施俊+繆勇
摘要:隨著在線考試系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,組卷算法決定了自動組卷的性能。為提高組卷成功率,提出基于遺傳算法的自動組卷模型,根據(jù)總分、題型、難度、區(qū)分度等要求建立多目標(biāo)、多約束條件的數(shù)學(xué)模型。采用ASP.NET編程實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行編碼、選擇、交叉、變異等操作,使遺傳算法能滿足自動組卷要求。
關(guān)鍵詞:在線考試;自動組卷;遺傳算法;數(shù)學(xué)模型
中圖分類號:TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)34-8160-03
隨著信息化建設(shè)的推廣,在線考試系統(tǒng)成為教學(xué)考試的有效補(bǔ)充,一份組卷質(zhì)量高的試卷,能夠準(zhǔn)確評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,在考試系統(tǒng)中,組卷主要分為手動組卷和自動組卷。自動組卷是指利用組卷策略從試題庫中抽取試題,組成一份符合總分、題型、難度、區(qū)分度等約束條件的試卷,組卷算法設(shè)計決定了組卷的質(zhì)量和效率。研究智能組卷算法,設(shè)計出合理的組卷算法一直是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
常用的自動組卷算法有:隨機(jī)法組卷和回溯法組卷,對于求解復(fù)雜度較高或試題量較大時有明顯的缺陷。采用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)實(shí)現(xiàn)自動組卷可取得較好的效果。該文利用遺傳算法作為智能組卷問題的策略,并將該算法應(yīng)用于在線考試系統(tǒng)的自動組卷中。
1 組卷理論與數(shù)學(xué)模型
1.1 質(zhì)量指標(biāo)選擇
在教育測量學(xué)理論中,有“難度、區(qū)分度、效度、信度”指標(biāo)體系,分別代表統(tǒng)計中的百分?jǐn)?shù)、平均數(shù)、相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果[1]。在組卷操作之前進(jìn)行分析,確定試題應(yīng)包含哪些屬性。
1) 試題難度,指完成某條試題時,所面對的困難程度,通過在該題上的失分率來體現(xiàn)。
試題i 的難度系數(shù)Ei 公式為:Ei = 1 - Ri/Ki
其中,Ri 為試題 i 的平均得分值,Ki 為試題i 的分值。
2) 試題區(qū)分度,指對不同層次學(xué)生的鑒別能力大小的指標(biāo),用通過該試題測試和未通過該試題測試的學(xué)生的平均分值和該試題的滿分值來計算。
試題i 的區(qū)分度Di 公式為:Di =(RH - RL )/Ki
其中,RH 表示通過該試題測試學(xué)生的平均分值,RL表示未通過該試題測試學(xué)生的平均分值,Ki為試題i的分值。
在最初建立課程試題庫的時候,就準(zhǔn)確確定好試題的難度和區(qū)分度是困難的,教師往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一個初始值,而后根據(jù)學(xué)生的考試情況逐年進(jìn)行修正。
3) 試卷信度和效度
試卷信度是指測試結(jié)論與數(shù)據(jù)的可靠性程度,試卷質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性通過試卷信度來衡量;試卷效度是指試卷內(nèi)容與教學(xué)大綱的吻合程度[2]。
1.2 自動組卷的數(shù)學(xué)模型
自動組卷是指從相應(yīng)的試題庫中抽選出符合約束條件的試題組成試卷,并且需要滿足總分約束,題型約束、題量約束、難度約束、區(qū)分度約束、分值約束等多個方面的要求。
假設(shè)一份試卷包含 m 道試題,每道題有 n 個屬性,則生成一份試卷就可用m × n 矩陣表示,即:
1) 試卷總分約束, [S=i=1mai2],[ai2]表示第i 道題的分值,S是由用戶設(shè)定試卷的總分,默認(rèn)滿分為100;
