基于XML技术的自动评阅系统的设计与实现

　　O 引言

　　为解决对大面积学生操作能力考核阅卷需耗费大量师资力量的困难，本文在应用大学物理仿真实验实现物理实验考试，记录学生实验参数、实验状态和实验结果的基础上，提出了基于XML形式对考题所考知识点进行描述，并通过对操作考试中记录的实验参数、实验状态和实验结果的XML数据进行解析评判，实现对操作考试的自动评阅。本系统解决了面向大面积学生进行实验实践能力考核的难题。

　　1 基于XML实验的阅卷系统

　　1.1 基于XML实验阅卷系统结构

　　基于XML操作性考试阅卷系统结构如图1所示，它由形式化的设计方案、试卷的制作、考试系统和评阅系统四个模块组成，各模块主要功能如下：

　　(1)形式化设计方案，即所有考点的描述方案。它包含了实验中所有可能涉及到的知识点，将所有实验虚拟仪器类的知识点完整无歧义地转换成相对应的实验参数及实验状态，并以XML形式进行描述。

　　(2)试卷的制作。针对教师所出的具体操作性试题，在(1)部分中进行查找并生成一份操作题考试试卷，此试卷是以XML形式对要考的操作题相关实验参数和实验状态进行描述并作为共享数据而存在。

　　(3)考试系统。提供学生进行考试的环境，实施考试。然后，考试系统根据学生的操作过程，抓取实验过程中的实验参数、实验状态和实验结果，在学生确认提交试卷后，将实验参数、实验状态和实验结果以XML形式进行记录保存。

　　(4)试卷评阅。将教师所出操作性试题的相关实验参数、实验状态和实验结果与考试系统记录的实验参数、实验状态和实验结果XML文件，分别进行解析读取比较，然后根据解析出来的评分规则对应给学生进行评分。

　　基于XML的阅卷系统是在答案转换器和评判模块的配合下完成试题评判工作。在用户的适当干预下，根据知识点分解原则，将自然语言描述的标准答案转换成考试评分系统可以接受的规范化格式，然后程序员按照这个规范化格式文档转化成计算机能够理解的计算机语言，即XML文档。而评判模块则是负责根据答案转换器生成的XML格式的标准答案文件，对考生提交的文件进行评估，在评分标准的指导下为考生文件打分，并将最终得分写入考生数据库。

　　1.2 基于XML知识点的形式化描述

　　操作考试题目是由教师根据教学需要所出，而这些考试题目是由相关的知识点组合而成，其中知识点和实验中的实验参数和实验状态相对应。因此，我们对实验考试题目进行形式化描述分成两个步骤：第一步，将考题分解成知识点，并将知识点以实验参数、实验状态的组合进行表示;第二步，在此基础上采用统一的格式描述考试题、知识点、实验参数、实验状态之间的逻辑关系。

　　在形式化过程中，方案的设计是基础，即提取考试题目中每一个知识点的信息，并设计出用于描述该知识点所对应的实验参数和实验状态。

　　在对试题所要考察的知识点进行描述的时候，为了使描述更加接近真实对象的实际情况，使描述的对象能够完整无歧义地被描述，本文采用面向实体的系统分析和描述方法，采取实体、动作、任务和交互，即EATI方法(Entity,Action,Task,Interaction)，把仪器实体类当中的数据成员(一般属性和行为、能力特性)以及类的方法描述成实验参数和由相关实验参数组成的实验状态。此是形式化描述的第一步。

　　当把知识点提取出之后，本文以XML为基础，以DTD或Schema的方式自定义一套标签及其属性，并定义它们之间的逻辑结构关系。我们采用自定义的标签来描述试题-知识点-实验参数和实验状态三者的逻辑关系，即一个实验考题由相关知识点组成，而知识点与一些实验参数和实验状态相对应，除此以外并对阅卷信息和评分规则等进行描述。此即形式化描述的第二步，即结合XML来对所描述的知识点所对应的实验参数和实验状态以XML的形式进行表现。

