多属性多关联的工程图学试题库与多路径智能组卷系统研究

李瑞森，张树有，伊国栋，薛立华，谭建荣



多属性多关联的工程图学试题库与多路径智能组卷系统研究

李瑞森1，张树有1，伊国栋1，薛立华2，谭建荣1

(1. 浙江大学机械工程学院，浙江 杭州 310027；2. 高等教育出版社，北京 100029)

针对面向多种专业工程图学类课程考试与评价的试题库建设需求，提出一种自底向上的工程图学试题库建设方案，从工程图学试题的描述表达入手，结合工程图学课程特点，构建了多属性多关联的试题模型，分析工程图学课程的选题组卷过程，对基于试题属性参数的多路径选题组卷方法、历史试卷特征提取的试卷智能再生技术，试卷图形化交互布局方法进行了研究，开发了相应的工程图学试题库组卷系统。

工程图学；试题库；组卷系统

工程图学是工科院校普遍开设的一门量大面广的基础课程，包含机械、土木、水工、建筑等多个专业类别，图学课程注重读图、作图能力的培养，以图形化的试题作为课程考试的主要内容[1]。目前通用的试题库系统主要以文字类型为主，其组卷功能也主要基于试题文字的内容换行进行规划[2]，难以应用到以图为主的工程图学试题组卷领域，因此需要设计专门的试题数据结构框架和组卷功能，满足工程图学试题库的建设需求。工程图学试题库需具备良好的数据扩展和可移植性，又要与当前教学环境、已有教学资源等紧密集成，满足题库的扩展性、易用性和实用性要求。在工程图学试题库研究方面，夏超文等[3]从试题库的系统框架入手，将试题库系统分为试题库与试卷库，对试题库系统的功能模块进行了规划。王妍等[4]从试题库的用户角色与功能流程分析入手，规划试题库功能模块，对试题库的试题图形格式存储、组卷方式等进行了研究。陈英和李守英[5]从试题库系统的依赖软件入手，结合AutoCAD软件对试题库的功能需求、试题参数等进行了研究。

在已有研究基础上，本文提出一种自底向上的工程图学试题库建设和开发方案，从工程图学试题的描述表达入手，结合工程图学课程特点，构建了多属性多关联的试题模型，分析工程图学课程的选题组卷过程，对基于试题属性参数的多路径选题组卷方法、历史试卷特征提取的试卷智能再生技术，试卷图形化交互布局方法进行了研究，开发相应的工程图学试题库组卷系统。构建的工程图学试题库面向工程图学领域多专业课程组卷需求，最终打印生成纸质的工程图学试卷，用于各高校工程图学课程的阶段测验、期中考试、期末考试等场合。考虑到当前国内工程图学领域的教学现状，试题库中的试题、试卷数据文件载体为DWG文件，使用AutoCAD软件进行试题资源的制作和内容数据修改。

1 多属性多关联的试题库试题模型

试题是题库的基本组成单元，对试题进行全面分析，建立完整的试题模型，是构建试题库的起点。结合“事物特性表”技术的对象描述思想[6]，本文采用试题属性参数对试题进行表达描述。试题属性参数是对试题多方面特性的规范化描述，通过属性参数可以将内容形式多样的海量试题分类聚合为一个有机整体，进而满足题库选题组卷的核心功能需求。在通过试题属性参数对试题进行表达描述的基础上，考虑与各类属性参数相关联的对象因素，可以构建多属性多关联的试题库试题模型，如图1所示。

