基于XML技術(shù)的自動(dòng)評(píng)閱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　O 引言

　　為解決對(duì)大面積學(xué)生操作能力考核閱卷需耗費(fèi)大量師資力量的困難，本文在應(yīng)用大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)考試，記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了基于XML形式對(duì)考題所考知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述，并通過(guò)對(duì)操作考試中記錄的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的XML數(shù)據(jù)進(jìn)行解析評(píng)判，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作考試的自動(dòng)評(píng)閱。本系統(tǒng)解決了面向大面積學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力考核的難題。

　　1 基于XML實(shí)驗(yàn)的閱卷系統(tǒng)

　　1.1 基于XML實(shí)驗(yàn)閱卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　基于XML操作性考試閱卷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由形式化的設(shè)計(jì)方案、試卷的制作、考試系統(tǒng)和評(píng)閱系統(tǒng)四個(gè)模塊組成，各模塊主要功能如下：

　　(1)形式化設(shè)計(jì)方案，即所有考點(diǎn)的描述方案。它包含了實(shí)驗(yàn)中所有可能涉及到的知識(shí)點(diǎn)，將所有實(shí)驗(yàn)虛擬儀器類的知識(shí)點(diǎn)完整無(wú)歧義地轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，并以XML形式進(jìn)行描述。

　　(2)試卷的制作。針對(duì)教師所出的具體操作性試題，在(1)部分中進(jìn)行查找并生成一份操作題考試試卷，此試卷是以XML形式對(duì)要考的操作題相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行描述并作為共享數(shù)據(jù)而存在。

　　(3)考試系統(tǒng)。提供學(xué)生進(jìn)行考試的環(huán)境，實(shí)施考試。然后，考試系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的操作過(guò)程，抓取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在學(xué)生確認(rèn)提交試卷后，將實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以XML形式進(jìn)行記錄保存。

　　(4)試卷評(píng)閱。將教師所出操作性試題的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與考試系統(tǒng)記錄的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果XML文件，分別進(jìn)行解析讀取比較，然后根據(jù)解析出來(lái)的評(píng)分規(guī)則對(duì)應(yīng)給學(xué)生進(jìn)行評(píng)分。

　　基于XML的閱卷系統(tǒng)是在答案轉(zhuǎn)換器和評(píng)判模塊的配合下完成試題評(píng)判工作。在用戶的適當(dāng)干預(yù)下，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)分解原則，將自然語(yǔ)言描述的標(biāo)準(zhǔn)答案轉(zhuǎn)換成考試評(píng)分系統(tǒng)可以接受的規(guī)范化格式，然后程序員按照這個(gè)規(guī)范化格式文檔轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能夠理解的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，即XML文檔。而評(píng)判模塊則是負(fù)責(zé)根據(jù)答案轉(zhuǎn)換器生成的XML格式的標(biāo)準(zhǔn)答案文件，對(duì)考生提交的文件進(jìn)行評(píng)估，在評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下為考生文件打分，并將最終得分寫(xiě)入考生數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　1.2 基于XML知識(shí)點(diǎn)的形式化描述

　　操作考試題目是由教師根據(jù)教學(xué)需要所出，而這些考試題目是由相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)組合而成，其中知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。因此，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)考試題目進(jìn)行形式化描述分成兩個(gè)步驟：第一步，將考題分解成知識(shí)點(diǎn)，并將知識(shí)點(diǎn)以實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的組合進(jìn)行表示;第二步，在此基礎(chǔ)上采用統(tǒng)一的格式描述考試題、知識(shí)點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系。

　　在形式化過(guò)程中，方案的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，即提取考試題目中每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的信息，并設(shè)計(jì)出用于描述該知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。

