基于EduCoder平臺的C語言實驗自動評測設計

盧 萍，祝建華

（華中科技大學 計算機科學與技術學院，湖北 武漢 430074）

1 借助 EduCoder平臺進行 C語言實驗評測的必要性

“C語言程序設計”是高校計算機及相關專業的必修基礎課程，是數據結構、編譯原理、算法分析、操作系統等課程的先導課程。該課程以C語言為工具，以培養學生計算機思維能力和編程解決實際問題的能力為目標。課程涉及的內容多、知識使用靈活、實際問題千變萬化，同一個問題可有多種實現方法，具有很強的實踐性和創造性。

工程教育認證標準對課程的實踐環節提出了更高要求[1-4]。針對C語言功能強且靈活的特點，為了使學生準確掌握每一個教學重難點知識，提出“著眼能力、精準訓練”的實踐模式[5]。在設計實驗任務時，要依據教學內容，梳理知識點，細化目標，明確要求。例如，要求用位運算實現數據壓縮，旨在掌握位運算的應用，為用C語言編寫系統軟件打下基礎。

實驗目標的達成有賴于有效的監督和評價機制，傳統上往往采用加大檢查力度的方法。但由于學生在學習能力、自覺性、主動性等方面存在差異，傳統的人工檢查方式不僅增加了教師的負擔，檢查結果不能及時反饋給學生，而且隨著作業量的增大、學生人數的增多，很難檢查到每一個學生，沒有查到的學生難免出現應付交差現象，影響了教學質量的提高[6-8]。

如何創建有效的督促和激勵機制，推動每個學生一步一個腳印地完成實驗，達到精準訓練、全面掌握知識點的目標，是C語言實踐教學中需著重考慮和解決的問題。EduCoder實踐教學平臺的出現，給程序類課程實踐教學改革帶來了契機[9-11]。平臺提供的在線評測代碼、結果及時反饋、自動統計成績和分析學生能力值等功能，以及類似于游戲闖關挑戰的實驗形式，極大地增強了與學生的互動性，提高了學生的學習興趣和參與度。平臺支持的自主設計評測腳本機制，也給教師提供了很大的自由度和發揮空間。教師可以按需設置實驗任務，實現評測的智能化和精準化，推動學生全面掌握教學重點和難點知識，并使他們變被動學習為主動學習。

從2019年秋季開始，我們借助EduCoder平臺，實施了以學生為中心、以能力培養為導向、以精準訓練為核心的C語言實踐模式，設計了與理論課教學同步的10個實驗作業及其評測腳本，每個實驗包括3~8個題目，取得了很好的效果。

本文將分析 EduCoder平臺的評測機制，并結合典型實例闡述如何根據訓練目標自行設計評測腳本，從而使學生能夠有針對性地進行知識點練習，促進他們對知識點的精準掌握，為綜合應用所學知識解決實際工程問題打下良好的語言基礎。

2 EduCoder平臺的評測機制

EduCoder 是一個面向計算機專業方向開展教學、實驗和實訓活動的工程教育平臺。該平臺將知識學習與動手實踐相結合，支持教師按需自主創建實踐課程，并根據課程內容設計并發布實驗任務。學生通過登錄平臺，可以隨時隨地在線編寫代碼完成實驗任務。平臺可自動編譯、執行和評測代碼，并立即反饋評測結果，學生可根據錯誤信息提示修改代碼并繼續測試。在整個實驗過程中，平臺會實時記錄每個學生的活動軌跡，如提交評測的次數、每次評測存在的問題、實驗時間、是否查看參考答案、最近通過的代碼、最終成績等，并形成詳細報告和統計圖表，以便教師充分掌握學生的實驗進度、存在問題和學習效果等，并據此分析教學難點、調整教學策略、改進課堂教學方法等，從而進一步提高教學質量。

EduCoder平臺采用的評測方法是測試用例法，即用數據集測試程序的正確性。測試用數據集應完備，應能全方位檢測算法的正確性，應覆蓋程序執行的各種情況。比如閏年的判斷，有普通的非閏年，如2019；還有100的倍數的非閏年，如1900；有普通閏年，如2008；還有世紀閏年，如2000。如果考慮不全面，則會使錯誤的程序也能夠通過。平臺將會用每組測試用例執行程序，并將程序的實際輸出結果與正確輸出結果進行對比，全部測試用例結果正確的將獲得通關，否則會將失敗的測試用例反饋給學生。

EduCoder平臺用來測試的文件有學員任務文件和評測執行文件兩類。設置任務時，應為每一個題目建立一個文件夾，如 src/step1、src/step2等，每個題目的文件放在對應的文件夾下。學員任務文件是學生編寫代碼用的，里面的內容（可以為空）將直接顯示在代碼區域，需要學生在其中編寫代碼。評測執行文件是需要執行的平臺腳本，根據執行結果判斷程序的正確性，學生對該文件只能查看，不能修改。評測執行文件也可以是學員任務文件，也就是直接運行學生寫的程序，或者是由教師設計的用來測試學生代碼的腳本文件。通過自行設計評測文件可以精準地達到訓練某個知識點的教學目標。

