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摘 要：组题是教学中的一项基本而又重要的工作,是测评教学效果与教学质量的有力依据。当前的各类组卷系统或软件 还存在题库固定、不能自主更新,已不能很好满足教师的自主更新、扩展题库和快速发布的新要求。因此,本课题围绕高校教 育教学场景中的教学测评需求,研究和设计自主组题软件,满足任课教师对自主、灵活、快速(2 ~ 3min)组题要求。
关键词：教育评价,教学测评,组题
Research and Design of Self-assessment Software for Higher Vocational Education Teaching
WEI Zhanjiang, LI Yong, YANG Xuesong, SUN Xiang, LIU Haining, WANG Zhengrong
(Kunming Preschool Teachers College, Kunming Yunnan 651700)
【Abstract】： Question grouping is a basic and important task in teaching, and it is a powerful basis for evaluating the teaching effect and teaching quality. The current various test-setting systems or software still have fixed question banks and cannot be updated independently, which can no longer satisfy teachers. Therefore, this topic focuses on the teaching evaluation needs in the teaching and teaching scene of colleges and universities, and researches and designs the software for self-contained question grouping, so as to meet the needs of teachers for independent, flexible and fast (2 ~ 3 minutes) ) group question requirements.
【Key words】：educational evaluation;teaching evaluation;group questions
0 引言
中共中央 国务院印发的《深化新时代教育评价改革 总体方案》把深化教育评价改革列入重要议事日程,扭 转不科学的教育评价导向。方案中提出“创新评价工 具,利用人工智能、大数据等现代信息技术,探索开展 学生各年级学习情况全过程纵向评价、德智体美劳全要 素横向评价”的要求。质量评价是对教师教学过程和效 果做出定量评价,是提升教学质量的重要环节 [1]。而考 试是衡量教学质量的一种有效且必须的手段。当前,我 国高校教学质量评价体系不断完善,各类测评手段为教 学质量评价提供了保障。随着信息技术的飞速发展,高 职高专院校已建立起以计算机为主要工具的现代化教学 测评系统 [2],如有按固定章节、固定知识点或按权重随机组卷等系统,既可以有效改变传统方法出卷中存在质 量不稳定、范围窄、时间成本高等不足问题,又能更好 地反映出试卷内容和学生原有水平。但当前的各类组卷 系统或软件也存在题库固定、不能及时更新等问题,已 不能很好地满足教师的自主及时更新、扩展题库和快速 级差的要求。因此,本课题研究基于信息检索 [3]、雨课 堂等开源项目或软件的应用,结合高职院校实际进行自 主式组题测评软件研究与设计。
1 系统分析与设计
借助 PYMUPDF 等开源项目以及雨课堂应用,突破 固定组题(卷)不足,延伸研究探索实现自主组题。首 先,对课程题库进行归一化处理,便于题目段落定位 ; 其次,基本 PYMUPDF 开源进行输入关键字题目检索(搜索) 及定位, 基于开源切取检索定位的题目和答案 (呈现图片),为进一步的自主组题做准备,使用并结合 雨课堂应用,自动选择对应题型模块组题 ;最后,人工 审核组题,无误后发布到雨课堂平台,学生即可测评。 此组题系统实现按照输入的关键字自主组题,方便现场 辅助教学测评。