　　在對(duì)試題所要考察的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行描述的時(shí)候，為了使描述更加接近真實(shí)對(duì)象的實(shí)際情況，使描述的對(duì)象能夠完整無(wú)歧義地被描述，本文采用面向?qū)嶓w的系統(tǒng)分析和描述方法，采取實(shí)體、動(dòng)作、任務(wù)和交互，即EATI方法(Entity,Action,Task,Interaction)，把儀器實(shí)體類當(dāng)中的數(shù)據(jù)成員(一般屬性和行為、能力特性)以及類的方法描述成實(shí)驗(yàn)參數(shù)和由相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)組成的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。此是形式化描述的第一步。

　　當(dāng)把知識(shí)點(diǎn)提取出之后，本文以XML為基礎(chǔ)，以DTD或Schema的方式自定義一套標(biāo)簽及其屬性，并定義它們之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系。我們采用自定義的標(biāo)簽來(lái)描述試題-知識(shí)點(diǎn)-實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)三者的邏輯關(guān)系，即一個(gè)實(shí)驗(yàn)考題由相關(guān)知識(shí)點(diǎn)組成，而知識(shí)點(diǎn)與一些實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，除此以外并對(duì)閱卷信息和評(píng)分規(guī)則等進(jìn)行描述。此即形式化描述的第二步，即結(jié)合XML來(lái)對(duì)所描述的知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)以XML的形式進(jìn)行表現(xiàn)。

　　典型試題-知識(shí)點(diǎn)-實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的形式化方案及其儀器類當(dāng)中有關(guān)屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2所示?！　?/P>

　　其中，A：說(shuō)明所要考察知識(shí)點(diǎn)的名稱、題號(hào)等信息。B：知識(shí)點(diǎn)類型等信息。B部分當(dāng)中，描述了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)類型、學(xué)生是否可見(jiàn)等信息。C：記錄此知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)等信息。它可以是一個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，也可以是多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合所構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。D：知識(shí)點(diǎn)的評(píng)分規(guī)則。此部分是把考題分?jǐn)?shù)的給分區(qū)間、給分范圍等信息，以XML形式化描述的形式表示出來(lái)作為共享數(shù)據(jù)，這樣不僅能夠滿足不同教師在出題內(nèi)容上可能存在的差異，而且也能夠滿足即使是同一個(gè)操作性題目，由于要求的不一樣，可能對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)要求不一致的要求?；谝陨霞s束條件，本文制定的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的DTD(簡(jiǎn)略)如下：　　

　　1.3 解析器的設(shè)計(jì)及其功能

　　1.3.1 解析器的設(shè)計(jì)

　　考慮到對(duì)不同層次的學(xué)生由于教學(xué)要求不同，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中關(guān)注的知識(shí)點(diǎn)也將會(huì)不同，因此這要求同一實(shí)驗(yàn)必須同時(shí)包含多個(gè)不同考題，考題和實(shí)驗(yàn)應(yīng)該相對(duì)獨(dú)立。為此我們對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)提供同樣的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)集合，不同的實(shí)驗(yàn)考試題目只需要通過(guò)統(tǒng)一的形式訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)，選取知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)即可?；谝陨纤枷耄疚脑谕ㄟ^(guò)仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)考試的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)考題解析器，將實(shí)驗(yàn)考題和大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)兩者連接起來(lái)。解析器負(fù)責(zé)將形式化考試題解析成考試題-知識(shí)點(diǎn)-實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的邏輯關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？紤]到實(shí)驗(yàn)考題的靈活性、多樣性和可擴(kuò)展性，本文采用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)的中間組件模型，通過(guò)使用基于XML的語(yǔ)言來(lái)描述接口，即對(duì)不同試題所考察的知識(shí)點(diǎn)使用基于XML的形式化方案描述，通過(guò)SOA模型組件，調(diào)用大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)，并把在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以XML的形式寫(xiě)入和讀出。這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)試題的任意擴(kuò)充性，也保證了大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)高度的獨(dú)立性。它們的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示?！　?/P>

