基于Moodle平台数据驱动的机试系统研发

唐宇鹏，唐亚哲，朱海萍，吴茜媛

（西安交通大学 电子与信息工程学院， 陕西 西安710049）

1 研究背景

计算机编程目前已经成为高校理工科专业的必修课，而许多高校编程课程的考核还停留在传统的笔试方式。编程类课程的教学目的是让学生具备程序设计、编码和调试的全流程能力。在纸上书写编程题不但与编程学习的初衷相悖，也给考生和阅卷教师带来了很多不便[1]。因此，只有进行机试，才能科学衡量一个学生的编程水平，引导学生提升自己的编程能力[2-3]。

目前机试在高校中并不普遍，主要原因如下。

（1）现有的机试系统，要么仅采用了机试形式，学生提交源代码，但要教师手工评测；要么采用比较先进的程序源代码结构分析、相似性分析等技术，在源代码层面上评估学生的编程水平。这种方式的问题在于：技术不够成熟，评估的客观性和正确性存在争议。总之，没有简单好用的机试系统是机试没有被普遍应用的重要原因。

（2）虽然很多学校有针对编程竞赛的在线评测（Online Judge，OJ） 和题库，但这类OJ都是对外开放的，其封闭性无法满足考试要求，也无法导入考生信息。更重要的，OJ的评测方式是竞赛的评测机制，通过就是满分，未通过就是0分。这样的评测方式有些极端，不适合计算机编程课程的考核。

（3）现有的机试系统题目和顺序都是固定的，没有给予学生自主选择题目的权限，考核方式缺乏科学性。

基于上述分析，笔者提出了机试系统的基本要求：机试系统必须能够自动评分、简单可靠，又能正确客观地评估学生的水平，还能提供各种辅助功能协助教师组织和实施机试。

目前Moodle在高校计算机教学工作中得到了较好的普及[4]，学生和教师已熟悉了Moodle的基本使用方法。Moodle中可以安装OJ（Online Judge）插件[5]，可以完成在线评测和自动评分[6]，为基于Moodle开发机试系统提供了可行性。本文提出的基于Moodle的机试系统原则是尽量使用Moodle本身提供的各种功能特性，减少对Moodle系统源代码的修改，使机试系统像Moodle一样简单可靠[7-8]。具体来说，机试系统使用Moodle提供的OJ插件完成学生提交程序的自动在线评分[9]，通过建立大容量分难度的题库，给学生在同一难度上提供多个题目选择，减少偶然性带来的评估误差。

2 Moodle系统分析及机试方案的提出

Moodle（Modular Object- Oriented Dynamic Learning Environment）是一个开源的课程管理系统（CMS）[7]，优点是开源、免费，平台界面简洁、美观、实用。由于其强大的功能和先进的教育理念，Moodle得到了国际广泛认可和使用[8]。我国各大高校也在教学工作中广泛使用Moodle。通过引入OJ功能，Moodle系统为程序设计类课程提供了非常方便的作业在线评测。

本文机试系统的研发来自学校的教学改革项目，根据计算机系机试需求，机试系统需要支持用户上载源程序、自动在线评测、分数统计等功能，能支持200人同时机试，机试系统的生成时间不大于60秒，系统响应时间小于2秒。基于Moodle系统开发时，应尽量减少对原Moodle系统的修改，以保持系统的可靠性和简单性。换句话说，应尽量以增量的方式而不是以修改的方式研发机试系统。

分析Moodle的源代码可以发现，Moodle系统中在线评测部分的主要流程见图1[9]。通过跟踪发现，该流程的运行过程其实就是对课程分类（course category）、课程（course）、节（section）、模 块（modules）、 题 目（assignment）和 用 户（user）等多个数据库表单进行操作的过程[10]。具体来说，每一个课程分类中含有若干课程，每个课程的题目分为若干的节，每个节中有若干模块，而模块和题目一一对应。上述所有数据，最终通过上下文（mdl_context）表单中的路径联系在一起，Moodle课程核心部分E-R图见图1。

图1 Moodle系统OJ部分数据库E-R图

基于Moodle开发机试系统的原则，本着尽量少修改源代码以保持可靠性的目标，本文提出了通过数据库层面的操作来完成机试系统研发的思路。具体来说，就是仅仅对之前提到的课程分类（course category）、课程（course）、节（section）、模块（modules）、题目（assignment）和用户（user）等数据库表单，根据机试需求进行记录的插入和修改，而保持Moodle的基本架构和基本运行流程不变，可称之为数据驱动的机试系统开发。基于这个机试方案，本文进行了简单的可行性实验，实验结果验证了该方案的有效性。

