摘要：編程技能是計算機類專業(yè)學(xué)生的核心能力，在線評測系統(tǒng)是該能力培養(yǎng)的一個重要載體。鑒于目前的大部分在線評測系統(tǒng)主要面向競賽或崗位招聘，文章設(shè)計了一款面向應(yīng)用型本科的在線編程訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)集在線評測、趣味練習(xí)、智能推薦、數(shù)據(jù)分析等功能于一體，旨在逐步引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生的編程興趣，提高編程參與度與練習(xí)效果。系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，具備高并發(fā)處理能力和直觀的數(shù)據(jù)可視化支持。

關(guān)鍵詞：在線評測；在線編程；挑戰(zhàn)模式；趣味闖關(guān)

中圖分類號：R197.323.1 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）19-0057-03

編程技能是計算機類專業(yè)學(xué)生的核心能力，直接體現(xiàn)其實踐能力和專業(yè)掌握程度。在線評測（OnlineJudge， OJ） 系統(tǒng)作為評判用戶代碼正確性的重要工具，廣泛應(yīng)用于教學(xué)實驗、程序設(shè)計競賽、企業(yè)軟件類崗位招聘、培訓(xùn)、計算機等級認證等場景中[1]。當前，知名的OJ系統(tǒng)包括北京大學(xué)的POJ、杭州電子科技大學(xué)的HDUOJ、?？?、頭歌、洛谷、AcWing等國內(nèi)平臺，以及Codeforces、Topcoder、Leetcode 等國際平臺[2-4]。然而，這些平臺在提供服務(wù)時也存在局限性。部分商業(yè)系統(tǒng)功能繁多，對于聚焦編程教學(xué)的用戶并不友好，而其費用也阻礙在學(xué)校課堂的普及。另一部分主要面向程序設(shè)計競賽選手，功能以刷題訓(xùn)練和在線競賽為主，缺乏對基礎(chǔ)薄弱學(xué)生的引導(dǎo)與支持，讓人望而卻步。同時，使用第三方平臺，數(shù)據(jù)管理權(quán)歸運營方所有，對于希望擴大學(xué)生訓(xùn)練規(guī)模，進行精細化、個性化、多元化[5-6]教學(xué)引導(dǎo)的應(yīng)用型本科院校而言，難以獲取特定反饋數(shù)據(jù)以優(yōu)化教學(xué)。

因此作為應(yīng)用型本科院校，有必要自主開發(fā)、部署一個更為靈活、開放、免費、面向不同層次的學(xué)生需求的在線編程訓(xùn)練系統(tǒng)（為了區(qū)別傳統(tǒng)OJ，本系統(tǒng)稱為“在線編程訓(xùn)練系統(tǒng)”） ，通過逐步引導(dǎo)，增加趣味性和挑戰(zhàn)性，激發(fā)學(xué)生的編程興趣，提高編程活動參與度與練習(xí)效果。

1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)以C、C++、Python和Java代碼的在線評測為核心功能，并針對應(yīng)用本科型院校的教學(xué)和學(xué)生自主編程練習(xí)需求進行了功能擴展。該系統(tǒng)整合了五項主要功能，功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 綜合題庫

本系統(tǒng)支持編程題目由自建題庫和爬蟲題庫兩部分組成。自建題庫，該部分題目由專業(yè)教練出題，涵蓋題干、評測方式、評測樣例、評測數(shù)據(jù)等完整信息，系統(tǒng)根據(jù)出題者的要求設(shè)定評測機制；爬蟲題庫，通過爬蟲技術(shù)從第三方題庫網(wǎng)站收集公開題目，對于無法直接爬取的測XyhQw3TG9Wrc5A/fKg2uNQ==試樣例，系統(tǒng)將采用逆推輸入輸出樣例或人工補全的方式加以完善。此外，該模塊還包含題目知識點圖譜、題目解析以及題目推薦等功能。

1.2 在線練習(xí)

用戶可自由挑選練習(xí)模式和題目進行在線學(xué)習(xí)。提交解答后，系統(tǒng)將迅速反饋評測結(jié)果。完成題目后，系統(tǒng)將更新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括難度系數(shù)和答題評價，以提供個性化學(xué)習(xí)參考。

在線練習(xí)模式包含專題模式、編程闖關(guān)模式與挑戰(zhàn)模式。其中，編程闖關(guān)模式仿照游戲關(guān)卡設(shè)計，由教師依據(jù)學(xué)生能力定制個性化解題路徑，旨在營造具有目標性、競技性和趣味性的學(xué)習(xí)環(huán)境。挑戰(zhàn)模式則基于多個知識點模塊及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，允許用戶自主選擇學(xué)習(xí)路徑，通過逐步解鎖并達成條件以訪問后續(xù)模塊，該模式不僅增加了學(xué)習(xí)的探索性，還促進了分層學(xué)習(xí)的遞進實施。此外，系統(tǒng)可根據(jù)用戶畫像推薦優(yōu)秀學(xué)長同期的學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)成效比較，路徑指刷題順序、闖關(guān)主題等。