　　基于以上思想，本文在對(duì)解析器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)。外層解析器用于解析XML當(dāng)中實(shí)驗(yàn)考試題目相關(guān)配置文件所屬實(shí)驗(yàn)種類，并把解析而來(lái)的實(shí)驗(yàn)題目編號(hào)作為下一層解析器進(jìn)行解析的標(biāo)示符，以任務(wù)分發(fā)器的形式進(jìn)行分發(fā);內(nèi)層解析器根據(jù)傳遞而來(lái)的編號(hào)標(biāo)示符，把此XML配置文件交與所屬的實(shí)驗(yàn)解析器進(jìn)行解析，通過(guò)解析器統(tǒng)一接口加載到大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中去;然后解析器對(duì)大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)考試過(guò)程產(chǎn)生XML形式的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解析讀取評(píng)判，以達(dá)到對(duì)實(shí)驗(yàn)操作考試自動(dòng)閱卷的目的。

　　1.3.2 解析器的功能

　　根據(jù)以上設(shè)計(jì)，解析器有以下兩大功能：

　　(1)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的讀取，初始化考試實(shí)驗(yàn)。在考試系統(tǒng)中，為了對(duì)一個(gè)操作性考題進(jìn)行考試，需要在考試開(kāi)始之前，把針對(duì)此考試操作題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行初始化，這個(gè)初始化可以分成兩種情況：a.把實(shí)驗(yàn)當(dāng)前的有關(guān)儀器進(jìn)行歸零處理。由于在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)中，考慮到儀器的安

　　全因素，需要將儀器開(kāi)關(guān)等關(guān)系到儀器運(yùn)行是否安全的重要部件處于一種關(guān)閉的初始狀態(tài)，因此在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前也要將儀器置于關(guān)閉狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行判斷是否要打開(kāi)或關(guān)閉相關(guān)儀器。這也是對(duì)學(xué)生操作進(jìn)行評(píng)分的一個(gè)重要的依據(jù)。b.把與此操作題相關(guān)的儀器參數(shù)進(jìn)行加載。在實(shí)驗(yàn)考試中，由于每個(gè)操作題都有它的特點(diǎn)，因而每個(gè)操作題所涉及到的實(shí)驗(yàn)儀器要進(jìn)行相關(guān)屬性的設(shè)置，以便為下一步的實(shí)驗(yàn)考試做準(zhǔn)備。這個(gè)階段通過(guò)把相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)即儀器類中的屬性進(jìn)行改變，滿足了不同試題多樣性的需要。

　　總之，在實(shí)驗(yàn)考試開(kāi)始之前，解析器需要把相關(guān)的XML形式的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行解析，然后把解析出來(lái)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)加載到考試實(shí)驗(yàn)儀器類相關(guān)屬性中去。

　　(2)實(shí)驗(yàn)考試結(jié)束后，解析器把實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的真實(shí)值和標(biāo)準(zhǔn)值以形式化的方式寫(xiě)入到XML數(shù)據(jù)文件中。然后在考試評(píng)閱階段，對(duì)此XML數(shù)據(jù)文件中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和評(píng)分規(guī)則等信息進(jìn)行解析，然后閱卷程序根據(jù)解析而來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生的操作實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分。

　　2 基于XML實(shí)驗(yàn)閱卷系統(tǒng)在大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)中的實(shí)現(xiàn)

　　本節(jié)以油滴法測(cè)電子電荷實(shí)驗(yàn)的考試為例，實(shí)現(xiàn)了XML自動(dòng)閱卷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)方案。

　　2.1 油滴法測(cè)電子電荷的物理原理

　　密立根油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)定電子電荷的基本設(shè)計(jì)思想是使帶電油滴在測(cè)量范圍內(nèi)處于受力平衡的狀態(tài)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)節(jié)平衡電壓的數(shù)值和調(diào)節(jié)顯微鏡觀察窗中的油滴是否處在最清晰的位置等因素來(lái)控制油滴的運(yùn)動(dòng)，然后讀取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的平衡電壓的數(shù)值，油滴下落時(shí)間等，計(jì)算油滴的帶電量，再根據(jù)油滴所帶電量是元電荷的整數(shù)倍的原理，測(cè)量電子電荷的數(shù)值。