图1 多属性多关联的试题库试题模型

对试题进行类别划分，通过试题的专业及所属知识单元，可以实现试题在题库中的分类有序存放。试题的类别划分需要构建相应的专业知识类别体系，通过多级细分结构的专业知识树可以明确试题的知识层级关系，保证选题组卷的区域范围有效性。对试题进行内容分析，确定试题的题目类型、题目难度、做题所用时间、做题估计得分情况、图形特征关键词等属性参数。此类属性参数与用户学校课程的教学及生源情况密切相关，需要建立面向用户学校的属性参数动态调整机制，通过试题属性参数值的调节实现试题内容与用户需求的关联匹配，保证选题组卷的结果准确性。对试题进行形态特征规划，确定试题的幅面尺寸、题文位置布局、定位坐标等属性参数。为保证选题后卷面布局的合理性，需要同步进行试卷卷面的形态规划，以试卷卷面的尺寸、布局区域分布等信息为基础确定试题形态属性参数的具体取值，保证选题组卷后的试卷满足考试卷面要求。对试题进行状态分析，考虑试题的使用状态属性参数，避免近年试卷试题的重复使用和组卷过程的重复选题。因此需要在题库中记录历年的试卷数据和选题过程数据并在选题过程中进行调用。

试题模型是题库基础数据构建的框架要求，在进行试题入库前，需要根据试题模型确定试题描述的属性参数项，再根据与属性参数项关联的对象给定试题属性参数项的取值选项或范围要求，保证题库中的试题能顺利参与选题组卷过程。

2 试题属性选取与出题模板的多路径选题组卷方法

目前已有的试题库选题组卷方法分为手动与自动组卷两类。手动组卷中，用户高度参与组卷过程，手动确定试卷每道题目的选择结果，所获得的选题结果符合用户需求，但组卷过程需要不断浏览查看题库中的试题，操作步骤较多，组卷效率相对较低，是一种面向上课教师考教合一需求的组卷方法。自动组卷中，用户仅给出组卷规则，题目的选定交由程序自动进行，选题组卷效率较高，但选题结果的可用性取决于组卷规则及库中试题内容，是一种面向考教分离需求的组卷方法。由于不同高校的教学考核模式存在差异性，试题库系统的选题组卷功能考虑采用两种选题组卷方法并存的方式。

手动组卷方法考虑组卷效率的提升，系统需要向用户提供一种方便快捷的试题查找方法，减少用户查找试题的时间，将注意力放在对题目内容的审查上。自动组卷方法考虑组卷结果可用性的改善，系统需要向用户提供一种能准确表达选题需求的组卷规则描述方法，进而获得符合用户需求的选题结果。通过对手动和自动组卷方法的过程分析可知，两种选题组卷方法都聚焦于对试题的准确规范化描述上。本文考虑以试题属性参数为核心建立手动和自动组卷方法的主要步骤。

通过收集分析当前工程图学教师在选题组卷时考虑的因素，确定用于选题组卷过程的试题属性参数及对应取值见表1。

表1 试题属性参数表

针对手动组卷，本文提出一种多属性参数并联搜索的交互试题查询模式。在手动组卷界面列出试题属性参数表中的属性参数和取值选项，用户根据需要自行给出试题的属性参数取值条件，试题库根据用户给定条件搜索符合要求的试题集合并实时呈现给用户。通过多个属性参数条件的并联使用，用户能快速准确锁定目标试题的选择范围，提高手动组卷方法的效率。

针对自动组卷，本文提出一种基于出题模板的自动组卷选题方法。出题模板中给定了试卷题目总数以及每道题目的选题规则。题目的选题规则由若干个属性参数取值条件组成，取结果交集。每道题目的选题规则各不相同，均由用户设定，完全模拟手动组卷选题过程。组卷的自动性仅体现在符合题目选题规则的试题集合中随机选择一道试题。考虑到试题属性参数是对试题的规范化描述表达，在题目选题规则中属性参数条件齐全的情况下，获得的选题结果能符合用户需求。

3 历史试卷特征提取的试卷智能再生技术

在出新试卷时，用户需要仔细考虑试卷的题目知识分布、难易程度、题量等多个因素，通过不断的斟酌调整过程，最终形成一份试卷。但在完成一份新试卷后，需要出同类卷时，用户则会希望试题库能根据已出完的试卷快速自动生成若干份同类试卷。本文基于多属性多关联的试题模型和对试题选题组卷方法的研究，提出历史试卷特征提取的试卷智能再生技术，主要流程如图2所示。

图2 历史试卷特征提取的试卷智能再生流程( —— ：步骤流程；------- ：数据)

