在線評測在C程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究與評價(jià)

本文針對C程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，利用在線評測系統(tǒng)對選課的目標(biāo)群體開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。探索在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用在線評測的教學(xué)方法和手段，同時(shí)對傳統(tǒng)的紙質(zhì)考試方式進(jìn)行變革，在課程考試中引入在線評測，并對實(shí)施的結(jié)果做詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和評價(jià)。在線評測程序設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)1引言對普通規(guī)模的理工科高校而言，每年選程序設(shè)計(jì)課程的本科生數(shù)量大約在2000至2500人次左右，輻射面廣，受眾面大。無論是C，C++還是Java，程序語言設(shè)計(jì)課程作為理工類本科生的必修課程，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：即“上機(jī)第一、實(shí)踐第一”。僅通過課堂的理論教學(xué)是無法理解程序設(shè)計(jì)的精髓的，也無法培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。因此，課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要性凸顯，勝過其他任何一門課程。目前程序設(shè)計(jì)課程在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)大多仍停留在學(xué)生撰寫紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，編寫程序代碼，課后由教師進(jìn)行批改這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式上。這種傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式不僅存在浪費(fèi)資源，耗時(shí)耗力的問題，而且加重了教師和學(xué)生的負(fù)擔(dān)。根據(jù)一項(xiàng)生物心理學(xué)研究顯示，人腦類似一個(gè)反饋激勵(lì)系統(tǒng)，在有效的信號刺激下，刺激的頻率越快，信息駐留在大腦中的時(shí)間就越長，有效及時(shí)的信息反饋能夠激發(fā)人腦的學(xué)習(xí)潛能和興趣。而傳統(tǒng)模式由于反饋時(shí)間周期長，恰恰缺乏了及時(shí)的特點(diǎn)，大腦在得不到有效反饋的情況下，對信息的記憶度將大為減弱。因此傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式不利于學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。在線評測的英文名為Online Judge，簡稱OJ，是一個(gè)基于HTTP協(xié)議的服務(wù)器端判題系統(tǒng)，用來檢測程序源代碼的正確性。用戶可以在線提交多種程序（如C、C++）源代碼，系統(tǒng)對源代碼進(jìn)行編譯和執(zhí)行，并通過預(yù)先設(shè)計(jì)的測試數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)程序源代碼的正確性。OJ系統(tǒng)最初使用于ACM-ICPC國際大學(xué)生程序設(shè)計(jì)競賽和信息學(xué)奧林匹克競賽中的自動(dòng)判題和排名，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于世界各地高校學(xué)生程序設(shè)計(jì)的訓(xùn)練、參賽隊(duì)員的訓(xùn)練和選拔、各種程序設(shè)計(jì)競賽以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的學(xué)習(xí)和作業(yè)的自動(dòng)提交判斷，著名的有RQNOJ、URAL、北京大學(xué)OJ等。目前，在線評測模式正在被越來越多的程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)和愛好者所接受。2實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施利用OJ實(shí)施教學(xué)首先需要在服務(wù)器上建立試題庫，題庫包括ACM程序設(shè)計(jì)競賽試題及與C程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的實(shí)際問題。每道題目包含Description（題目描述）、Input data（輸入數(shù)據(jù)格式）和Output data（輸出數(shù)據(jù)格式）三個(gè)部分，學(xué)生編寫完成后在網(wǎng)頁中將源程序提交到服務(wù)器，服務(wù)器啟動(dòng)編譯器編譯該源程序并生成可執(zhí)行程序，以輸入數(shù)據(jù)文件作為輸入啟動(dòng)該可執(zhí)行程序，并將程序的輸出結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)據(jù)文件進(jìn)行對比，最后系統(tǒng)返回給用戶一個(gè)狀態(tài)：完全一致則判為Accept（接受），否則判為Wrong Answer（錯(cuò)誤），超時(shí)（Time Limit Exceed），超內(nèi)存（Memory Limit Exceed），運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤（Runtime Error）或是無法編譯（Compile Error），并返回程序使用的內(nèi)存、運(yùn)行時(shí)間等信息。學(xué)生能夠立即看到服務(wù)器反饋的結(jié)果，同一段代碼可以修改后多次提交。在OJ上開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)十分方便，除預(yù)先部署題庫外，利用OJ的Authors Ranklist（用戶排名等級）功能，即按Solved Problems（做對題數(shù)）和Submit（提交次數(shù)）的比例對用戶進(jìn)行排序，如圖1所示。

Authors Ranklist在一定程序上能較準(zhǔn)確地反映學(xué)生的實(shí)際水平，便于教師掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，并有針對性的對個(gè)別排名靠后的學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)。對學(xué)生而言，提交通過的題數(shù)越多，自己的排名越靠前，能讓學(xué)生獲取成功的喜悅感和成就感，進(jìn)一步刺激他們主動(dòng)去做更多的題，爭取更高的排名，形成了正反饋激勵(lì)效應(yīng)。另一方面由于程序課程覆蓋面廣，基本上涵蓋了理工類的所有本科生，選課的人數(shù)眾多，采用了OJ系統(tǒng)對學(xué)生提交的作業(yè)進(jìn)行評判，一方面可以大大減輕教師的工作量，另一方面又可以減少因教師的主觀因素使評測尺度不統(tǒng)一，做到高效客觀的判題。3擴(kuò)充平臺的功能3.1增加相關(guān)考試功能在現(xiàn)有OJ功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步豐富了平臺的功能，改進(jìn)后的OJ支持多種語言的判定，有C、C++、Pascal和 Java。擴(kuò)充了考試模塊，包括多種題型的設(shè)定，有選擇、判斷、填空和程序設(shè)計(jì)。增加了防作弊開關(guān)功能，如圖2中所示，左側(cè)控制菜單中有Switch按鈕，用來開啟和關(guān)閉查看代碼和收發(fā)郵件功能。考試時(shí)禁止考生互發(fā)郵件和查看試題源代碼。

3.2 相似代碼檢測功能在平時(shí)的編程練習(xí)或考試過程中，兩個(gè)人可能提交相似的源程序以欺騙系統(tǒng)進(jìn)行判斷。人工批閱過程中，類似的欺騙很容易被發(fā)現(xiàn)，但對于機(jī)器評測這是一個(gè)盲區(qū)，OJ系統(tǒng)對于代碼防抄襲（cheat checker）方面沒有做預(yù)防措施。

為了解決這個(gè)問題，可利用基于最長公共子序列LCS（longest common substring）的方法進(jìn)行檢測。將兩次提交代碼取出回車，空格與制表符，得到兩個(gè)長字符串，然后每次都找出兩串的最長公共子序列，將他們刪除，然后再找，直到找到的最長公共子序列小于某個(gè)閾值，計(jì)算被刪除的字符數(shù)目占原始數(shù)目的比例，比例高的就有較高的抄襲可能性。如圖3所示：

這種基于LCS的判定方法可以用來檢查多種方式的抄襲，比如移動(dòng)代碼塊，修改變量名，修改函數(shù)名等。檢測程序的算法復(fù)雜度是O（N*M），N和M是要兩個(gè)被檢驗(yàn)程序的字節(jié)長度。不足之處是當(dāng)用戶提交的程序較長時(shí)，效率會(huì)變低，耗時(shí)增加，所以適合有針對性的使用。4考試方式的轉(zhuǎn)變在研究中，選取2011級選“C程序設(shè)計(jì)”課程的部分學(xué)生作為樣本，共 885人次使用在線評測系統(tǒng)參加期末考試，要求在3小時(shí)內(nèi)完成選擇，判斷，填空共30題和程序設(shè)計(jì)題5題。從考試結(jié)果看，由于成績在50分以下的屬于極個(gè)別，因此我們重點(diǎn)考查成績在50分至100分之間的情況，將成績區(qū)間劃分為10個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間對應(yīng)的人數(shù)分布密度，如表1所示：

根據(jù)概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)規(guī)律，大多數(shù)隨機(jī)變量均服從或近似服從正態(tài)分布。如測量的誤差，學(xué)生的考試成績，人的身高與體重等。正態(tài)分布的隨機(jī)變量應(yīng)用范圍之廣，使其在數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)中占有極其重要的地位?？疾榭忌煽兎植记闆r的直方圖，如果基本呈正態(tài)曲線狀，屬于好；如果略呈正（負(fù)）態(tài)狀，屬于中等；如果呈嚴(yán)重偏態(tài)或無規(guī)律，就是差的。 定義成績的樣本空間為S：{50， 51， 52…100}，將考生的成績Xi作為隨機(jī)變量，其中（50≤Xi≤100，1≤i≤n）。設(shè)定數(shù)學(xué)期望值μ=75，計(jì)算均方差σ為=94.48，標(biāo)準(zhǔn)差為σ=9.72。在Excel中對樣本空間構(gòu)建正態(tài)分布函數(shù)f（x）=NORMDIST（Si，μ，σ，0），得到正態(tài)分布曲線，如圖5中紅色虛線所示，可看出成績分布直方圖近似地接近于正態(tài)分布曲線，說明在考試中引入在線評測模式具有較為客觀的區(qū)分度。