1.3 在線比賽

在線比賽系統(tǒng)涵蓋多人競賽、在線考試、雙人對抗及實時競賽榜單等功能。多人競賽支持練習(xí)、積分、趣味、自定義等多種模式，每種模式均設(shè)有獨特的計分與獎勵機制。其中，練習(xí)模式適用于課程實驗與日常訓(xùn)練；積分模式作為高級別競賽隊伍選拔依據(jù)，促進學(xué)生競爭；趣味模式則提供特色獎品以增加吸引力。同時，該系統(tǒng)支持在線考試模式，允許教師設(shè)定用戶權(quán)限、答題時限及頁面切換限制，便于組織編程類考試等。雙人對抗功能則鼓勵學(xué)生間隨時進行在線對決，提升學(xué)習(xí)互動性與樂趣。

1.4 用戶互動

該社區(qū)集論壇討論、實時聊天室以及積分、達人、答題等多重榜單于一體，為用戶提供了全方位、多層次的交流與學(xué)習(xí)平臺。用戶可以在論壇中深入探討編程話題，借助實時聊天室即時分享心得，通過積分榜等展示個人成就。此外，本系統(tǒng)還引入了基于編程知識庫的智能問答機器人，用戶只需輕點圖標，即可獲得個性化的題目推薦、解析及概念講解，極大提升了學(xué)習(xí)體驗與效率。

1.5 達人養(yǎng)成

達人養(yǎng)成功能指系統(tǒng)通過活動與激勵提升用戶編程技能和知識水平，增強參與度與忠誠度。包括：等級與徽章制度，依據(jù)刷題表現(xiàn)晉升等級，達到特定等級后，將獲得相應(yīng)的徽章并在社區(qū)中展示；積分商城，用戶通過參與活動、比賽和知識分享獲取積分，積分可在商城中兌換學(xué)習(xí)資料、徽章等獎勵；學(xué)習(xí)和成長記錄，指學(xué)習(xí)時長、成績等數(shù)據(jù)和技能雷達圖、刷題日歷圖、成長曲線等可視化圖表；用戶對比功能，支持用戶與達人進行可視化圖表疊加對比。

1.6 其他功能

系統(tǒng)全面記錄用戶答題數(shù)據(jù)，便于教師深入分析學(xué)生學(xué)習(xí)狀況，如系統(tǒng)能夠計算用戶群體或特定題目的AC率（即成功解答數(shù)與總提交數(shù)的比率），從而直觀揭示學(xué)生在答題及學(xué)習(xí)過程中所遭遇的問題和挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)路線

系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，系統(tǒng)主要由前端層、代理層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)存儲層4個主要部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示。

2.1 前端層

前端層即用戶接入層，由微信小程序端、學(xué)生Web端門戶和后臺管理Web端組成。微信小程序端面向?qū)W生，依托Uni-app框架，支持學(xué)習(xí)任務(wù)查看和技術(shù)討論。學(xué)生Web端門戶基于Vue.js構(gòu)建，提供任務(wù)查看、代碼提交和成績查看功能。后臺管理Web端同樣基于Vue.js，專注于教學(xué)管理，涵蓋任務(wù)發(fā)布、題目管理、用戶管理以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。此外，闖關(guān)式任務(wù)和知識圖譜的編輯與展示，分別借助jsPlumb和D3.js庫進行研發(fā)，提供直觀且富有交互性的可視化支持，助力用戶更清晰地洞察數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)與脈絡(luò)。

2.2 代理層

代理層即前端代理服務(wù)器，它負責(zé)處理進出系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)請求和響應(yīng)。使用Nginx實現(xiàn)了負載均衡、數(shù)據(jù)攔截、反向代理等功能。

2.3 服務(wù)層

服務(wù)層構(gòu)建于微服務(wù)架構(gòu)之上，實現(xiàn)了面向業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)支撐微服務(wù)單元的劃分。這些服務(wù)單元擁有獨立部署與監(jiān)控的能力，支持故障平穩(wěn)退化容錯、橫向擴展，且技術(shù)棧靈活多變。業(yè)務(wù)微服務(wù)包括在線評測、題目管理、題目爬取、在線練習(xí)、在線比賽、積分商城、用戶管理以及論壇管理等。其中基礎(chǔ)微服務(wù)主要包括：

