（计算机应用技术专业论文）智能考试系统中评估反馈系统的实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 智能计算机辅助教学( i c a i ) 是当今计算机辅助教学( c a d 应用发展的一个主 流，考试评测反馈系统作为其中的一个重要组成部分，正受至越来越多的关注。 但是目前考试评测系统的研究还处于初级阶段，评测的智能化和精确性还有待提 高。 本文在分析研究目前考试评测反馈系统优劣的基础上提出了一种智能化的 评测方法。并在此基础上，以浙江大学成人教育学院远程教育考试系统为依托实 现了一种新的、智能化的考试评测反馈系统。 系统主要包括试题库管理模块、试卷生成模块、测试模块、评阅分析模块、 成绩管理模块。在本课题进行的过程中，主要探索了试题库系统中试题难度指标 检验的统计模型；综合衡量试题属性的试题评价因子，并以此作为组卷依据；增 加了“试题属性库”这一在以往智能考试系统中不曾出现的新的数据库，提高了组 卷的效率和质量；随机选题中试题难度分布的计算模型；试题的赋分模型；并对 其中的部分算法进行了实现。评测过程中，为了评价学生是否达到了教学目标的 要求，提出了基于信噪比的教学评测模型，并对它的应用进行了初步探索。 系统开发基于w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 的操作平台，前台使用p o w e rb u i l d e r 可 视化开发环境，引入面向对象的程序设计方法，后台采用s q ls e r v e r 关系数据库 进行设计和实现。评测模型涉及到的一些复杂模型算法采用c + + 语言实现，通过 接口调入p o w e r b u i l d e r 中运用，构建了更加灵活的三层软件结构。 关键词：智能计算机辅助教学；评测；反馈；评价因子：试题属性；信噪比 一l l l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n c ec 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 ( i c a i ) i sam a i ns t r e a mo f t o d a yc a i a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t a so d eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r to f i c a i , t h e e v a l u a t i o na n df e e d b a c ks y s t e mi sg i v e nr e c o g n i t i o nb yp e o p l em o r ea n dm o r e b u t n o wt h er e s e a r c ho f t h ee v a l u a t i o na n df e e d b a c ks y s t e mi ss t i l li n j u n i o rp h a s e ，w e w i l li m p r o v et h ei n t e l l i g e n c ea n da c e n r a c yo f t h ee v a l u a t i o na n df e e d b a c ks y s t e m b a s i co nt h ea n a l y z ea n dr e s e a r c ho f t h ee v a l u a t i o na n df e e d b a c ks y s t e m ，t h i s p a p e rd e m o n s 打a t ea ni n t e l l i g e n c em e t h o do f t h ee v a l u a t i o n i nt h i sf o u n d a t i o n , t a k e t h ez h e j i a n gu n i v e r s i t ya d u l te d u c a t i o ni n s t i t u t ed i s t a n c el e a r n i n gp r o j e c ta st h e b a c k g r o u n d ，h a sr e a l i z e da nn e wa n di n t e l l i g e n te v o l u t i o na n df e e d b a c ks y s t e m t h es y s t e mi n v o l v e df i v em o d e l s ：t e s t - q u e s t i o n sd a t ab a s em a n a g e m e n tm o d e l ， c o m p o n e n tt e s tp a p e rm o d e le x a m i n a t i o nm o d e l ，j u d g m e n ta n da n a l y z i n gm o d e l ， g r a d em a n a g e m e n tm o d e