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                        針對VB上機考試的自動評分系統

                        添加時間:2020/01/17 來源:大連海事大學 作者:張昌運
                        本文提出了一種基于Windows API的VB編程題自動評分的解決方案,針對VB語言的事件驅動和可視化界面設計的編程機制,采用“動態評分與靜態評分相結合”的思路分別對學生程序進行功能檢查和源程序中得分點和關鍵詞的匹配。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          目前,無紙化考試已經成為一種趨勢,與此同時,產生了一系列新課題,包括程序設計語言類中編程題自動評閱技術的研究。程序設計語言類考試中編程題自動評閱技術的實現,是無紙化考試必須解決的關鍵性問題之一。目前編程題的自動評閱技術,成為一個研究熱點和難點。國內已經有一些關于程序設計語言類的考試系統,這些考試系統大多數是針對選擇題、填空題和完善程序題,可以說對于這些客觀題或操作受限的主觀題的評分技術己經很成熟。但是對于具有主觀性很強的編程題來說,還沒有特別好的辦法和成熟的技術。本課題就是為解決編程題評分這一難題而提出的,具有重要的理論和現實意義。

                          本文首先對VB編程題自動評分系統的課題背景和現狀進行了研究和分析,然后對API函數、Windows的消息機制、進程間通信以及字符串匹配算法進行了深入地研究,模擬人工閱卷的思維過程,采用了動態評閱和靜態評閱相結合的方法分別對學生程序進行事件代碼的功能測評和界面設計的靜態測評。給出了VB編程題的自動評分系統的解決方案和設計思路:使用APIHook記錄標準答案程序在運行時由人工操作所觸發的消息,在動態評分時,借助VB6.O對學生程序進行編譯和運行,將記錄的消息發送給正在運行的學生程序以驅動學生程序的自動運行,利用輸出代碼將學生程序的運行結果輸出到指定的文件中,并和標準答案運行結果進行匹配;在靜態評分時,對學生程序文件進行窗體信息匹配、窗體中控件信息匹配、關鍵詞匹配和得分點匹配,按照各個部分不同的權值計算學生的得分。最后,開發了一個針對VB上機考試的自動評分系統。

                          初步實驗結果表明:基于WindowSAPI的VB編程題自動評分系統能準確的給出編程題的分數,系統運行穩定,評分誤差較小。

                          關鍵詞:W1ndowsAPI;Windows消息機制;字符串匹配;自動評分

                        ABSTRACT

                          Presently, the paperless examination has become a trend, at the same time, a series of new issues have emerged, including the study of automation marking technology for programming problem in programming language. The implementation of automation marking technology for programming problem in the examination of programming language is one of the key issues which must be resolved in the paperless examination.The automation marking technology has become a hotspot and difficulty. There already were some programming languages on the examination systems at home, most of them are for multiple-choice, blank-filling and procedure-improving. It can be said that the technology which is for objective questions or operation-limited subjective questions is already mature. But for the programming problem which is very subjective, there is no particularly good approach and mature technology. This topic is put forward to solve the  difficult  problem  of scoring  programming  problem  scoring,  with  important theoretical and practical significance.

                          This article first researches and analyzes the status and the background of the automatic scoring system of VB programming problem, and then studies the API functions,  Windows message mechanism,  inter-process  communication and string matching algorithms in depth; this paper simulates the thinking process of manual marking, uses the method, which combines dynamic marking and static marking, to assess the event code of the function and statically evaluate the form design of student programs. This paper has given the solutions and design ideas of the automatic scoring system of VB programming problem, it uses API Hook to record the message,which is triggered by a man operator, when the standard answer program is in the run-time, and during dynamic scoring, it compiles and runs the program for students with the VB 6.0 ,and sends the message recorded to student program that is running to drive student program to run automatically, it uses the output code to output the results of actual runs of student program to the designated file, and matches the results with the results of actual runs of the standard answer; in static scoring, it is for the form message matching ,the control message matching in form, key words matching and scoring matching, and it calculates the score, according to the different weight of each part.Finally, it develops an automatic test scoring system for a VB testing on the machine.

