基于知识的在线考试系统题库设计.pdf

2 0 1 1年第 8期 计算机与现代化 J I S U A N J I Y U X I A N D A I H U A 总第 1 9 2期 文章编号 1 0 0 6 2 4 7 5 2 0 1 1 0 8 0 1 9 3 0 5 基于知识的在线考试系统题库设计 蔡晓云 镇江高等专科学校丹阳校区基础部 江苏 丹阳2 1 2 3 0 0 摘要 提出一种基于知识的题库建设方法 该方法从知识建构的角度去重新认识对学生的考试和测评 可以帮助学生在 考试中学习并掌握知识 为了发展而考试 根据专家系统理论 设计考试 系统中的知识点 试题 学习者和规则等对象模 型 知识的表示和数据对象模型的设计是建立知识库系统的首要问题 也是智能组卷及评价的基础 关键词 在线考试 系统 专家 系统 知识 知识 点 知识库 中图分类号 T P 3 1 1 文献标识码 A d 0 i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 2 4 7 5 2 0 1 1 0 8 0 5 3 De s i g n o f Kno wl e dg e b a s e d Onl i ne Ex a mi na t i o n Sy s t e m Pa pe r Ba nk CAI Xi a o y u n D e p a r t m e n t o f B a s i c S u b j e c t s Z h e n j i a n g C o l e g e D a n y a n g B r a n c h D a n y a n g 2 1 2 3 0 0 C h i n a Ab s t r a c t A me t h o d o f k n o w l e d g e b a s e d e x a mi n a t i o n p a p e r b a n k c o n s t r u c t i o n i s p r e s e n t e d T h e me t h od t o c o n s t ruc t k n o wl e d g e r e l e a r n s e x a mi n a t i o n a n d e v a l u a t i o n t o t h e s t u d e n t s f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f k n o w l e d g e c o n s t r u c t i o n a n d C an h e l p s t u d e n t s l e a r n a n d a c q u i r e k n o w l e d g e i n e x a mi n a t i o n s f o r d e v e l o p me n t Kn o wl e d g e qu e s t i o n s l e a me r s and t h e r u l e s a r e d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f e x p e r t s s y s t e ma t i c al t h e o r y T h e d e s i g n o f t h e e x a m s y s t e m o f k n o w l e d g e a n d d a t a o b j e c t mo d e l i s p r i ma r y t o k n o w l e d g e b ase d s y s t e ms a n d a l s o a b asi s o f i n t e l l i g e n t fi x i n g t e s t p a p e r and e v alu a t i o n Ke y wo r d s o n l i n e e x a mi n a t i o n s y s t e m e x p e s y s t e