基于Java的考試系統(tǒng)對(duì)C語(yǔ)言程序題的考核及自動(dòng)判卷功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵新慧　李響　劉成偉　張晟東

【摘 要】在考試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判卷是程序題考核設(shè)計(jì)的核心。圍繞該核心，開發(fā)設(shè)計(jì)“教師端程序題模板生成工具”、“學(xué)生端答題界面”、“服務(wù)端自動(dòng)判卷邏輯業(yè)務(wù)”三個(gè)子模塊，以確保每一個(gè)程序題都有一個(gè)全面而準(zhǔn)確的判卷模板與之對(duì)應(yīng)，學(xué)生可以方便快捷地在可編輯區(qū)域編寫代碼并進(jìn)行測(cè)試和提交，判卷模板和學(xué)生代碼自動(dòng)組合并編譯成一個(gè)可執(zhí)行程序，從而得到判卷得分臨時(shí)數(shù)據(jù)文件，考試系統(tǒng)通過讀取該臨時(shí)數(shù)據(jù)得到判卷結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】考試系統(tǒng) 程序題 自動(dòng)判卷 C語(yǔ)言 Java語(yǔ)言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的考試采用上機(jī)考試的形式。對(duì)選擇題、判斷題這類有固定答案的考試題型的判卷是很簡(jiǎn)單的；然而，對(duì)程序題這種表述形式多樣化的題型，很難通過自動(dòng)判卷給出合理的分?jǐn)?shù)，多數(shù)是針對(duì)某一個(gè)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行判斷，未能滿足根據(jù)得分點(diǎn)進(jìn)行判卷的需求。本文通過詳細(xì)介紹“教師端程序題模板生成工具”、“學(xué)生端答題界面”、“服務(wù)端自動(dòng)判卷邏輯業(yè)務(wù)”三個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，闡述了程序題自動(dòng)判卷、以及合理評(píng)分的解決方案，在一定程度上提升了程序題考試的可行性、以及程序題判卷的合理性。

1 自動(dòng)判卷功能的設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

由于考試系統(tǒng)的開發(fā)語(yǔ)言是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言Java；程序題考核所用的語(yǔ)言為是C語(yǔ)言。所以很難通過代理模式實(shí)現(xiàn)對(duì)C語(yǔ)言程序的處理。因此，可將程序題判卷從系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)中獨(dú)立出來，兩者之間通過某個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)建立聯(lián)系。

記事本文件（設(shè)為grade.txt）可作為上述的中介數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其主要用于存儲(chǔ)學(xué)生得分記錄。一方面：系統(tǒng)可以讀取文件信息將得分記錄存入數(shù)據(jù)庫(kù)；另一方面：grade.txt可以通過調(diào)用java.lang.Runtime實(shí)例的exec（String command）方法運(yùn)行某個(gè)可執(zhí)行文件（設(shè)為judgeMain.exe）來得到。而judgeMain.exe文件、也可以通過調(diào)用exec（String command）方法對(duì)某個(gè)源文件（設(shè)為judgeMain.cpp）進(jìn)行編譯和鏈接而生成。

其中，judgeMain.cpp文件是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判卷、并將得分紀(jì)錄寫入記事本的源代碼文件。因此，只要獲得judgeMain.cpp文件，自動(dòng)判卷問題就可以得到解決。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1 核心方案

獲取judgeMain.cpp文件，使考試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和程序題自動(dòng)判卷業(yè)務(wù)邏輯相對(duì)獨(dú)立，通過exec（String command）方法編譯、鏈接、運(yùn)行判卷程序。

1.2.2 judgeMain.cpp文件的獲取

假設(shè)A：每個(gè)用于學(xué)生考試的考試模板都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的判卷模板，該判卷模板通過輸出流生成一個(gè)記事本文件，并且學(xué)生在考試模板里填寫的內(nèi)容可以自動(dòng)而正確地填寫到判卷模板里。

假設(shè)B、有一個(gè)簡(jiǎn)單可用的程序題模板生成工具，通過該工具，結(jié)合某個(gè)欲要考核算法或知識(shí)點(diǎn)的源代碼文件，能夠簡(jiǎn)單快速的生成一一對(duì)應(yīng)的考試模板和判卷模板。

假設(shè)C、有一個(gè)嚴(yán)格規(guī)范而且靈活簡(jiǎn)潔的程序題答題編譯界面，既方便學(xué)生填寫、編譯、運(yùn)行程序，而且可以準(zhǔn)確地將學(xué)生填寫區(qū)域的代碼上傳到服務(wù)器。

可見，假設(shè)B和C成立時(shí)，A成立，從而可獲得judgeMain.cpp文件。

1.2.3 結(jié)論：開發(fā)以下兩個(gè)模塊支撐自動(dòng)判卷實(shí)現(xiàn)

（1）教師端程序題模板生成工具；（2）嚴(yán)格而便捷的學(xué)生斷答題界面。

1.2.4 根據(jù)以上分析，自動(dòng)判卷模板的原理可用圖1來描述

2 教師端程序題模板生成工具

2.1 功能實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)程序題自動(dòng)判卷功能，設(shè)計(jì)程序題模板生成工具，并讓其實(shí)現(xiàn)以下功能：導(dǎo)入一個(gè)源文件， 生成一一對(duì)應(yīng)的考試模板、判卷模板，并為生成的考試、判卷模板提供瀏覽、測(cè)試功能，以便及時(shí)修改和調(diào)整。

2.2 設(shè)計(jì)方法

2.2.1 對(duì)導(dǎo)入源文件預(yù)處理

對(duì)源文件以注釋的形式添加一些特殊標(biāo)記，通過識(shí)別這些特殊標(biāo)記對(duì)源代碼自動(dòng)修改或增添。例如：

//code_fosOpen 開文件流標(biāo)記，在判卷模板中自動(dòng)增加定義記事本文件的輸出流代碼；

//code_fosClose 關(guān)文件流標(biāo)記，在判卷模板中自動(dòng)增加關(guān)閉文件流和釋放內(nèi)存代碼；

//code_judge 判卷變量標(biāo)記，設(shè)置得分點(diǎn)；

//code_delete 挖空行標(biāo)記，所設(shè)置行變?yōu)橄聞澗€；

//edit_function 編輯函數(shù)標(biāo)記，設(shè)置函數(shù)，由學(xué)生編寫函數(shù)體；

//code_resetInstance 修改用例標(biāo)記，為判卷模板和考試模板設(shè)置不同的測(cè)試用例。

2.2.2 判卷函數(shù)頭文件、靜態(tài)庫(kù)文件

功能：在判卷模板中將考生答案和正確答案進(jìn)行對(duì)比。

文件描述：

（1）頭文件（compare.h），文件內(nèi)容如右圖。（2）靜態(tài)庫(kù)文件（compare.lib），為compare.h中聲明的方法提供具體實(shí)現(xiàn)。

文件引用：

#include"compare.h"

#pragma comment（lib，"compare.lib"）

2.2.3 模板生成工具設(shè)計(jì)

針對(duì)1中的不同標(biāo)記，該工具會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的按鈕，通過點(diǎn)擊按鈕和簡(jiǎn)單的設(shè)置生成判卷、考試模板：

（1）判卷模板。點(diǎn)擊按鈕實(shí)現(xiàn)函數(shù)體編寫、代碼段填空、判卷變量的選擇，通過對(duì)判卷變量正確值的設(shè)置、以及判卷代碼插入位置的設(shè)置，可預(yù)覽、測(cè)試、生成判卷模板。

（2）考試模板。在判卷模板設(shè)置的基礎(chǔ)上，通過對(duì)測(cè)試用例進(jìn)行修改，可預(yù)覽、測(cè)試、生成考試模板，并具有相應(yīng)題目說明文件的編寫功能。

2.3 原理解釋與圖解

現(xiàn)結(jié)合一個(gè)簡(jiǎn)單的例子對(duì)模板生成工具的原理進(jìn)行解釋，并用圖解展示：

第一步：選擇載入用于生成考試、判卷模板的.cpp源文件，然后根據(jù)按鈕提示，選擇挖空行、編輯函數(shù)、判卷變量等，并根據(jù)提示進(jìn)行必要的設(shè)置（見圖3）。

附：為便于說明問題，此處以一個(gè)求取平方數(shù)的簡(jiǎn)單程序?yàn)槔?，本例中只有一個(gè)判卷變量（對(duì)應(yīng)一個(gè)得分點(diǎn)）的設(shè)置，對(duì)于較復(fù)雜的程序，可以設(shè)置多個(gè)得分點(diǎn)。

第二步：點(diǎn)擊“預(yù)覽”菜單對(duì)將要生成的判卷模板進(jìn)行預(yù)覽，初步查看是否正確，然后點(diǎn)擊“測(cè)試”菜單選擇對(duì)判模板進(jìn)行自動(dòng)編譯運(yùn)行，若正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)步驟三；若失敗，根據(jù)編譯運(yùn)行的錯(cuò)誤提示，返回步驟一進(jìn)行修改設(shè)置。

第三步：點(diǎn)擊“生成”菜單，選擇保存位置，即可生成判卷模板（見圖4）。

第四步：進(jìn)行用例修改，修改后的用例用于生成學(xué)生考試模板（見圖5）。

第五步：預(yù)覽、測(cè)試運(yùn)行，最終生成考試模板，并根據(jù)運(yùn)行結(jié)果編寫題意說明文件（見圖6，圖7）。

3 學(xué)生端答題界面

3.1 功能要求

為嚴(yán)格保證自動(dòng)判卷的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)滿足學(xué)生方便答題需求，學(xué)生端答題界面須滿足如下功能要求：

（1）無需啟動(dòng)客戶端編譯器，學(xué)生直接在答題界面的可編輯區(qū)域編寫代碼，其他區(qū)域的代碼無法修改；（2）具有便捷的編譯運(yùn)行程序的功能，并提示編譯或運(yùn)行錯(cuò)誤；（3）學(xué)生編寫的函數(shù)體和填寫的代碼段可準(zhǔn)確無誤上傳至服務(wù)端。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法要點(diǎn)

3.2.1 答題界面

（1）將題意說明和不可修改的源代碼部分顯示為只讀；（2）識(shí)別考試源代碼中的“//添加函數(shù)實(shí)現(xiàn)代碼”字段，以及填空標(biāo)記下劃線“_________________”，將對(duì)應(yīng)區(qū)域設(shè)置為可編輯；（3）在可編輯區(qū)域?qū)?yīng)的控制程序中添加鍵盤監(jiān)聽：實(shí)現(xiàn)對(duì)括號(hào)、引號(hào)的自動(dòng)配對(duì)，以及換行時(shí)提供自動(dòng)縮進(jìn)，為學(xué)生快速編寫格式規(guī)范的代碼提供方便。

3.2.2 編譯運(yùn)行

通過java.lang.Runtime實(shí)例的exec（String command）方法，啟動(dòng)獨(dú)立進(jìn)程調(diào)用編譯和鏈接命令，并獲取該進(jìn)程的輸入流，提取編譯鏈接過程中的錯(cuò)誤信息，實(shí)現(xiàn)編譯錯(cuò)誤提示；若編譯正確，則運(yùn)行程序。

3.2.3 上傳代碼

由于僅提取學(xué)生編寫的函數(shù)題代碼和學(xué)生填空代碼段，只需提取可編譯區(qū)域的文本記錄即可，而且信息量小，因此可采用一般socket通信的形式（不用文件上傳等形式）將代碼段上傳至服務(wù)端。

3.3 例子與圖解

（1）將2中得到的考試模板和題意說明文件用于學(xué)生考試端程序題考試（如圖8）；

（2）在函數(shù)編寫區(qū)域編寫代碼，將填空橫線刪除并填寫代碼，然后直接點(diǎn)擊編譯運(yùn)行（圖9）。

（3）根據(jù)錯(cuò)誤提示修改代碼，重新編譯運(yùn)行（圖10）。

（4）點(diǎn)擊交卷后，學(xué)生編寫的函數(shù)體和填空代碼行上傳至服務(wù)器（圖11）。

4 服務(wù)端自動(dòng)判卷邏輯業(yè)務(wù)

4.1 自動(dòng)判卷業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

基于模板生成工具、學(xué)生答題客戶端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)判卷邏輯業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)如下：

（1）一般情況下：只需把學(xué)生上傳的答題信息寫入相應(yīng)的判卷模板中，然后生成臨時(shí)判卷源文件，針對(duì)這個(gè)臨時(shí)文件編譯運(yùn)行即可得到判卷結(jié)果。

（2）異常情況：如果學(xué)生提交的程序沒來得及調(diào)試正常而存在死循環(huán)，需要在A的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改進(jìn)：

通過倒計(jì)時(shí)線程啟動(dòng)判卷程序，倒計(jì)時(shí)線程結(jié)束后，若判卷程序還在運(yùn)行，則殺死，并將異常記錄寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

邏輯圖如下（圖12）。

4.2 評(píng)分過程

在考試、判卷模板制作過程中，可以根據(jù)每個(gè)題目的實(shí)際情況設(shè)計(jì)判卷（得分）變量，并針對(duì)每一個(gè)判卷變量考核知識(shí)點(diǎn)難度設(shè)置得分權(quán)重（學(xué)生不知道具體的得分變量和權(quán)重）。然后，將學(xué)生上傳的代碼插入到判卷模板中，生成judgeMain.cpp，針對(duì)每個(gè)得分點(diǎn)都會(huì)調(diào)用compare函數(shù)比較學(xué)生答案和標(biāo)準(zhǔn)答案，得到一個(gè)布爾型返回值，然后根據(jù)這個(gè)返回值在記事本文件（grade.txt）里寫入1（得分）或0（不得分）。

該自動(dòng)判卷程序可滿足對(duì)一個(gè)程序題進(jìn)行細(xì)節(jié)得分點(diǎn)的判斷，而不是籠統(tǒng)的僅僅判斷最終答案，在一定程度上保證了給分的合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過上述方案設(shè)計(jì)的程序題考核與判卷模塊，是東北大學(xué)數(shù)值分析考試系統(tǒng)（可通過程序題考核學(xué)生對(duì)數(shù)值算法的理解與應(yīng)用能力）的重要組成部分，該考試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果和初期使用情況證明：對(duì)于程序題考核和自動(dòng)判卷，這樣的設(shè)計(jì)方案是可行的、對(duì)判卷過程中的常處理是可行的，最終判卷結(jié)果是合理的。

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作者簡(jiǎn)介：邵新慧（1970—），女，山東青島人，副教授，博士，教師，數(shù)值代數(shù)理論與應(yīng)用研究。