3 表達式的自動評測

表達式是C語言一個非常重要的程序元素，它貫穿在C語言教學的各個章節，各種流程控制語句的執行條件都要用表達式來描述，表達式還可以單獨構成表達式語句。C語言提供了34種運算符，既能實現其他高級語言的運算，也能實現匯編語言的底層位運算，再加上一些特有的運算符，使C語言的運算能力非常強，表達式類型多樣化。靈活使用各種運算符寫出實現特定功能的表達式是一項重要的技能。

在講授運算符和表達式后，就要訓練學生寫C語言表達式的能力。根據平臺的評測架構，可以設計兩種方式，第一種方式是學員任務文件是一個完整程序框架，學生在其中完成代碼填空（填寫表達式），該文件作為評測執行文件；第二種方式是學員任務文件用.h，文件內容為空或者包含一些注釋（說明相關變量的類型），只需要學生填寫一個表達式，而評測執行文件是針對該實驗目標設計的一個完整程序，可以使用#include把學員任務文件包含進來。相比較而言，后者效果更好，訓練更精準。

【示例1】任務描述：寫一個表達式，求三個整數a、b和c中的最大值。

訓練目標是使學生掌握條件運算符（?：）的使用，這是一個三目運算符，可以用來代替if語句實現某些分支運算。

將學員任務文件命名為 step1_stu.h，在 src/step1文件夾下，里面沒有任何語句，只有一些注釋，學生需填寫一個條件表達式，通過設計評測腳本使得學生只能用條件表達式。將評測執行文件命名為step1_main.c，也在src/step1文件夾下，它是針對該訓練目標而設計的腳本文件，里面包含變量聲明、輸入3個整數、輸出最大數，中間用#include "step1_stu.h"把學生寫的表達式嵌入進來，賦值給變量 x，其后加分號構成一條賦值表達式語句，該文件內容如圖1所示。

圖1 示例1的評測執行文件內容

學生是不能修改評測腳本的，該設計使得學生在學員任務文件中只能寫一個表達式，因而不能使用 if語句，如果使用if語句，系統則會報語法錯，這樣就可以非常精準地達到訓練寫條件表達式的教學目標。

4 自定義函數的自動評測

在C語言中實現模塊化程序設計的手段是編寫函數，即把每一個模塊設計成一個函數，完成總任務的程序是由一個主函數和若干其他函數組成的。主函數比較簡單，起著任務調度的總控作用，其他函數將最終直接或間接被主函數調用，以解決總任務。這種模塊化的程序結構增強了程序的可讀性、可維護性和可擴充性。學會設計和編寫函數非常重要，在講授完函數后，需要訓練學生用函數去實現特定的功能。

【示例 2】任務描述：定義函數 digit(n,k)，求n中從右端開始的第k個數字的值（k從1開始），如果k超過了n的位數，則函數返回–1；否則返回n中第k個數字。例如：digit(345876,4)=5，digit(345,4)= –1。

訓練目標是掌握函數的定義，根據要求編寫自定義函數，包括return語句的使用。

將學員任務文件命名為 step2_stu.h，在 src/step2文件夾下，里面只有函數的頭部注釋，學生需按照規定的接口編碼實現函數功能。該文件內容如圖2所示。

圖2 示例2的學員任務文件內容

評測執行文件命名為step2_main.c，也在src/step2文件夾下，里面包含變量聲明、函數調用和調用前后的數據輸入輸出，在 mian函數的前面用#include"step2_stu.h"嵌入學生定義的函數，該文件內容如圖3所示。

圖3 示例2的評測執行文件內容

這樣，學生在任務文件中就只能按要求編寫函數，從而達到訓練目標。

EduCoder的測評原理是運行評測執行文件，在程序執行過程中讀入預設的測試數據，通過將程序輸出結果與正確結果進行對比來決定是否通關。

5 帶參main函數的自動評測

在針對授課知識點設計實驗任務過程中，發現帶參main函數比較特殊，平臺無法直接測試其功能，學生即使定義了帶參main函數，也被當作無參main函數執行。為此，提出了一種能夠在 EduCoder平臺下間接測試帶參main函數的方法，訓練學生編寫和使用帶參數的main函數，并給予自動評測。

5.1 帶參main函數的特點

表示和處理 main函數的參數是指針數組和二級指針的一個重要應用。有些操作系統，包括UNIX和MS-DOS，需要用戶在命令行界面輸入參數來啟動一個程序的執行，這些參數被傳遞給程序，供程序分析處理。命令行界面需要用戶記憶操作命令，不如圖形界面使用方便，但能節省計算機系統資源，在熟記命令的前提下，使用命令行界面的操作速度更快。所以，圖形界面的操作系統不僅保留了命令行界面，而且還加強了操作命令的功能[12]。帶參 main函數的定義形式為：

main函數具有兩個形參，第1個參數argc代表命令行中參數（即字符串）的個數，第2個參數是字符指針數組 argv，argv[i]指向命令行中第 i個字符串。假定有一個名為copy的程序，在Windows下運行該程序的命令行如下：

