在線評測系統(tǒng)在程序設(shè)計類教學(xué)中的應(yīng)用研究

苗桂君　劉勇　許南山　張靜　韓靜文

摘要：通過分析程序設(shè)計類課程教學(xué)中存在的問題及各高校在線評測系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和教學(xué)模式，提出了基于北京化工大學(xué)在線評測系統(tǒng)的程序設(shè)計類課程教學(xué)模式，并將此模式應(yīng)用于北京化工大學(xué)4屆計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的課程教學(xué)中，積累了大量的實踐活動原始數(shù)據(jù)?？茖W(xué)合理的數(shù)據(jù)分析證明，該教學(xué)模式取得了.良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：在線評測；程序設(shè)計；實踐教學(xué)

0.引言

程序設(shè)計類課程具有入門難、兩極分化嚴(yán)重、實踐性強等特點，多數(shù)高校依賴計算機(jī)實驗和綜合課程設(shè)計，進(jìn)行大量編程鞏固訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和以程序設(shè)計思想解決實際問題的能力。然而，上述實踐教學(xué)方式的教學(xué)效果并不理想，主要問題概括為以下幾個方面：

（1）程序設(shè)計類課程一般為5個班以上的大班教學(xué)，1名教師要同時指導(dǎo)200名左右的學(xué)生進(jìn)行上機(jī)實驗，教師工作壓力大，監(jiān)督能力有限，且無法及時了解每名學(xué)生的實驗完成情況，沒有時間和精力對學(xué)生提交的作業(yè)一一進(jìn)行上機(jī)驗證，只能通過抽檢的方式檢查，導(dǎo)致抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。

（2）上機(jī)實驗教學(xué)通常是根據(jù)課堂講課進(jìn)度安排，實驗課時一般為2學(xué)時或4學(xué)時，上機(jī)時間有限，只能以對課堂理論知識的驗證和鞏固理解為目的，不能進(jìn)行有效的編程設(shè)計能力的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生實際程序設(shè)計和調(diào)試能力差。

（3）進(jìn)行上機(jī)實驗的案例一般通過教材或課件提供，案例陳舊，不方便更新，覆蓋知識點不全，且缺乏實用性和趣味性，因而很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

（4）通過上機(jī)考勤、實驗作業(yè)、課程設(shè)計報告等手段無法全面掌握和客觀評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不利于學(xué)生動手操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

所以，如何滿足新時期教育發(fā)展的需求，如何提高實踐教學(xué)的教學(xué)效果，是高校教師亟待解決的問題。隨著我國教育信息化研究的不斷深入和進(jìn)程的不斷加快，各大高校紛紛將現(xiàn)代教育技術(shù)引入到實踐課教學(xué)的改革中來。為此，筆者將北京化工大學(xué)在線評測系統(tǒng)應(yīng)用到計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的程序設(shè)計類實踐教學(xué)中，提出了符合學(xué)生認(rèn)知和教學(xué)規(guī)律的教學(xué)模式，在對所收集的大量實踐教學(xué)活動原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理統(tǒng)計和分析的基礎(chǔ)上得出，該教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在一定程度上提高教學(xué)質(zhì)量。

