基于代碼倉(cāng)庫(kù)的語(yǔ)言類計(jì)算機(jī)課程教學(xué)輔助平臺(tái)

陸柳敏，王 庭，楊李婷，張衛(wèi)豐，4

（1.南京市供電公司，江蘇南京 210008；2.南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院；3.南京郵電大學(xué)工程實(shí)踐中心，江蘇南京 210003；4.廣西可信軟件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004）

0 引言

目前，版本管理已經(jīng)成功應(yīng)用于大多數(shù)企業(yè)項(xiàng)目代碼管理中，版本管理所帶來(lái)的歷史回溯、分支保護(hù)、持續(xù)集成等功能逐漸成為項(xiàng)目生產(chǎn)必備要素。高校計(jì)算機(jī)課程強(qiáng)調(diào)使用項(xiàng)目代碼完成實(shí)踐課程，但是項(xiàng)目化代碼作業(yè)導(dǎo)致學(xué)生作業(yè)管理難、無(wú)法追蹤進(jìn)度、代碼評(píng)定困難等問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于版本管理的教學(xué)平臺(tái)系統(tǒng)，在課程作業(yè)管理中引入版本管理的優(yōu)秀特性與功能。系統(tǒng)使用分布式版本管理工具Git，與課程作業(yè)管理邏輯相結(jié)合，使用Git 操作代替學(xué)生提交作業(yè)、教師創(chuàng)建作業(yè)、教師同步作業(yè)等行為。

筆者根據(jù)使用代碼倉(cāng)庫(kù)管理課程作業(yè)遇到的問(wèn)題，提出“作業(yè)批量分發(fā)”“作業(yè)自動(dòng)批改”“作業(yè)在線批注”“作業(yè)相似性檢測(cè)”4 點(diǎn)需求，據(jù)此4 點(diǎn)需求使用代碼倉(cāng)庫(kù)、持續(xù)集成等技術(shù)進(jìn)行縝密設(shè)計(jì)，在南京郵電大學(xué)的計(jì)算機(jī)課程中進(jìn)行試用，反饋良好。

1 相關(guān)工作

版本控制軟件提供完備的版本管理功能，用于存儲(chǔ)、追蹤目錄（文件夾）和文件的修改歷史，是軟件開(kāi)發(fā)者必備工具，Git 已經(jīng)成為軟件行業(yè)開(kāi)發(fā)人員的首選。

代碼克隆表示在文本、詞匯、結(jié)構(gòu)或含義方面類似或等同的源代碼片段。Kamiya 等［1］將代碼克隆定義為程序干擾和較差的軟件可維護(hù)性。代碼克隆具有兩面性：一方面代碼克隆可以提高軟件開(kāi)發(fā)效率［2-3］；另外一方面，軟件克隆可能導(dǎo)致長(zhǎng)期的軟件維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，例如代碼中可能存在重復(fù)缺陷以及克隆代碼片段之間的可行性缺失現(xiàn)象［4］；Chatterji 等［5］給出了克隆代碼的開(kāi)放式查詢，而Stephan等［7］回顧了該領(lǐng)域相關(guān)成果。Mondal 等［6］研究表明，盡管代碼克隆對(duì)軟件可維護(hù)性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，但克隆代碼可能比非克隆代碼擁有更高的準(zhǔn)確性；但是在學(xué)生作業(yè)中直接克隆其它人的作業(yè)或代碼并不是一種好行為，學(xué)生缺失了鍛煉的機(jī)會(huì)，教師無(wú)法正確評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)的掌握情況。

此外，文獻(xiàn)［8］主要利用微信進(jìn)行編程教育，增強(qiáng)互動(dòng)性；文獻(xiàn)［9］利用黑盒測(cè)試技術(shù)對(duì)學(xué)生作業(yè)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，解決教師批改作業(yè)工作量大、學(xué)生實(shí)踐能力差等問(wèn)題，通過(guò)程序設(shè)計(jì)輔助教學(xué)平臺(tái)可以提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率；雷大正等［10］提出以能力為本位，以編程實(shí)踐為主線的思想，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際開(kāi)發(fā)能力。

