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)生的操作過程，抓取實(shí)驗(yàn)過程中的實(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。　　

　　其中，A：說明所要考察知識(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。基于以上約束條件，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統(tǒng)一的形式訪問實(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?，本文在通過仿真實(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。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，通過使用基于XML的語(yǔ)言來描述接口，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。　　

　　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)行過程中，學(xué)生需根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自行判斷是否要打開或關(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)。通過在實(shí)驗(yàn)過程中調(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控制油滴的運(yùn)動(dòng)，然后讀取實(shí)驗(yàn)過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，然后和0中解析出來的答案標(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)果來對(duì)學(xué)生的操作過程進(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。