1.在線評測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

在線評測（online judge，OJ）系統(tǒng)，起源于ACM國際大學(xué)生程序設(shè)計競賽（ACMInternational Collegiate Programming Contest，ACMICPC），經(jīng)過ACM競賽近30年的發(fā)展，各大高校紛紛開發(fā)了屬于自己的在線評測系統(tǒng)。其中，國外知名高校的在線評測系統(tǒng)有美國弗吉尼亞大學(xué)的UVA OJ系統(tǒng)、俄羅斯薩拉托夫國立大學(xué)的SGU OJ系統(tǒng)、俄羅斯烏拉爾國立大學(xué)的URAL OJ系統(tǒng)，另外還有一些國外公司開發(fā)的知名網(wǎng)站，包括TopCoder公司的TopCoder網(wǎng)站、Directi公司的CodeChef網(wǎng)站、CodeForces公司的CodeForces網(wǎng)站等。國內(nèi)知名的在線評測系統(tǒng)中，最早開發(fā)在線評測系統(tǒng)的高校是浙江大學(xué)，其在線評測系統(tǒng)為ZOJ。提交次數(shù)最高的OJ系統(tǒng)是北京大學(xué)的pojE21，提交次數(shù)僅次于POJ的是杭州電子科技大學(xué)的HDOJ。其中，浙江大學(xué)的ZOJ、北京交通大學(xué)的BOJ、華中科技大學(xué)的HustOJ作為開源在線評測系統(tǒng)，具有很高的實用性。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南開大學(xué)、吉林大學(xué)、福州大學(xué)等高校也先后開發(fā)了在線評測系統(tǒng)。這些評測系統(tǒng)，不僅被廣泛應(yīng)用于競賽的集訓(xùn)和程序設(shè)計類課程的教學(xué)當(dāng)中，還對外開放注冊，為其他高校的程序愛好者們提供服務(wù)。

2.基于在線評測系統(tǒng)的教學(xué)模式

目前，在線評測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在各大高校程序設(shè)計類課程中，其現(xiàn)有教學(xué)模式可以通過以下3個方面進(jìn)行總結(jié)：實驗教學(xué)、課程范圍、教學(xué)效果評價。

在實驗教學(xué)方面，各大高校將該系統(tǒng)直接應(yīng)用于程序設(shè)計類課程的上機(jī)實驗教學(xué)。任課教師根據(jù)程序設(shè)計類課程的實驗內(nèi)容和具體要求，合理設(shè)置實驗任務(wù)，新增題目或者從題庫中選擇合適的題目供學(xué)生上機(jī)練習(xí)。學(xué)生在編寫、調(diào)試完程序后，將程序提交給評測系統(tǒng)進(jìn)行判斷。評測系統(tǒng)會在后臺進(jìn)行編譯，并結(jié)合測試輸入樣例得出運行結(jié)果，與測試輸出樣例進(jìn)行比對，給出評判結(jié)果。任課教師通過系統(tǒng)可以實時了解學(xué)生的做題情況并給予指導(dǎo)。該系統(tǒng)的使用，使得教師一人可以同時指導(dǎo)幾個班級的學(xué)生一起上機(jī)，大大減輕教師的工作壓力，還能避免作業(yè)抄襲現(xiàn)象。學(xué)生課后，可以繼續(xù)登錄系統(tǒng)，完成未完成的實驗，保證了教學(xué)的連續(xù)性，在一定程度上，提高了教學(xué)質(zhì)量。

在課程范圍方面，該系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在C/C++語言的教學(xué)上，對C/C++語言的教學(xué)質(zhì)量有很大提高。而對于其他計算機(jī)專業(yè)相關(guān)的課程，例如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編譯原理、計算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)庫原理等很少涉及。

在教學(xué)效果評價方面，各大高校一般使用課程平均成績的對比數(shù)據(jù)或者調(diào)查報告的形式來評測其教學(xué)效果，沒有進(jìn)行更科學(xué)有力的數(shù)據(jù)分析，不能有效說明對學(xué)生編程能力的提高是否有實質(zhì)性的幫助。

3.本校實例

3.1北京化工大學(xué)在線評測系統(tǒng)

為了收集一手的實踐教學(xué)研究數(shù)據(jù)，我校于201 1年基于改進(jìn)的開源系統(tǒng)HustOJ開發(fā)了北京化工大學(xué)在線評測系統(tǒng)（online judge system ofBUCT），主要用于參加ACM競賽的隊員集訓(xùn)、校內(nèi)周賽、跨校區(qū)組織的月賽以及我校程序設(shè)計類課程的實踐教學(xué)中。

北京化工大學(xué)在線測評系統(tǒng)使用php語言開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫使用MySQL，采用B/S架構(gòu)，主要系統(tǒng)模塊包括系統(tǒng)維護(hù)、題庫管理與訓(xùn)練、實時狀態(tài)與排名、競賽及作業(yè)管理、名校聯(lián)賽、北化程序員論壇、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，評測系統(tǒng)的主界面如圖1所示。該系統(tǒng)支持C/C++、c#、Pascal、Java、Python、VB等常用編程語言。在使用過程中，筆者非常注重題庫的管理，經(jīng)過不斷豐富和完善，系統(tǒng)題庫現(xiàn)有題目1600多道，題目類型涵蓋了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計與分析、C/C++語言程序設(shè)計、Java語言程序設(shè)計、程序設(shè)計實訓(xùn)、ACM/ICPC程序設(shè)計方法與實踐等幾門課程的主要知識點。并為滿足不同水平學(xué)生的練習(xí)需求，將題庫題目按難度系數(shù)劃分為5個等級，在一定程度上激發(fā)了學(xué)生對程序設(shè)計類課程的學(xué)習(xí)興趣。

其中，數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊使用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，從數(shù)據(jù)庫中獲取有意義的數(shù)據(jù)，通過highcharts、thinkphp等技術(shù)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行圖形化展示，從而可以更直觀的了解學(xué)生在線評測系統(tǒng)的使用情況。

3.2OJ系統(tǒng)在我校的應(yīng)用

經(jīng)過近4年的教學(xué)實踐，我校已形成一整套基于在線評測系統(tǒng)的程序設(shè)計類課程的教學(xué)方案，具體包括實踐教學(xué)、教學(xué)效能、考核評價機(jī)制、激勵機(jī)制4個方面。

3.2.1實時評測、反饋調(diào)控的互動實踐教學(xué)模式

系統(tǒng)管理員在開學(xué)初將每屆的學(xué)生信息導(dǎo)人到評測系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)號生成相應(yīng)的用戶賬號。任課教師可以通過評測系統(tǒng)的狀態(tài)顯示功能，查看學(xué)生的做題情況，實時跟蹤學(xué)生的做題進(jìn)度，對學(xué)生做題過程中遇到的共性問題給予針對性的講解和及時指導(dǎo)，還可對排名靠后的學(xué)生進(jìn)行重點輔導(dǎo)。為適應(yīng)不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，教師可以根據(jù)學(xué)生的知識掌握情況，及時調(diào)整實驗任務(wù)的難度和數(shù)量，進(jìn)行題目的分級分類，從而達(dá)到有效反饋、合理調(diào)控、提高課堂教學(xué)效果的目的。

3.2.2簡化作業(yè)批改，提高教學(xué)效能

教師把課后作業(yè)題目掛到在線評測系統(tǒng)上，設(shè)置好起止時間，學(xué)生通過在線評測系統(tǒng)按時間要求進(jìn)行作業(yè)提交，系統(tǒng)會統(tǒng)計出每道題目的提交次數(shù)、提交通過的題目數(shù)量及所使用的編程語言，對本次作業(yè)的完成情況進(jìn)行排名，并可導(dǎo)出到Excel文件進(jìn)行備案。教師可以方便地獲取到所有學(xué)生每道題目的做題情況，記錄總結(jié)學(xué)生遇到的典型問題，在課堂教學(xué)中進(jìn)行針對性講解。在線評測系統(tǒng)的使用，簡化作業(yè)批改，使教師可以注重教育教學(xué)及自身素質(zhì)的提高，從而提高教學(xué)效能。學(xué)生提交作業(yè)后，系統(tǒng)會快速給出評判結(jié)果，及時得知作業(yè)完成情況，即可進(jìn)行后續(xù)修改與再次提交，與傳統(tǒng)收發(fā)作業(yè)的模式相比，這種方式科學(xué)運用了生物心理學(xué)的規(guī)律，既縮短了反饋周期，又能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和學(xué)習(xí)熱隋。

3.2.3公平客觀的考核評價機(jī)制

加大實踐考核力度，使用在線評測系統(tǒng)進(jìn)行實驗課考核，操作實施方便，評判結(jié)果公正客觀。學(xué)生通過使用在線評測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對每次考核內(nèi)容的系統(tǒng)化管理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前課程學(xué)習(xí)的薄弱部分，主動彌補。每次考核都會給出系統(tǒng)排名，可使學(xué)生意識到學(xué)習(xí)差距，從而能對自身提出更高要求，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

3.2.4創(chuàng)建科學(xué)合理的學(xué)習(xí)激勵機(jī)制

評測系統(tǒng)會根據(jù)提交通過題目數(shù)量、提交通過比率給出總排名，從而鞭策落后的學(xué)生努力追趕，激勵名列前茅的學(xué)生努力保持。另外，在每門課的教學(xué)中，設(shè)立“正確題目最多獎”“正確率最高獎”“通過高難度題目最多獎”；以宿舍為單位，統(tǒng)計每個宿舍完成題目數(shù)量進(jìn)行排名；將ACM競賽機(jī)制引入實踐課教學(xué)中，每學(xué)期開展花樣程序設(shè)計類競賽，如課程月賽、周賽、以慶祝某個節(jié)假日為由的節(jié)日賽等。通過以上不同形式的激勵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，形成積極向上的學(xué)習(xí)氛圍，從而促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

4.教學(xué)效果分析

在2011-2014共4屆學(xué)生的程序設(shè)計類實踐教學(xué)中，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“編譯原理”“計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論”“操作系統(tǒng)原理”等課程的實踐課教學(xué)先后被納入在線評測系統(tǒng)中。下面將對2015年5月份之前的實踐教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比分析。

4.1各年級做題提交情況對比

各年級做題提交情況對比如表1所示，其中2013級的提交次數(shù)最多，正確率最高，對評測系統(tǒng)的使用效果最好，2011級和2012級由于教學(xué)模式未完全轉(zhuǎn)變，對評測系統(tǒng)處于初步嘗試階段，2014級由于使用時間較短，故提交次數(shù)偏低。

4.2一年中不同月份做題提交情況分析

圖2列出了2013年和2014年2年中不同月份提交總次數(shù)變化規(guī)律，由圖2可看出，2013年該曲線變化情況為：1-4月、8-12月，隨著課程教學(xué)的不斷深入，提交總次數(shù)呈逐漸上升趨勢，但是5、6月份由于學(xué)生準(zhǔn)備期末考試，提交總次數(shù)下滑，8月份由于是暑假，學(xué)生做題積極性不高。總結(jié)2013年做題提交情況，2014年學(xué)校調(diào)整教學(xué)和考核方案，加大實踐課教學(xué)力度，并將在線評測系統(tǒng)應(yīng)用于小學(xué)期實踐教學(xué)中，所以5、6月和10月的做題提交總次數(shù)達(dá)到峰值。

4.3各班級男女生做題提交情況對比

圖3為計科2013級6個班級男女生的做題情況匯總。其中，每個班的總學(xué)生數(shù)和男女生比例相近，但卻呈現(xiàn)出不同的提交情況分布。據(jù)調(diào)查，2班的班主任曾引導(dǎo)2班學(xué)生利用課余時間在系統(tǒng)上做題，所以2班提交總次數(shù)最多，達(dá)8823次，整體編程水平也較強。由圖3可見，6個班級中，男生提交總次數(shù)為28028次，女生提交總次數(shù)為10782次，由于計科班級中，男女生比例大約為3：1，整體來說，男女生提交次數(shù)之比大約為2.55：1，女生平均提交次數(shù)略高于男生，可見，通過使用在線評測系統(tǒng)，女生的動手實踐能力也得到提高。

4.4各宿舍做題人的提交情況對比

圖4將計科2013級學(xué)生以宿舍為單位，列出了28個宿舍的做題人均提交情況。由圖4可以看出，人的提交次數(shù)超過400次的有5個宿舍，其中人的提交次數(shù)最多的達(dá)720次，經(jīng)過調(diào)查統(tǒng)計得知，這些宿舍有學(xué)生參加ACM/ICPC或者“藍(lán)橋杯”軟件大賽，因為個別學(xué)生對編程的愛好而引發(fā)整個宿舍學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。所以，建議學(xué)校在大一學(xué)年結(jié)束時，可根據(jù)所有學(xué)生做題提交情況，合理調(diào)配宿舍成員，以一帶多、相互促進(jìn)、共同提高，豐富學(xué)生日常學(xué)習(xí)生活，激發(fā)學(xué)生團(tuán)隊意識，從而達(dá)到提高整個寢室學(xué)習(xí)狀況的效果。

4.5課程總成績、績點與提交次數(shù)關(guān)系分析

圖5列出了計科2012級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編譯原理2門課程的期末總成績、績點與提交次數(shù)之間的關(guān)系。由圖5可看出，提交次數(shù)與課程總成績、績點曲線變化基本一致，大致成正比關(guān)系，學(xué)生做題的提交次數(shù)越多，課程成績越高，績點越高，反之亦然。該圖進(jìn)一步驗證了在線評測系統(tǒng)的應(yīng)用能有效提高程序設(shè)計類課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

4.6提交通過的題目數(shù)量與各科成績相關(guān)性對比

公式中：COV為協(xié)方差；σ_x、σ_y為標(biāo)準(zhǔn)差；E為數(shù)學(xué)期望；變量x、y分別為所有學(xué)生提交通過的題目數(shù)量與各科考試成績或平均學(xué)分統(tǒng)點。

由圖6可見，ACM/ICPC程序設(shè)計方法與實踐、編譯原理、Linux/Unix編程基礎(chǔ)、計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等專業(yè)核心課程，期末成績與提交通過的題目數(shù)量的相關(guān)系數(shù)較大，故兩者相關(guān)性較大，而數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)庫原理、計算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)原理等課程的相關(guān)系數(shù)太小，表示兩者相關(guān)性小。數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘課程是大一第二學(xué)期開設(shè)的，學(xué)生在上課的時候普遍沒有編程基礎(chǔ)，該課成績與在線評測系統(tǒng)提交通過的題目數(shù)量相關(guān)性不大。數(shù)據(jù)庫原理、計算機(jī)組成原理等課程由于題庫中的相關(guān)習(xí)題較少，學(xué)生做題量小，故相關(guān)性較小。所以后續(xù)需要繼續(xù)豐富相關(guān)課程在線評測系統(tǒng)的題庫，根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)置相應(yīng)的題目，發(fā)揮在線評測系統(tǒng)在這些課程中的作用，實現(xiàn)評測系統(tǒng)在上述課程中的全面應(yīng)用。

通過此相關(guān)系數(shù)還可看出，學(xué)生提交通過的題目數(shù)量越多，編程能力越強，課程成績越好，故在教學(xué)中需大力引導(dǎo)學(xué)生注重編程基礎(chǔ)，提高動手實踐和編程操作能力。

5.結(jié)論

經(jīng)過4屆學(xué)生的教學(xué)實踐證明，文中提出的基于我校在線評測系統(tǒng)的程序設(shè)計類課程的教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果。但是教師的宏觀把控和引導(dǎo)監(jiān)督作用不可忽視，雖然在線評測系統(tǒng)的應(yīng)用將學(xué)生的學(xué)習(xí)由被動接受轉(zhuǎn)向自主學(xué)習(xí)，但不能過分依賴系統(tǒng)，如果缺乏教師適時地引導(dǎo)監(jiān)督，容易導(dǎo)致學(xué)生缺乏創(chuàng)新、過度自我管理或者學(xué)習(xí)隔靴搔癢、流于形式等問題。在此基礎(chǔ)上，如何充分發(fā)揮在線評測系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用價值還需要進(jìn)一步研究。希望本文的研究成果能為各高校程序設(shè)計類課程的教師提供幫助和參考。