2) 題型分值約束,[Tt=i=1mC1i×ai2],其中,[C1i=1(ai2=t)0(ai2≠t)],t表示題型號,[Tt]表示第t種題型所要求的分?jǐn)?shù),[C1i]表示單擇、判斷、多選、填空、分析、簡答、計算等題型;
3) 章節(jié)分值約束,[Zt=i=1mC2i×ai2],其中,[C2i=1(ai2=t)0(ai2≠t)],t表示章節(jié)號,[Zt]表示第t章所要求的分?jǐn)?shù);
4) 知識點(diǎn)分值約束,[ZSt=i=1mC3i×ai3],其中,[C3i=1(ai3=t)0(ai3≠t)],第t個知識點(diǎn)分值;知識點(diǎn)覆蓋面為:[R=已選的知識點(diǎn)數(shù)應(yīng)包含的知識點(diǎn)數(shù)≥r],一般情況下,為了使知識點(diǎn)覆蓋面廣,這里r取80%較為適宜;
5) 難度約束,[E=i=1mai2ai4S'],其中,[ai4]為第 i 道試題的難度,[S']為試卷的總分;
6) 區(qū)分度約束,[D=i=1mai2ai5S'],其中,[ai5]為第 i 道試題的區(qū)分度,[S']為試卷的總分;
1.3 組卷目標(biāo)函數(shù)
組卷是多目標(biāo)條件的組合優(yōu)化問題,生成一份質(zhì)量較好的合格試卷,需要滿足題型、分值、難度、區(qū)分度等多方面條件的約束,同一個解通常無法同時達(dá)到多個目標(biāo)最優(yōu),故為每個目標(biāo)給定一個權(quán)重,進(jìn)行累加后生成一新的目標(biāo)函數(shù):[F(x)=i=1nwifi(x)],其中,[fi(x)]為對應(yīng)[ai]屬性對組卷約束的誤差,[wi]為第i 項組卷因素在組卷中所占權(quán)重。
在實(shí)際組卷中,較理想的狀態(tài)是實(shí)際各指標(biāo)的滿足率與理論上各指標(biāo)的滿足情況的差異盡量最小,即偏差值最小,因此目標(biāo)函數(shù)可以表示為min[F(x)];一般情況下,試卷的約束條件很難做到同時滿足,應(yīng)該合理設(shè)置權(quán)重,優(yōu)先考慮一些重要指標(biāo)。
2 遺傳算法的自動組卷模型與應(yīng)用
遺傳算法是一種模擬自然屆生物進(jìn)化的計算模型,是一種較好的搜索最優(yōu)解的方法,全局搜索能力較強(qiáng),最初的提出者是美國的J.Holland教授。
2.1 基于遺傳算法的自動組卷
基于遺傳算法的自動組卷方法,包括染色體編碼、生成初始種群、計算適應(yīng)度函數(shù),以及通過對當(dāng)前群體實(shí)施選擇、交叉、變異等遺傳操作,生成下一代群體,逐步靠近最優(yōu)解狀態(tài),具體的組卷方法如下[3]。
1) 染色體編碼,目前基于遺傳算法的自動組卷比較多的是采用二進(jìn)制編碼,每道題有兩個狀態(tài),即“選中”和“未選中”,用“1”和“0”表示。二進(jìn)制編碼方式編碼不靈活,編碼太長,因此,該文采用分組自然數(shù)編碼,使編碼長度縮短。假設(shè)試卷要求有四種題型A、B、C和D組成,數(shù)量分別為m1、m2、m3、m4,試題庫中待選試題數(shù)量為分別為n1、n2、n3、n4。組卷時從每種題型的題庫中選擇題號組成染色體,選中的題號作為染色體的一個基因,長度就是試卷中試題的數(shù)量。試卷的染色體編碼,如圖1所示。endprint
2) 生成初始種群,初始種群是遺傳算法中的一個重要參數(shù),設(shè)為N 。若N太小,則每代能夠處理的染色體數(shù)量少,搜索效率偏低,也容易陷入局部最優(yōu)解;若N太大,則每代都要計算較大量的適應(yīng)度值,計算效率偏低。因此,種群大小根據(jù)實(shí)際情況選取,該文主要以題型為單位來隨機(jī)生成初始種群,簡化了遺傳運(yùn)算過程,實(shí)現(xiàn)更快更高效的組卷。
3) 適應(yīng)度函數(shù),一般情況下通過目標(biāo)函數(shù)變換得到,個體適應(yīng)度值的大小決定了群體中個體的優(yōu)劣程度。適應(yīng)度值越大,表示個體適應(yīng)能力越強(qiáng),問題的解越優(yōu);反之,適應(yīng)度值越小,表示個體遺傳到下一代的概率也就越小,甚至面臨淘汰。適應(yīng)度函數(shù)使用組卷目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù),表示為:f(x)=1/F(x)。