本高职教育教学自主式组题测评软件, 将真正做到的 自主、灵活、快捷,快速生成测试题(卷)。该系统主要 由以下 5 个单元组成,其单元之间的结构关系如图 1 所示。
1.1 数据归一化
数据总体分为结构化数据和非结构化数据。便携式 文 件 格 式(Protable Document Format, PDF), 由 Adocbe Systemd 在 1993 年用于文件交换所发展出的 文件格式。它的优点在于可以跨平台、能保留文件原格 式 (Layout)、开放标准等。但是 , 在 PDF 文档提取及 还原也存在一些缺点,因为里面一般没有段落的概念, 只有每个文字及其坐标。为考虑题目切图的清晰度,以 及兼容特殊字符如数学公式、化学公式等,选择统一 使用 PDF 格式。但 PDF 格式文件是非结构化文本组 成,一般方法是解析出来每个文字及其坐标,相邻的文 字聚成 word, word 聚成行,但没有段落的概念的不 足。为此,在题库题目的相应段落起始和段落结束加入 “@”字符,便于题目段落定位和切取。
数据格式化前与格式化后如图 2 所示。
1.2 题目段落定位
题目定位是本文处理的两个重点之一。有研究者发明一种 PDF 文本段落生成方法 [4] ：识别并提取 PDF 文本的技术方案,可自动排版,无需人工干预就可提 取 PDF 段落。但是这个方法对于解决这个任务来说过 于复杂。也有研究者基于 PDF 文件段落和标题通常由 文本的字体大小、型号和字体粗细来区分段落。这种 方法,在区分英文 PDF 文本时取得比较好的效果,但 中文 PDF 文本段落提取时没有取得想要的结果。为 此,本文以问题为导向,借鉴上述两种 PDF 文本段落 提取方法,采用 Python 语言对 PYMUPDF 开源项目 进行扩展,创新解决其技术问题所采用的技术方案 ：向 题目段落的起始和结束位置插入特殊字符的方法,使 用 PYMUPDF 包 的 serarch_for() 方 法 和 re 包 的 findall() 方法实现 PDF 文件检索及包含有关键字题目 段落的定位。先检索定位到关键字所在位置后,再结束 关键字所在段落的起始和结束特殊字符,顺藤摸瓜,找 到该关键字所在的完整段落,最后顺着找到该题目所对 应的答案。题目段落及对应答案定位如图 1 系统结构图 所示,由以下两个模块组成 ：
(1) 自主检索及定位模块：通过 PYMUPDF 的 serarch_ for() 方法对 PDF 文档进行关键字全文检索, 检索返回 文件名称的每一个结束包含相应的信息。如 PDF 文件名 称、关键字所在的页面关键字所在的块 (Block)、关键字 所在的行(Line),以及关键字检索所在的矩形(Rect)。 PYMUPDF 检索只能返回关键字矩形位置(Rect), 并 未提供段落文本内容方法,特别是快速提取关键字所在 段落方法,Louis de Bruijn 创建一个带有 HTML 样式元素标记的字典, 像 ＜h＞、＜p＞、＜s＞、 表示标题、段落 和下标,用 PYMUPDF 包来读取 PDF 文件,并识别文 本大小、字体、颜色和段落。但提取题目时,因试题中 的每个题目字体、大小、颜色都相同,不能很好解决本 文的需要。因此本文创新在归一化处理时,在每个题目 的段落起始和段落结束加入“@”字符,再结合 re 包 的 Findall 方法准确检索到含有关键字所在段落的矩形 Rect。自主检索及定位过程如图 3 所示。
(2)题目段落定位模块 ：PYMUPDF 使用的是直角 坐标系第四象限,其坐标由四个浮点数 x0.y0.x1.y1 定义 矩形 Rect,它们称为“左上”和“右下”两个对角相 对点的坐标(x0.y0.x1.y1),为准确实现关键字所在段落 提取。在上述步骤取得的关键字所在位置的坐标 Rect (x0.y0.x1.y1),再基于本文的创新方法实现对关键字段落 提取。首先,在关键字定位的 Rect 基础上,找到关键 字的段落起始和段落结束标志“@”。然后,得出段落 综合 Rect 矩形坐标。接着顺着定位到对应题目答案 的 Rect 矩形坐标, 并采用栈及时存储题目答案的矩 形 Rect 以备自动组题单元使用。题目段落定位如图 4 所示。
1.3 题目段落和答案截取
