基于程序能力提升的程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程在線評(píng)測(cè)平臺(tái)搭建與應(yīng)用研究

朱 鵬

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)類課程(“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“Java程序設(shè)計(jì)”“Python程序設(shè)計(jì)”)是職業(yè)院校電子信息大類(物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用等)的專業(yè)基礎(chǔ)課,教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生能針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析,熟練掌握程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)。在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中,由于課程課時(shí)的限制和學(xué)生接受能力的差異,教師很難兼顧所有學(xué)生的掌握情況。一些學(xué)生可能在課程結(jié)束后仍然無(wú)法完全掌握程序設(shè)計(jì)的基本概念和方法,而另一些學(xué)生則可能會(huì)覺(jué)得課程內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單,缺乏挑戰(zhàn)性。加上程序設(shè)計(jì)類課程是實(shí)踐課,需要進(jìn)行大量的編程練習(xí),而在授課過(guò)程中,基本上是大班教學(xué),故教師很難及時(shí)了解每個(gè)學(xué)生的完成情況,也無(wú)法第一時(shí)間對(duì)學(xué)生完成的程序進(jìn)行驗(yàn)證。初學(xué)者常出現(xiàn)各種錯(cuò)誤,學(xué)習(xí)積極性很容易受到影響。為夯實(shí)學(xué)生的編程基礎(chǔ),本文使用Hydro搭建了一個(gè)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的在線評(píng)測(cè)平臺(tái),通過(guò)在線評(píng)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐,教學(xué)效果良好。

1 在線評(píng)測(cè)平臺(tái)搭建

1.1 在線評(píng)測(cè)平臺(tái)介紹

在線評(píng)測(cè)(Online Judge,OJ)系統(tǒng)起源于美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)(Association for Computing Machinery,ACM)國(guó)際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽(ACM International Collegiate Programming Contest,ACMICPC)。隨著ACM競(jìng)賽近30年的發(fā)展,各大高校紛紛開發(fā)了屬于自己的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)。其中,國(guó)外知名高校的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)有美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)的UVA OJ系統(tǒng),國(guó)內(nèi)最早開發(fā)在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)的高校是浙江大學(xué)[1]。它是一個(gè)基于Web的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)提供了大量的編程題目和在線編輯器,用戶可以在線編寫、測(cè)試和提交代碼,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶提交的代碼實(shí)時(shí)反饋,方便學(xué)生自我檢測(cè)和提高編程能力。隨著近些年社會(huì)對(duì)信息學(xué)奧賽的重視,互聯(lián)網(wǎng)也出現(xiàn)了“洛谷”“信息學(xué)奧賽一本通C++評(píng)測(cè)系統(tǒng)”“計(jì)蒜客”等編程網(wǎng)站,便于編程愛(ài)好者刷題、學(xué)習(xí)。

1.2 在線評(píng)測(cè)平臺(tái)選擇

通過(guò)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)上各評(píng)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn),各高校、商業(yè)網(wǎng)站開發(fā)的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)大多是對(duì)基于開源的在線評(píng)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā),這些開源平臺(tái)為開發(fā)者提供了豐富的功能和工具,使得開發(fā)者能夠快速地搭建自己的在線評(píng)測(cè)系統(tǒng)。各高校的評(píng)測(cè)平臺(tái)主要用來(lái)校內(nèi)課程教學(xué)、競(jìng)賽訓(xùn)練和選拔,對(duì)外只開發(fā)個(gè)人用戶注冊(cè)功能;各商業(yè)網(wǎng)站開發(fā)個(gè)人用戶注冊(cè),提供個(gè)人刷題功能。兩者均難以實(shí)現(xiàn)教師課程教學(xué)的過(guò)程化管理和比賽定制。為此,本文利用開源的在線評(píng)測(cè)平臺(tái)搭建了一個(gè)學(xué)校自主的評(píng)測(cè)平臺(tái),供本校程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)使用。通過(guò)使用這個(gè)平臺(tái),教師可以更加方便地進(jìn)行課程教學(xué)的過(guò)程化管理,有助于提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。通過(guò)比較Vijos、Hdyro、HustOJ、QDUOJ等開源在線平臺(tái)發(fā)現(xiàn),Hydro采用B/S架構(gòu),支持 C/JAVA/Python 等程序的自動(dòng)評(píng)測(cè),支持一鍵安裝,使用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù),有完備的權(quán)限管理系統(tǒng)、域功能,并提供了題庫(kù)、作業(yè)、討論、排名等功能,還可通過(guò)安裝附加組件進(jìn)行擴(kuò)展,功能強(qiáng)大,能滿足學(xué)院程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)使用[2]。

1.3 Hydro在線評(píng)測(cè)平臺(tái)搭建

Hydro支持使用腳本一鍵搭建,這種搭建方式不僅降低了安裝難度,還提高了搭建效率,使得用戶可以在短時(shí)間內(nèi)快速搭建起在線評(píng)測(cè)平臺(tái)。在安裝之前,用戶需要在GitHub倉(cāng)庫(kù)下載安裝腳本,在裝有Ubuntu 20.04的服務(wù)器上運(yùn)行相關(guān)指令就可直接安裝。安裝完成后,通過(guò)服務(wù)器訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)端,設(shè)置超級(jí)管理員賬號(hào),修改配置,即可以構(gòu)建一個(gè)集教學(xué)、作業(yè)、考核為一體的自動(dòng)評(píng)測(cè)平臺(tái)。在線評(píng)測(cè)平臺(tái)搭建好后,可以創(chuàng)建管理員、教師和學(xué)生3類用戶。管理員可以導(dǎo)入用戶、設(shè)置域、導(dǎo)入題庫(kù),對(duì)平臺(tái)進(jìn)行維護(hù);教師可以導(dǎo)入題庫(kù)、布置作業(yè)、查看學(xué)生的提交情況;學(xué)生可以通過(guò)平臺(tái)參與練題,完成作業(yè)及形成性考核。

2 在線評(píng)測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用

2.1 在線評(píng)測(cè)平臺(tái)功能

在線評(píng)測(cè)平臺(tái)具有用戶管理、題庫(kù)、作業(yè)、比賽、討論、評(píng)測(cè)記錄、排名功能,具體功能如下[3]。

用戶管理:包括教師管理和學(xué)生管理。教師管理主要有權(quán)限管理、域管理;學(xué)生管理包括用戶導(dǎo)入、密碼修改。導(dǎo)入成功的用戶可以訪問(wèn)所有域。

題庫(kù)管理:題庫(kù)管理的學(xué)生權(quán)限為查看、搜索題目;教師權(quán)限為題目導(dǎo)入及創(chuàng)建題目。教師導(dǎo)入或創(chuàng)建題目后,教師和學(xué)生就可以在題庫(kù)中查找題目并進(jìn)行代碼提交。

訓(xùn)練管理:訓(xùn)練計(jì)劃可以按章節(jié)進(jìn)行設(shè)置,教師從題庫(kù)中選擇題目創(chuàng)建訓(xùn)練計(jì)劃,學(xué)生點(diǎn)擊參加訓(xùn)練計(jì)劃,教師可以查看已參加訓(xùn)練計(jì)劃的同學(xué)的訓(xùn)練完成情況。教師可以創(chuàng)建多組訓(xùn)練計(jì)劃,學(xué)生可以根據(jù)自身情況選擇參加哪組訓(xùn)練計(jì)劃。

作業(yè)管理:包括創(chuàng)建、編輯和刪除作業(yè)。創(chuàng)建作業(yè)時(shí),可以設(shè)置作業(yè)標(biāo)題、開始/結(jié)束時(shí)間、分配給指定用戶、題目。教師創(chuàng)建好作業(yè)后,學(xué)生可以認(rèn)領(lǐng)作業(yè)。

比賽管理:包括創(chuàng)建、編輯比賽。創(chuàng)建比賽后,學(xué)生用戶可以參加比賽,教師可以查看學(xué)生的成績(jī)。

討論管理:用戶選擇題目后,可以創(chuàng)建討論。討論創(chuàng)建好后,用戶可以進(jìn)行跟帖回復(fù)。

評(píng)測(cè)記錄管理:教師用戶可以通過(guò)用戶名/UID、題目、比賽、語(yǔ)言、狀態(tài)查看用戶的提交評(píng)測(cè)情況。

2.2 題庫(kù)管理

題庫(kù)是整個(gè)在線評(píng)測(cè)平臺(tái)的核心[4],為學(xué)生和教師提供了豐富的題目資源。題庫(kù)中的題目可以從Hydro中導(dǎo)入,通過(guò)導(dǎo)入功能,可以將其他 OJ題目導(dǎo)入本站。與此同時(shí),題目的標(biāo)題、題面、標(biāo)簽和分類都將會(huì)被自動(dòng)導(dǎo)入,導(dǎo)入后可以使用PreferredPrefix選項(xiàng)來(lái)進(jìn)行題號(hào)重排。此外,教師也可以使用創(chuàng)建題目的功能創(chuàng)建題目。題目創(chuàng)建好后,教師可以在作業(yè)管理、訓(xùn)練管理和比賽管理模塊中引入題庫(kù)中的題目。

2.3 創(chuàng)建題目

創(chuàng)建題目時(shí),可以設(shè)置題目ID、題目標(biāo)題、是否隱藏、標(biāo)簽和題目難度。在題目編輯中,可以使用Markdown語(yǔ)言進(jìn)行編寫,增加題目的可讀性。與此同時(shí),還可以導(dǎo)入公式和圖片,使題目變得豐富,創(chuàng)建題目操作界面如圖1所示。題目創(chuàng)建好后,在題庫(kù)中,可以使用題目編號(hào)、題目標(biāo)題、標(biāo)簽進(jìn)行搜索。在線評(píng)測(cè)平臺(tái)支持創(chuàng)建簡(jiǎn)單的OJ題目、函數(shù)交互型題目、全自動(dòng)對(duì)拍題和客觀題。