4) 選擇操作,是以個體的適應(yīng)度函數(shù)為基礎(chǔ),選擇優(yōu)秀的個體遺傳到下一代中,在這里我們使用輪盤選擇算法,根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值將個體進(jìn)行升序排序,保留m 個適應(yīng)度值高的試題,淘汰適應(yīng)度值低的試題,由此重新組成一個新群體,選擇的概率為: [Ps=f(bi)j=1mf(bj)] (i=1, 2, … , N) 。
5) 交叉操作,是對種群中的兩個染色體的相同位置進(jìn)行交換得到新的個體。在已滿足題型要求的情況下,染色體交叉操作,將按照題型進(jìn)行分段,在段內(nèi)單點(diǎn)交叉。這里設(shè)定交叉概率Pc,從群體中先選定Pc[×]N 個體,利用隨機(jī)函數(shù)生成一個(0, 1)區(qū)間的數(shù)r ,若果r < Pc,隨機(jī)從群體中抽選一條試題與它配對,在題型分段中隨機(jī)生成一個交叉點(diǎn),對兩份試卷交叉點(diǎn)后的染色體進(jìn)行交叉操作。假若有四種題型,那么就有四個段內(nèi)交叉點(diǎn),進(jìn)行交叉前父個體的染色體編碼為:
6) 變異操作,是指改變?nèi)旧w中的部分基因值,從而使種群個體的多樣性得以保持,提升算法的局部搜索能力。這里采用在同一題型的段內(nèi),有條件的進(jìn)行單點(diǎn)變異。這里設(shè)定變異概率為Pm ,在組卷中,對每個題型的題號范圍已經(jīng)確定,在第i 段題號范圍內(nèi),產(chǎn)生一個隨機(jī)試題號,若該試題號個體已經(jīng)被選擇,那么就再次生成一個新的試題號,直到生成的隨機(jī)試題號代表的個體未被選中,則變異操作結(jié)束。
7) 設(shè)置終止條件,因不同的用戶需求,以及不同的初始種群,在使用遺傳算法進(jìn)行組卷時,很難判斷何時能得到最優(yōu)的個體(即獲得最優(yōu)試卷)。常見的終止條件有,一是滿足給定的遺傳迭代次數(shù);二是目標(biāo)適應(yīng)度值和實(shí)際適應(yīng)度值之差小于預(yù)先設(shè)定的閾值。
8) 設(shè)置遺傳算法的參數(shù),對遺傳算法的組卷效率非常重要。在使用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行自動組卷時,通過實(shí)驗(yàn),遺傳算法中的參數(shù)設(shè)置如下:種群大小N一般為20-100;交叉概率Pc一般為0.4-0.98;變異概率Pm一般為0.0001-0.1,終止條件迭代次數(shù)一般取100-1000。
2.2 遺傳算法自動組卷實(shí)施流程圖
通過對遺傳算法自動組卷問題的分析,自動組卷的實(shí)施流程,如圖2所示。
2.3 自動組卷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本在線考試系統(tǒng)自使用以來,已在幾門課程考試組卷過程中應(yīng)用,從實(shí)際使用效果看,生成的試卷知識點(diǎn)覆蓋合理,組卷成功率和效率均較高。
3 結(jié)束語
自動組卷需要滿足一定約束條件下的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問題,傳統(tǒng)方法求解困難。該文首先提出了組卷問題的數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合自動組卷相關(guān)特點(diǎn),應(yīng)用遺傳算法具有的優(yōu)異全局搜索能力,提出了一種改進(jìn)的遺傳算法的實(shí)現(xiàn)自動組卷。通過編碼、初始化、設(shè)置適應(yīng)度函數(shù),進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作[5],并在考試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能組卷,提高了組卷效率和質(zhì)量。
參考文獻(xiàn):
[1] 歐薇.基于遺傳算法的在線考試系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.