该单元主要对完成题目段落和对应答案的截取。结 合归一化字符“@”和 re.findall() 函数,判断题目类 型,再截取题目和对应的答案,答案可能是 2 ~ 5 个, 并主动编号保存,为自动组题做准备。截取方法采用 PYMUPDF 包的 get_pixmap() 方法把定位的矩形坐标rect 生成 PNG、JPEG、BMP 或TIFF 文件保存。page.get_ pixmap() 方法有多个参数,其中, Matrix 参数可以控制缩 放、旋转、镜像等结果,提升生成图片的分辨率, Clip 参数控制渲染矩形区域。
1.4 自动组题
课堂上实时答题、弹幕互动, 为传统课堂教学师生 互动提供了完美解决方案。雨课堂试题模板主要有单选 题、多选题、填空题等题型,每种题型模板都有固定放 置题目和对应答案的坐标。在该单元主要根据题目段落 和答案截取单元传入图片,选择相对应的题型模板,并 把截取的题目放置于雨课堂的题目位置,截取的答案放 置于雨课堂的相对应的位置。
自主组题流程包括 ：先对题目及答案定位 Rect 数 据,接着选择题型 PPT 模板,接着把题目或答案截图 转入,再接着审核组题是否成功(不成功则返回上一步 骤),最后通过组题审核后发布试题。
2 系统核心功能实现
组题时分为 5 步 ：(1)用半自动对题库进行数据归 一化处理 ;(2)基本 PYMUPDF 和栈结构实现题目和 对应答案定位,并保存于栈中 ;(3)切题单元负责对定 位栈中的答案,并用图片格式存储 ;(4)组题单元根据 切题题型选择相对应题型模板自动组题 ;(5)教师对 组题进行审核,确认无误后发布,学生就可以测评。通 过以上步骤可做到自主、灵活、快速组题,实现题目定 位、截题和组题等功00能。
2.1 题目定位难题
本部分重点难点解决 PDF 文档关键字出的题目段 落定位。定位前先按照输入的关键字 (Key) 找到位置 坐标 Rect,再根据该位置返回该位置的题目完整段落, 接着再扩大定位该题目相对应的答案。
(1) 因用 Fitz 的 search_for() 方法定位关键字只能 定位到矩形 Rect 位置,不能返回关键字所在位置,所 以创新如下解决方法。设置一个 key_flag 标签来标识 是否找到关键字,再使用栈来存储矩形坐标 Rect。首 先,先顺序检索 PDF 文件页面,如果页面中有要检索的关键字则顺序遍历该文档的页面块,如果页面块中 包含有关键字再使用 re 包的 findall() 再接着顺序检索 Line 中的内容, 如果找到段落开始字符“@”则把行 Rect 入栈,直到段落结束字符“@”。
2.2 截题及组题
以图片格式截取题目比较简单,只需要根据需要设 置图片相对于 PDF 文件在 X 轴上的缩放比例和设置图 片相对于 PDF 文件在 Y 轴上的缩放比例,接着再根据 定位坐标截取输入,输入的图片格式可以是位图,也可 以是适量图。自动组题使用 Win32 包,应用雨课堂生 成单选题、多选题、填空题等题型模板,可以用来自动 生成判断题、单选题、多选题和填空题等题目。接着根 据以上模板找到题目、答案等固定位置坐标,在自动组 题时把截取的题目和答案图片放置入相应的位置中。
3 结语
本课题隶属校级课题,采基于雨课堂、PYMUPDF 开源和 re 包等进行自主式组题测评软件的研究设计。 自主式组题测评软件可实现组题自主化,真正让教师实 现“点菜”式组题,让组题更灵活,教师扩展题库更便 捷、自由,真正实现快速组题,让教师 2 ~ 3min 实现 组题并发布,可以保证试题及时推送。但是也存在包含 特殊字符或公式的题目不能很好定位及截取,下一步将 继续深入研究,利用人工智能视觉解决包含数字字符题 目定位、截取和组题。
参考文献
[1] 张棘,邵昀泓,崔煜,等.高职教师教学质量评价实证研究[J]. 教育教学论坛,2021(18):54-57.
[2] 肖甫,孙力娟,黄海平,等.信息化试题库自动组卷策略的研究 与实践[J].中国信息技术教育,2011(Z1):118-120.
[3] Kurt Bryan,Tanya L Leise.The $25.000.000.000 Eigenvector: The Linear Algebra Behind Google[J].SIAM Review,2006. 48(3):569-581.
[4] 晏检平.一种PDF文本段落生成的方法:中国,CN201010136 399.8[P].2010-11-03.
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