Moodle自動評測系統(tǒng)在高中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用探究

【摘要】高中信息技術(shù)新教材將編程教育作為一項重要內(nèi)容，在教學(xué)實踐過程中存在著學(xué)生的練習(xí)代碼無法快速批改、無法進(jìn)行課堂評價和給予學(xué)生反饋等難題。筆者受信息學(xué)奧林匹克競賽自動評測系統(tǒng)（OJ）的啟發(fā)，基于開源軟件Moodle搭建了適用于高中Python教學(xué)使用的自動評測系統(tǒng)。實踐表明，使用自動評測系統(tǒng)可以大大減輕教師的作業(yè)判題工作量，同時可以給學(xué)生更加準(zhǔn)確及時的反饋，提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動力和積極性，取得了良好的教學(xué)效果?！娟P(guān)鍵詞】Python;自動評測;Moodle;編程教育《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將計算思維確定為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的四個核心要素之一[1]。Python語言重算法、輕語法、易入門的特點(diǎn)，便于中學(xué)信息技術(shù)課程展開教學(xué)，成為新教材的主要程序設(shè)計語言。編程學(xué)習(xí)前期需要反復(fù)嚴(yán)格的上機(jī)代碼訓(xùn)練，這樣可以深化對代碼的理解，提高程序設(shè)計的熟練度，然而傳統(tǒng)條件下，教師批改學(xué)生提交的Python代碼作業(yè)是一項非常耗時耗力的枯燥工作。筆者借鑒信息學(xué)競賽使用的在線自動評測系統(tǒng)實現(xiàn)自動判題，基于開源軟件Moodle搭建了適用于高中Python教學(xué)使用的自動評測系統(tǒng)（以下簡稱“Moodle自動評測系統(tǒng)”），學(xué)生利用系統(tǒng)編寫并提交代碼，系統(tǒng)在幾秒內(nèi)快速對代碼進(jìn)行檢查和結(jié)果比對并給出檢查結(jié)果，將大大減少教師的判題工作量。目前國內(nèi)已有將自動評測系統(tǒng)應(yīng)用于信息技術(shù)教學(xué)的實踐和研究，經(jīng)過實踐證明，基于Moodle的在線評測系統(tǒng)是可行的，通過在線OJ應(yīng)用于信息技術(shù)教學(xué)具有重要意義。本文在LAMP環(huán)境下部署開源課程管理系統(tǒng)Moodle，安裝CodeRunner插件和Jobe服務(wù)器，實現(xiàn)Python在線自動判題系統(tǒng)的快速部署，在教學(xué)應(yīng)用的過程中不僅減少了教師的工作量，還提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和積極性，取得了預(yù)期的良好效果。采用Moodle自動評測系統(tǒng)的理由當(dāng)前傳統(tǒng)的學(xué)生代碼作業(yè)批改一般過程為：學(xué)生根據(jù)項目任務(wù)使用代碼編輯器編寫代碼，調(diào)試運(yùn)行結(jié)果，然后把源代碼通過機(jī)房管理軟件或者FTP服務(wù)器提交給老師，老師在收到學(xué)生的代碼作業(yè)后，需要將每位學(xué)生的源代碼文件逐個打開，再編譯運(yùn)行，檢查代碼運(yùn)行結(jié)果是否正確，找出出錯的原因，對學(xué)生的作業(yè)反饋一般在下一節(jié)上課前。這樣的作業(yè)判題工作量非常大，也比較枯燥，課堂評價無法開展，很少能對每位學(xué)生做出快速反饋，一般會在下一節(jié)課找出典型難點(diǎn)和共性問題進(jìn)行全體講解，教學(xué)反饋周期長，沒有針對性，批改難以正確客觀。長期以往，會出現(xiàn)學(xué)生提交作業(yè)的積極性不高或者應(yīng)付作業(yè)的情況。因此，采用一種能夠自動對學(xué)生提交的代碼進(jìn)行批改的系統(tǒng)成為優(yōu)化傳統(tǒng)代碼作業(yè)批改這一亟需解決問題的最優(yōu)辦法。OJ是OnlineJudge的簡稱，即在線評測系統(tǒng)，在系統(tǒng)后臺會對提交的程序進(jìn)行嚴(yán)格的測試，有的還會對運(yùn)行的時間和內(nèi)存作出限制。OJ系統(tǒng)最初應(yīng)用于信息學(xué)奧林匹克競賽中的自動判題和排名，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各種程序設(shè)計訓(xùn)練和競賽的作業(yè)自動提交判斷中。雖然信息學(xué)奧賽OJ系統(tǒng)已經(jīng)非常廣泛和成熟，但是二者有著明顯的差異，并不適合信息技術(shù)課堂教學(xué)。常用的開源OJ主要針對信息學(xué)競賽的學(xué)生，一般題庫的數(shù)量大、難度大，僅限于訓(xùn)練答題，沒有課程管理，不適合剛?cè)腴T的普通班級學(xué)生的學(xué)情和學(xué)習(xí)進(jìn)度?；贛oodle的OJ很容易上手應(yīng)用，教師可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)度和學(xué)生學(xué)情選擇設(shè)計每節(jié)課的練習(xí)題目，比較適合日常的信息技術(shù)教學(xué)。