這些工作在一定程度上解決了編程教育信息化問(wèn)題，但是沒(méi)有解決學(xué)生編程過(guò)程的管理和作弊問(wèn)題。本文提出利用Git 代碼倉(cāng)庫(kù)的版本管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)學(xué)生作業(yè)過(guò)程管理和防作弊，有效提高了編程實(shí)訓(xùn)效果。

2 教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需求有3 個(gè)方面：①在代碼管理方面，提供類似于GitHub 的代碼管理功能，管理員可以管理教師及學(xué)生賬號(hào)；②教師可以創(chuàng)建學(xué)生賬號(hào)并分組，創(chuàng)建代碼倉(cāng)庫(kù)，并且可以把代碼倉(cāng)庫(kù)分發(fā)給某個(gè)小組。此外，教師可對(duì)學(xué)生提交的代碼進(jìn)行批改注解，對(duì)學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行相似性檢測(cè)；在作業(yè)批改與自動(dòng)檢測(cè)方面，需要為教師提供課程項(xiàng)目代碼評(píng)判結(jié)果展示界面，以便管理者審查學(xué)生未合格的代碼；③教師在批改代碼文件時(shí)，系統(tǒng)需要為其提供非侵入式批注功能，并通過(guò)郵件等方式將批注消息與內(nèi)容發(fā)送給相應(yīng)的代碼倉(cāng)庫(kù)作者。

系統(tǒng)根據(jù)需求分為管理員、教師與學(xué)生3 種角色：①管理員負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的管理，負(fù)責(zé)教師與學(xué)生賬號(hào)的管理；②教師主要職責(zé)有：管理學(xué)生賬戶，包括導(dǎo)入導(dǎo)出與分組功能；創(chuàng)建模板倉(cāng)庫(kù)；創(chuàng)建學(xué)生倉(cāng)庫(kù)；批改學(xué)生倉(cāng)庫(kù)；相似性檢測(cè)等；③學(xué)生權(quán)限包括登錄系統(tǒng)，下載及同步代碼倉(cāng)庫(kù)。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)服務(wù)組件包含Git 服務(wù)組件與數(shù)據(jù)服務(wù)組件。Git 組件主要負(fù)責(zé)Git的相關(guān)數(shù)據(jù)查詢與操作自動(dòng)化，數(shù)據(jù)服務(wù)組件提供數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的操作接口。核心功能組件包括注解機(jī)制服務(wù)組件、持續(xù)集成服務(wù)組件、對(duì)比算法組件以及權(quán)限配置組件。這4 種組件與基礎(chǔ)服務(wù)組件相結(jié)合使用，組成系統(tǒng)各部分主要功能模塊。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）注解機(jī)制服務(wù)組件。該部分主要關(guān)注教師與學(xué)生的非侵入式批注功能與郵件通知服務(wù)，該組件與基礎(chǔ)服務(wù)組件結(jié)合使用作為作業(yè)在線批注模塊的核心功能。

（2）持續(xù)集成服務(wù)組件。此組件負(fù)責(zé)系統(tǒng)與持續(xù)集成工具進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能，它是作業(yè)自動(dòng)批改功能模塊的核心部件，可與數(shù)據(jù)服務(wù)組件結(jié)合使用將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）對(duì)比算法組件。這是一個(gè)包含代碼相似度核心對(duì)比算法的組件，主要功能是對(duì)比出兩個(gè)代碼倉(cāng)庫(kù)的相似度。

（4）權(quán)限配置組件。這一部分體現(xiàn)系統(tǒng)中各賬戶的權(quán)限控制與權(quán)限分配規(guī)則功能，它與基礎(chǔ)組件中的數(shù)據(jù)服務(wù)、Git 服務(wù)相結(jié)合作為賬戶管理、作業(yè)項(xiàng)目存儲(chǔ)管理兩個(gè)模塊的核心功能。

綜上所述，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，主要體現(xiàn)在以下3 點(diǎn)：①各功能模塊之間相互隔離，僅通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各模塊之間耦合性低；②基礎(chǔ)服務(wù)組件提供數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、Git 代碼倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)的管理接口，新加入模塊可直接使用標(biāo)準(zhǔn)接口開(kāi)發(fā)，省去了大量重復(fù)代碼；③系統(tǒng)頁(yè)面的控制層均由Wicket 實(shí)現(xiàn)，易于插入新功能頁(yè)面。