該命令行有3個參數，第1個參數copy是可執行程序名，其后的abc.txt和def.txt是程序執行所需的參數。該命令行啟動copy程序后，會將3傳給argc，argv[0]指向串“copy”，argv[1]指向串“abc.txt”，argv[2]指向串“def.txt”，然后執行程序，實現將文件 abc.txt的內容復制到文件def.txt中。

可見，帶參main函數被系統調用時，需要在命令行中輸入數據來啟動程序的執行，而這些數據被傳遞給main函數。命令行中輸入不同的參數，程序將執行不同的功能。在 EduCoder下設置實驗任務時，不能設置命令行的參數，只能設置測試集數據，測試數據是main函數執行后由輸入函數（getchar、scanf等）讀取的，而命令行的參數是操作系統讀取并傳給main函數的，兩種獲取數據的方式截然不同。

根據帶參main函數的特點，提出的這種通過設計評測腳本的間接測試方法，有助于學生精準掌握命令行參數的作用、參數的傳遞機制以及帶參main函數的編寫。

5.2 評測策略及腳本的設計

根據命令行參數傳遞原理，結合 EduCoder評測機制，提出如下在EduCoder下對帶參main函數功能的測試策略：①將命令行參數作為測試數據；②學生編寫等效于本地帶參main函數的main0函數，即在本地環境調試時是main，提交平臺測試時將 main改為main0即可；③設計一個main函數作為測試腳本，模擬操作系統讀取和存儲命令行參數，對main0進行測試，命令行參數就是設置的測試數據。

main函數需要模擬命令行參數的整個處理過程，包括從測試數據（即命令行參數）中讀取字符、識別出參數字符串、統計字符串個數、動態分配內存存儲字符串、記錄字符串的首地址等，再用獲取的參數個數和字符串數組作參數，調用main0函數。main中聲明變量n保存字符串個數，字符指針數組inputStr保存各字符串的首地址，將n傳給main0的形參argc，inputStr傳給argv，調用main0函數（即帶參main函數），從而啟動main0的執行（相當于main函數被系統調用）。

main0函數等價于帶參main函數，學生要在自己的編程環境中寫帶參main函數，即將main函數代碼粘貼到 EduCoder編輯器，當測試腳本對其進行自動測試時，把main函數的名字改為main0即可。因此，學生也可以先在本地環境實現帶參 main函數的功能并調試通過后，再將main修改為main0，提交平臺進行自動測試。

【示例3】任務描述：編寫一個程序，名為strcat，用命令行參數實現至少兩個字符串的連接，命令行為：

strcat str1 str2 str3 ...

其中，strcat是命令名，即可執行程序名，str1、str2、str3、 ...是被連接的字符串，每一個字符串的長度不超過50，規定連接順序為右邊的串依次連接到左邊串的末尾。例如，

命令行輸入：strcat abc def gh

連接之后形成新串并輸出：abcdefgh

訓練目標是掌握帶參函數的定義和命令行參數的傳遞，并初步掌握動態存儲分配的概念及其應用，為后續結構指針的應用打下基礎。

編程要求：學生編寫帶參main0函數（若在本地調試則為main函數）來連接命令行中的多個字符串，連接之后的新串無冗余地存儲到用 malloc動態分配的空間，并將該空間首地址賦值給外部指針p，指針p在評測腳本中定義，連接后的新串也在腳本文件中輸出。

評測執行文件命名為 step3_main.c，文件內容見圖 4和圖5。

圖4 示例3的評測執行文件內容之一

圖5為Begin ...End之間的代碼模擬命令行參數的讀入和參數串的存儲。

圖5 示例3的評測執行文件內容之二

因此，學生只有深入理解帶參main函數這一教學重點和難點知識，并學會使用動態存儲分配函數，代碼才能通過測試。測試數據若為：strcat abc def gh，則輸出結果應為：abcdefgh。

6 結語

基于 EduCoder的實踐模式經過 2019年秋季和2020年春季兩個學期的試行，取得了較好的效果，受到學生的歡迎。考試結果表明，經過知識點的精準訓練，學生對一些難點知識，如位運算、二級指針、帶參main函數、動態分配等掌握情況良好，成績得到明顯提高，達到了預期目標。該項改革對教師來說，可以使他們從繁重的督促檢查中解脫出來，能更好地研究教學教法和答疑解惑，提高教學質量和教學效果；對學生來說，既可促進他們全面掌握教學重點和難點，又可培養獨立思考和自主學習的習慣，提高分析和解決問題的能力。