在線評測在C程序設(shè)計實驗教學(xué)中探究和評價

1、在線評測在c程序設(shè)計實驗教學(xué)中探究和評價本文針對c程序設(shè)計課程實驗教學(xué)的特點，利用在線評 測系統(tǒng)對選課的目標(biāo)群體開展實驗教學(xué)研究。探索在實驗教 學(xué)中應(yīng)用在線評測的教學(xué)方法和手段，同時對傳統(tǒng)的紙質(zhì)考 試方式進行變革，在課程考試中引入在線評測，并對實施的 結(jié)果做詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析和評價。在線評測程序設(shè)計實踐教學(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)計課程作為 理工類本科生的必修課程，都有一個共同的特點：即“上機 第一、實踐第一”。僅通過課堂的理論教學(xué)是無法理解程序 設(shè)計的精髓的

2、，也無法培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能 力。因此，課程的實踐教學(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)計課程在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)大多仍停留 在學(xué)生撰寫紙質(zhì)實驗報告，編寫程序代碼，課后由教師進行 批改這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式上。這種傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式不僅 存在浪費資源，耗時耗力的問題，而且加重了教師和學(xué)生的 負(fù)擔(dān)。根據(jù)一項生物心理學(xué)研究顯示，人腦類似一個反饋激 勵系統(tǒng)，在有效的信號刺激下，刺激的頻率越快，信息駐留 在大腦中的時間就越長，有效及時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)模式由于反饋時間周期長，恰恰 缺乏了及時的特點，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

3、。因此傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式不利于學(xué) 生的進一步學(xué)習(xí)。在線評測的英文名為online judge,簡稱 0j,是一個基于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)對源代碼進行編譯和執(zhí)行，并通過預(yù)先 設(shè)計的測試數(shù)據(jù)來檢驗程序源代碼的正確性。0j系統(tǒng)最初使用于 acm-icpc國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽和信息學(xué)奧林匹克競賽中的自動判題和排名，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于世界各地高校學(xué)生 程序設(shè)計的訓(xùn)練、參賽隊員的訓(xùn)練和選拔、各種程序設(shè)計競 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

4、正 在被越來越多的程序設(shè)計學(xué)習(xí)和愛好者所接受。2實驗教學(xué) 的實施利用oj實施教學(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)計競賽試題及與c程序設(shè)計課程實驗教 學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合的實際問題。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)文件進行對比，最后系統(tǒng)返 回給用戶一個狀態(tài)：完全一致則判為accept （接受），否則 判為 w

5、rong answer （錯誤），超時（time limit exceed）, 超內(nèi)存（memory limit exceed）,運行時錯誤（runtime error） 或是無法編譯（comp訂e error）,并返回程序使用的內(nèi)存、 運行時間等信息。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0j上開展實驗教學(xué)十分 方便，除預(yù)先部署題庫外，利用0j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)）的比例對用戶進行排序，如圖1所示。authors ranklist在一定程序上能較準(zhǔn)

6、確地反映學(xué)生的實際水平，便于教師掌握學(xué)生的實驗進度，并有針對性的對 個別排名靠后的學(xué)生進行實驗輔導(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，進一步刺激他們主動去做更多的題，爭取更髙 的排名，形成了正反饋激勵效應(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 0j系統(tǒng)對學(xué)生提交的作業(yè)進行評判，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擴充平 臺的功能3. 1增加相關(guān)考試功能在現(xiàn)有0j功能的基礎(chǔ)上，進一步豐富了平臺的功能，改進后的0j支持多種

7、語言的判 定，有c、c+、pascal和java。擴充了考試模塊，包括多 種題型的設(shè)定，有選擇、判斷、填空和程序設(shè)計。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?？荚嚂r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的編程練習(xí)或考試過程 中，兩個人可能提交相似的源程序以欺騙系統(tǒng)進行判斷。人 工批閱過程中，類似的欺騙很容易被發(fā)現(xiàn)，但對于機器評測 這是一個盲區(qū)，0j系統(tǒng)對于代碼防抄襲(cheat checker) 方面沒有做預(yù)防措施。為了解決這個問題，可利用基于最長公共子序列l(wèi)cs(longest common s

