革方向 近年来，把计算机辅助教学、计算机辅助设计引入传统的教学体系和教学课程 一直是一个关键的教学技术问题，也是教学改革的重要内容之一。现在计算机被广 泛地用于教学的各个阶段与各个环节。这不仅提高了教学质量和教学效果，而且给 教学评估带来了变革。 “高职机械制图课程”改革的主要特色之一，是将机械制图、 o , p + q = i ( 5 2 ) 而且离散型随机变量的二项式分布函数b ( i 1 p ) 的均值q 为： q = n p ( 5 3 ) 在此模型中，k 表示不同的难度级别：p n ( k ) 表示难度概率，即难度系数为k 的试 l 的分数总和与总分的比率；n 为难度级别的总数b 扪。q 为试卷期望的平均难度级别， t 以出平均分a 求得。离散型随机变量的二项式分布函数的图像呈两边低，中间高的 r 念；，两端的概率可以忽略不计。前面把试题数据库中的试题难度分为5 级，所以 见在把难度级别n 的值定为6 ：0 、l 、2 、3 、4 、5 、6 。由于二项式分布函数的图像两 嵩的概率p ( 0 ) 和p ( 6 ) 的概率非常小，所以把难度级别为l 的概率设为p ( o ) + p ( 1 ) ，难 蔓级别为5 的概率设为p ( 5 ) + p ( 6 ) 。各个难度级别的试题概率分别对应如下： 难度为l p ( 0 ) + p ( 1 ) ； 难度为2 - - p ( 2 ) ： 难度为3 一p ( 3 ) ； 难度为4 一p ( 4 ) ； 难度为5 一p ( 5 ) + p ( 6 )