[2] 袁桂霞.自動組卷的建模和仿真研究[J].計算機(jī)仿真,2011,28(11):370-373.
[3] 劉洋.遺傳算法在考試系統(tǒng)中組卷算法的研究與設(shè)計[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,22(1):75-78.
[4] 張琨,楊會菊.基于遺傳算法的自動組卷系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與科學(xué),2012,34(5):178-183.
[5] 張大勝.多目標(biāo)人工蜂群算法及遺傳算法的研究與應(yīng)用[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2013.endprint
2) 生成初始種群,初始種群是遺傳算法中的一個重要參數(shù),設(shè)為N 。若N太小,則每代能夠處理的染色體數(shù)量少,搜索效率偏低,也容易陷入局部最優(yōu)解;若N太大,則每代都要計算較大量的適應(yīng)度值,計算效率偏低。因此,種群大小根據(jù)實(shí)際情況選取,該文主要以題型為單位來隨機(jī)生成初始種群,簡化了遺傳運(yùn)算過程,實(shí)現(xiàn)更快更高效的組卷。
3) 適應(yīng)度函數(shù),一般情況下通過目標(biāo)函數(shù)變換得到,個體適應(yīng)度值的大小決定了群體中個體的優(yōu)劣程度。適應(yīng)度值越大,表示個體適應(yīng)能力越強(qiáng),問題的解越優(yōu);反之,適應(yīng)度值越小,表示個體遺傳到下一代的概率也就越小,甚至面臨淘汰。適應(yīng)度函數(shù)使用組卷目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù),表示為:f(x)=1/F(x)。
4) 選擇操作,是以個體的適應(yīng)度函數(shù)為基礎(chǔ),選擇優(yōu)秀的個體遺傳到下一代中,在這里我們使用輪盤選擇算法,根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值將個體進(jìn)行升序排序,保留m 個適應(yīng)度值高的試題,淘汰適應(yīng)度值低的試題,由此重新組成一個新群體,選擇的概率為: [Ps=f(bi)j=1mf(bj)] (i=1, 2, … , N) 。
5) 交叉操作,是對種群中的兩個染色體的相同位置進(jìn)行交換得到新的個體。在已滿足題型要求的情況下,染色體交叉操作,將按照題型進(jìn)行分段,在段內(nèi)單點(diǎn)交叉。這里設(shè)定交叉概率Pc,從群體中先選定Pc[×]N 個體,利用隨機(jī)函數(shù)生成一個(0, 1)區(qū)間的數(shù)r ,若果r < Pc,隨機(jī)從群體中抽選一條試題與它配對,在題型分段中隨機(jī)生成一個交叉點(diǎn),對兩份試卷交叉點(diǎn)后的染色體進(jìn)行交叉操作。假若有四種題型,那么就有四個段內(nèi)交叉點(diǎn),進(jìn)行交叉前父個體的染色體編碼為:
6) 變異操作,是指改變?nèi)旧w中的部分基因值,從而使種群個體的多樣性得以保持,提升算法的局部搜索能力。這里采用在同一題型的段內(nèi),有條件的進(jìn)行單點(diǎn)變異。這里設(shè)定變異概率為Pm ,在組卷中,對每個題型的題號范圍已經(jīng)確定,在第i 段題號范圍內(nèi),產(chǎn)生一個隨機(jī)試題號,若該試題號個體已經(jīng)被選擇,那么就再次生成一個新的試題號,直到生成的隨機(jī)試題號代表的個體未被選中,則變異操作結(jié)束。
7) 設(shè)置終止條件,因不同的用戶需求,以及不同的初始種群,在使用遺傳算法進(jìn)行組卷時,很難判斷何時能得到最優(yōu)的個體(即獲得最優(yōu)試卷)。常見的終止條件有,一是滿足給定的遺傳迭代次數(shù);二是目標(biāo)適應(yīng)度值和實(shí)際適應(yīng)度值之差小于預(yù)先設(shè)定的閾值。
8) 設(shè)置遺傳算法的參數(shù),對遺傳算法的組卷效率非常重要。在使用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行自動組卷時,通過實(shí)驗(yàn),遺傳算法中的參數(shù)設(shè)置如下:種群大小N一般為20-100;交叉概率Pc一般為0.4-0.98;變異概率Pm一般為0.0001-0.1,終止條件迭代次數(shù)一般取100-1000。
2.2 遺傳算法自動組卷實(shí)施流程圖
通過對遺傳算法自動組卷問題的分析,自動組卷的實(shí)施流程,如圖2所示。
2.3 自動組卷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本在線考試系統(tǒng)自使用以來,已在幾門課程考試組卷過程中應(yīng)用,從實(shí)際使用效果看,生成的試卷知識點(diǎn)覆蓋合理,組卷成功率和效率均較高。
3 結(jié)束語
自動組卷需要滿足一定約束條件下的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問題,傳統(tǒng)方法求解困難。該文首先提出了組卷問題的數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合自動組卷相關(guān)特點(diǎn),應(yīng)用遺傳算法具有的優(yōu)異全局搜索能力,提出了一種改進(jìn)的遺傳算法的實(shí)現(xiàn)自動組卷。通過編碼、初始化、設(shè)置適應(yīng)度函數(shù),進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作[5],并在考試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能組卷,提高了組卷效率和質(zhì)量。
參考文獻(xiàn):
[1] 歐薇.基于遺傳算法的在線考試系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.
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[3] 劉洋.遺傳算法在考試系統(tǒng)中組卷算法的研究與設(shè)計[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,22(1):75-78.
[4] 張琨,楊會菊.基于遺傳算法的自動組卷系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與科學(xué),2012,34(5):178-183.