5評價(jià)及結(jié)論收集OJ模式下的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中的數(shù)據(jù)，由參與者對教學(xué)活動(dòng)的內(nèi)容、組織等進(jìn)行評價(jià)。包括做題數(shù)量，興趣度，使用習(xí)慣等。本次調(diào)查對象885人次，其中女生224人，占25.4%，男生661人，占74.6%。調(diào)查專業(yè)為非計(jì)算機(jī)的理工類專業(yè)，主要集中在機(jī)械、材料、生物、土木等專業(yè)。通過調(diào)查，我們得出以下一些結(jié)論：（1）認(rèn)為OJ題目難度偏難的有362人，占總?cè)藬?shù)的41%，其中女比男高出3%，顯示出男生更擅長于程序設(shè)計(jì)。（2）認(rèn)為OJ進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比傳統(tǒng)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告方式更具有優(yōu)勢的占總?cè)藬?shù)的70%，其中女比男高出10%，這意味著OJ本身更受到女生的歡迎。 （3）值得注意的是，在這次調(diào)查中不習(xí)慣使用OJ的人數(shù)有61人，占總?cè)藬?shù)的7%。在這些學(xué)生中，認(rèn)為題目偏難的有44人，比例高達(dá)71.6%，遠(yuǎn)高于平均比例41%，只有2人認(rèn)為題目難度適中但不習(xí)慣使用OJ。因此，我們得出結(jié)論：造成這些學(xué)生對OJ有抵觸心理的主要原因是題目難度高于他們的平均水平，使得他們無法在較短的時(shí)間內(nèi)提交正確，從而打擊了繼續(xù)使用OJ的積極性。假設(shè)能降低部分題目的難度，讓這些學(xué)生先做簡單的題目，便可讓他們逐步適應(yīng)并認(rèn)可OJ。 （4）在60分鐘的課時(shí)內(nèi)，接近85%的人能夠做對三題或三題以下，15%的人能完成五到七題以上， 憑此可大致估算程序設(shè)計(jì)題量和所需時(shí)間的關(guān)系。（5）34.5%的人在使用OJ時(shí)遇到問題傾向于獨(dú)立思考，其中男生比女生高10%；反之，遇到問題后想請教他人的，男生占52%，女生占63%，女生高于男生11%。這意味著雖然OJ可以自動(dòng)判題并給出學(xué)生反饋，有利于學(xué)生在編程時(shí)獨(dú)立思考解決問題，但顯然女生仍應(yīng)更多的受到關(guān)注和幫助。（6）73%的人通過OJ的訓(xùn)練，對程序設(shè)計(jì)課程產(chǎn)生了興趣，男女比例基本持平。28.4%的人有參加ACM競賽的愿意，試試自己的編程水平。（7）從調(diào)查結(jié)果看，認(rèn)同OJ的原因主要有：簡單易行、反饋及時(shí)、有利于主動(dòng)學(xué)習(xí)。但即使OJ被廣泛認(rèn)可，教師仍不能過度依賴于機(jī)器判題的自動(dòng)化，尤其對程序設(shè)計(jì)的初學(xué)者而言，在學(xué)習(xí)的初級階段，程序的書寫格式以及良好的編程習(xí)慣的培養(yǎng)，都需要教師對學(xué)生的耐心指導(dǎo)，而遠(yuǎn)非依靠OJ所能達(dá)到。6結(jié)語隨著計(jì)算機(jī)人工智能的發(fā)展，程序代碼自動(dòng)評測系統(tǒng)已成為程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的有效輔助工具。改變傳統(tǒng)的筆試考核方式，使用在線評測系統(tǒng)開展課程考試逐步成為趨勢。同時(shí)需要不斷完善在線評測系統(tǒng)的功能，最大程度上減少和避免抄襲現(xiàn)象的發(fā)生，這樣做既能促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，又能考查出學(xué)生真實(shí)的編程水平，同時(shí)極大減輕了教師的工作量，讓他們有更多的時(shí)間和精力投入到教學(xué)活動(dòng)中去。經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，目前已形成包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，教學(xué)方法，考核評價(jià)，創(chuàng)新能力培養(yǎng)等在內(nèi)的一整套方案，建立了適合初學(xué)者練習(xí)的在線評測試題庫，積累了大量地學(xué)生平時(shí)練習(xí)和考試的原始數(shù)據(jù)。藉此，希望對高校程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到一定的借簽和指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁邦旭，鐘志水.基于ACM 的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，18（3）：117-120.

[2]張麗萍，劉東升，王春暉.“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”精品課程建設(shè)[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（20）：115-117.

[3]韓君澤，鐘美，劉東升. 程序設(shè)計(jì)在線評測輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（5）：473-476.[4]梁嵩，王建新，盛 羽.在線程序語言評測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化，2010，29（6）：128-131.

[5]Thomas H.Cormen，Charles E.Leiserson，Ronald L.Rivest.Introduction to Algorithms[M].The MIT Press，2009，9.

[6]茆詩松，程依明，濮曉龍.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)教程[M].北京：高等教育出版社，2011，2.