l d u r i n gt h ep r o c e s so f t h ep r o b l e mr e s e a r c h , m a i n l y e x p l o r i n gt h es t a t i s t i c a lf o r m e ro f t e s t - q u e s t i o n sd i f f i c u l t yi n d e xv e r i f yi nt h e t e s t - q u e s t i o n sd a t ab a s es y s t e m t h et e s t - q u e s t i o n sc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nf a c t o r w h i c hi sc o n s i d e r e da st h ep r i n c i p l eo f t e s tp a p e r g r o u p i n gh a sb e e ni n c r e a s e da d a t a b a s el i b r a r y ，an o v e ld a t a b a s er e l a t e dt ot h ei n t e l l i g e n tt e s ts y s t e mb e f o r eh a s e n h a n c e dt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f t e s tp a p e rg r o u p i n g t h ea r i t h m e t i cf o r m e ro f t e s t - q u e s t i o n sd i f f i c u l t yd i s t r i b u t i n gi si nr a n d o ms e l e c tp r o b l e m t h ef o r m e ro f t e s t - q u e s t i o n ss c o r e sg i v e nb e s i d e sp a r t so f t h ef o r m e rw a sr e a l i z e d d u r i n gt h e j u d g m e n ta n de x a m i n a t i o n , i no r d e rt oe v a l u a t ew h e t h e rt h es t u d e n t sh a v ea t t e n d e dt h e r e q u i r e m e n to f t h ee d u c a t i o na i m ，b r i n go u tt h ee d u c a t i o na n d j u d g m e n tm o d e l d e p e n d i n go nt h es i g n a l n o i s er a t i o ，a n dd o n et h ep r i n c i p i u mr e s e a r c ho nt h em a t h a b o u ti t sa p p l i c a t i o n t h e e x p l o i t a t i o no f s y s t e mw a sd o n eo nt h eo p e r a t i o nf l a to f w i n d o w s2 0 0 0 ，o n e t h es t a g et h ee n a b l e v i s i b i l i t yc o n d i t i o no f p o w e r b n i l d e ri su s e d ，i m p o r tt h e o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d , w h i l et h eb a c k g r o u n dd a t a b a s eu s e dt h ec o n n e c t i o n d a t a b a s eo fs q l s e r v e r , s ot h e s et o o l ss o f t w a r eh e l pt h ed e s i g na n dr e a l i z eo f t h e e x a m i n a t i o na n de v a l u a t i o ns y s t e m s o m ea r i t h m e t i co f t h ee v a l u a t i o nf o r m e ri s i v 浙江大学硕士学位论文 r e a l i z e db yt h ec + + l a n g u e , t h r o u g hi n t e r f a c ea p p l i c a t i o ni nt h ep o w e r b u i l d e r , s ot h e m o r ef l e x i b l et h r e el a y e ra p p l i c a t i o ns t r