                          Preliminary results show that: the automatic scoring system of VB programming problem based on Windows API can give an accurate score, and it is stable, and has smaller scoring errors.

                          Key Words:Windows API;  Windows Message Mechanism;  String Matching; Automatic Scoring

                          隨著計算機技術、互聯網技術的發展和廣泛應用,網絡已經深入人們的生活,網絡教學也隨之發展起來。其中,以網絡為載體的無紙化考試作為教學評估中的重要形式,已經變得越來越不容忽視。無紙化考試不僅節省出大量的人力和物力,把教師從繁重的出卷和批卷工作中解脫出來,而且在一定程度上解決了考試這一群體活動在時間上和空間上的不協調。網絡考試系統基本上能完成學生在線答題和客觀題自動評分,對于主觀題的自動評分的處理還處于積極探索階段。網絡考試中編程題的考核不僅應能充分反映出學生的編程技巧和編程思想,而且節省大量的資源,但是目前網絡考試中的編程題的評閱工作大多數還只能以運行結果作為唯一的評分標準。

                          編程題自動評分的實現,不僅能像客觀題評分一樣節省教師的時間,減少教師的勞動強度,而且更加公平公正的給出學生對這門編程語言的把握;而這一課題涉及到人工智能、模式識別和自然語言的理解等諸多領域,因此它的實現對上述領域的發展具有很強的推動作用。對編程題自動評分的實現要涉及詞法分析、語法分析、交互式特性、多線程并行處理特性、消息處理、數據處理、系統健壯性等諸多技術上的難題,因此這一課題具有很高的研究和實用價值。

                          無紙化考試是一種發展趨勢,編程題自動評分技術的研究與實現,是實現程序設計語言類無紙化考試亞待解決的關鍵。程序設計語言類的無紙化考試和自動評測一直以來都是國內外計算機教育領域的一個熱點話題。目前,自動評測系統己經很好的完成了對常見客觀題的自動評測工作,對主觀題(比如問答題、簡答題等形式的試題)的評測也有一定的進展,在對Word、Excel、AccesS、PowerPoint等應用軟件的上機考核中利用VBA(Visual Basiefor Application,vBA)技術基本上實現了自動評分的功能。但是對于一些主觀性較強的考核題,尤其是編程題的評測,還沒有很好的解決方案。

                          Visual Basic是一種集成開發環境,它簡單易學,而且引入了可視化、事件驅動和面向對象等編程設計方法,使的開發應用程序的效率大大提高。為了考核學生應用VisualBasic編程能力,傳統的筆試考試己經不能滿足需要。目前國內己經有一些針對VB的考試系統,這些考試系統多數是針對選擇題和填空題。雖然對于客觀題的評分技術已經很成熟,但是對于主觀性很強的編程題來說,還沒有特別好的方法和成熟的技術。

                          本文基于校教改項目“計算機程序設計基礎(VB)考試方式的改革”,針對傳統考試中人力和財力支出大、試卷重復、考前押題等現象,設計開發了一套基于Web的Visual Basic考試系統。系統中完善解決了選擇、判斷、程序完善和讀程題型的自動評分,本文是為了解決“計算機程序設計基礎(VB)考試系統”中編程題自動評分這一課題而提出的,所以具有重要的理論和現實意義。

                          從上個世紀60年代開始,國內外一些專家和學者針對學生的作業和語言文字進行自動評分的研究。經過幾十年的努力研究,在不同的領域都有各自的應用系統產生,它們當中有很多己經可以進行實際應用,效果也比較好。

                          Ellis Page應美國大學委員會的請求研發了pEG(project Essay GradepEG)系統,系統開發的目的是為了使大規模數量的作文評分更加實際和高效。Page相信每個人的寫作手法都蘊含著內在特征,只要實現對這些內在特征的量化,就可以實現測評。PEG使用代理量度標準來衡量作文的內在質量從而模擬人工對作文的評分。但內在質量,如寫作的流暢性,句子結構的復雜度,文章措辭等難以用計算機直接測量。于是PEG采取了間接測量寫作概念分項指標的方法,即所謂的代理量度標準。比如:作文長度代表了寫作的流暢性、介詞、關系代詞等代表了句子結構的復雜度;詞長的變化代表了文章措辭的情況。PEG完全依靠淺層語言學特征的分析而忽略語義方面的評分遭到指責,因為一些聰明的作者可以寫出文理不通的長文以獲取流暢性方面的高分。此外類似的系統還有LsA(Latentsemantic alysis)、Erater、ATM、AutoM叭等系統。

                          英國諾丁漢大學開發的course Master系統,是較為成功的程序設計語言智能閱卷系統之一。該系統包括靜態測評和動態測評兩個部分,但是比較成熟的是靜態測評部分。CourseMaster系統由于測試用例的選取方法不盡科學,其測試效果并不理想。

                          onlin Judge系統是一個在線的編程題自動評分系統,最初被用于ACM一ICPC國際大學生程序設計競賽和”1信息學奧林匹克競賽中的自動評分和排名。用戶只要遵守規定就可以在線提交程序源代碼(程序類型如C、C++、Pascal)。

                          Onhne Judge系統對程序源碼進行編譯和執行,根據預先給定的測試數據進行測試。

                          系統捕獲并保存運行結果,并把運行結果傳遞給一個結果判斷程序。結果判斷程序將運行結果和給定的結果進行比較,或者檢測運行結果是否符合一定的邏輯條件,然后返回給用戶一個狀態:通過、答案錯誤、超出時間限制、超過輸出限制、超出內存限制、運行時錯誤、格式錯誤、或是無法編譯,并返回程序使用的內存、運行時間等信息。此外類似的系統還有TRY系統,BAGs系統,PAsS[川系統等。

                          verifog Logiscone嚎統經過對學生程序提取指標數據、篩選數據、匯總所需要的數據,按照制定的反映程序質量(quality)、復雜度(eomplexity)、風格(style)等量化標準,給出一個反映學生編程能力和編程質量的指標。雖然這種量化的參數能表示程序的結構、數據流等特征,但它在分析源碼結構時表現較差,不能分析程序的語義,類似系統有AssysT系統等。

                          目前,國內在線考試、在線問答和網絡教學系統層出不窮,比如:微軟認證(MCSE、MCDBA、MCSD等考試),思科認證(Ciseo Career Certifieation),惠普認證(HP.UX)以及TOFEL、GRE等等。這類系統對客觀題和操作受限的主觀題的處理已經取得重大進展。

                          在對主觀題自動閱卷技術研究的同時,編程題的自動評分技術也有所進步。

                          由于編程語言文法的限制,使得編程題的分析較自然語言容易些。編程題自動評分的方法可分為3類:動態測試方法、源程序分析方法和軟件度量參數分析方法。

                          動態測試方法的基本思想是:運行學生的源程序,并將運行結果與標準答案運行后產生的結果進行對比,給出學生程序的分數。源程序分析方法一般是指采用程序理解、語義分析等方法來分析學生的源代碼,首先將源代碼轉換成一種評分系統能夠理解的中間表示形式,對程序代碼中間表示形式進行標準化轉換和消除代碼多樣性,然后對處理后的學生程序與標準答案的模板程序進行匹配。軟件度量參數分析方法的基本思想是:根據學生程序的復雜性度量和程序特征,如模塊長度,標識符長度,代碼行數以及變量個數等來評價學生程序的質量,從而給出評分的結果。

                          針對VB編程題,自動評分系統有上海大學段漢周提出的VB程序設計考核自動評閱系統、北航計算機學院開發的自動評分系統、南京理工大學盛英潔提出的VB程序員考核自動閱卷系統,教育部考試中心針對全國計算機等級考試(NCRE)所研制的上機考試系統等,還有一些ACM競賽用的程序自動評分系統。

                          上海大學段漢周提出的VB程序設計考核自動評閱系統,在閱卷過程中,首先,分析用戶源程序是否擁有規定的控件、是否有多余的控件、以及控件的位置是否正確;其次,針對相應的控件事件,判斷源程序中是否編寫了功能代碼;然后,在不影響用戶程序的前提下,插入測試代碼及臨時輔助代碼,使VB程序在運行過程中能夠輸出反映功能的運行參數;激活VB6.0集成開發環境,運行用戶程序,向已運行的用戶程序發送模擬消息,使程序按照預定策略自動運行,將反映程序功能的參數輸出到指定的臨時文件;最后,關閉用戶程序,關閉VB6.0集成開發環境,分析臨時文件中記錄的內容,得出評閱結果。整個評分過程所依據的思路是判斷用戶程序功能是否正確,而程序內部的邏輯性、程序復雜度等并不是考核的目的。在評分過程中出現的沒有通過編譯或者不能運行的程序屬于完全錯誤的程序。

                          南京理工大學盛英潔提出的VB程序員考核自動閱卷系統采用靜態測評和動態測評相結合的方法實現對學生程序的評閱。靜態測評是判斷源程序是否擁有規定的控件,是否擁有規定的控件事件,以及控件的屬性是否設置正確。動態測評是對學生程序的功能進行測試。該系統的評分思路是借助VB6.O對學生提交的程序進行編譯和運行,用系統給出的策略文件來驅動學生程序自動運行,模擬人工閱卷的過程,向學生程序輸入測試數據,依據學生程序運行結果或情況,來給出相應的分數。系統評分過程中,解決了學生程序可能出現的被零除或死循環等程序錯誤。但是受到考核題型的限制,VB程序員考核自動閱卷系統僅適用于培訓考核的自動評閱工作。

                        針對VB上機考試的自動評分系統:

                        系統用例圖
                        系統用例圖

                        用戶登錄界面
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                        編程題界面
                        編程題界面

                        消息列表初始化界面
                        消息列表初始化界面

                        解壓編譯界面
                        解壓編譯界面

                        目錄

                          第1章 緒論
                            1.1 課題背景
                            1.2 研究意義
                            1.3 國內外研究的現狀
                            1.4 本文的主要研究工作
                              1.4.1 研究目標
                              1.4.2 研究的主要內容
                            1.5 本文的組織結構
                          第2章 相關技術介紹
                            2.1 Windows API
                              2.1.1 API函數
                              2.1.2 APIHook
                            2.2 Windows消息機制
                              2.2.1 Windows消,息
                              2.2.2 Windows消息系統
                              2.2.3 Windows句柄
                              2.2.4 消息的發送
                            2.3 WindowS進程間通信
                              2.3.1 文件映射
                              2.3.2 動態鏈接庫
                              2.3.3 WMCOPYDATA消息
                            2.4 字符串匹配算法
                              2.4.1 Brute一Force算法
                              2.4.2 KMP算法
                              2.4.3 Levenshtein算法
                          第3章 基于WindowsAPI的vB編程題自動評分系統的解決方案
                            3.1 現有的自動評分模型研究
                              3.1.1 基于程序理解的編程題自動評分模型
                              3.1.2 基于語義相似度的編程題自動評分模型
                              3.1.3 基于語義理解的編程題自動評分模型
                              3.1.4 VB程序員考核自動閱卷系統
                              3.1.5 現有自動評分模型和系統的分析
                            3.2 基于Windows API的VB編程題自動評分系統的解決方案
                              3.2.1 基于Windows API的VB編程題自動評分思路
                              3.2.2 動態評分的方法
                              3.2.3 靜態評分的方法
                              3.2.4 錯誤檢測
                          第4章 系統的分析、設計與實現
                            4.1 功能需求分析
                            4.2 系統的設計
                              4.2.1 系統的功能模塊劃分
                              4.2.2 數據庫設計
                              4.2.3 評分模塊流程圖
                            4.3 系統的實現
                              4.3.1 用戶管理模塊的實現
                              4.3.2 編程題網絡考試模塊的實現
                              4.3.3 編程題自動評分的實現
                          第5章 實驗及結果分析
                            5.1 自動評分方案的實驗
                            5.2 實驗結果分析
                          第6章 總結與展望
                          參考文獻
                          致謝

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