m k n o w l e d g e k n o w h o w k n o w l e d g e b ase 0 引 言 近年来 试题库系统理论与技术的研究取得了很 大的进步 我国许多企业和高校都投入 了大量的人 力和物力到各门课程的试题库研制工作 中 在试题库 的框架结构 模 型建立和选题算法上都获得 了进展 并取得了一定的成果 引 目前的考试 系统虽取得很大的进步 但仍存在一 些问题和不足 例如 现有的考试系统大多仍 以应付 升学和等级考试为目的 忽略素质教育的重要性 内 容单一 注重理论知识的评价 例如当前的大学信息 技术考试中 仍然重视理论知识掌握情况 甚至有些 操作技能也 固定化 轻视学生应用实践 解决 问题的 方式评价 导致学生认为只要死记硬背 信息技术就 能学好 削弱了评价对学生综合发展的指导作用 以 知识建构为主要学习目标的特点没有在现有的考试 系统中体现出来 在我校自主开发的大学生信息技术考试系统题 库建设 中 根据该学科考试 的要求和考试学的原理 提出了一种基于知识的题库建设 方法 该方法从知 识建构的角度去重新认识对学生的考试和i 贝 0 评 可 以 帮助学生在考试 中学习并掌握 知识 为 了发展而考 试 本文重点介绍专家系统 中知识 的定义 基本结 构 表示方法等 分析该考试系统 中学科专业理论知 识及与之相关知识 的表示 根据专家 系统理论 设计 考试系统中的知识点 试题 学习者和规则等对象模 型 知识的表示和数据对象模型的设计是建立知识库 系统的首要问题 也是智能组卷及评价的基础 1 专家系统的知识表示 1 1专家系统的定义 专家系统是人工智能重要应用之一 它的 目的是 收稿 日期 2 0 1 1 一 D 4 I 基金项目 江苏省教育科学研究院现代教育技术研究所立项课 2 0 1 1 一 R 2 0 0 1 2 作者简介 蔡晓云 1 9 7 6 男 江苏丹阳人 镇江高等专科学校丹阳校区基础部讲师 硕士 研究方向 计算机教学 人工智能 1 9 4 计算机与现代化 2 0 1 1 年 第 8期 让计算机在某种程度上帮助人们解决专 家才能解决 的问题 专家系统是以推理为手段 以知识 为中心解 决问题的 形如大家熟悉的程序公式 程序 数据 算法 专家系统可表示 为 专家系统 知识 推理 基于知识的在线考试系统正是以知识为核心 以推理 为手段 分析和解决练习与测试 中的实际问题 J 专家系统的基本结构包括知识库 推理机 使用 者接 口 解释机 知识获取接 口 提供编辑 增删知识 库功能和综合数据库 其中 最主要的 3 个要素是知 识库 数据库和推理机 1 2知识表示的作用 专家系统的核心是知识 它所强调的是专家系统 使用知识解决问题 的能力 在某一特定领域 中达到人 类专家的水平 因此 一个专家系统的性能水平是它 所拥有知识的数量和质量的函数 基于知识的在线考试系统中的组卷 阅卷和学习 评价等都是一个智能行为特别密集的工作过程 学科 教师在进行这些过程时的主要依据是课 程的相关知 识 丰富的专家经验和逻辑推理的能力 因此要用计 算机来模拟真正教师在整个在线考试 系统的工作过 程 就必须建立表达合理 结构优化和存取便捷的专 家知识库 知识库是 问题求解所需 知识 的集合 包括 学科专业理论知识和学科专家经验知识 例如 学习 评价与诊断知识库主要包括诊断参量和规则两部分 诊断参量是进行学习诊断所使用的反映学生学习状 态的基本参数 如单次理论得分 历次i 贝 0 试得分的变 化图等 规则一般是学科专家的启发性经验知识 表 达 了测试成绩与知识点掌握 原因之问的内在联 系 给予学生启发性 的评价与学 习建 义 在该系统智 能评价中 数据库是整个学习评价的资料存储中心 能够为每个注册的学习者建立一个学习档案 记录每 次测试的具体信息 以帮助学习者及时了解 自己的学 习情况和系统 的评价等 1 3知识的特性与分类 知识具有相对正确性 不确定性 可表示性与可 利用性 模块性 可理解性 显式表示和灵活性等特 性 正是由于知识具有这些特性 所以它才能被存储 并得以利用和传播 该系统设计中的一个重要任务 就是如何将人的 只可意会不可言传 性质的隐含的 直观经验知识和技能显式地表现 出来 例如 在该系 统的智能评价模块中 应用知识 的特性将学科专家 的 经验知识用专家系统中知识的表示方法显式地表现 与记录 对学生的学习进行评价与诊断 一 个智能程序 的高水平运行需要有关 的事实知 识 规则知识 控 制知识和元知识 事 实是反映某一 对象或一类对象属性的知识 常以 是 的形 式 出现 规则是有关问题中与事物的行动 动作相联系 的因果关系知识 是动态的 常以 如果 那 么 形 式出现 控制是有关问题 的求解步骤 技巧性 知识 告 诉怎么做一件事 也包括 当有多个动作 同时被激 活时应选哪一个动作来执行 的知识 元知识是有关 知识的知识 是知识库中的高层知识 包括怎样使 用 规则 解释规则 校验规则 解释程序结构等知识 根据知识 的理论分析 可以把考试系统 中相关知 识分为学科专业理论知识和学科专家经验知识 其中 学科专业理论知识 即一般事实知识 学科专家经验知 识即规则知识 控制知识 元知识和常识 1 4 常用的知识表示方法 知识库是所有专家系统最重要 的组成部分 而各 种库 内存放的知识组织得好还是坏 将直接影响专家 系统 的工作效率及系统的适用性 对 系统 的成功与否 也起着决定性 的作用 为了有效地解决问题 必须选 择一种 良好的知识表示方法 知识的表示既是知识获取 的基础 也是知识应用 的前提 知识表示方法及知识库结构将直接决定 系统 的推理机制及求解策略 不同的知识表示方法 会有 不同的推理机制 不仅如此 专家系统的知识结构与 解释机制也有密切关系 采用适当的知识表示方法可 以得到更易表达和容易接受的解释 j 知识是极其丰富和庞杂的 知识表示的方法主要 有这样几种 自然语言表示法 谓词逻辑表示法 产生 式表示法 框架表示法 语义网络表示法 状态空间表 示法 问题归约表示法 过程表示 脚本表示 面 向 对象表示 P e t r i 网表示法等 其中 产生式表示法是人工智能系统中最典型最 普遍 的一种结构 用于表示具有 因果关系 的知识 在 语义上 它表示 I F A T H E N B 的因果或推理关系 尽管产生式表示法还有着 自身的缺陷 但是它的 这种形式非常接近学习评价与诊断领 域专家知识 的 结构 也比较容易改进和在数据库 中表示 而且 目前 很多研究已证实可对产生式系统加 以改进或通过与 其它表示法的结合使用更好地发挥优势 并减少 自身 的不足 因此该考试系统选择产生式表示法来构建知 识库 例如 在学 习评价和教学评价 中将使 用此 类方法 中的产生式方法来描述相关知识 以向学生和 任课教师给出相关的评价和建议 2 知识的数据库表示 随着数据库技术的发展 尤其是关系数据库技术 2 0 1 1年第 8期 蔡晓 云 基 于知识 的在线考试 系统题库设计 1 9 5 日 益强大的功能和运算速度 使关系数据库得以更加 广泛地应用 数据库技术具备数据结构化 低冗余 度 高独立性 易扩充性 数据使用的非过程性以及数 据共享等特点 数据库是对数据进行存储和管理 而 知识库主要功能是针对知识进行存储和管理 两者既 有区别又有联系 数据库用于数据信息管理 而知识 库面向智能信息处理 数据库的主要研究 目标是如何 有效地存储和检索大量数据 知识库的主要任务是 如 何有效地实现知识的表示和推理机制 数据库和知 识库在实现上也有相通之处 知识库的规则和事实都 可以做成数据库 的表的形式 可方便地进行添加 修 改 删除 查询等操作 因此 实现数据库和知识库 的 结合 把表示 事实 的数据和代表抽象 的知识结 合起 来 把数据处理的能力和基于知识的处理能力结合起 来 对于形成一个性能更高 更广义的知识库系统有 着深远的意义 本 系统在关系型数据库 的基础上建造相关的知 识库 充分利用关系型数据库管理系统功能 可以方 便试题等知识库管理系统的设计 对知识进行系统 化组织与存储 并能够有效地管理是建立专家系统时 必须要考虑的问题 利用数据库技术建立专家系统 知识库 是通过数据库本身的技术 如关联 过滤机制 和索引技术等实现简单的知识推理 并实现通过数据 库技术的专家系统知识库的维护 该实现方式从某种 意义上讲实现了通过数据库技术 对知识库本身 的维 护 某些推理过程仍 