3 作業(yè)相似度檢測(cè)

代碼相似度檢測(cè)功能是項(xiàng)目的核心功能。在計(jì)算機(jī)課程管理中，為降低作業(yè)評(píng)判工作量，大多數(shù)課程會(huì)使用統(tǒng)一題目發(fā)給學(xué)生，造成學(xué)生大量抄襲作業(yè)現(xiàn)象。一些課程開(kāi)始使用線上編程系統(tǒng)，但依舊無(wú)法解決抄襲問(wèn)題，并且這種在線編程系統(tǒng)無(wú)法支持工程化作業(yè)。

鑒于此，本文提出在代碼倉(cāng)庫(kù)模式下的代碼管理中進(jìn)行代碼相似性檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種新型的代碼相似度檢測(cè)算法，其主要實(shí)現(xiàn)原理是：利用獲取Git 代碼倉(cāng)庫(kù)中的代碼版本歷史提交信息之間的差異，判斷兩份代碼的更迭軌跡是否相似，從而獲得學(xué)生作業(yè)的相似性結(jié)果。該方法與傳統(tǒng)代碼相似性判斷方法不同，其將判斷目標(biāo)由代碼主體轉(zhuǎn)移到代碼的更迭記錄，這種轉(zhuǎn)變使其更適合采用工程項(xiàng)目中代碼的相似性檢測(cè)方法，但需要基于Git 代碼倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。

項(xiàng)目對(duì)比算法有兩個(gè)核心思想：①需要根據(jù)倉(cāng)庫(kù)兩兩版本之間的相似度確定最終的相似度；②對(duì)于兩個(gè)版本之間的相似性需要考慮文本內(nèi)容的相似性以及每個(gè)版本與之前版本差異的相似性。

設(shè)倉(cāng)庫(kù)R1與倉(cāng)庫(kù)R2是兩個(gè)代碼倉(cāng)庫(kù)，則倉(cāng)庫(kù)間的相似性可通過(guò)公式（1）計(jì)算。

其中，m和n分別為倉(cāng)庫(kù)R1和R2的提交次數(shù)，Max(m,n)表示取m和n的最大值，C(R1,R2)表示R1和R2中檢測(cè)出的相似版本個(gè)數(shù)。

4 教學(xué)平臺(tái)反饋

基于代碼倉(cāng)庫(kù)的教學(xué)平臺(tái)目前已經(jīng)成功應(yīng)用到南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院兩門課程中，項(xiàng)目申請(qǐng)者是編程教育一線教師，對(duì)編程教育中的痛點(diǎn)認(rèn)識(shí)深刻。在2018 年的實(shí)踐中，利用該平臺(tái)的過(guò)程管理功能判定13 位學(xué)生不及格（在以前沒(méi)法判定不及格），在2019 年4 月份的“軟件設(shè)計(jì)實(shí)踐”中，成功實(shí)現(xiàn)多人協(xié)作模式下的軟件開(kāi)發(fā)，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查取得較好的應(yīng)用效果。學(xué)生反饋情況如圖2 所示。

圖2 學(xué)生學(xué)習(xí)收獲反饋

5 結(jié)語(yǔ)

本平臺(tái)在編程語(yǔ)言類教學(xué)課程中可作為學(xué)生的統(tǒng)一作業(yè)提交平臺(tái)，教師可方便查看學(xué)生作業(yè)進(jìn)度并進(jìn)行批改、相似度檢測(cè)等操作，學(xué)生在這種強(qiáng)有力的監(jiān)管之下會(huì)積極進(jìn)行編程作業(yè)的原創(chuàng)工作。本平臺(tái)在南京郵電大學(xué)C語(yǔ)言教學(xué)課程中試用，評(píng)價(jià)良好。

后續(xù)工作是基于此平臺(tái)對(duì)學(xué)生的單人或協(xié)作作業(yè)進(jìn)行分類規(guī)劃，對(duì)于協(xié)作的作業(yè)進(jìn)行個(gè)人作業(yè)量統(tǒng)計(jì)與相似度檢測(cè)，逐步杜絕抄襲，為學(xué)生創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍。