基于EduCoder平台的C语言实验自动评测设计

卢 萍，祝建华

（华中科技大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉 430074）

1 借助 EduCoder平台进行 C语言实验评测的必要性

“C语言程序设计”是高校计算机及相关专业的必修基础课程，是数据结构、编译原理、算法分析、操作系统等课程的先导课程。该课程以C语言为工具，以培养学生计算机思维能力和编程解决实际问题的能力为目标。课程涉及的内容多、知识使用灵活、实际问题千变万化，同一个问题可有多种实现方法，具有很强的实践性和创造性。

工程教育认证标准对课程的实践环节提出了更高要求[1-4]。针对C语言功能强且灵活的特点，为了使学生准确掌握每一个教学重难点知识，提出“着眼能力、精准训练”的实践模式[5]。在设计实验任务时，要依据教学内容，梳理知识点，细化目标，明确要求。例如，要求用位运算实现数据压缩，旨在掌握位运算的应用，为用C语言编写系统软件打下基础。

实验目标的达成有赖于有效的监督和评价机制，传统上往往采用加大检查力度的方法。但由于学生在学习能力、自觉性、主动性等方面存在差异，传统的人工检查方式不仅增加了教师的负担，检查结果不能及时反馈给学生，而且随着作业量的增大、学生人数的增多，很难检查到每一个学生，没有查到的学生难免出现应付交差现象，影响了教学质量的提高[6-8]。

如何创建有效的督促和激励机制，推动每个学生一步一个脚印地完成实验，达到精准训练、全面掌握知识点的目标，是C语言实践教学中需着重考虑和解决的问题。EduCoder实践教学平台的出现，给程序类课程实践教学改革带来了契机[9-11]。平台提供的在线评测代码、结果及时反馈、自动统计成绩和分析学生能力值等功能，以及类似于游戏闯关挑战的实验形式，极大地增强了与学生的互动性，提高了学生的学习兴趣和参与度。平台支持的自主设计评测脚本机制，也给教师提供了很大的自由度和发挥空间。教师可以按需设置实验任务，实现评测的智能化和精准化，推动学生全面掌握教学重点和难点知识，并使他们变被动学习为主动学习。

从2019年秋季开始，我们借助EduCoder平台，实施了以学生为中心、以能力培养为导向、以精准训练为核心的C语言实践模式，设计了与理论课教学同步的10个实验作业及其评测脚本，每个实验包括3~8个题目，取得了很好的效果。

本文将分析 EduCoder平台的评测机制，并结合典型实例阐述如何根据训练目标自行设计评测脚本，从而使学生能够有针对性地进行知识点练习，促进他们对知识点的精准掌握，为综合应用所学知识解决实际工程问题打下良好的语言基础。

2 EduCoder平台的评测机制

EduCoder 是一个面向计算机专业方向开展教学、实验和实训活动的工程教育平台。该平台将知识学习与动手实践相结合，支持教师按需自主创建实践课程，并根据课程内容设计并发布实验任务。学生通过登录平台，可以随时随地在线编写代码完成实验任务。平台可自动编译、执行和评测代码，并立即反馈评测结果，学生可根据错误信息提示修改代码并继续测试。在整个实验过程中，平台会实时记录每个学生的活动轨迹，如提交评测的次数、每次评测存在的问题、实验时间、是否查看参考答案、最近通过的代码、最终成绩等，并形成详细报告和统计图表，以便教师充分掌握学生的实验进度、存在问题和学习效果等，并据此分析教学难点、调整教学策略、改进课堂教学方法等，从而进一步提高教学质量。

EduCoder平台采用的评测方法是测试用例法，即用数据集测试程序的正确性。测试用数据集应完备，应能全方位检测算法的正确性，应覆盖程序执行的各种情况。比如闰年的判断，有普通的非闰年，如2019；还有100的倍数的非闰年，如1900；有普通闰年，如2008；还有世纪闰年，如2000。如果考虑不全面，则会使错误的程序也能够通过。平台将会用每组测试用例执行程序，并将程序的实际输出结果与正确输出结果进行对比，全部测试用例结果正确的将获得通关，否则会将失败的测试用例反馈给学生。

EduCoder平台用来测试的文件有学员任务文件和评测执行文件两类。设置任务时，应为每一个题目建立一个文件夹，如 src/step1、src/step2等，每个题目的文件放在对应的文件夹下。学员任务文件是学生编写代码用的，里面的内容（可以为空）将直接显示在代码区域，需要学生在其中编写代码。评测执行文件是需要执行的平台脚本，根据执行结果判断程序的正确性，学生对该文件只能查看，不能修改。评测执行文件也可以是学员任务文件，也就是直接运行学生写的程序，或者是由教师设计的用来测试学生代码的脚本文件。通过自行设计评测文件可以精准地达到训练某个知识点的教学目标。

3 表达式的自动评测

表达式是C语言一个非常重要的程序元素，它贯穿在C语言教学的各个章节，各种流程控制语句的执行条件都要用表达式来描述，表达式还可以单独构成表达式语句。C语言提供了34种运算符，既能实现其他高级语言的运算，也能实现汇编语言的底层位运算，再加上一些特有的运算符，使C语言的运算能力非常强，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符写出实现特定功能的表达式是一项重要的技能。

在讲授运算符和表达式后，就要训练学生写C语言表达式的能力。根据平台的评测架构，可以设计两种方式，第一种方式是学员任务文件是一个完整程序框架，学生在其中完成代码填空（填写表达式），该文件作为评测执行文件；第二种方式是学员任务文件用.h，文件内容为空或者包含一些注释（说明相关变量的类型），只需要学生填写一个表达式，而评测执行文件是针对该实验目标设计的一个完整程序，可以使用#include把学员任务文件包含进来。相比较而言，后者效果更好，训练更精准。

【示例1】任务描述：写一个表达式，求三个整数a、b和c中的最大值。

训练目标是使学生掌握条件运算符（?：）的使用，这是一个三目运算符，可以用来代替if语句实现某些分支运算。

将学员任务文件命名为 step1_stu.h，在 src/step1文件夹下，里面没有任何语句，只有一些注释，学生需填写一个条件表达式，通过设计评测脚本使得学生只能用条件表达式。将评测执行文件命名为step1_main.c，也在src/step1文件夹下，它是针对该训练目标而设计的脚本文件，里面包含变量声明、输入3个整数、输出最大数，中间用#include "step1_stu.h"把学生写的表达式嵌入进来，赋值给变量 x，其后加分号构成一条赋值表达式语句，该文件内容如图1所示。

图1 示例1的评测执行文件内容

学生是不能修改评测脚本的，该设计使得学生在学员任务文件中只能写一个表达式，因而不能使用 if语句，如果使用if语句，系统则会报语法错，这样就可以非常精准地达到训练写条件表达式的教学目标。

4 自定义函数的自动评测

在C语言中实现模块化程序设计的手段是编写函数，即把每一个模块设计成一个函数，完成总任务的程序是由一个主函数和若干其他函数组成的。主函数比较简单，起着任务调度的总控作用，其他函数将最终直接或间接被主函数调用，以解决总任务。这种模块化的程序结构增强了程序的可读性、可维护性和可扩充性。学会设计和编写函数非常重要，在讲授完函数后，需要训练学生用函数去实现特定的功能。

【示例 2】任务描述：定义函数 digit(n,k)，求n中从右端开始的第k个数字的值（k从1开始），如果k超过了n的位数，则函数返回–1；否则返回n中第k个数字。例如：digit(345876,4)=5，digit(345,4)= –1。

训练目标是掌握函数的定义，根据要求编写自定义函数，包括return语句的使用。

将学员任务文件命名为 step2_stu.h，在 src/step2文件夹下，里面只有函数的头部注释，学生需按照规定的接口编码实现函数功能。该文件内容如图2所示。

图2 示例2的学员任务文件内容

评测执行文件命名为step2_main.c，也在src/step2文件夹下，里面包含变量声明、函数调用和调用前后的数据输入输出，在 mian函数的前面用#include"step2_stu.h"嵌入学生定义的函数，该文件内容如图3所示。

图3 示例2的评测执行文件内容

这样，学生在任务文件中就只能按要求编写函数，从而达到训练目标。

EduCoder的测评原理是运行评测执行文件，在程序执行过程中读入预设的测试数据，通过将程序输出结果与正确结果进行对比来决定是否通关。

5 带参main函数的自动评测

在针对授课知识点设计实验任务过程中，发现带参main函数比较特殊，平台无法直接测试其功能，学生即使定义了带参main函数，也被当作无参main函数执行。为此，提出了一种能够在 EduCoder平台下间接测试带参main函数的方法，训练学生编写和使用带参数的main函数，并给予自动评测。

5.1 带参main函数的特点

表示和处理 main函数的参数是指针数组和二级指针的一个重要应用。有些操作系统，包括UNIX和MS-DOS，需要用户在命令行界面输入参数来启动一个程序的执行，这些参数被传递给程序，供程序分析处理。命令行界面需要用户记忆操作命令，不如图形界面使用方便，但能节省计算机系统资源，在熟记命令的前提下，使用命令行界面的操作速度更快。所以，图形界面的操作系统不仅保留了命令行界面，而且还加强了操作命令的功能[12]。带参 main函数的定义形式为：

main函数具有两个形参，第1个参数argc代表命令行中参数（即字符串）的个数，第2个参数是字符指针数组 argv，argv[i]指向命令行中第 i个字符串。假定有一个名为copy的程序，在Windows下运行该程序的命令行如下：

该命令行有3个参数，第1个参数copy是可执行程序名，其后的abc.txt和def.txt是程序执行所需的参数。该命令行启动copy程序后，会将3传给argc，argv[0]指向串“copy”，argv[1]指向串“abc.txt”，argv[2]指向串“def.txt”，然后执行程序，实现将文件 abc.txt的内容复制到文件def.txt中。

可见，带参main函数被系统调用时，需要在命令行中输入数据来启动程序的执行，而这些数据被传递给main函数。命令行中输入不同的参数，程序将执行不同的功能。在 EduCoder下设置实验任务时，不能设置命令行的参数，只能设置测试集数据，测试数据是main函数执行后由输入函数（getchar、scanf等）读取的，而命令行的参数是操作系统读取并传给main函数的，两种获取数据的方式截然不同。

根据带参main函数的特点，提出的这种通过设计评测脚本的间接测试方法，有助于学生精准掌握命令行参数的作用、参数的传递机制以及带参main函数的编写。

5.2 评测策略及脚本的设计

根据命令行参数传递原理，结合 EduCoder评测机制，提出如下在EduCoder下对带参main函数功能的测试策略：①将命令行参数作为测试数据；②学生编写等效于本地带参main函数的main0函数，即在本地环境调试时是main，提交平台测试时将 main改为main0即可；③设计一个main函数作为测试脚本，模拟操作系统读取和存储命令行参数，对main0进行测试，命令行参数就是设置的测试数据。

main函数需要模拟命令行参数的整个处理过程，包括从测试数据（即命令行参数）中读取字符、识别出参数字符串、统计字符串个数、动态分配内存存储字符串、记录字符串的首地址等，再用获取的参数个数和字符串数组作参数，调用main0函数。main中声明变量n保存字符串个数，字符指针数组inputStr保存各字符串的首地址，将n传给main0的形参argc，inputStr传给argv，调用main0函数（即带参main函数），从而启动main0的执行（相当于main函数被系统调用）。

main0函数等价于带参main函数，学生要在自己的编程环境中写带参main函数，即将main函数代码粘贴到 EduCoder编辑器，当测试脚本对其进行自动测试时，把main函数的名字改为main0即可。因此，学生也可以先在本地环境实现带参 main函数的功能并调试通过后，再将main修改为main0，提交平台进行自动测试。

【示例3】任务描述：编写一个程序，名为strcat，用命令行参数实现至少两个字符串的连接，命令行为：

strcat str1 str2 str3 ...

其中，strcat是命令名，即可执行程序名，str1、str2、str3、 ...是被连接的字符串，每一个字符串的长度不超过50，规定连接顺序为右边的串依次连接到左边串的末尾。例如，

命令行输入：strcat abc def gh

连接之后形成新串并输出：abcdefgh

训练目标是掌握带参函数的定义和命令行参数的传递，并初步掌握动态存储分配的概念及其应用，为后续结构指针的应用打下基础。

编程要求：学生编写带参main0函数（若在本地调试则为main函数）来连接命令行中的多个字符串，连接之后的新串无冗余地存储到用 malloc动态分配的空间，并将该空间首地址赋值给外部指针p，指针p在评测脚本中定义，连接后的新串也在脚本文件中输出。

评测执行文件命名为 step3_main.c，文件内容见图 4和图5。

图4 示例3的评测执行文件内容之一

图5为Begin ...End之间的代码模拟命令行参数的读入和参数串的存储。

图5 示例3的评测执行文件内容之二

因此，学生只有深入理解带参main函数这一教学重点和难点知识，并学会使用动态存储分配函数，代码才能通过测试。测试数据若为：strcat abc def gh，则输出结果应为：abcdefgh。

6 结语

基于 EduCoder的实践模式经过 2019年秋季和2020年春季两个学期的试行，取得了较好的效果，受到学生的欢迎。考试结果表明，经过知识点的精准训练，学生对一些难点知识，如位运算、二级指针、带参main函数、动态分配等掌握情况良好，成绩得到明显提高，达到了预期目标。该项改革对教师来说，可以使他们从繁重的督促检查中解脱出来，能更好地研究教学教法和答疑解惑，提高教学质量和教学效果；对学生来说，既可促进他们全面掌握教学重点和难点，又可培养独立思考和自主学习的习惯，提高分析和解决问题的能力。