8、ubstring)的方法進行檢測。將兩次提 交代碼取出回車，空格與制表符，得到兩個長字符串，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閾值，計算被刪除的字 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0 (n*m), n和m是要兩個被檢驗程序的 字節(jié)長度。不足之處是當(dāng)用戶提交的程序較長時，效率會變 低，耗時增加，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”課程的部

9、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小時內(nèi)完成選擇，判斷，填空共30題和程序設(shè)計題5 題。從考試結(jié)果看，由于成績在50分以下的屬于極個別， 因此我們重點考查成績在50分至100分之間的情況，將成 績區(qū)間劃分為10個區(qū)間，統(tǒng)計每個區(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)計規(guī)律，大多數(shù)隨機變量均服從或近 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)分布的隨機變量應(yīng)用范圍之廣，使其在數(shù) 理統(tǒng)計學(xué)中占有極其重要的地位。考查考生成績分布情況的直方圖，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)

10、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作為隨機變量，其中(50wxiw100, lwiwn)。設(shè)定 o =9. 72o在excel中對樣本空間構(gòu)建正態(tài)分布函數(shù)f (x)數(shù)學(xué)期望值p=75,計算均方差為=94. 48,標(biāo)準(zhǔn)差為二normdist (si, n , o , 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評價及結(jié)論收集0j模式下的實踐教學(xué)活動中的數(shù)據(jù)，由參與者對教學(xué)活動的內(nèi)容、組織等進行評價。包括做題數(shù)量，興趣度，使用習(xí)慣等。本次調(diào)查對

11、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)為非計算機的理工類專業(yè)，主要集中在機械、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0j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。(2)認(rèn)為0j 進行實驗比傳統(tǒng)撰寫實驗報告方式更具有優(yōu)勢的占總?cè)藬?shù) 的70%,其中女比男高出10%,這意味著0j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0j 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

12、認(rèn)為題目難度適中但不習(xí)慣使用0j。因此，我們得出 結(jié)論：造成這些學(xué)生對0j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間內(nèi)提交 正確，從而打擊了繼續(xù)使用0j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0j。(4)在60分鐘的課時內(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)計題量和所需時間的關(guān)系o(5)34. 5% 的人在使用0j時遇到問題傾向于獨立思考，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%,女生髙于男生11%。這意味著雖然

13、0j可以自動 判題并給出學(xué)生反饋，有利于學(xué)生在編程時獨立思考解決問 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0j的訓(xùn)練，對程序設(shè)計課程產(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0j的原因主要有：簡單 易行、反饋及時、有利于主動學(xué)習(xí)。但即使0j被廣泛認(rèn)可, 教師仍不能過度依賴于機器判題的自動化，尤其對程序設(shè)計 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0j所能達(dá)到。6結(jié)語隨著計算機人工智能的發(fā)展，程 序代碼自動評測系統(tǒng)已成為程

14、序設(shè)計課程實驗教學(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 樣做既能促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)，又能考查出學(xué)生真實的編程水 平，同時極大減輕了教師的工作量，讓他們有更多的時間和 精力投入到教學(xué)活動中去。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，目前已形 成包括實驗教學(xué)體系，教學(xué)方法，考核評價，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)計課程的實驗教學(xué)起到一定的借簽和指 導(dǎo)作用。參考文獻:1 t邦旭，鐘志水基于acm的計算機程序設(shè)計類課程 實驗教學(xué)體系設(shè)計j安慶師范學(xué)院學(xué)報(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)計基礎(chǔ)"精品課 程建設(shè)j計算機教育,2010 (20): 115-117.3 韓君澤，鐘美，劉東升.程序設(shè)計在線評測輔助教 學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)j.內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報，2010, 39