由专家系统实现 将数据库技术应用于专家系统的知识库建立 取 代了传统的文件知识库 使知识库系统存储和管理更 加稳定和高效 若采用传统的人工智能语言 如 P r o l o g语言 来 表示 知识 则 是 由一 系列 的谓 词组 成 这种表示方法虽有利于 实现专家 系统 的回溯 和递归搜索 但存储的知识有很多重复信息 即产生 数据冗余 此外数据被修改时也容易产生不一致的现 象 知识库要进行一致性 冗余性和完整性检查 也 要结合数据库技术来实现 随着专家系统的不断发 展 对知识库的要求越来越高 知识库将逐步地趋于 完善 将知识库建立在基于数据库 的基础之上 充分 利用数据库系统的强大管理功能和快捷的开发环境 能满足知识库的发展要求 引 本文选用关系数据库 S Q L S e r v e r 具体实现系统 充分利用 S Q L S e r v e r 数据库的诸多优点 例如能够很 好地处理知识表示中的不一致性 整体性及冗余度检 查问题 能利用强大 的 S Q L查询语句对 知识进行搜 索处理等 给出 了专家系统 中知识 的关系化表示 方 法 以及在关 系数据库 S Q L S e r v e r中的具体实现 并 利用 面 向对 象 的开 发 语 言 A S P N E T来 实 现 S Q L S e r v e r 对知识 的访 问 亦 即在 A S P N E T中利用 A D O 技术访问 S Q L S e r v e r 表 3 主要对 象模型的设计 数据模型的设计是该考试系统题库设计 的基础 和关键 直接影响组卷 功能和智能评价模块的设计 在该系统中 主要涉及知识点 试题 试卷 学习资源 学习者和规则等对象 下面利用关系数据库技术 对 该考试系统 中的知识点等对象建模 3 1知识点模型 知识点是描述教学领域知识的完整的教学单元 知识点之间存在的各 种关联及其关联程度称 为知识 点关系 若学习知识点 A 必须先掌握知识点 B 则 B 称为 A的前驱知识点 而 A称为 B的后继知识点 其 关联程度有强弱之分 知识点及其关系的集合称为 知识树 知识点 其中 知识点标识采用形 如 T 1 2 这样 的形 式 字母 T 表示理论知识 数字 1 1 2 表示第 1 章 第 1 节第 2 个知识点 这样的编号方式不仅将编号 与章节的具体含义结合起来 也为智能评价中的知识 树的树叶显示提供了位置信息参考 学习要求 其 中 大学信息技术 中学习要求名称包括掌握 熟悉 了解 知识点 间关 系 其中 关系类型包括组合关系 依赖关系 兄弟关 系 平行关系 在本系统中 大学信息技术 中的知识点为基本学 习单元 由各知识点构成 了该课程的层次知识结构 它是若干个关联的知识结点集 K 知识结点间的关系 r 构成了一个关系集 R 知识结点集 K与知识关系集 R构成了一棵知识树 知识树的具体表示和实现可 通过语义网络法 框架表示 面向对象表示等方法来 描述 这样的知识点编码和知识树结构 清晰地反映了 知识点之间的相互关系 以某一知识点为例 可 以方 计算机与现代化 2 0 1 1年第 8期 便地找到该知识点前驱和后继知识点 树中的每一 个知识点都被赋予唯一 的编码 方便 了知识点 的查 询 增加和删除 学习者在学习某一知识点时 在线 考试系统可以很容易地对其进行前驱知识测试 和后 继知识提 示 根 据 We b日志挖掘 出的频繁 访 问路 径 调整知识树结构 形成适应网络i 贝 0 试和学习的知 识点关系网络和导航 3 2试题模型 试题是用来检验学生知识掌握情况 的描述形式 根据大学信息技术学科专业理论知识相应的知识点 可以建立单选题 判断题 填空题和操作题 这里 以 试题库中 s i n g l e 单选题 为例建立相应的试题模型 试题库 中 s i n g l e 单选题 其中 通过知识点标识 与知识点模 型建立关联 通过试题分析编号与试题分析模型建立关联 为学生 进行 自我评价和分析建立基础 难度 区分度 猜测系 数的设置是 为智能组卷建立基础 是否选中属性的初 始值为 F a l s e 对选人试卷的试题 在试题库 中需更 改此题是否选 中属性的值为 T r u e 保证此试题下次 不会被选中 试题分析 