　　典型试题-知识点-实验参数和实验参数的形式化方案及其仪器类当中有关属性的对应关系，如图2所示。　　

　　其中，A：说明所要考察知识点的名称、题号等信息。B：知识点类型等信息。B部分当中，描述了数据的存储类型、学生是否可见等信息。C：记录此知识点相关的实验参数等信息。它可以是一个实验参数，也可以是多个实验参数组合所构成的实验状态。D：知识点的评分规则。此部分是把考题分数的给分区间、给分范围等信息，以XML形式化描述的形式表示出来作为共享数据，这样不仅能够满足不同教师在出题内容上可能存在的差异，而且也能够满足即使是同一个操作性题目，由于要求的不一样，可能对相关的实验参数和实验状态要求不一致的要求。基于以上约束条件，本文制定的一个知识点的DTD(简略)如下：　　

　　1.3 解析器的设计及其功能

　　1.3.1 解析器的设计

　　考虑到对不同层次的学生由于教学要求不同，同一个实验中关注的知识点也将会不同，因此这要求同一实验必须同时包含多个不同考题，考题和实验应该相对独立。为此我们对同一个实验提供同样的实验参数和实验状态集合，不同的实验考试题目只需要通过统一的形式访问实验，选取知识点对应的实验参数、实验状态即可。基于以上思想，本文在通过仿真实验实现实验考试的基础上设计考题解析器，将实验考题和大学物理仿真实验两者连接起来。解析器负责将形式化考试题解析成考试题-知识点-实验参数、实验状态的逻辑关系，并通过实验得到对应的实验参数、实验状态和实验结果。考虑到实验考题的灵活性、多样性和可扩展性，本文采用面向服务的体系结构(SOA)的中间组件模型，通过使用基于XML的语言来描述接口，即对不同试题所考察的知识点使用基于XML的形式化方案描述，通过SOA模型组件，调用大学物理仿真实验，并把在实验过程中产生的实验参数、实验状态和实验结果，以XML的形式写入和读出。这样不仅能够实现试题的任意扩充性，也保证了大学物理仿真实验高度的独立性。它们的结构关系如图3所示。　　

　　基于以上思想，本文在对解析器进行设计时，采用内外两层结构。外层解析器用于解析XML当中实验考试题目相关配置文件所属实验种类，并把解析而来的实验题目编号作为下一层解析器进行解析的标示符，以任务分发器的形式进行分发;内层解析器根据传递而来的编号标示符，把此XML配置文件交与所属的实验解析器进行解析，通过解析器统一接口加载到大学物理仿真实验系统中去;然后解析器对大学物理仿真实验考试过程产生XML形式的实验参数、实验状态和实验结果进行解析读取评判，以达到对实验操作考试自动阅卷的目的。

　　1.3.2 解析器的功能

　　根据以上设计，解析器有以下两大功能：

　　(1)实验参数的读取，初始化考试实验。在考试系统中，为了对一个操作性考题进行考试，需要在考试开始之前，把针对此考试操作题相关的实验仪器进行初始化，这个初始化可以分成两种情况：a.把实验当前的有关仪器进行归零处理。由于在真实的实验中，考虑到仪器的安

　　全因素，需要将仪器开关等关系到仪器运行是否安全的重要部件处于一种关闭的初始状态，因此在虚拟仪器实验开始之前也要将仪器置于关闭状态。在实验进行过程中，学生需根据实验要求自行判断是否要打开或关闭相关仪器。这也是对学生操作进行评分的一个重要的依据。b.把与此操作题相关的仪器参数进行加载。在实验考试中，由于每个操作题都有它的特点，因而每个操作题所涉及到的实验仪器要进行相关属性的设置，以便为下一步的实验考试做准备。这个阶段通过把相关的实验参数即仪器类中的属性进行改变，满足了不同试题多样性的需要。