[5] 張大勝.多目標(biāo)人工蜂群算法及遺傳算法的研究與應(yīng)用[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2013.endprint
2) 生成初始種群,初始種群是遺傳算法中的一個重要參數(shù),設(shè)為N 。若N太小,則每代能夠處理的染色體數(shù)量少,搜索效率偏低,也容易陷入局部最優(yōu)解;若N太大,則每代都要計算較大量的適應(yīng)度值,計算效率偏低。因此,種群大小根據(jù)實(shí)際情況選取,該文主要以題型為單位來隨機(jī)生成初始種群,簡化了遺傳運(yùn)算過程,實(shí)現(xiàn)更快更高效的組卷。
3) 適應(yīng)度函數(shù),一般情況下通過目標(biāo)函數(shù)變換得到,個體適應(yīng)度值的大小決定了群體中個體的優(yōu)劣程度。適應(yīng)度值越大,表示個體適應(yīng)能力越強(qiáng),問題的解越優(yōu);反之,適應(yīng)度值越小,表示個體遺傳到下一代的概率也就越小,甚至面臨淘汰。適應(yīng)度函數(shù)使用組卷目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù),表示為:f(x)=1/F(x)。
4) 選擇操作,是以個體的適應(yīng)度函數(shù)為基礎(chǔ),選擇優(yōu)秀的個體遺傳到下一代中,在這里我們使用輪盤選擇算法,根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)值將個體進(jìn)行升序排序,保留m 個適應(yīng)度值高的試題,淘汰適應(yīng)度值低的試題,由此重新組成一個新群體,選擇的概率為: [Ps=f(bi)j=1mf(bj)] (i=1, 2, … , N) 。
5) 交叉操作,是對種群中的兩個染色體的相同位置進(jìn)行交換得到新的個體。在已滿足題型要求的情況下,染色體交叉操作,將按照題型進(jìn)行分段,在段內(nèi)單點(diǎn)交叉。這里設(shè)定交叉概率Pc,從群體中先選定Pc[×]N 個體,利用隨機(jī)函數(shù)生成一個(0, 1)區(qū)間的數(shù)r ,若果r < Pc,隨機(jī)從群體中抽選一條試題與它配對,在題型分段中隨機(jī)生成一個交叉點(diǎn),對兩份試卷交叉點(diǎn)后的染色體進(jìn)行交叉操作。假若有四種題型,那么就有四個段內(nèi)交叉點(diǎn),進(jìn)行交叉前父個體的染色體編碼為:
6) 變異操作,是指改變?nèi)旧w中的部分基因值,從而使種群個體的多樣性得以保持,提升算法的局部搜索能力。這里采用在同一題型的段內(nèi),有條件的進(jìn)行單點(diǎn)變異。這里設(shè)定變異概率為Pm ,在組卷中,對每個題型的題號范圍已經(jīng)確定,在第i 段題號范圍內(nèi),產(chǎn)生一個隨機(jī)試題號,若該試題號個體已經(jīng)被選擇,那么就再次生成一個新的試題號,直到生成的隨機(jī)試題號代表的個體未被選中,則變異操作結(jié)束。
7) 設(shè)置終止條件,因不同的用戶需求,以及不同的初始種群,在使用遺傳算法進(jìn)行組卷時,很難判斷何時能得到最優(yōu)的個體(即獲得最優(yōu)試卷)。常見的終止條件有,一是滿足給定的遺傳迭代次數(shù);二是目標(biāo)適應(yīng)度值和實(shí)際適應(yīng)度值之差小于預(yù)先設(shè)定的閾值。
8) 設(shè)置遺傳算法的參數(shù),對遺傳算法的組卷效率非常重要。在使用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行自動組卷時,通過實(shí)驗(yàn),遺傳算法中的參數(shù)設(shè)置如下:種群大小N一般為20-100;交叉概率Pc一般為0.4-0.98;變異概率Pm一般為0.0001-0.1,終止條件迭代次數(shù)一般取100-1000。
2.2 遺傳算法自動組卷實(shí)施流程圖
通過對遺傳算法自動組卷問題的分析,自動組卷的實(shí)施流程,如圖2所示。
2.3 自動組卷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本在線考試系統(tǒng)自使用以來,已在幾門課程考試組卷過程中應(yīng)用,從實(shí)際使用效果看,生成的試卷知識點(diǎn)覆蓋合理,組卷成功率和效率均較高。
3 結(jié)束語
自動組卷需要滿足一定約束條件下的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化問題,傳統(tǒng)方法求解困難。該文首先提出了組卷問題的數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合自動組卷相關(guān)特點(diǎn),應(yīng)用遺傳算法具有的優(yōu)異全局搜索能力,提出了一種改進(jìn)的遺傳算法的實(shí)現(xiàn)自動組卷。通過編碼、初始化、設(shè)置適應(yīng)度函數(shù),進(jìn)行選擇、交叉、變異等操作[5],并在考試系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)智能組卷,提高了組卷效率和質(zhì)量。
參考文獻(xiàn):
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