说明 假设与每道题最密切相关的知识点不超过 3个 3 3 试 卷模 型 在该系统 中 不但能根据不同能力学习者的要求 和学习情况 自动选择试题库 中试题 组卷 变化题 目 精确地对每一个学习者进行测试和评价 而且能 由考 试组织者根据考试要求统一组卷 统一组卷的试卷 将保存到试卷库 学生 自行练习和测试的试卷不保存 到试卷库中 试卷 说明 如考题类型为 s i n g l e 则试卷上 为单选题 顺序号在组卷时 自动生成 通过试题编号和答案属 性与试题库建立关联 根据我校对试卷 的统一格式 在试卷模型中特设置了组卷人等属性 3 4 学习资源模型 笔者在该系统设计初始即考虑到本系统的设计 目标不只是为了测试学生的学习水平 而是 坝 0 试的过 程中发现学生在该学科学习上存在的问题 并对学生 提出准确的评价 和有效 的引导 在在线考试系统的 系统设计中为了满足学生个性化学 习需要 以提高学 习效率 充分利用 I n t e r n e t 的优点和现有的辅助教学 资料设计了学习资源库模型 学习资源的媒体类型分 为 文本 图形 图像 音频 视频 动画五大类 资源信息 其中 资源标识编码如下规定 T开头表示文本 P开头表示图形 图像 A开头表示音频 V开头表 示视频 F开头表示动 画 通过 特定 开头字母确定素 材类型 3 5学生模型 在该系统的设计 中 希望能根据不同能力学习者 的要求和学习情况 自动选择试题库中试题组卷 变化 题 目 精确地对每一个学 习者进行测试 和评价 因此 学习者信息和学习情况的记 录是后文智能组卷和智 能评价引导的重要基础 在此设计了学生模型 学生模型是指对学生属性的详细描述 包括个人 信息 班级信息 系院信息 安全信息 学业信息 偏好 信息 学习行为七个元组 描述如下 学生模型 学生信息 班级 信息 系院信息 安 全信息 学业信息 偏好信息 学习行为 1 学生信息是与学生绩效的度量和记录没有 直接联系 主要与管理有关的个人信息 学生信息 2 班级信息是评价各 班级学 习情况 的信息基 础 同时也建立 了学生与任课教师的关联 班级信 息 通过班级信息能统计和评价各班级学生学 习情 况 如查看该学生同班学生学 习情况和该学生任课老 师信息 3 系院信息是统计和评价各 系院学生学习情 况 的信息基础 系院信息 4 安全信息是有关学习者安全凭证的信息 安全信息 5 学业信息是与学生 的学 习相关 的一些 简要 信息 学业信息 6 偏好信息描述可促进人机交互的参数选择 2 0 1 1年第8期 蔡晓云 基于知识的在线考试系统题库设计 1 9 7 偏好信息 7 学习行为是描述学 习者对所学知识 点的相 关操作信息 如练习信息 考试信息 媒体学习信 息 学习行为信息 练 习信息 考试信息 媒体学 习信息 练习信息和考试信息的结构相同 如下 练习 考试 信息 其中 正确信息 详表 和错误信息 详表 设计 如下 正确信息 详表 错误 信 息 详 表 说明 通过试题编号与试题模型 试题分析模型 知识点模型等建立关联 通过数据表 间的关联 利用 关键字段就可进行相关信息 的查询 练 习 考试 信 息中的起始时间等信息是非常重要的 利用这些时间 信息可以了解 自己的学习进程 为智能化的学习评价 和诊断模块建立了重要的基础信息 媒体学习信息 3 6教师模型 在该考试系统的设计中 不仅希望能准确地对每 一 个学习者进行智能测试和评价 还能将学生信息反 馈给任课教师 为教师提供教学的参考和帮助 在此 设计了教师模型 教师模型是指对教师属性的详细描述 包括教师 信息和安全信息两个元组 描述如下 教师模型 教师信息 安全信息 1 教师信息与组卷 评价等没有直接联系 主 要是与管理有关的个人信息 教师信息 2 教师安全信息是有关教师安全凭证的信息 安全信息 4 结束语 本文分析了专家系统 中知识的表示及相关理论 提 出了考试系统中学科专业理论知识及与之相关知 识的表示方法 分析并设计 了试题 等数据对象模型 本文提出的基于学科专业理论知识和学科专家经验 知识 的题库设计是建立现代考试系统的首要问题 也 是智能组卷及评价的重要基础 参考文献 1 张量 詹国华 袁贞明 一种基于 I n t e r n