以同类试卷的生成为例，历史试卷特征提取的试卷智能再生流程主要步骤如下：

步骤1.设置试卷目标范围。获取已有试卷方案的估计平均分和做题时间，其由试卷中各道题目的试题做题时间、试题得分率、题目卷面分值计算获得。根据获取的试卷平均分和做题时间确定试卷目标范围，即当后续获得的试卷方案的平均分和做题时间在给定目标范围内时，视该方案为同类试卷方案。

步骤2.建立试卷选题规则。遍历已有试卷的题目列表，获取每道题目的属性参数值，表1为所列的属性参数，由于同类试卷对试题的要求是“同类”，因此需要有一个相似程度的指标，根据试题相似度判别规则，确定每道试题的选题规则条件并保存到一个选题规则列表中。

步骤3.根据选题规则筛选试题集合。遍历步骤2的选题规则列表，获得每条选题规则对应的试题结果集合，排除其中已经使用过的试题后，保存到一个试题结果集合的列表中。

步骤4.获取试卷选题方案。经过步骤3，已经获得了原试卷方案中各道试题的同类试题集合。在各道试题的同类试题集合中分别随机选择一道试题，即可组成一个初步的同类试卷方案。计算方案的平均分和做题时间，并检查是否满足试卷目标范围。如果满足试卷目标范围，则所得试卷方案即为同类试卷方案，流程结束。如果不满足，则返回重新选择试题，直到获得满足试卷目标范围的试卷方案为止。

在生成同类卷时，由于题库试题量有限、试题选题规则不合理、试题目标范围太小等原因，可能会存在无法获得同类试卷方案的情况，需要为步骤4设置组卷尝试次数，如果在尝试次数之内无法获得同类试卷方案，则结束组卷过程并提示用户排查失败原因。

以上同类试卷生成流程与正常选题组卷流程相比，在确定选题规则阶段存在差异。正常选题组卷流程通过给定试题属性参数取值选项或范围确定选题规则，然后选定试题。而同类试卷生成流程根据已有试卷中的题目属性参数值逆推选题规则，所得试题结果集合小于正常选题组卷结果，部分同类试卷方案结果无法获得。需要通过试题的相似性判别准则，对选题规则进行适当的范围扩展。试题相似性判别准则具有广度和深度两个维度，广度表示在对试题进行相似性判别时作为判别准则的属性参数数量，深度表示在对试题进行相似性判别时单项属性参数的取值相似程度，可以根据用户对同类卷的相似程度要求进行灵活调节，扩大同类试卷方案备选解集，最后利用“试卷目标范围”指标剔除差异太大的试卷方案，使最终的同类试卷方案更符合用户需求。试题相似度判别准则的扩展如图3所示。

图3 试题相似度判别准则多维扩展( —— ：试题属性； --------- ：试题属性值)

4 动态试题预览与人工交互试卷布局方法

4.1 基于颜色标记幻灯片的试题预览图

工程图学作为一门以图为主的课程，试题的图形化预览显示是题库构建的重要内容。目前已有的工程图学试题库主要采用试题位图进行预览或者通过AutoCAD软件、预览控件等读取试题源数据文件后进行预览。

采用试题位图进行预览时，显示实现过程简单且效率较高。但由于位图中试题图形数据已完全丢失，所获得的试题位图缺乏内容变化，难以在预览图中实现对试题图形线条的粗细、颜色控制，在对试题预览图进行缩放时，图形易失真。试题的题目与答案高度耦合，难以在一张试题位图上进行切换显示(部分试题库采取一道试题分别保存试题题目和答案2个位图文件的方式，在一定程度上提高了试题预览的灵活性，但是也增加了试题扩展入库的工作量和图形数据不一致的风险)。

采用AutoCAD软件(例如Adcenter设计中心)或其他预览插件进行预览时，由于软件及插件的封闭特性，难以满足试题选题的批量和试卷排版布局的过程2种预览显示要求。另外，通过读取试题源数据文件进行预览显示的方式在显示效率上也不尽人意。