網(wǎng)絡(luò)爬蟲服務(wù)：基于Scrapy框架開發(fā)，針對每個第三方評測平臺開發(fā)特定的爬蟲機器人。支持業(yè)務(wù)層配置多個并發(fā)執(zhí)行的爬蟲實例，實現(xiàn)高效執(zhí)行題目爬取、提交第三方評測（即遠程評測服務(wù)，指將代碼提交到對應(yīng)題目源網(wǎng)站的評測系統(tǒng)，由其進行黑盒評測，本端則不關(guān)心評測過程，只需要獲取到評測結(jié)果，最后更新數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)評測記錄的方式）等任務(wù)。

本地評測服務(wù)：為了應(yīng)對傳統(tǒng)評測機在并發(fā)處理與任務(wù)穩(wěn)定性方面的不足，引入一種基于沙箱技術(shù)的分布式評測方案。首先，每個評測機作為獨立的Linux進程，全權(quán)處理用戶代碼文件的輸入、編譯、運行、時空越界判定、答案比較及評測結(jié)果輸出。其次，評測機通過Docker容器化部署在服務(wù)器上并利用ku?bernetes的CoreDN算法協(xié)調(diào)用戶任務(wù)以實現(xiàn)負載均衡和增強容錯性。第三，采用RabbitMQ中間件，在評測業(yè)務(wù)層服務(wù)與評測機之間構(gòu)建了二層任務(wù)隊列，有效實現(xiàn)任務(wù)的削峰填谷。這一方案顯著提升了在線評測并發(fā)量，為業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定支持。此外，此評測機實現(xiàn)了3種結(jié)果判定方式，即基于結(jié)果的完全匹配方法、基于不確定性結(jié)果的特判方法以及基于得分點的判定方法，支持對完整編程題型、函數(shù)式編程題型、交互式編程題型的評測。

全文檢索服務(wù)：依托Elasticsearch開源搜索引擎，構(gòu)建了涵蓋編程題目、論壇消息等內(nèi)容的倒排索引。該服務(wù)支持模糊查詢、范圍查詢，并配備豐富的搜索結(jié)果展示功能，為用戶提供便捷的搜索體驗。同時，通過其內(nèi)容標識生成和文本相似度計算技術(shù)，為題目爬取服務(wù)提供了高效的題目查重能力，提升了題庫的質(zhì)量和準確性。

內(nèi)容推薦服務(wù)：通過分析用戶的學(xué)習(xí)歷史、題目完成情況、搜索記錄及評論數(shù)據(jù)，精準捕捉用戶的學(xué)習(xí)偏好與能力水平。為每個用戶量身打造詳盡的用戶畫像，涵蓋興趣點、學(xué)習(xí)風(fēng)格及技能雷達（即知識點掌握情況）。利用協(xié)同過濾算法，結(jié)合用戶畫像與題目特征（難度、知識點、歷史點擊率等），可智能推薦與用戶高度匹配的題目、話題和訓(xùn)練任務(wù)。

此外，還集成了第三方在線評測平臺和短信平臺等第三方服務(wù)。

2.4 微服務(wù)框架層

微服務(wù)框架層即微服務(wù)架構(gòu)工具層，基于SpringCloud系列工具包構(gòu)建，為服務(wù)層微服務(wù)架構(gòu)提供管理和協(xié)調(diào)支撐。其中，Zuul是開源網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，Kafka 是消息總線，Eureka是服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)組件，Ribbon 客戶端負載均衡器，Hystrix 是延遲和容錯庫，Pro?metheus和Micrometer用于收集和分析性能指標數(shù)據(jù)，Zipkin用于跟蹤微服務(wù)之間的調(diào)用關(guān)系。容器編排工具使用Kubernetes（即k8s）。

2.5 存儲層

存儲層包括內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、文檔數(shù)據(jù)庫、索引數(shù)據(jù)庫、日志數(shù)據(jù)庫等。本系統(tǒng)架構(gòu)支持不同業(yè)務(wù)采用異構(gòu)數(shù)據(jù)庫。其中主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySql，共52個表、7個視圖。數(shù)據(jù)緩存采用了Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，主要保存用戶登錄狀態(tài)to?ken以及計算耗時較長的每日排行榜數(shù)據(jù)等。題目索引數(shù)據(jù)、系統(tǒng)日志數(shù)據(jù)等存儲在Elasticsearch中。

3 總結(jié)

本文介紹了面向應(yīng)用型本科生的在線編程訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了多源題庫、趣味練習(xí)、在線競賽、用戶互動及達人養(yǎng)成等功能，設(shè)計了富有趣味性和競技性的訓(xùn)練模式，有效提升了學(xué)生的編程參與度和練習(xí)效果。系統(tǒng)基于微服務(wù)架構(gòu)，采用協(xié)同過濾推薦、可伸縮評測機及數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)，提供了一個靈活、開放、免費的編程學(xué)習(xí)和教學(xué)環(huán)境。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】