O 引言

為解決對大面積學生操作能力考核閱卷需耗費大量師資力量的困難，本文在應用大學物理仿真實驗實現(xiàn)物理實驗考試，記錄學生實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果的基礎上，提出了基于XML形式對考題所考知識點進行描述，并通過對操作考試中記錄的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果的XML數(shù)據(jù)進行解析評判，實現(xiàn)對操作考試的自動評閱。本系統(tǒng)解決了面向大面積學生進行實驗實踐能力考核的難題。

1 基于XML實驗的閱卷系統(tǒng)

1.1 基于XML實驗閱卷系統(tǒng)結構

基于XML操作性考試閱卷系統(tǒng)結構如圖1所示，它由形式化的設計方案、試卷的制作、考試系統(tǒng)和評閱系統(tǒng)四個模塊組成，各模塊主要功能如下：

(1)形式化設計方案，即所有考點的描述方案。它包含了實驗中所有可能涉及到的知識點，將所有實驗虛擬儀器類的知識點完整無歧義地轉換成相對應的實驗參數(shù)及實驗狀態(tài)，并以XML形式進行描述。

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

(3)考試系統(tǒng)。提供學生進行考試的環(huán)境，實施考試。然后，考試系統(tǒng)根據(jù)學生的操作過程，抓取實驗過程中的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果，在學生確認提交試卷后，將實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果以XML形式進行記錄保存。

(4)試卷評閱。將教師所出操作性試題的相關實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果與考試系統(tǒng)記錄的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果XML文件，分別進行解析讀取比較，然后根據(jù)解析出來的評分規(guī)則對應給學生進行評分。

基于XML的閱卷系統(tǒng)是在答案轉換器和評判模塊的配合下完成試題評判工作。在用戶的適當干預下，根據(jù)知識點分解原則，將自然語言描述的標準答案轉換成考試評分系統(tǒng)可以接受的規(guī)范化格式，然后程序員按照這個規(guī)范化格式文檔轉化成計算機能夠理解的計算機語言，即XML文檔。而評判模塊則是負責根據(jù)答案轉換器生成的XML格式的標準答案文件，對考生提交的文件進行評估，在評分標準的指導下為考生文件打分，并將最終得分寫入考生數(shù)據(jù)庫。

1.2 基于XML知識點的形式化描述

操作考試題目是由教師根據(jù)教學需要所出，而這些考試題目是由相關的知識點組合而成，其中知識點和實驗中的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)相對應。因此，我們對實驗考試題目進行形式化描述分成兩個步驟：第一步，將考題分解成知識點，并將知識點以實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)的組合進行表示;第二步，在此基礎上采用統(tǒng)一的格式描述考試題、知識點、實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)之間的邏輯關系。

在形式化過程中，方案的設計是基礎，即提取考試題目中每一個知識點的信息，并設計出用于描述該知識點所對應的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)。

在對試題所要考察的知識點進行描述的時候，為了使描述更加接近真實對象的實際情況，使描述的對象能夠完整無歧義地被描述，本文采用面向實體的系統(tǒng)分析和描述方法，采取實體、動作、任務和交互，即EATI方法(Entity,Action,Task,Interaction)，把儀器實體類當中的數(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驗參數(shù)和由相關實驗參數(shù)組成的實驗狀態(tài)。此是形式化描述的第一步。

當把知識點提取出之后，本文以XML為基礎，以DTD或Schema的方式自定義一套標簽及其屬性，并定義它們之間的邏輯結構關系。我們采用自定義的標簽來描述試題-知識點-實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)三者的邏輯關系，即一個實驗考題由相關知識點組成，而知識點與一些實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)相對應，除此以外并對閱卷信息和評分規(guī)則等進行描述。此即形式化描述的第二步，即結合XML來對所描述的知識點所對應的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)以XML的形式進行表現(xiàn)。

典型試題-知識點-實驗參數(shù)和實驗參數(shù)的形式化方案及其儀器類當中有關屬性的對應關系，如圖2所示。

其中，A：說明所要考察知識點的名稱、題號等信息。B：知識點類型等信息。B部分當中，描述了數(shù)據(jù)的存儲類型、學生是否可見等信息。C：記錄此知識點相關的實驗參數(shù)等信息。它可以是一個實驗參數(shù)，也可以是多個實驗參數(shù)組合所構成的實驗狀態(tài)。D：知識點的評分規(guī)則。此部分是把考題分數(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操作性題目，由于要求的不一樣，可能對相關的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)要求不一致的要求?；谝陨霞s束條件，本文制定的一個知識點的DTD(簡略)如下：

1.3 解析器的設計及其功能

1.3.1 解析器的設計

考慮到對不同層次的學生由于教學要求不同，同一個實驗中關注的知識點也將會不同，因此這要求同一實驗必須同時包含多個不同考題，考題和實驗應該相對獨立。為此我們對同一個實驗提供同樣的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)集合，不同的實驗考試題目只需要通過統(tǒng)一的形式訪問實驗，選取知識點對應的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)即可?；谝陨纤枷?，本文在通過仿真實驗實現(xiàn)實驗考試的基礎上設計考題解析器，將實驗考題和大學物理仿真實驗兩者連接起來。解析器負責將形式化考試題解析成考試題-知識點-實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)的邏輯關系，并通過實驗得到對應的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果?？紤]到實驗考題的靈活性、多樣性和可擴展性，本文采用面向服務的體系結構(SOA)的中間組件模型，通過使用基于XML的語言來描述接口，即對不同試題所考察的知識點使用基于XML的形式化方案描述，通過SOA模型組件，調用大學物理仿真實驗，并把在實驗過程中產(chǎn)生的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果，以XML的形式寫入和讀出。這樣不僅能夠實現(xiàn)試題的任意擴充性，也保證了大學物理仿真實驗高度的獨立性。它們的結構關系如圖3所示。[!--empirenews.page--]

基于以上思想，本文在對解析器進行設計時，采用內(nèi)外兩層結構。外層解析器用于解析XML當中實驗考試題目相關配置文件所屬實驗種類，并把解析而來的實驗題目編號作為下一層解析器進行解析的標示符，以任務分發(fā)器的形式進行分發(fā);內(nèi)層解析器根據(jù)傳遞而來的編號標示符，把此 XML配置文件交與所屬的實驗解析器進行解析，通過解析器統(tǒng)一接口加載到大學物理仿真實驗系統(tǒng)中去;然后解析器對大學物理仿真實驗考試過程產(chǎn)生XML形式的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果進行解析讀取評判，以達到對實驗操作考試自動閱卷的目的。

1.3.2 解析器的功能

根據(jù)以上設計，解析器有以下兩大功能：

(1)實驗參數(shù)的讀取，初始化考試實驗。在考試系統(tǒng)中，為了對一個操作性考題進行考試，需要在考試開始之前，把針對此考試操作題相關的實驗儀器進行初始化，這個初始化可以分成兩種情況：a.把實驗當前的有關儀器進行歸零處理。由于在真實的實驗中，考慮到儀器的安

全因素，需要將儀器開關等關系到儀器運行是否安全的重要部件處于一種關閉的初始狀態(tài)，因此在虛擬儀器實驗開始之前也要將儀器置于關閉狀態(tài)。在實驗進行過程中，學生需根據(jù)實驗要求自行判斷是否要打開或關閉相關儀器。這也是對學生操作進行評分的一個重要的依據(jù)。b.把與此操作題相關的儀器參數(shù)進行加載。在實驗考試中，由于每個操作題都有它的特點，因而每個操作題所涉及到的實驗儀器要進行相關屬性的設置，以便為下一步的實驗考試做準備。這個階段通過把相關的實驗參數(shù)即儀器類中的屬性進行改變，滿足了不同試題多樣性的需要。

總之，在實驗考試開始之前，解析器需要把相關的XML形式的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)進行解析，然后把解析出來的實驗參數(shù)加載到考試實驗儀器類相關屬性中去。

(2)實驗考試結束后，解析器把實驗過程中產(chǎn)生的實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)的真實值和標準值以形式化的方式寫入到XML數(shù)據(jù)文件中。然后在考試評閱階段，對此XML數(shù)據(jù)文件中的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和評分規(guī)則等信息進行解析，然后閱卷程序根據(jù)解析而來的數(shù)據(jù)對學生的操作實驗進行評分。

2 基于XML實驗閱卷系統(tǒng)在大學物理仿真實驗中的實現(xiàn)

本節(jié)以油滴法測電子電荷實驗的考試為例，實現(xiàn)了XML自動閱卷系統(tǒng)的設計思想與設計方案。

2.1 油滴法測電子電荷的物理原理

密立根油滴實驗測定電子電荷的基本設計思想是使帶電油滴在測量范圍內(nèi)處于受力平衡的狀態(tài)。通過在實驗過程中調節(jié)平衡電壓的數(shù)值和調節(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動，然后讀取實驗過程中的平衡電壓的數(shù)值，油滴下落時間等，計算油滴的帶電量，再根據(jù)油滴所帶電量是元電荷的整數(shù)倍的原理，測量電子電荷的數(shù)值。

按油滴作勻速運動或靜止兩種運動方式分類，油滴法測電子電荷分為動態(tài)測量法和平衡測量法，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間，tr是油滴勻速上升的時間，p是標準大氣壓強，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知識點的形式化描述

根據(jù)上述油滴實驗的原理，結合虛擬儀器類中視場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，對視場中油滴清晰程度知識點描述如下：

在上述XML描述中，記錄學生實驗結果，在本實驗中表示學生實驗中所獲得油滴的清晰程度; 記錄實驗標準結果，即標準答案，在這里表示油滴清晰標準值。當對多個實驗參數(shù)進行描述時，采取同樣的方法，用多個 進行描述即可。

2. 3 基于XML解析器事例

2.3.1 實驗初始化參數(shù)的解析讀取

仍以油滴是否清晰為例，對油滴清晰度初始化配置如下：

在上述的XML配置文件當中，0就是對油滴的清晰程度在實驗開始前所進行配置設定的實驗參數(shù)值，然后解析器將這個數(shù)值賦值給密立根油滴儀虛擬儀器類當中的Properties_Microscope_Whirl屬性值，在學生開始實驗之前進行加載，這樣就達到了按照教師對學生要考察的實驗內(nèi)容進行修改的功能。

2.3.2 實驗結果的參數(shù)解析、評判

在學生實驗過程中，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：

當考試結束的時候，考試系統(tǒng)自動把學生在實驗當中產(chǎn)生的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果等信息，以XML的形式進行記錄、保存。然后，解析器根據(jù)XML文件中的2，把學生在做實驗的時候，油滴的清晰程度解析出來，然后和0中解析出來的答案標準值比較，根據(jù)評分規(guī)則中百分比以及-0.1和O.1給分范圍和3這個考點所給的分值，就可以對此知識點學生的得分進行評閱。如果考察的實驗參數(shù)多于一個時，只要把各個實驗參數(shù)按上述描述并列放入 即可。

總之，基于XML操作性自動閱卷系統(tǒng)的核心思想是將繁雜的有關試題-知識點-實驗參數(shù)和實驗狀態(tài)三者的邏輯關系描述轉化為簡單、直觀的XML文檔;將復雜的閱卷轉化為對XML文檔的簡單解析。[!--empirenews.page--]

3 結束語

本文在采用基于XML形式化描述方案的基礎上，以記錄操作性考題當中所涉及到的實驗參數(shù)、實驗狀態(tài)和實驗結果來對學生的操作過程進行評閱，實現(xiàn)了面向大面積學生實踐能力考試的自動評閱，在各高校實驗實踐能力考試和各類技能培訓考核中有廣闊的應用前景。