u c t u r ec o m et r u e k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n c ec 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 ；e v a l u a t i o n ；f e e d b a c k ； e v a l u a t i o nf a c t o r ；t e s t - q u e s t i o n s a t t r i b u t e ；s i g n a l n o i s er a t i o v 一 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着计算机技术、通讯技术、多媒体技术以及人工智能技术的不断发展，计 算机辅助教学c a 卜一的发展，经历了用高级语言编制程序制作课件到以多媒体 课件写作系统为工具进行课件开发的阶段，进而发展到网络化、智能化的c a i 应 用的高级阶段。同时，信息时代的到来，使信息高速公路在世界各国的实施成为 可能，实施网络远程教育成为普及全民教育的一个发展方向。随着互联网络深入 到每个家庭，网络远程教育以其跨地域性、随时性和用户广泛性等特点，越来越 成为提高全国人民思想道德以及科学文化素质的一个有力的手段，同时也是推动 教育现代化、满足社会日益增长的终身学习需求的重要途径。 进入二十世纪九十年代以来，随着网络技术的发展，出现了网络考试模式。 网络考试系统作为现代网络远程教育必不可少的重要组成部分，是网络教学系统 中评价和分析学生对课程的掌握程度以及学生进行测验练习的工具。利用网络考 试系统，可以实现电子出题、智能考务、自动评分、实时统计、异地考试、远程 监控，更优化了考试的运行模式【1 1 。最初仅在局域网的考试系统，随着信息技术 的发展，尤其是随着i n t e r n e t 领域信息技术的发展，信息与知识的传输已经超越了 地区、国界的限制，不可能要求学生都到学校参加考试，从而使基于w e b 的网络 考试成为一种极其重要的考试模式。因此大力发展远程网络考试系统，是提高办 学效率、促进教育现代化的有力途径之一。 虽然目前基于w e b 的网络考试系统能把教师和考务人员从繁重的命题、印卷、 装订试卷、保密、监考、阅卷、登分等考务工作中解脱出来，并且推动了试题库 的发展，使考试趋于更客观、公正、高效。优化了考试的运行模式，提高了工作 效率、减轻了老师的负担，将教师从单调繁重的劳动中解放出来，使广大的教师 有更多的时间投身于教学研究和科学研究中去。但是，所有的考试目的并不在于 考试本身，而是在于通过考试这个方式或手段考查学生对于学科知识点的掌握情 况，从而能够对以后老师的教学工作和学生的学习进行具体指导，达到“学生更 好地学，老师更好地教”的目的。网络考试系统中的评估反馈系统就是为实现这 一目的而设计开发的。 一1 一 浙江大学硕士学位论文 1 2 智能计算机辅助教学 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 ) 是利用计算机协助进行的各 种教学活动。c a i 系统有时亦称为计算机辅助学习系统，通常它的教学功能具有 3 种模式：辅导模式，用于向学生讲授知识和技能等内容；练习与操练模式，通 过学生与计算机的频繁交互作用来训练学生的解题能力，借以加深对所学的概念 的理解；对话模式，通过与学生的相互提问和回答，来训练学生的理解力嘲。c a i 系统种类甚多，分类方法也各有不同。 按工作原理分为4 种：帧面型( f l a m e o r i e n t e d ) ，基本上沿用程序教学的原 理，以帧面为单元组织教学内容，有较多的c a i 系统沿用这种原理：生成型 ( g e n e r a t e d ) ，利用一些由教学信息组成的数据库，而后根据学生的实际情况， 从这些数据库中选取适当的教学信息，生成各教学单元，从而形成整个教学过程； 智能型( i n t e l l i g e n t ) ，引入按教学原则组成的知识网络，用以生成问题与学生的 对话，它一般是“双向”的，即计算机可提问学生，学生也可向计算机提问。另 外该系统一般能判断学生的学习状况和产生错误的原因；认知型( 或称l o g o 型) ，按照瑞士心理学家j 皮亚杰的认知心理学，让一个学生在一个由计算机产 生的理想化了的环境( 亦称微型世界) 中实践，从而实验性地发现与学习现实世 界的规律，即学习某一学科中的概念和练习某些技能技巧“”。 智能计算机辅助教学可以克服传统c a t i 者多方面的弱点，为学生提供一种新 型的学习环境，能更好地满足不同学习者的需要，诊断学习者的错误，判断错误 产生的原因并产生相应的校正策略。”。智能化辅助教学是在教学层次、教学内容 方面的纵向深入发展。以图形化方式为主的用户界面技术的普及，特别是多媒体 技术的发展，改变了传统计算机只能单纯处理数字和文字信息的不足，使计算机 能综合处理声图文信息，并以形象丰富和方便的交互性，极大的改善了人机界面， 对人们更友善更方便，为计算机进入人类生活和生产的各个领域打开了大门，也 为计算机开辟了更广阔的市场。以人为中心的计算机信息时代最终会改变人们的 生活方式，而且改变的程度之深，范围之广难以想象。