圖1 創(chuàng)建題目操作頁(yè)面

2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)生成

題目創(chuàng)建好后,需要為該題目創(chuàng)建測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)用于檢查所編寫程序是否能夠按照預(yù)期工作,也用于測(cè)試應(yīng)用程序的極限或通過(guò)邊界值測(cè)試確定其突破點(diǎn)[5]。在線評(píng)測(cè)平臺(tái)中,一個(gè)題目可以設(shè)置多組測(cè)試樣例來(lái)驗(yàn)證程序是否正確。在測(cè)試數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)中,本文采用了語(yǔ)句覆蓋、判定覆蓋、條件覆蓋、判定條件覆蓋、條件組合覆蓋、路徑覆蓋等方式進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)。

在線評(píng)測(cè)平臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)格式分為自動(dòng)模式和使用配置文件2種。自動(dòng)模式直接選擇文件上傳或?qū)⑽募献е料鄳?yīng)位置上傳,或者上傳.zip格式文件,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行解壓,測(cè)試數(shù)據(jù)上傳頁(yè)面如圖2所示。使用配置文件模式則需要上傳config.yaml文件。

圖2 測(cè)試數(shù)據(jù)上傳頁(yè)面

在實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)樣例生成過(guò)程中,采用Cyaron 進(jìn)行數(shù)據(jù)生成。Cyaron是基于 Python 的開源軟件,用于快速且方便地生成 OJ 題目的測(cè)試數(shù)據(jù)。在形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)生成器之前,需要編寫程序?qū)?yīng)題目的標(biāo)準(zhǔn)程序,編譯之后得到一個(gè)可執(zhí)行文件,再通過(guò)Python程序調(diào)用Cyaron 提供的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)生成,生成的輸入、輸出數(shù)據(jù)會(huì)分別存放到指定文件中。

2.5 創(chuàng)建作業(yè)

題目創(chuàng)建成功后,教師就可以進(jìn)行作業(yè)創(chuàng)建。創(chuàng)建作業(yè)時(shí)可以設(shè)置作業(yè)的標(biāo)題、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、分配給哪個(gè)班級(jí)、布置題目和內(nèi)容,作業(yè)創(chuàng)建完成界面如圖3所示。創(chuàng)建作業(yè)的內(nèi)容處支持Markdown語(yǔ)言。創(chuàng)建作業(yè)時(shí),可以將本節(jié)課的授課內(nèi)容寫到內(nèi)容設(shè)置處,作業(yè)創(chuàng)建好后該內(nèi)容會(huì)在作業(yè)介紹處顯示,這個(gè)內(nèi)容可以作為課件,教師可以用來(lái)授課,學(xué)生可以用來(lái)參考、學(xué)習(xí)。

圖3 作業(yè)創(chuàng)建完成界面

3 在線評(píng)測(cè)平臺(tái)在課程教學(xué)過(guò)程中的應(yīng)用實(shí)踐

該平臺(tái)已進(jìn)行了2年的實(shí)踐。共有2021/2022級(jí)5個(gè)班級(jí)約300余名學(xué)生通過(guò)平臺(tái)完成了程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)。通過(guò)排名功能查看可知,共有20%的同學(xué)在題庫(kù)中完成了70道以上的練習(xí)題,有98%以上的同學(xué)完成了50道以上的練習(xí)題。充分表明學(xué)生對(duì)在線評(píng)測(cè)平臺(tái)的接受度和使用情況良好。

3.1 教師方面

教師通過(guò)管理題庫(kù)、布置作業(yè)、查看成績(jī)表,實(shí)現(xiàn)教學(xué)任務(wù)的過(guò)程化管理[6]。首先,借助平臺(tái)功能,教師可以設(shè)計(jì)各種形式的教學(xué)活動(dòng),如在線作業(yè)、考試等,從而更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。其次,通過(guò)成績(jī)表功能,教師更容易掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、學(xué)生的弱項(xiàng),便于更針對(duì)性地教學(xué)或調(diào)整教學(xué)進(jìn)度。

3.2 學(xué)生方面

學(xué)生通過(guò)評(píng)測(cè)系統(tǒng)的題庫(kù)功能,提前知曉課程的目標(biāo)任務(wù),并可以直接在平臺(tái)上進(jìn)行練習(xí),利用實(shí)時(shí)反饋來(lái)檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)成果。題庫(kù)還提供了多樣化的題目類型和難度等級(jí),滿足了不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求,同時(shí)還可以與其他同學(xué)進(jìn)行比較和競(jìng)爭(zhēng),激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性,實(shí)際編程能力有了大幅提高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了如何利用Hydro搭建一個(gè)教學(xué)在線評(píng)測(cè)平臺(tái),并就平臺(tái)的主要功能進(jìn)行了介紹。在電子信息類專業(yè)程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)實(shí)踐中,引入在線評(píng)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué),規(guī)范統(tǒng)一教學(xué)內(nèi)容,利用實(shí)時(shí)評(píng)測(cè)系統(tǒng)的反饋提高課堂教學(xué)效率,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力,提高了學(xué)生的編程能力,取得了良好的教學(xué)效果。