張良

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種針對C語言程序設(shè)計(jì)課程的在線分析與輔導(dǎo)系統(tǒng)。學(xué)生學(xué)習(xí)C語言的過程中，需要通過大量練習(xí)題鞏固所學(xué)知識(shí)。目前，一些教學(xué)平臺(tái)提供了在線判題的功能來檢驗(yàn)程序的對錯(cuò)，但存在一些問題。該系統(tǒng)在在線判題系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過測試用例分析、編譯分析、結(jié)構(gòu)分析等方法，進(jìn)一步細(xì)化檢查和定位學(xué)生程序中的錯(cuò)誤，為學(xué)生提供針對性的輔導(dǎo)，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率有一定幫助。

關(guān)鍵詞：自主學(xué)習(xí)；在線判題智能輔導(dǎo)；C語言

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）07-0086-03

一、引言

C語言程序設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在教學(xué)過程和學(xué)生的自主學(xué)習(xí)過程中，都需要通過大量的練習(xí)題來鞏固所學(xué)知識(shí)、檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。很多C語言課程教學(xué)平臺(tái)和自主學(xué)習(xí)平臺(tái)也提供了大量的題目（主要是編程題）供學(xué)生練習(xí)。由于學(xué)生數(shù)量眾多，學(xué)習(xí)時(shí)間也不一致，教師很難及時(shí)為每位學(xué)生所做的題目進(jìn)行評價(jià)并給出針對性的指導(dǎo)。

目前一些教學(xué)實(shí)踐過程中采用在線判題（Online Judge）系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)評分。[1][2]在線判題系統(tǒng)大多采用測試用例的方法進(jìn)行判斷，即編制若干組測試用例，模擬運(yùn)行程序，將數(shù)據(jù)輸入程序，并將輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行匹配，如果完全匹配成功判對，否則判錯(cuò)。這種方法能夠很直觀地判斷學(xué)生程序的對錯(cuò)，對促進(jìn)學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)水平也有很大幫助，但這種判斷方法并不能完全適用于學(xué)生自主學(xué)習(xí)的場景。

（1）在線判題的前提是必須保證程序能夠運(yùn)行。而學(xué)生（尤其是初學(xué)者）編寫的源程序可能存在個(gè)別語法錯(cuò)誤而不能通過編譯并生成可執(zhí)行文件。這些程序不能得到分析評價(jià)和針對性輔導(dǎo)。

（2）輸出結(jié)果與預(yù)期成果進(jìn)行文本匹配來判斷對錯(cuò)的方式，使一些只在輸出格式上有錯(cuò)誤的程序判斷為錯(cuò)。程序中某些數(shù)據(jù)類型的精度問題也可能導(dǎo)致輸出結(jié)果有誤差，從而導(dǎo)致判斷為錯(cuò)。

（3）目前的在線判題系統(tǒng)只能對題目整體進(jìn)行判斷對錯(cuò)，不能具體定位到程序出問題的部分并針對學(xué)生的錯(cuò)誤進(jìn)行輔導(dǎo)。

自主學(xué)習(xí)過程中，很多初學(xué)者可能找不到以上出錯(cuò)的原因，而浪費(fèi)了很多學(xué)習(xí)時(shí)間，降低了學(xué)習(xí)效率。而在教師現(xiàn)場輔導(dǎo)時(shí)，可以很容易發(fā)現(xiàn)其中的錯(cuò)誤，并可以根據(jù)其程序給出分析評價(jià)并進(jìn)行指導(dǎo)。近年來，許多教改項(xiàng)目對在線判題系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，主要的研究思路有通過優(yōu)化判題流程[3]、語義檢測的穩(wěn)定模型[4]、基于關(guān)鍵字和序列匹配[5]等方法，這些方法在一定程度上解決了以上問題。本文借鑒以上思路，結(jié)合測試用例、編譯系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分析法等設(shè)計(jì)了一種在線分析及輔導(dǎo)系統(tǒng)，可以用于應(yīng)用C語言教學(xué)平臺(tái)及自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，經(jīng)過測試，在線分析和輔導(dǎo)系統(tǒng)可以模擬教師現(xiàn)場指導(dǎo)，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于對在線判題系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析，本系統(tǒng)采用以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：①系統(tǒng)基于成熟的在線判題系統(tǒng)，采用測試用例法對學(xué)生提交的源程序進(jìn)行初步分類。②對于初步分類為錯(cuò)誤的程序再采用編譯分析、結(jié)構(gòu)分析等方法進(jìn)行進(jìn)一步分析。設(shè)系統(tǒng)整體流程如圖1 所示。