随着人工智能、专家系统、 知识工程、多媒体技术、卫星和光纤通讯的发展应用，以及人们正在讨论的“信 息高速公路”的逐步实施，人们最终将要实现这样的智能多媒体计算机辅助教学 系统。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 1 3i c a i 的发展趋势 i c a i 就是利用人工智能技术和计算机技术实现最佳教学，而“最佳”有两 层含义：用计算机模拟优秀的人类教师；用计算机在某些方面超越人类教师。i c a i 从开始就非常注重个别化教学的研究和实现。而所谓智能教学，就要求计算机系 统能够提供个别化的因人而异的有效教学衄。教学是教授者和学习者之间的交 互活动，为此，i c a i 必须做到三懂；懂知识、懂学生、懂如何教。具体地说，i c 越 必须具备懂得所要教授的知识、了解并记忆学生的知识状况和反应、掌握和学生 交互( 交流) 的方法、以及知道如何组织教学内容。 在不同的时期，人们对于“智能计算机辅助教学系统”中“智能”的理解不 一样。有学者提出对于该“智能”的具体要求为“1 ： 1 、自动生成各种问题和练习； 2 、根据学生水平和学生情况选择与调整学习内容与进度； 3 、在理解教学内容的基础上自动生成解答； 4 、具有自然语言的生成和理解能力，以便实现比较自由的教学和问答系统， 提高人机交互的能动性； 5 、对教学内容有解释能力； 6 、能诊断学生错误，分析原因并采取纠正措施； 7 、能评价学生的学习行为； 8 、能不断地在教学中改善教学策略。 上述要求是i c a i 中智能的具体化，对于i c a i 的设计有一定的指导意义。当然， 一个i c a i 系统具备上述所有的特征目前尚不可能。i c a i 的发展要适应网络化教学 的趋势，开发智能化数据库式的课件，重点加强检索和查询功能。以面向多种水 平的用户，最终实现人选择教育，而不是教育选择人。 1 4 本课题研究的内容 智能计算机辅助教学( i c a i ) 的关键特征之一是适合个别化教学，即它能够 根据学生的实际需要选择合适的教学内容，采用合适的教学策略实施教学。因而 开发一个比较科学实用的智能计算机辅助教学考试评估反馈系统是很必要的，它 能使系统在教学过程中及时、准确地接受学生的反馈，并根据反馈系统预先建立 一3 一 浙江大学硕士学位论文 的学习模型确定出具体的教学策略。收集学生反馈信息的重要方法之一是在教学 过程中提供大量与教学内容有关的测试题让学生解答，然后对解答的结果进行分 析，提取出有用的信息。因而一个实用的i c 舡系统应具有提供交互性测试及评判 的功能。因此，实施教学时，测试应注重题目的内涵，便于交互及进行评判。 1 4 1 考试评估反馈系统的功能 考试评估反馈系统主要完成五个方面的功能： 1 、测试题的维护：建立一个开放性的试题库，可以对测试题进行添加、删 除、修改等操作。 2 、交互性测试：采用不同的数学模型和方法进行组卷，以多媒体形式向学 生展示测试题，接受学生对测试题的解答，并给出解答是否正确的判断等。 3 、评估测试结果：分析学生完成全部测试的情况，评估学生对所测内容的 掌握程度，并按照评估成绩对学生的下一步学习做出推介。如评估成绩达不到预 定的目标，可建议学生重新学习该知识点或推荐某些较易和前期的知识点来学 习，而如果评估成绩很好，则可推荐一些扩充或较难的知识点以供该学生学习。 4 、评估反馈：利用试卷的分析结果，检验、修改试题库中相关试题的指标 和属性，利用考试成绩的结果，评估学生对各知识点的掌握的熟练程度。 5 、对多个同时学习某一方面知识的学生来说，考试评测系统可以根据学生 学习知识点的难易不同及评测记录，对所有学生的学习效果做出总结并给出排 名。 1 4 2 考试评估反馈系统功能模块 根据考试评估反馈系统要实现的功能，主要应该有五大功能模块组成：试题 维护模块、试卷生成模块、测试模块、试卷评阅分析模块、成绩管理模块。试题 维护模块主要用于管理者( 教师) 对试题库中的试题进行增加、删除、修改等维护 活动；试卷生成模块按学生或管理者( 教师) 的要求自动生成测试试卷，也可以根 据学生的测试成绩的情况生成符合要求的试卷；测试模块展现试卷供学生测试以 及负责实时测试时对各种事件如时间记录等的管理；试卷评阅分析模块负责批改 试卷并给出成绩，并对学生的学习成绩及学习效果给出评价，对一组学生的知识 掌握情况做出综合评估；成绩管理模块管理学生的学习成绩，教师通过正确登录 后，可以查询所有学生的考试成绩，学生通过登录后可以查询自己历次的考试结 4 浙江大学硕士学位论文 果。 由于本文所论及的评估反馈系统是在现有的基于w e b 的网络考试系统中的 一个子功能模块，所以本文只对与评估反馈系统密切相关的部分进行重点论述。 一5 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章关键技术和方法 开发智能计算机辅助教学考试评估反馈系统主要依靠几个关键的技术，这 些技术成功的实现了考试评估反馈系统的功能。以下是对现今几个比较成熟技术 的介绍。 2 1 进化算法 2 1 1 进化算法概述 进化算法是基于模拟自然进化的搜索过程发展起来的一类随机搜索技术， 它从任意一个初始的群体出发，通过随机选择( 在某些算法中是确定的) 、变异 和交叉( 在某些算法中被完全省略) 过程，使群体进化到搜索空间中越来越好的 区域。选择过程使群体中适应性好的个体比适应性差的个体有更多的复测机会， 交叉算子将父代信息结合在一起并将它们传到子代个体，变异在群体中引入了新 的变种。 在计算机科学中，进化实质上是一种优化处理的过程，它与传统的优化方 法不同，传统的优化方法都是用代价函数来衡量动作的行为从而通过选择一个好 的动作使操作的对象得到优化，绝大多数典型的优化方法是通过计算优化函数的 梯度值或高阶统计值进行优化的，一般情况下这类方法只能得到局部极优值，并 且容易受到随机干扰的影响，而进化的方法符合达尔文“适者生存”和随机信息 交换的思想，既消除解中不适应因素，又利用了原有解中的知识，从而使优化过 程加快，最终得到全局极优解。 在智能考试系统中，自动组卷时选择要进行组卷的组卷方案、输入组出试 卷的名称以及组卷套数，系统按照一定的组卷算法进行自动组卷。自动组卷的 效率与质量完全取决于抽题算法的设计【3 1 】【3 2 】。如何设计一个算法从题库既快又 好的抽出一组最佳解或是抽出一组非常接近最佳解的试题，而且能够保证组卷 的稳定性，涉及到一个全局寻优和收敛速度快慢的问题。稳定性是指同一考场 的不同试卷和多次考试所采用的不同试卷对相同的组卷方案应当能够维持在同 一水平上，不能忽高忽低从而造成对考生衡量标准的不一致。传统的算法在解 决这个方面存在严重的缺陷。 与传统的算法相比，进化算法的突出特点表现在以下两个方面： 6 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 智能化 进化算法的智能性包括自组织、自适应和自学习等。应用进化算法计算求 解问题时，在确定了编码方案，适应度函数及遗传算子后，算法将利用进化过程 中获得的信息自行组织搜索”1 。由于自然的选择策略为：适者生存、不适应者淘 汰，故而适应值大的个体具有较高的生存概率适应值大的个体具有与环境更适应 的基因结构，再通过杂交和基因突变等遗传操作就可能产生与环境更适应的后代 “1 。科学家发现隐藏在自然选择背后的实质，就是种优化的思想1 9 】。进化算法 的这种组织、自适应特征同时也赋予了它具有能根据环境的变化自动发现环境特 性和规律的能力。 ( 2 ) 本质的并行性 进化计算的本质并行性表现在两个方面：一是进化计算内在并行性( i n h e r e n t p a r a l l e l i s m ) ，即进化算法本身非常适合大规模并行；二是进化计算的内含并行性 ( i m p l i c i t p a r a l l e l i s m ) ，由于进化计算采用种群方式组织搜索，从而它可以同时搜 索空间内的多个区域，并相互交流信息，这种搜索方式使得它虽然每次只执行种 群规模n 成比例的计算，而实质上已进行大约o0 田次有效搜索。这使得进化计算 能以较少的计算获得较大的收益。 群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换是进化算法的两大特点，其优 越性表现在：首先，进化算法在搜索过程中不容易陷入局部最优，即使在所定义 的适应度函数是不连续或非规则的情况下，它们也能以很大的概率找到全局最优 解；其次，由于它们固有的并行性，进化算法适合于并行计算；再者，进化算法 采用自然进化机制来表现复杂的现象，能快速可靠地解决非常困难的问题：此外， 由于它们容易介入到已有的模型中并且具有可扩展性，以及易于同别的技术混合 等因素，进化算法目前己经在最优化、机器学习和并行处理等领域得到越来越广 的应用。 2 1 2 遗传算法 目前研究的进化算法主要有三种典型的算法：遗传算法( g a ，g e n e t i c a l g o r i t h m ) 、进化规则( e p ，e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g ) 、进化策略( e s ，e v o l u t i o n s t r a t e g i e s ) 。虽然这三种算法在实现方面有所差别，但它们具有一个共同的特点， 即都是借助生物演化的思想和原理来解决实际问题的。下面仅就遗传算法( g a ) 一1 一 浙江大学硕士学位论文 做一简单介绍。 1 遗传算法( g a ) 的概念。遗传算法是人工智能的重要分支，根据适者生存、 优胜劣汰等自然进化规则来进行搜索计算和问题求解。它把搜索空间( 欲求解问 题的解空间) 映射为遗传空间，即把每一个可能的解编码为一个向量，称为一个 染色体或个体，所有染色体组成群体或集团，并按照预定的目标函数( 或某种评 价指标) 对每个染色体进行评价，根据其结果给出一个适应度的值，算法开始时 先随机地产生一些染色体( 欲求解问题的候选解) ，计算其适应度，根据适应度 对诸染色体进行选择、交换、变异等遗传操作，剔除适应度低( 性能不佳) 的染 色体，留下适应度高( 性能优良) 的染色体，从而得到新的群体。由于新群体的 成员是上一代的优秀者，继承了上一代的优良性质，因而明显优于上一代。g a 就是这样反复迭代，向着更优解的方向进化，直至满足某种预定的优化指标2 m 7 l 。 上述g a 的工作过程如图2 一l 所示。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 图2 - i 遗传算法工作原理 2 遗传算法( g a ) 优化搜索设计的基本步骤如下“o 】： ( 1 ) 确定适当的编码方案：将问题的表示换成遗传空间解的表示，即用字符 串或位串构造染色体。 ( 2 ) 选择初始种群：种群是由一组描述g a 搜索的遗传空间的染色体所构成， 在搜索过程中用适应度函数评价染色体的优劣，其值越大相应的染色体所代表的 解越优。 ( 3 ) 确定适应度函数：是对解的质量的一种度量，通常依赖于解的行为与环 境( 即种群) 的关系，一般以目标函数或适应函数的形式来表示。 ( 4 ) 确定选择策略：优胜劣汰的选择机制使适应值大的解有较高的存活率。 主要包括选择、交换和变异三种操作。其中选择操作是根据各染色体的适应度， 在群体中按一定的概率选取可作为父本的染色体，依据是适应度大的染色体被选 一9 一 浙江大学硕士学位论文 中的概率大；交换操作是按照一定的概率随机地交换一对父染色体的基因，以便 形成新的染色体，交换操作能够创造新的染色体( 子孙染色体) ，从而允许对搜 索空间中的新点进行测试，交换也体现了自然界中信息交换的思想；变异操作是 按照一定的概率随机地改变染色体的基因值，作为g a 辅助算子，它作用在位串 上，以较小的概率随机地改变串上的每一位( 即相应位上的0 变为1 ，或是1 变为o ) ， 变异概率的值一般在0 o o l n o 0 1 之间，它不依赖于目标变量的维数和位串的长 度。 ( 5 ) 选择控制参数：控制参数主要包括种群的规模、算法执行的最大代数、 执行不同遗传操作的概率，以及其他一些辅助性控制参数。 ( 6 ) 设计遗传算子：遗传算子主要包括选择、交换、变异、杂交，以及其它 高级操作。 ( 7 ) 确定算法的终止准则：由于g a 没有利用目标函数的梯度等信息，所以在 进化过程中无法确定个体在解空间中的位置，因而无法用统计方法判定算法收敛 与否，以便终止算法。在遗传算法中常用的办法是，预先确定最大的进化代数， 或算法在连续多少代解的适应值没有明显改进即终止该算法。 3 遗传算法( g a ) 优化搜索算法描述。一个标准的g a j e 化搜索基本结构可 以描述为【3 2 】： 随机初始化种群p ( o ) ；仁o ； 计算每个个体的适应值； 执行选择操作： w 1 1 i l e ( 不满足终止准则) d o 执行重组； 执行变异； 计算个体的适应值； 保留最好解： 执行选择产生新的种群p ( t + 1 ) ；t - - - t + l 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 输出结果； 4 遗传算法的特征。遗传算法是一个利用随机化技术来指导对一个被编码的 参数空间进行高效搜索的方法。其主要特征表现在以下四个方面1 1 】： ( 1 ) 遗传算法处理的对象不是参数本身，而是对参数集进行了编码的个体， 此编码操作使得遗传算法可直接对结构对象进行操作。 ( 2 ) 遗传算法采用同时处理群体中多个个体的方法，即同时对搜索空间中的 多个解进行评估，这一特点使遗传算法具有较好的全能搜索性能，减少了陷于局 部优解的风险。同时这使遗传算法本身也十分易于并行化。 ( 3 ) 遗传算法中，用适应度函数值来评估个体，并在此基础上进行遗传操作， 且其适应度函数不受连续可微的约束，适应度函数的定义域可以任意设定。 ( 4 ) 遗传算法采用概率的变迁规则来指导它的搜索方向，遗传算法采用概率 论仅仅是作为一种工具来引导搜索过程，朝着搜索空间的更优化的解区域移动。 2 2 使用p o w e rb u i l d e r 开发数据库应用程序 p o w e rb u i l d e r 是一个适用于客户机服务器数据库应用系统开发的可视化开 发工具网。程序员可以直观地创建应用程序界面，调用数据库中的数据，对数据 库中的数据进行修改。p o w e rb u i l d e r 提供了功能强大且简便的编程语言p o w e r s c r i p t ，使程序员能方便地对用户操作进行响应。 p o w e rb u i l d e r 是一个开放的开发环境，它能访问多种大型和小型的关系数据 库，盎n s y b a s e ，o r a c l e ，i n f o r m i x ，x b a s e ，m i c r o s o f ts q ls e r v e r 。而且p o w e r b u i l d e r 还提供了一个自带的数据库：a d a p t i v es e r v e ra n y w h e r e ，可以利用其脱离网络环 境单机运行开发程序，这为编写和调试代码带来了极大的方便p 9 1 。 用p o w e r b u i l d e r 来开发数据库应用程序可以分为两类：一类是用户在p o w e r b u i l d e r 开发应用程序中对需要的数据库进行访问；另一类是利用p o w e rb u i l d e r 作为数据库应用程序的前端开发工具，开发管理数据库的应用程序。 2 2 1p o w e rb u i l d e r 开发数据库技术 用p o w e rb u i l d e r 可以轻松地开发出功能强大、访问速度快、应用广泛、占用 资源少的数据库应用程序。所以，p o w e rb u i l d e r 作为一种方便易用的前端开发工 浙江大学硕士学位论文 具在实际开发中被广泛应用。它包含了开发数据库应用的全方位的支持，提供了 多种访闯数据库的技术，本文中主要采用o d b c ，下面对这个技术加以介绍。 2 2 2 开放数据库连接( o d b c ) 开放数据库连结( o d b c ，o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 是使用最广的数据库 接口，它使应用程序能以标准接口去访问各种数据库管理系统( d b m s ) ，而不 必依赖于某个具体的d b m s 。 o d b c 体系结构由应用程序、驱动程序管理器、驱动程序和数据源等组成。 应用程序通过o d b c 接口访问不同数据源中的数据，每个不同的数据源类型有一 个驱动程序支持。驱动程序管理器为应用程序装入驱动程序。 o d b c 的体系结构如图2 2 所示。 l 、应用程序 应用程序执行并调用o d b c 接口来提交s q l 语句，并接受s q l 的执行结果， 具体可以描述为： ( 1 ) 请求与数据源会话： ( 2 ) 发送s q l 请求到数据源； ( 3 ) 为s q l 请求的结果定义存储区和数据格式； ( 4 ) 请求结果； ( 5 ) 处理错误； ( 6 ) 如有必要，报告结果给用户： ( 7 ) 为交互控制请求提交或回滚操作； ( 8 ) 中止与数据源的连接。 一1 2 浙江大学硕士学位论文 口 图2 2 0 d b c 体系结构 2 、驱动程序管理器 驱动程序管理器为应用程序装入驱动程序。除了装入驱动程序外，驱动程 序管理器还执行以下任务： ( 1 ) 将数据源映射成特定的驱动程序动态连接库。 ( 2 ) 处理o d b c 初始化调用。 ( 3 ) 为每个驱动程序提供指向o d b c 函数的入口指针。 ( 4 ) 为o d b c 调用提供参数确认和顺序确认。 3 、驱动程序 每个驱动程序是一个动态链接库，实现o d b c 函数调用并与数据源交互。每 个驱动程序执行以下任务： ( 1 ) 建立与数据源的连接。 ( 2 ) 分发请求给数据源。 ( 3 ) 翻译数据格式。 ( 4 ) 返回结果给应用程序。 ( 5 ) 把错误格式化为标准代码并返回给应用程序。 ( 6 ) 如果有必要，声明并处理游标( c u r s o r ) 。 ( 7 ) 如果数据源需要明确的事务初始化，则初始化事务。 4 、数据源 数据源由用户要访问的数据以及与之相关的操作系统、d b m s 等组成。 一1 3 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 面向对象程序设计与p o w e r b u i l d e r 面向对象的程序设计在当今的应用程序开发中具有重要的地位，它的重要 特性是继承性、封装性和多态性。p o w e rb u i l d e r 就是一种优秀的面向对象开发工 具，它与传统的开发工具有很大的区别。传统的开发工具是开发人员支配程序的 执行，而p o w e rb u i l d e r 贝, l j 是由发生的事件触发响应的程序运行。 类和对象是面向对象程序设计语言的基础，带有相似属性和行为的事物组 合在一起形成类，对象是类的实例。在p o w e r b u i l d e r 中的类非常丰富，有系统预 定义的类，如d a t a w i n d o w s 类、w i n d o w 类、m e n u 类等等。这些类为开发人员提 供了很多方便。另外，用户还可以定义自己的类，使其满足自己的特殊需要。继 承是p o w e r b u i l d e r 中最重要的面向对象的特征，它是提高开发质量和开发效率的 有效手段。在编写应用程序时，通常是先创建一些基本对象，然后继承它们，生 成子孙对象。当子孙对象生成之后，可改变其属性，增加控件或者修改事件程 序，使其满足不同的需要，这样可大大节约开发时间，继承的另一个优点是易于 标准化，由于对象的属性和代码均可以被子孙继承，因此可能有相似的窗口、相 似的控件和相似的界面风格；一个对象的属性和方法被封装在一个对象中，从概 念上将一些相关事件和对应的实体捆绑在一起，从而使该实体能够与变量一样容 易地被创建、扩展和重用。 2 2 4p o w e rb u i l d e r 中的组件 p o w e rb u i l d e r ! 是供的c o m m t s 开发工具是相当完善的，用户可以直接利 用各种w i z a r d 来开发和生成c o m 组件，并且集成了对m t s 等服务器程序的支持。 大部分复杂工作都会由w i z a r d 自动生成网。 c o m f l o c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组建对象模型。它是在o l e ( 对象链接与 嵌入) 的发展过程中出现的，是一种通用的、用来描述w i n d o w s 对象的二进制标 准。这种标准可以使所描述的对象的方法、数据能够被所有符合这一标准的程序 或对象所调用。即我们可以在应用程序中直接通过c o m 调用已经开发好的可执 行代码中的对象或方法。 m t s ( m i c r o s o f tt r a n s a c t i o ns e r v e r ) 是m i c r o s o f t 事务服务器。它向用户应用程 序提供对事务处理功能的支持，是一种处理多客户共享的分布式应用程序的工 具。m t s 主要为用户作两件事：一件是当客户访问服务器时，m t s 处理资源。它 一1 4 浙江大学项士学位论文 可以弄清楚要加载内存的客户的最少数目，以及在客户之间共享数据库和其他连 接。另一件是m t s 处理多部分事务，当一部分出错时，自动重新运行所有的部分。 如果一个客户访问不同的服务器，每个服务器管理一部分事务。 p o w e r b u i l d e r 中的c o m 组件含有对事务功能的支持，对于使用p o w e r b u i l d e r 的程序开发者来讲几乎只要知道组件中是否需要使用事务功能，然后利用程序的 自动代码生成功能，就可以开发出各种适应需要的组件或程序。 p o w e r b u i l d e r 中通过以下几个w i z a r d 来向开发者提供c o m 服务器程序和客 户端程序以及其支持m t s 等开发功能，并且还提供了相应的合法性验证程序： s t a r tw i z a r d ：创建新应用核心的用户自定义类对象； o b j e c tw i z a r d ；在已有的应用中创建新的用户自定义类对象； p r o j e c tw i z a r d ：利用一个或几个建立好的用户自定义类对象来生成c o m 服 务器程序； t e m p l a t ea p p l i c a t i o nw i z a r d ：创建客户端程序； c o n n e c t i o no b j e c tw i z a r d ：用w i z a r d 内建代码为那些需要连接到c 0 m 服务 器程序上的对象创建连接服务。 m t s 是一个c o m 组件对象的管理器，它通过一组内置的服务来简化复杂应 用系统的开发。利用m t s ，我们可以把应用逻辑定位在一些小规模的组建对象中， 并且m t s 使我们避开了复杂的细节，比如并发行考虑、安全特性等。 c o m 、d c o m ( 分布式组件对象模型) 以及m t s 构成了多层结构的基础平 台。层与层之间可以通过c o m 接口连接起来，它们可以运行在不同的进程中， 甚至运行在不同的机器上，c o m 和d c o m 提供了进程透明和位置透明特性。m t s 又为中间的业务层提供了统一的配置和管理环境，我们可以把业务逻辑封装到 m t s 对象中，然后由m t s 负责运行和包装这些业务组件。利用m t s 提供的事务 特性、安全模型，我们可以简化业务逻辑代码，即使是很复杂的业务逻辑，也可 以当作普通的c o m 组件来实现。c o m 为多层应用软件结构提供了强有力的支持， 利用c o m 、d c o m 和m t s ，我们可以给出一种典型的多层软件实现方案。三层 应用结构如图2 3 所示。 一1 5 浙江大学硕士学位论文 客户应用 ! 现层 c o md c o m 中间层 ：务层m t s 运行环境 im t s 对象ii 资源分发器l t i 中、 k 一 图2 3 建立在c o m 基础上的三层应用结构 在三层结构中，客户应用层只提供应用的用户界面，它根据用户的操作调 用相应的业务逻辑，它永远不会直接访问后台数据库，有时我们也把客户层称为 表现层。业务层是应用系统的关键所在，它负责处理所有用户的请求，并且把处 理结果返回给表现层。使用m t s 作为中间层的基础平台，除了简化编程模型以外， 我们还可以获得广泛的灵活性。首先，当应用的规模增长时，可以在多个机器上 安装m t s ，并配置和运行m t s 组件，无需修改代码就可以适应应用规模的增长； 其次，由于组件本身的独立性，随着应用发展的需要，改变业务规则意味着只需 改变有关的m t s 组件即可，而不需改变整个应用。数据层仍然是提供数据库支持， 可以用一些简单的存储过程来维护数据。 o d b c 是公认的访问数据库系统的标准接口，m t s 也把o d b c 连接作为资源 管理起来，目前几乎大大小小的数据库系统都把o d b c 驱动作为标准接口，因此， 业务组件总是可以通过o d b c 来访问数据层提供的数据。 2 3m i c r o s o f ts q ls e r v e r 本课题采用s q ls e r v e r 作为数据库管理系统，它是当前最受欢迎的关系数据 库管理系统之一。s q ls e r v e r 包含数据库的许多工具，可以使用s q l 语言和g u i 一1 6 浙江大学硕士学位论文 应用程序存储、检索和管理数据库。 在s q ls e r v e r 中，提供了与众多高级数据库管理器相同的运行性能。 ( 1 ) 丰富的编程接口和开发工具 提供了 q u e r y a n a l y z e r 作为编写t r a n s a c t - s q l 脚本程序的开发工具。q u e r y a n a l y z e r 提供给用户的是一个图形化的编写和调试t r a n s a e t - s q l 程序的工作环 境。 支持大多数常用的数据库应用编程接口，如a d o 、o l e d b 、o d b c 等。通 过这些工具允许编程人员直接控制应用程序和数据库之间的相互作用，同时包括 如a d o 等支持快速开发程序的a p i ，使用这些工具可以在很短的时间内开发出功 能较强的数据库应用程序。 ( 2 ) 动态的自动管理和配置 s q l s e r v e r 可以在运行过程中自主和动态地配置。例如，当数据库服务的任 务增加时，会动态的自主申请更