程序設(shè)計(jì)類SPOC課程綜合教學(xué)支撐平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐雅靜，劉玉濤，李 通，李智超，羅安根

（北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

程序設(shè)計(jì)類SPOC課程綜合教學(xué)支撐平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐雅靜，劉玉濤，李 通，李智超，羅安根

（北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)模式的改變必然要依賴強(qiáng)大的教學(xué)平臺的支撐，針對該類課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，分析基于SPOC的課堂教學(xué)、課后自學(xué)的教學(xué)實(shí)際以及教學(xué)反饋的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種支持SPOC全教學(xué)環(huán)節(jié)的綜合教學(xué)支撐平臺，并總結(jié)該平臺在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SPOC課程中的應(yīng)用效果。

SPOC；OJ平臺；App Cloud；代碼相似度

0 引 言

程序設(shè)計(jì)類課程的核心是培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，這涉及教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”兩方面內(nèi)容。教師面臨的問題是：針對性地設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容，有效提升有限課堂時(shí)間內(nèi)的教學(xué)效果，及時(shí)獲取學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋。學(xué)生面臨的問題是：需要更輕松更方便的學(xué)習(xí)工具或平臺，更好地安排學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。如何使教師的教和學(xué)生的學(xué)更有效率，是大學(xué)計(jì)算機(jī)教育改革亟待解決的問題[1]。因此，基于上述教學(xué)實(shí)際，筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種適合程序設(shè)計(jì)類SPOC課程的綜合教學(xué)支撐平臺，經(jīng)過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SPOC課程的實(shí)際應(yīng)用和效果反饋，該平臺不僅能有效提升教與學(xué)的效率，而且能減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，支撐教師進(jìn)行更廣泛的教學(xué)模式創(chuàng)新。筆者提出的綜合教學(xué)支撐平臺（Integrated Teaching Platform, ITP）設(shè)計(jì)理念，綜合利用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、信息和通信技術(shù)，架起教與學(xué)之間的信息溝通橋梁，使學(xué)生的“學(xué)”更有效地支撐教師的“教”、教師的“教”更有針對性地指導(dǎo)學(xué)生的“學(xué)”。

1 平臺設(shè)計(jì)需求

SPOC[2]是英文small private online course的簡稱，意為“小規(guī)模限制性在線課程”，最初由加州大學(xué)伯克利分校的MOOC負(fù)責(zé)人Armando Fox提出。SPOC教學(xué)理念是學(xué)生課下通過教學(xué)視頻學(xué)習(xí)新知識、參與在線討論、完成規(guī)定的作業(yè)和考試等，教師在課堂教學(xué)中通過提問、回答和討論，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，加深其對知識的理解，這種方式也稱為“翻轉(zhuǎn)教學(xué)”。

SPOC教學(xué)的前提是學(xué)生課下必須保證足夠的學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)強(qiáng)度，否則直接被淘汰，但這種方式在國內(nèi)高校明顯有些“水土不服”。究其原因，一是中國大學(xué)教育的淘汰機(jī)制限制，無法保證學(xué)生的課下學(xué)習(xí)強(qiáng)度;二是中國學(xué)生多年的被動(dòng)式學(xué)習(xí)習(xí)慣，使討論式課堂教學(xué)難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，導(dǎo)致課堂信息量不足。針對上述問題，基于SPOC理念和程序設(shè)計(jì)類課程編程實(shí)踐強(qiáng)等特點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一套適合程序設(shè)計(jì)類SPOC課程的教學(xué)流程指導(dǎo)ITP平臺的設(shè)計(jì)，見圖1。該教學(xué)流程兼顧學(xué)生的課下學(xué)習(xí)（視頻、課件和課外資料學(xué)習(xí)）、課下自我評估（問題思考、在線測試和編程實(shí)踐）和教師課堂教學(xué)（基于教學(xué)反饋的課堂教學(xué)）及討論，有效地利用有限的課堂時(shí)間指導(dǎo)學(xué)生。

圖1 教學(xué)流程設(shè)計(jì)圖

該教學(xué)流程必須依賴ITP平臺來實(shí)施， ITP平臺的架構(gòu)及功能服務(wù)模塊都圍繞該教學(xué)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和劃分。ITP平臺必須能夠支撐所有教學(xué)環(huán)節(jié)，即支撐程序設(shè)計(jì)類SPOC課程全部教學(xué)環(huán)節(jié)的電子化、信息化、數(shù)據(jù)化和網(wǎng)絡(luò)化，因此ITP平臺的設(shè)計(jì)需求如下：

（1）學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)：支撐學(xué)生分階段學(xué)習(xí)，包括視頻、課件、各種課外資料的學(xué)習(xí)。

（2）驗(yàn)證環(huán)節(jié)：支撐學(xué)生獨(dú)立思考，即每一學(xué)習(xí)階段思考問題的提出、回答、共享;支撐階段學(xué)習(xí)效果測試，即在線單元測試和評分;支撐編程實(shí)踐，即分階段的編程練習(xí)、編程作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的提交及驗(yàn)證。

（3）系統(tǒng)分析：支持自動(dòng)收集、分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)過程的所有數(shù)據(jù)。

（4）教學(xué)反饋：支撐教師實(shí)時(shí)查看、瀏覽和下載學(xué)生學(xué)習(xí)的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

（5）教學(xué)設(shè)計(jì)：支撐教師對教學(xué)內(nèi)容的遠(yuǎn)程電子化管理，包括課件、視頻等資料的查找、上傳和更新;支撐遠(yuǎn)程資源管理，包括評論、問題、試題、測試、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的撰寫、刪除、更新、導(dǎo)人和評價(jià)。

（6）課堂指導(dǎo)：支撐教師實(shí)時(shí)題目推送，支撐學(xué)生答題實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。

基于以上需求分析，筆者提出并設(shè)計(jì)了集Web平臺、OJ（Online Judge）平臺[3]、App Cloud平臺為一體的綜合教學(xué)支撐平臺設(shè)計(jì)方案，多角度、全方位支撐以上教學(xué)環(huán)節(jié)。其中OJ平臺支持在線編程的相關(guān)服務(wù)和功能，App Cloud平臺支持移動(dòng)端的相關(guān)功能，其他功能主要由Web平臺提供支持。

2 ITP平臺設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，筆者設(shè)計(jì)的ITP平臺架構(gòu)如圖2所示。該平臺采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，自下而上分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和界面層。此外，各層都設(shè)計(jì)了獨(dú)立的安全管理，保證平臺穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)所有視頻、PPT等資料文件、數(shù)據(jù)庫文件的存儲;服務(wù)層根據(jù)提供的不同功能分為OJ平臺、Web平臺和App Cloud平臺，其中OJ平臺和Web平臺為B/S系統(tǒng)、App Cloud平臺為C/S 系統(tǒng);應(yīng)用層負(fù)責(zé)具體功能模塊的實(shí)現(xiàn);界面層為用戶人機(jī)接口，系統(tǒng)支持Web瀏覽器和手機(jī)App兩種方式訪問ITP平臺提供的功能。

2.1 Web平臺功能設(shè)計(jì)

Web平臺集成了Apache Web服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)和Darwin流媒體服務(wù)，以PHP為開發(fā)語言。Web平臺的設(shè)計(jì)原則是以Web服務(wù)為基礎(chǔ)，提供基本的瀏覽和下載服務(wù);以數(shù)據(jù)庫服務(wù)為核心，提供資源管理、在線試題、在線評論等功能;以流媒體服務(wù)器為基礎(chǔ)，提供視頻相關(guān)功能。

1） 基本功能。

a. 信息瀏覽：課程MAP瀏覽、教師信息瀏覽;

圖2 ITP平臺架構(gòu)圖

b. 資料下載：PPT下載、電子書下載、代碼下載等;

c. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：試題錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)、單元測試成績統(tǒng)計(jì)、在線考試統(tǒng)計(jì)、視頻調(diào)看統(tǒng)計(jì)、OJ平臺編程錯(cuò)誤率統(tǒng)計(jì)、優(yōu)秀學(xué)生統(tǒng)計(jì)等;

d. 系統(tǒng)管理：權(quán)限管理、人員信息管理、密碼修改、系統(tǒng)配置等。

2）在線測試系統(tǒng)。

a. 單元測試：自動(dòng)出題、自動(dòng)打分、自動(dòng)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤率、自動(dòng)計(jì)人學(xué)生平時(shí)成績;

b. 在線考試：根據(jù)題目難度、所屬章節(jié)、類型、分?jǐn)?shù)自動(dòng)出題，自動(dòng)計(jì)時(shí)、打分、提醒;

c. 題庫管理：支持單選題、填空題、綜合題和編程題4種題型的添加、編輯、刪除和導(dǎo)人。

3）在線視頻。

視頻在線瀏覽、視頻簡介、視頻查找、進(jìn)度控制、音量調(diào)節(jié)、每周視頻推薦等。

4）在線評論。

教師預(yù)留問題、評論撰寫、刪除、提交和置頂。

2.2 OJ平臺功能設(shè)計(jì)

OJ平臺專門為程序設(shè)計(jì)類課程提供在線編譯、鏈接、運(yùn)行和判別服務(wù)，支持多種編程語言的在線編譯和信息反饋，其依賴的編譯服務(wù)原理如圖3所示。OJ平臺的核心功能由編譯服務(wù)提供，主要負(fù)責(zé)代碼的編譯運(yùn)行和判別;輔助功能均圍繞核心功能展開，由Web服務(wù)提供，使用與Web平臺相同的開發(fā)運(yùn)行環(huán)境。

1）核心功能。

支持CC++、Python、Java、PHP等多種編程語言的即時(shí)編譯、鏈接、運(yùn)行、正誤判別和判別信息反饋。

2）輔助功能。

a. 人員管理：學(xué)生、助教、教師、班級信息的增、刪、改、查和導(dǎo)人，權(quán)限管理;

b. 題庫管理：編程題目的增、刪、改、查和驗(yàn)證，題目分類;

c. 作業(yè)管理：代碼撰寫和提交、運(yùn)行結(jié)果的人庫和瀏覽，教師布置/刪除作業(yè)，代碼批改和評分，相似度計(jì)算和聚類，查看作業(yè)提交進(jìn)度、查看相似度、查看正確率和分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)等。

圖3 編譯服務(wù)原理圖

2.3 App Cloud平臺功能設(shè)計(jì)

雖然智能手機(jī)屏幕小、計(jì)算功能有限，但豐富的應(yīng)用使智能手機(jī)逐漸成為人類不可或缺的伙伴。利用智能手機(jī)作為學(xué)習(xí)工具不僅便捷而且更容易利用碎片時(shí)間提升學(xué)習(xí)效率。基于此，筆者設(shè)計(jì)了App Cloud平臺模塊，利用Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)推送服務(wù)支撐翻轉(zhuǎn)課堂的移動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和課堂討論環(huán)節(jié)。

App Cloud平臺目前支持Android 4.0及以上版本的手機(jī)，該平臺根據(jù)不同角色，分別提供相應(yīng)的功能，圖4展示了基于App Cloud平臺的課堂討論功能的實(shí)施流程，教師在課堂有限的時(shí)間內(nèi)即能掌握學(xué)生對知識的理解程度，并進(jìn)行有針對性的引導(dǎo)和二次討論。

圖4 課堂討論流程

App Cloud平臺支持手機(jī)前端的主要功能如下：

（1）移動(dòng)學(xué)習(xí)：支持手機(jī)視頻調(diào)看、進(jìn)度控制、音量調(diào)節(jié)、視頻簡介。

（2）學(xué)習(xí)反饋：支持手機(jī)端評論撰寫、刪除、提交和共享。

（3）課堂討論：支持教師思考問題的實(shí)時(shí)推送和實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，支持學(xué)生實(shí)時(shí)獲取問題、答題和提交。

（4）系統(tǒng)功能：權(quán)限控制、視頻播放進(jìn)度保存、密碼修改等。

3 關(guān)鍵算法

程序設(shè)計(jì)類課程對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評估主要從學(xué)生代碼中體現(xiàn)。為了防止學(xué)生之間抄襲，ITP平臺的OJ子平臺專門設(shè)計(jì)了代碼相似度檢測模塊，調(diào)用算法自動(dòng)檢測代碼的抄襲程度、抄襲來源和范圍，該模塊減輕了教師對學(xué)生代碼評估的負(fù)擔(dān)。

3.1 代碼相似度檢測

代碼相似度檢測是抄襲檢測（Plagiarism detection）的重要組成部分，其任務(wù)是盡可能識別常規(guī)的復(fù)制、粘貼、替換、變形等編輯手段，正確獲取代碼源文件之間的相似度值，相似度值越大表示兩份代碼越相似，抄襲的可能性越大。

指紋技術(shù)（Finger print）是一種較實(shí)用的代碼相似度檢測方法，它能夠簡單有效地獲得文檔間的相似度。由Google在2007年提出用來處理海量文本去重的算法——simhash[4]是一種適合快速檢測海量代碼的方法，該算法是局部敏感哈希（locality sensitive hash）的一種，其主要思想是將高維的特征向量映射成低維的特征向量，通過兩個(gè)向量的漢明距離確定文檔是否近似。OJ平臺采用該方法進(jìn)行代碼相似度檢測。代碼相似度檢測的算法流程見圖5。

1）預(yù)處理。

用于去除代碼中的注釋、預(yù)編譯和常見的main()、using namespace std等標(biāo)識符。

2）分詞。

一般通過識別代碼中的空格、Tab鍵、大小括號、運(yùn)算符、標(biāo)點(diǎn)符號來實(shí)現(xiàn)分詞，即區(qū)分出獨(dú)立的標(biāo)識符;計(jì)算標(biāo)識符的權(quán)重，標(biāo)識符可以是變量、常量或關(guān)鍵字;分詞后，每種相同標(biāo)識符出現(xiàn)的次數(shù)即為權(quán)重，比如for出現(xiàn)4次則weight(for)=4，if出現(xiàn)3次則weight(if) = 3。一般來說，權(quán)重越大代表越重要。

3）計(jì)算simhash。

通過hash、加權(quán)、合并、降維4步為每份代碼生成一個(gè)64bit的simhash值。

圖5 代碼相似度檢測流程

hash：通過hash函數(shù)[5]計(jì)算各個(gè)標(biāo)識符的hash值，稱為特征值，比如for的hash值為110101，if的hash值為101001。

加權(quán)：在hash值的基礎(chǔ)上，根據(jù)W = hash * weight公式為每一個(gè)特征值加權(quán)，且遇到1則hash值和權(quán)值正相乘，遇到0則hash值和權(quán)值負(fù)相乘。例如for的hash值110101加權(quán)得到W(for) = 110101*4 = 4 4-4 4-4 4，if的hash值101001加權(quán)得到W(if)=101001*3 = 3-3 3-3-3 3。

合并：將每一個(gè)特征值按位加權(quán)結(jié)果累加，生成一個(gè)序列串，比如W(for) + W(if) =“4 4-4 4-4 4”+“3-3 3-3-3 3”=“7 1-1 1-7 7”。

降維：對于64-bit特征值的每一位累加結(jié)果，如果大于0則置1，否則置0，從而得到整個(gè)代碼的simhash值。例如，上面計(jì)算的“7 1-1 1-7 7”降維得到“1 1 0 1 0 1”，稱為simhash簽名。

4）計(jì)算相似度。

計(jì)算每份代碼的simhash簽名之間的漢明距離。在信息論中，兩個(gè)等長字符串之間的漢明距離是兩個(gè)字符串對應(yīng)位置的不同字符的個(gè)數(shù)。例如1011101 與 1001001 之間的漢明距離是 2。

5）聚類。經(jīng)過上述步驟，可以得到任意兩份代碼之間的相似度。一般來說，若代碼之間simhash簽名的漢明距離小于等于n（n一般取值為3[4]），就可以判斷兩份代碼相似。因此，將所有代碼進(jìn)行編號，若任意兩個(gè)編號相似則賦值為1，否則為0，進(jìn)而可以生成圖的鄰接矩陣A，該矩陣表示無向圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)表示代碼，若結(jié)點(diǎn)相連則表示代碼之間相似。利用該圖，筆者采用圖聚類算法中的快速NEWMAN[6]算法對矩陣A進(jìn)行聚類，通過極大化網(wǎng)絡(luò)模塊度(modularity)評價(jià)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)聚類。若多份代碼屬于同一聚類，則認(rèn)為該聚類的所有代碼均涉嫌抄襲，同時(shí)根據(jù)代碼提交的時(shí)間順序，確認(rèn)最先提交的代碼為抄襲源。

以上算法步驟采用C++語言實(shí)現(xiàn)，OJ平臺通過Web服務(wù)的進(jìn)程調(diào)用方式啟動(dòng)該算法，算法運(yùn)行結(jié)束后，將聚類結(jié)果返回給Web服務(wù)進(jìn)行輸出。

4 結(jié) 語

ITP平臺自2015年9月開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SPOC課程，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課堂中先后經(jīng)過18個(gè)教學(xué)班共約540名學(xué)生和6位教師使用，絕大多數(shù)學(xué)生較為推崇這種全信息化的教學(xué)模式，可自由支配學(xué)習(xí)時(shí)間;教師則能全程監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，自動(dòng)獲取各種統(tǒng)計(jì)成績，極大地減輕了平時(shí)的工作量。因此，ITP平臺不僅構(gòu)筑了學(xué)生和教師溝通的橋梁，還積累了大量的教學(xué)數(shù)據(jù)，為今后的教育大數(shù)據(jù)挖掘研究提供原始的數(shù)據(jù)積累。

[1] 屈微, 姚琳, 汪紅兵. 程序設(shè)計(jì)課程中的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式[J]. 計(jì)算機(jī)教育, 2016(1): 142-145.

[2] 康葉欽. 在線教育的“后MOOC時(shí)代”——SPOC解析[J]. 清華大學(xué)教育研究, 2014(1): 1-9.

[3] 范立新, 黃龍軍. 利用OJ平臺進(jìn)行探究式教學(xué)模式的探索[J]. 教育教學(xué)論壇, 2014(1): 216-217.

[4] Manku G S, Jain A, Das Sarma A. Detecting near-duplicates for web crawling[C]//Proceedings of the 16th international conference on World Wide Web. ACM, 2007: 141-150.

[5] Arash P. General purpose hash function algorithms [EB/OL].[2016-09-05]. http://www.partow.net/programming/hashfunctions/.

[6] Newman M. Fast algorithm for detecting community structure in networks[J]. Physical Review E, 2004, 69(6): 66-133.

（編輯：孫怡銘）

1672-5913(2017)01-0147-05

G642

徐雅靜，女，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)和模式識別，xyj@bupt．edu．cn。