整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分——測試分析模塊、編譯分析模塊、結(jié)構(gòu)分析模塊、輔導(dǎo)模塊。

首先對源程序進(jìn)行編譯鏈接，如果編譯成功，可以生成exe文件，調(diào)用測試模塊進(jìn)行測試。如果編譯不成功，則需要對源文件進(jìn)行進(jìn)一步分析。①調(diào)用編譯分析模塊解析程序中出現(xiàn)的語法錯(cuò)誤并進(jìn)行自動(dòng)修正。②調(diào)用結(jié)構(gòu)分析模塊分析程序的結(jié)構(gòu)問題。

在測試模塊中，如果測試用例全部通過測試，程序判對并將此程序加入?yún)⒖即鸢笌熘?；如果部分通過，則進(jìn)行用例分析，并調(diào)用結(jié)構(gòu)分析模塊分析程序，如果全部未通過，直接調(diào)用結(jié)構(gòu)分析模塊進(jìn)行分析。針對各個(gè)模塊分析、對比得到的程序問題，分類別（語法錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤等）對學(xué)生進(jìn)行針對性輔導(dǎo)。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.測試分析模塊

測試模塊首先要設(shè)置若干組合理的測試用例。測試用例需要覆蓋到程序的所有結(jié)構(gòu)路徑。如分支結(jié)構(gòu)中，每個(gè)分支至少要有1組測試用例。測試用例除了設(shè)置輸入輸出外，還需要設(shè)置測試用例說明，如分支結(jié)構(gòu)中，每組測試用例必須設(shè)置該分支測試用例說明。

通過測試用例對程序進(jìn)行模擬運(yùn)行，如果測試用例全部通過，程序得滿分，如果該程序的結(jié)構(gòu)模塊與參考答案庫所有答案均不同，將該程序加入到參考答案庫。如果部分通過，對未通過測試的用例進(jìn)行分析，得到程序出現(xiàn)錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)路徑。針對部分同學(xué)的格式、數(shù)據(jù)類型精度等情況可能造成判錯(cuò)的問題，需要在現(xiàn)有的測試用例方法基礎(chǔ)上增加容錯(cuò)的機(jī)制。常見的格式錯(cuò)誤有：

多寫或少寫空格、制表符、回車符等符號(hào)造成的錯(cuò)誤。格式控制串“%m.nf”“%md”未按要求書寫造成的輸出格式錯(cuò)誤。

將間隔符號(hào)如“，”“；”等寫錯(cuò)引起的錯(cuò)誤。

在輸出時(shí)多寫或漏寫了其他說明性文字引起的錯(cuò)誤，比如輸出變量a的值。格式輸出要求“a=5”，而學(xué)生程序只輸出了 5，漏寫“a=”，或者要求輸出5，而程序輸出“a=5”。

為解決以上由于格式問題導(dǎo)致系統(tǒng)判錯(cuò)，需要對測試用例的參考輸出結(jié)果和用戶程序的實(shí)際輸出結(jié)果進(jìn)行歸一化操作后再次進(jìn)行比對，并對測試用例中的輸出結(jié)果進(jìn)行細(xì)化設(shè)置。

（1）格式歸一化操作。對測試用例的參考輸出結(jié)果或程序的實(shí)際輸出中常用的控制字符如空格、制表符、換行符等為統(tǒng)一的間隔標(biāo)記。歸一化后再次進(jìn)行比對。

（2）精度歸一化。在編寫程序過程中，由于學(xué)生用的數(shù)據(jù)類型不合適可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果存在誤差，如float類型數(shù)據(jù)在6位數(shù)之后出現(xiàn)的精度誤差，需要對學(xué)生提供的源程序數(shù)據(jù)精度進(jìn)行歸一化，統(tǒng)一為精度較高的數(shù)據(jù)類型。

（3）輸出結(jié)果的細(xì)化設(shè)置。在《C語言程序設(shè)計(jì)》課程中，編程題輸出結(jié)果一般可分為“說明性字符串”、“計(jì)算型數(shù)值”、“間隔符號(hào)”等三大類，其中核心為“計(jì)算型數(shù)值”。在設(shè)置測試用例參考答案時(shí)分別細(xì)化標(biāo)記三類輸出，在進(jìn)行結(jié)果比對時(shí)按照“完全匹配—>計(jì)算性數(shù)值匹配—>間隔符號(hào)匹配—>說明性字符串匹配”的順序進(jìn)行比對結(jié)果。

2.編譯分析模塊

目前的在線判題系統(tǒng)，一般是在服務(wù)端使用編譯工具對用戶提交的源程序進(jìn)行編譯鏈接，如果能夠編譯通過，進(jìn)入測試用例模塊進(jìn)行測試。如果不能通過，則進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。編譯系統(tǒng)所報(bào)的錯(cuò)誤基本都是針對源程序中存在的語法錯(cuò)誤，有的指示位置有偏差，有的錯(cuò)誤是由前面的錯(cuò)誤引起的，有的描述不直觀，對初學(xué)者查找錯(cuò)誤造成很大的誤解，不能直接對學(xué)生修改程序起到指導(dǎo)作用。本系統(tǒng)根據(jù)教師在教學(xué)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，將編譯系統(tǒng)的報(bào)錯(cuò)進(jìn)行分析，反推出源程序中的書寫錯(cuò)誤，并進(jìn)行直觀提示。由于每一種編譯器的報(bào)錯(cuò)提示有差異，本文以VC6.0 編譯器為例，如表1所示。

根據(jù)編譯器的提示錯(cuò)誤的順序依次自動(dòng)修正源程序中的錯(cuò)誤后重新進(jìn)行編譯，如果編譯成功，則重新進(jìn)入測試用例模塊進(jìn)行測試，如果編譯不成功，再次修正錯(cuò)誤，進(jìn)行編譯，直至可以編譯或者修正次數(shù)大于設(shè)定的閾值。

3.結(jié)構(gòu)分析模塊

為了分析源程序的結(jié)構(gòu)，需要為每道題目設(shè)置參考答案。參考答案的要求一是要標(biāo)準(zhǔn)化，采用標(biāo)準(zhǔn)流程和通用方法解決問題，參考答案書寫要求規(guī)范，并詳細(xì)注釋。二是要鼓勵(lì)多樣化思維，答案不一定唯一，應(yīng)給出一種或幾種參考答案，形成答案庫。在判題的過程中，對全部通過測試的新答案，也要加入到參考答案庫中。

C語言程序的結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

絕大多數(shù)C語言中源程序都可以轉(zhuǎn)化為“預(yù)處理命令+若干個(gè)函數(shù)”的結(jié)構(gòu)，細(xì)分到每個(gè)函數(shù)，又可以分為順序、選擇和循環(huán)3 種控制結(jié)構(gòu)及其嵌套結(jié)構(gòu)。[5]

關(guān)鍵語句。C語言有32個(gè)關(guān)鍵詞，每個(gè)關(guān)鍵詞往往代表一種語法結(jié)構(gòu)。根據(jù)關(guān)鍵詞，可得到關(guān)鍵語句序列。

即使算法相同，不同人編寫的程序也可能完全不同，可能變量名不同、變量定義的順序不同、控制結(jié)構(gòu)不同（比如循環(huán)語句，有人習(xí)慣用for語句，有人習(xí)慣用while語句）等。

根據(jù)C語言程序的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將整個(gè)程序解析為若干個(gè)模塊，解析順序：①預(yù)處理命令部分。②全局定義部分。定義全局變量、全局函數(shù)聲明等信息。③函數(shù)模塊：根據(jù)函數(shù)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)過文本分析，可以獲得函數(shù)的結(jié)構(gòu)，并獲取函數(shù)名、返回值類型、參數(shù)列表等信息。④關(guān)鍵語句序列，根據(jù)C 語言中的關(guān)鍵字，獲取函數(shù)中控制結(jié)構(gòu)語句。形成關(guān)鍵語句序列。

通過解析程序可以得到程序結(jié)構(gòu)分析結(jié)果及層次結(jié)構(gòu)。如：

函數(shù)結(jié)構(gòu)（參數(shù)列表）

輸入語句

循環(huán)結(jié)構(gòu)

分支結(jié)構(gòu)

循環(huán)結(jié)構(gòu)

輸出語句

系統(tǒng)采用XML格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行比對。

4.輔導(dǎo)模塊

在自主學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生進(jìn)行測試的目的主要是發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，并得到針對性的指導(dǎo)。根據(jù)測試分析模塊、編譯分析模塊、結(jié)構(gòu)分析模塊得到的分析結(jié)果，針對學(xué)生程序中出現(xiàn)的主要問題，對學(xué)生進(jìn)行針對性指導(dǎo)。

如果程序判定為正確，將成績記錄為滿分，系統(tǒng)推薦下一個(gè)難度的學(xué)習(xí)資料和題目進(jìn)行練習(xí)。如果未得滿分，依次根據(jù)以上三個(gè)模塊得到的分析結(jié)果進(jìn)行針對性指導(dǎo)。如果為格式問題，給學(xué)生展示正確的書寫格式，并為學(xué)生提供格式方面的強(qiáng)化指導(dǎo)，為其推薦格式方面的訓(xùn)練題目，加強(qiáng)訓(xùn)練。如果是語法錯(cuò)誤，根據(jù)編譯分析系統(tǒng)分析結(jié)果，給出錯(cuò)誤提示，指出修正方法。未按題目要求編寫函數(shù)，或者函數(shù)的格式不正確，強(qiáng)化其函數(shù)定義方法及書寫格式、函數(shù)參數(shù)設(shè)置等，并提供參考范例供學(xué)生學(xué)習(xí)。結(jié)構(gòu)型錯(cuò)誤，為學(xué)生提示標(biāo)準(zhǔn)答案的結(jié)構(gòu)框架及參考范例。

四、總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種C語言程序智能評價(jià)及輔導(dǎo)系統(tǒng)，目前在《C語言程序設(shè)計(jì)》課程的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)中進(jìn)行了應(yīng)用測試，作為課程的輔助教學(xué)平臺(tái)。經(jīng)測試與綜合分析，取得了較好的效果。

（1）本系統(tǒng)細(xì)化了在線判題系統(tǒng)判題規(guī)則，改變以往的練習(xí)系統(tǒng)只判斷對錯(cuò)的模式，通過編譯分析模塊和結(jié)構(gòu)分析模塊，能更細(xì)致找出學(xué)生的錯(cuò)誤和給出細(xì)化的建議，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

（2）在判題系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了針對性輔導(dǎo)的功能，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)，不僅可以檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)水平，還可以得到針對性的輔導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平。

（3）在實(shí)際運(yùn)行中，也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，比如對個(gè)別解題思路比較特別的程序不能給出準(zhǔn)確的解讀，智能化還有待提高，在下一步工作中還要繼續(xù)進(jìn)行研究。

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（編輯：王天鵬）