本文综合目前2种显示方式的优缺点，提出一种基于幻灯片的试题预览图显示方法。幻灯片是一种轻量级矢量图文件，在AutoCAD软件中，通过“MSLIDE”命令可以将DWG文件的屏幕图形输出为幻灯片文件[7]。通过试题文件生成幻灯片时，会将原试题文件中的文字、曲线、图块等均以屏幕分辨率精度转换为线段和多边形填充数据。因此，使用幻灯片进行预览时，在保留同等显示效果的基础上，由于不需要读取原试题文件的图层、线型、文字样式、图块等数据，能大大提升预览图的显示效率。

在幻灯片的基础上，对不同类型的试题图形线条进行颜色标记见表2。即可根据试题预览的不同场景需求，对试题进行多种显示模式的预览切换。幻灯片的读取操作是实时重绘，因此能方便地实现试题不同部分、不同试题之间、试题与试卷卷面模板之间显示风格、尺寸的一致性，为试卷布局排版过程的人工交互提供了良好的可视化基础。

幻灯片可以从AutoCAD中直接生成，有利于已有试题资源的规整入库和新试题的数据扩充。幻灯片的读取显示可以通过简单的自主编程实现，与设备、操作环境、AutoCAD软件等均无关联，具备良好的跨平台可移植性。

4.2 基于坐标定位的人工交互试卷布局方法

在选定试题后，需要将试题排版到对应的试卷上。良好的试卷排版功能必须满足用户在排版过程中的各种操作需求，又不能让用户陷入对试卷局部细节的繁琐修改。工程图学的组卷排版操作，从试卷层面考虑，用户主要是在特定的试卷页上布置各道试题和填写试卷的卷面标题信息(学年、学期、测验类型、考试时间等)；从试题层面考虑，用户主要确定试题的顺序、卷面分数、坐标位置、旋转角度、图形缩放系数等。因此，组卷排版过程可视为试卷数据元素的反复叠加过程，这里的数据元素包括卷面标题文字、试题题目文字和试题题目图形。

表2 试题预览图颜色标记

以数据元素的坐标定位为基础，规划工程图学试题库的布局排版功能。以试卷卷面模板为载体，建立布局排版的二维坐标系。试卷卷面模板上的标题作为添加的第一类数据元素(通过新建多行文字对象的方式)，标题的文字样式、定位坐标、旋转角度、缩放系数等参数由试卷卷面模板确定，用户仅需要填写标题的文字内容。试题题目图形作为添加的第二类数据元素(通过插入图块的方式)，用户通过对试题的移动拖放确定试题在试卷卷面上的坐标位置，根据试卷卷面的空闲区域分布，自行决定是否需要对试题题目图形进行旋转、缩放等操作。试题题目文字作为添加的第三类数据元素(通过新建多行文字对象的方式)，在用户确定试题顺序和分数后，将试题序号、分数和试题题目文字进行合并，然后添加到试题对应位置，与试题题目图形构成完整的试题。试卷内容数据分解如图4所示。

图4 试卷内容数据分解(—— ：试卷内容分类；--------- ：试卷内容举例)

试卷布局排版流程分为两个阶段。第一阶段确定试卷的内容数据，构建基于预览图的试卷布局平台，通过载入试卷卷面模板信息确定试卷的形态尺寸和各试卷页的布局排版区域，引导用户输入试卷卷面标题信息；将试题封装为图形对象，用户通过交互方式对试题进行题目顺序调整和卷面分数的指定，将试题加入到试卷页后，可以进行移动、旋转、缩放等操作，试卷布局平台以动态预览图形式对试卷布局排版过程进行实时显示反馈；完成所有试题的布局排版后，试卷内容数据即确定。第二阶段生成试卷的结果文件，根据第一阶段试卷内容数据，自动在试卷模板文件中加入试题源数据文件，并添加卷面标题、页码、试题序号、卷面分数等文字对象，生成完整的试卷用于后续试卷存档和印刷考试。