　　总之，在实验考试开始之前，解析器需要把相关的XML形式的实验参数和实验状态进行解析，然后把解析出来的实验参数加载到考试实验仪器类相关属性中去。

　　(2)实验考试结束后，解析器把实验过程中产生的实验参数和实验状态的真实值和标准值以形式化的方式写入到XML数据文件中。然后在考试评阅阶段，对此XML数据文件中的实验参数、实验状态和评分规则等信息进行解析，然后阅卷程序根据解析而来的数据对学生的操作实验进行评分。

　　2 基于XML实验阅卷系统在大学物理仿真实验中的实现

　　本节以油滴法测电子电荷实验的考试为例，实现了XML自动阅卷系统的设计思想与设计方案。

　　2.1 油滴法测电子电荷的物理原理

　　密立根油滴实验测定电子电荷的基本设计思想是使带电油滴在测量范围内处于受力平衡的状态。通过在实验过程中调节平衡电压的数值和调节显微镜观察窗中的油滴是否处在最清晰的位置等因素来控制油滴的运动，然后读取实验过程中的平衡电压的数值，油滴下落时间等，计算油滴的带电量，再根据油滴所带电量是元电荷的整数倍的原理，测量电子电荷的数值。

　　按油滴作匀速运动或静止两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法，它们的公式分别是：　　

　　其中，

，C是仪器常数，U是两极板电压，tf是油滴匀速下落的时间，tr是油滴匀速上升的时间，p是标准大气压强，b是修正常数，q是油滴所带电量，η是空气粘滞系数，s是油滴匀速下降的距离，ρ1是油滴的密度，ρ2是空气的密度，d是平行板距离。

　　2.2 基于XML知识点的形式化描述

　　根据上述油滴实验的原理，结合虚拟仪器类中视场中油滴的清晰程度由Properties_Microscope_Whirl属性值所表示，因此采取EATI思想，对视场中油滴清晰程度知识点描述如下：　　

　　在上述XML描述中，记录学生实验结果，在本实验中表示学生实验中所获得油滴的清晰程度; 记录实验标准结果，即标准答案，在这里表示油滴清晰标准值。当对多个实验参数进行描述时，采取同样的方法，用多个 进行描述即可。

　　2. 3 基于XML解析器事例

　　2.3.1 实验初始化参数的解析读取

　　仍以油滴是否清晰为例，对油滴清晰度初始化配置如下：

　　

　　在上述的XML配置文件当中，0就是对油滴的清晰程度在实验开始前所进行配置设定的实验参数值，然后解析器将这个数值赋值给密立根油滴仪虚拟仪器类当中的Properties_Microscope_Whirl属性值，在学生开始实验之前进行加载，这样就达到了按照教师对学生要考察的实验内容进行修改的功能。

　　2.3.2 实验结果的参数解析、评判

　　在学生实验过程中，解析器将虚拟仪器类中表示油滴是否清晰的Properties_Microscope_Whirl属性值，以XML形式写入到数据文件中，其XML描述形式如下：　　

　　当考试结束的时候，考试系统自动把学生在实验当中产生的实验参数、实验状态和实验结果等信息，以XML的形式进行记录、保存。然后，解析器根据XML文件中的2，把学生在做实验的时候，油滴的清晰程度解析出来，然后和0中解析出来的答案标准值比较，根据评分规则中百分比以及-0.1和O.1给分范围和3这个考点所给的分值，就可以对此知识点学生的得分进行评阅。如果考察的实验参数多于一个时，只要把各个实验参数按上述描述并列放入 即可。

　　总之，基于XML操作性自动阅卷系统的核心思想是将繁杂的有关试题-知识点-实验参数和实验状态三者的逻辑关系描述转化为简单、直观的XML文档;将复杂的阅卷转化为对XML文档的简单解析。

　　3 结束语

　　本文在采用基于XML形式化描述方案的基础上，以记录操作性考题当中所涉及到的实验参数、实验状态和实验结果来对学生的操作过程进行评阅，实现了面向大面积学生实践能力考试的自动评阅，在各高校实验实践能力考试和各类技能培训考核中有广阔的应用前景。