　　按油滴作勻速運(yùn)動(dòng)或靜止兩種運(yùn)動(dòng)方式分類，油滴法測(cè)電子電荷分為動(dòng)態(tài)測(cè)量法和平衡測(cè)量法，它們的公式分別是：　　

　　其中，

，C是儀器常數(shù)，U是兩極板電壓，tf是油滴勻速下落的時(shí)間，tr是油滴勻速上升的時(shí)間，p是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，b是修正常數(shù)，q是油滴所帶電量，η是空氣粘滯系數(shù)，s是油滴勻速下降的距離，ρ1是油滴的密度，ρ2是空氣的密度，d是平行板距離。

　　2.2 基于XML知識(shí)點(diǎn)的形式化描述

　　根據(jù)上述油滴實(shí)驗(yàn)的原理，結(jié)合虛擬儀器類中視場(chǎng)中油滴的清晰程度由Properties_Microscope_Whirl屬性值所表示，因此采取EATI思想，對(duì)視場(chǎng)中油滴清晰程度知識(shí)點(diǎn)描述如下：　　

　　在上述XML描述中，記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在本實(shí)驗(yàn)中表示學(xué)生實(shí)驗(yàn)中所獲得油滴的清晰程度; 記錄實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果，即標(biāo)準(zhǔn)答案，在這里表示油滴清晰標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)對(duì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行描述時(shí)，采取同樣的方法，用多個(gè) 進(jìn)行描述即可。

　　2. 3 基于XML解析器事例

　　2.3.1 實(shí)驗(yàn)初始化參數(shù)的解析讀取

　　仍以油滴是否清晰為例，對(duì)油滴清晰度初始化配置如下：

　　

　　在上述的XML配置文件當(dāng)中，0就是對(duì)油滴的清晰程度在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前所進(jìn)行配置設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)值，然后解析器將這個(gè)數(shù)值賦值給密立根油滴儀虛擬儀器類當(dāng)中的Properties_Microscope_Whirl屬性值，在學(xué)生開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行加載，這樣就達(dá)到了按照教師對(duì)學(xué)生要考察的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行修改的功能。

　　2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)解析、評(píng)判

　　在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，解析器將虛擬儀器類中表示油滴是否清晰的Properties_Microscope_Whirl屬性值，以XML形式寫(xiě)入到數(shù)據(jù)文件中，其XML描述形式如下：　　

　　當(dāng)考試結(jié)束的時(shí)候，考試系統(tǒng)自動(dòng)把學(xué)生在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等信息，以XML的形式進(jìn)行記錄、保存。然后，解析器根據(jù)XML文件中的2，把學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，油滴的清晰程度解析出來(lái)，然后和0中解析出來(lái)的答案標(biāo)準(zhǔn)值比較，根據(jù)評(píng)分規(guī)則中百分比以及-0.1和O.1給分范圍和3這個(gè)考點(diǎn)所給的分值，就可以對(duì)此知識(shí)點(diǎn)學(xué)生的得分進(jìn)行評(píng)閱。如果考察的實(shí)驗(yàn)參數(shù)多于一個(gè)時(shí)，只要把各個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)按上述描述并列放入 即可。

　　總之，基于XML操作性自動(dòng)閱卷系統(tǒng)的核心思想是將繁雜的有關(guān)試題-知識(shí)點(diǎn)-實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)三者的邏輯關(guān)系描述轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單、直觀的XML文檔;將復(fù)雜的閱卷轉(zhuǎn)化為對(duì)XML文檔的簡(jiǎn)單解析。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文在采用基于XML形式化描述方案的基礎(chǔ)上，以記錄操作性考題當(dāng)中所涉及到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)閱，實(shí)現(xiàn)了面向大面積學(xué)生實(shí)踐能力考試的自動(dòng)評(píng)閱，在各高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力考試和各類技能培訓(xùn)考核中有廣闊的應(yīng)用前景。