5 实 例

本文在研究工程图学试题库构建技术的基础上，结合承担的高等教育出版社试题库项目，开发了工程图学试题库及组卷系统。试题库适应机械、土木、水工、建筑等多种专业工程图学类课程的考试需要，组卷系统包含以出题教师为主导的手动组卷功能和基于规则模板的自动组卷功能(图5~6)，通过多属性的试题浏览搜索、图形化交互布局排版功能，辅助教师快速获取满足要求的工程图学试卷，支持基于历史试卷的快速同类卷生成，减轻教师出题工作负担，提高工程图学试卷质量。

图5 工程图学试题库及组卷系统主界面

图6 试题库系统手动组卷功能

试题库手动组卷：其功能提供对试题的多属性参数并联搜索交互查询，按试题知识树关联各知识单元试题，通过试题类别属性参数、内容属性参数等快速定位所需试题范围，以图形化的方式批量显示试题选择结果。可以预览查看试题结果的详细图形内容(图7)，支持线宽粗细显示和答案显隐等多种显示模式变化，在确定试题后，将试题加入备选的试题列表中(图8)。选定组卷所需的所有试题后，组卷过程结束。

图7 试题预览查看

图8 选定的试题列表

试题库自动组卷：其提供基于历史试卷的快速出同类卷功能。根据历史试卷的选题结果，自动提取试题属性参数构建选题规则条件(图9)，自动筛选获得同类组卷方案(图10)。提供对选题规则条件的手动编辑、试题组卷过程的数据记录和选题结果的浏览替换，满足用户多样化需求。

图9 自动构建选题规则

图10 获得同类组卷方案

试卷布局排版：其功能提供基于坐标定位的人工交互组卷平台，在选定试题后，以图形化方式对试题进行排版，显示试卷图形环境，排版结果与实际试卷结果保持一致，支持对试题的拖放、旋转、放大缩小、坐标指定和上下左右对齐等操作，组卷自由度高(图11~14)。

图11 试卷布局排版界面

图12 试卷布局结果(第1页)

图13 试卷布局结果(第2页)

图14 试卷布局结果(第3页)

试卷结果文件生成：将组卷结果导入AutoCAD试卷，其根据布局排版结果数据自动生成(图15)，并支持试卷图形线宽显隐、答案显隐等多种状态查看，最终自动逐页生成试卷及答卷PDF文件，用于试卷印刷。

图15 生成最终试卷数据文件

6 结 论

本文建立了一种多属性、多关联的工程图学试题库模型，提出并实现了基于试题属性参数的多路径选题组卷方法、试卷图形化交互布局方法、历史试卷特征提取的试卷智能再生技术等。研发了工程图学试题库组卷系统，该系统可满足工程图学手动和自动组卷的需求。考虑到图学大数据发展方向，将进一步开展试题库在线答题相关技术研究，使试题库能适用于随堂测验、练习自测、在线考试等网络化、移动化的课程测试需求。

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Research on the Multiple Associated Engineering Graphics Test Database with Multi Attribute and the Multi-Mode Intelligent Test Paper Generating System

LI Ruisen1, ZHANG Shuyou1, YI Guodong1, XUE Lihua2, TAN Jianrong1

(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou Zhejiang 310027, China; 2. Higher Education Press, Beijing 100029, China)

A bottom-up construction and development plan of engineering graphics test database system was presented to meet the requirement of test database which used in engineering graphics curriculum examinations and evaluations. This article constructed a multiple associated test model with multi attribute, analyzed the process of test paper generating in engineering graphics course. The multi-mode test selection method based on attributes, technology of test paper generating based on the feature extraction of existing paper and the graphical interactive layout method of test paper were researched. Finally, the engineering graphics test paper generating system based on test database was developed.

engineering graphics; test database; test paper generating system

TB 23

10.11996/JG.j.2095-302X.2018020373

A

2095-302X(2018)02-0373-08

2017-10-30；

2017-12-07

李瑞森(1989–)，男，浙江瑞安人，助理实验师，硕士。主要研究方向为机械设计、产品数字化设计、工程图学。E-mail：lrs123@zju.edu.cn

张树有(1963–)，男，浙江龙游人，教授，博士，博士生导师。主要研究方向为机械设计及理论、复杂装备数字化设计制造技术、计算机图形学等。E-mail：zsy@zju.edu.cn