3 系统设计

系统设计的重要一环就是分析Moodle的OJ系统的流程以及流程中每个步骤完成的相关数据库操作，包括其操作的数据库名称和操作的具体内容，见表1。

机试系统的核心思想就是为每位参加机试的考生创建一门课程，课程名称就是考生的学号。同时，为每位任课教师创建一个课程分类，该课程分类包含所有参加此次机试的考生对应的课程。为了更科学地评估学生的编程能力，机试系统从题库选取4种难度的题目，每种难度的题目随机选取4道，分别放在4节中，考生可根据自身情况从每个难度中选择一道题目完成，这样可以有效避免机试题目的偶然性。教师还可以根据实际情况划分4道题的分数占比。基于表1，新建构的机试系统流程及每个流程所操作数据库见表2。

基于上述研发思路，机试系统在Moodle的基础上增加了考试课程生成模块。教师上传学生信息之后，只需点击添加课程按钮，机试系统便自动从题库中按照1—4的难度顺序随机挑选题目，并在mdl_assignment和mdl_assignment_oj_tests中添加相应的记录。系统会为代课教师在mdl_course_categories中添加课程分类，并根据上传的学生信息在mdl_course中为每个学生在该课程分类下建立课程。之后，系统按照之前生成的题目在表mdl_course_modules中生成相应的题目模块。最终，系统在表单mdl_context中将生成的题目模块与各个学生课程进行连接，整个过程见图2 。

表1 Moodle的OJ系统流程及其与相关数据库的对应关系

表2 新的机试系统流程及其与相关数据库的对应关系

图2 考试课程生成模块

4 具体实现

机试系统研发的实现工作包括搭建Moodle系统平台、建立数据库、编写操作数据库元素的应用程序、程序测试与系统调试、考试现场的环境搭建。对数据库进行的操作都存放在系统外的PHP文件中，且在Moodle教学网页中可以通过自定义按钮直接跳转到这些PHP文件中，所有修改均没有大范围改变Moodle源代码，而是将自己独立的代码通过这样的“接口”和Moodle系统连接。对数据库元素进行的核心操作均直接作用在Moodle数据库的原有表单中，这样不但可以方便快捷地布置机试系统，还可以最大程度地保证系统的可靠性和稳定性。

5 系统测试

系统以1 000人的课程为例进行功能测试，教师首先生成机试系统，为1 000个学生分别建立课程，也为教师创建了课程分类，该课程分类包含所有的1 000门课程。任意打开一个学生的课程，系统会显示该学生本次机试的题目，见图3。题目难度分为4个等级，且每个等级有4道题目，考生从同一难度中的4道题中选一题作答。

为检验机试系统的性能，需要进行两方面的测试。首先，需要测试教师生成机试系统的时间，分别测试100～1 000人时机试系统的生成时间，以100人为间隔，测试结果见图4。

图3 学生考试题目总界面

由图4可以看出，机试系统的生成时间随着课程人数的增长呈现线性增长趋势。考虑到机试系统是对Moodle平台进行数据层面上的修改，人数越多，需要增加的课程数量就越多，需要配置的题目数量就越多，因此，生成时间的线性增长是合理的。200个学生时，机试系统生成时间基本在10秒以下，满足系统性能需求。学生人数达到1 000人时，生成时间也在一分钟以内。

图 4 生成课程平均用时图

其次，为了测试机试系统的并发能力，本文借助Apache Bench[11-12]工具对1 000个考生同时在线进行了模拟测试。经过多次测试，计算出的平均响应时间为72.816 3毫秒，完全满足性能要求。

6 结语

针对目前存在的程序设计笔试、机试考核方式的缺陷，本文基于Moodle系统，在数据层面上对系统进行改造，实现了机试系统的全部功能。系统易于搭建，功能齐全，运行稳定，相比传统的笔试形式更为科学、客观。目前，该系统满足机试系统的功能和性能要求，并已进行了小规模试用，效果良好，可为促进计算机编程类课程的实验教学改革起到积极作用，计划在200～300人规模下进行更多的测试后，开始正式部署应用。