Moodle自動評測系統(tǒng)則可以幫助教師根據(jù)所教班級學(xué)生的實際學(xué)情自主命制每節(jié)課的練習(xí)題。采用Moodle自動評測系統(tǒng)，學(xué)生在系統(tǒng)網(wǎng)頁中編輯并提交代碼，系統(tǒng)會給出即時反饋，知道代碼運(yùn)行是否正確，教師在后臺可以快速可視化地查看作業(yè)得分統(tǒng)計，一方面激發(fā)了學(xué)生完成作業(yè)的積極性，同時也便于教師進(jìn)行作業(yè)管理和課堂教學(xué)。Moodle自動評測系統(tǒng)原理與實現(xiàn)Moodle是一個由澳大利亞教師MartinDougiamas開發(fā)的基于建構(gòu)主義的課程管理系統(tǒng)（CMS）[2]，它遵循GNU公共許可協(xié)議，是一個任何人都可以免費(fèi)使用的自由的開源軟件，采用B/S模式。在國內(nèi)黎加厚等教育技術(shù)專家的推廣下，已成為深受教育工作者喜愛的一種可以快速搭建在線課程管理系統(tǒng)的工具[3]。Moodle采用模塊化面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，不僅極大地方便了教師個人開展在線課程和網(wǎng)站管理，還具有極好的靈活性和可擴(kuò)展性，許多Moodle愛好者開發(fā)了品類豐富的實用插件，管理員可以像安裝App一樣在線快速地安裝和配置，并且可以和Moodle通信，統(tǒng)一管理。新西蘭坎特伯雷大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系的Richardlobb博士開發(fā)了一個名為“沙盒（Jobe）”的計算機(jī)程序自動評測后端系統(tǒng)和名為CodeRunner的Moodle測驗題插件，它使得Moodle可以添加代碼檢測試題，支持Python、C++等超過40種語言，并把自動評測結(jié)果同步到Moodle平臺的作業(yè)統(tǒng)計中。Jobe服務(wù)是一個名為Docker的開源應(yīng)用容器平臺，讓開發(fā)者可以將他們的應(yīng)用以及依賴包到一個可打包移植的鏡像中，然后發(fā)布到任何流行的Linux或Windows操作系統(tǒng)的電腦上，也可以實現(xiàn)虛擬化。容器完全使用沙箱機(jī)制，相互之間不會有任何接口[4]。用戶提交的作業(yè)代碼在相互獨(dú)立的虛擬化容器里編譯運(yùn)行，然后返回結(jié)果。Moodle服務(wù)器采用LAMP環(huán)境，CodeRunner安裝在Moodle（3.0版或更高版本）服務(wù)器上使用，運(yùn)行代碼的”沙盒”軟件（Jobe）安裝在具有足夠安全性和防火墻的單獨(dú)機(jī)器上，也可以部署在同一臺服務(wù)器上。但是，如果考慮到反應(yīng)速度或者應(yīng)用于考試，則建議使用單獨(dú)的服務(wù)器，CodeRunner插件需要管理員配置指向Jobe服務(wù)器的端口號。Jobe服務(wù)可以不單獨(dú)部署，該插件最初配置為連接到坎特伯雷大學(xué)的Jobe服務(wù)器以運(yùn)行作業(yè)，但它提供的服務(wù)有限，僅對初步測試有用。Moodle自動評測系統(tǒng)的效率（所支持的并發(fā)用戶數(shù)）與部署moodle的服務(wù)器有關(guān)，假設(shè)學(xué)生代碼本身在幾分之一秒內(nèi)運(yùn)行，單個4核Moodle服務(wù)器每分鐘可以處理大約60個測驗問題，同時保持小于約3～4秒的響應(yīng)時間。本文的工程實現(xiàn)過程如下：硬件采用戴爾R420服務(wù)器，支持整合和虛擬化的環(huán)境，服務(wù)器安裝一個linux發(fā)行版Ubuntu20.04操作系統(tǒng)，然后部署和配置Apache2+PHP7.4+MySQL8.0服務(wù)，在此環(huán)境下安裝Moodle3.11網(wǎng)站系統(tǒng)軟件包，在線安裝插件CodeRunner和Adaptiveadaptedforcoderunner，最后部署和配置用于自動評測的后端系統(tǒng)的Jobe服務(wù)器。然后進(jìn)行課程設(shè)置就可以進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用了。基于開源軟件Moodle可以免費(fèi)、快速地搭建自動評測系統(tǒng)，教師可以自行維護(hù)，不需要第三方公司等，用到的模塊如圖1所示，一方面可以提升信息技術(shù)教師的專業(yè)素養(yǎng)，另一方面便于教師自行設(shè)計題庫和內(nèi)容，比較適合個性化、精準(zhǔn)化的信息技術(shù)教學(xué)工作。Moodle自動評測系統(tǒng)的教學(xué)實踐效果采用Moodle自動測評系統(tǒng)的教學(xué)過程如圖2所示，學(xué)生提交用程序設(shè)計語言在線編寫的代碼后，系統(tǒng)在后端Jode內(nèi)編譯和運(yùn)行，將其與預(yù)設(shè)提供的測試用例進(jìn)行比較，以檢查程序是否正確，還可以設(shè)定根據(jù)提交次數(shù)給予具有一定懲罰機(jī)制的趣味化設(shè)置。筆者本學(xué)期應(yīng)用Moodle在線評測系統(tǒng)的教學(xué)實驗共有12節(jié)，2個教學(xué)班共115人參加，使用過程中學(xué)生積極參與，教學(xué)效果明顯提高，以下數(shù)據(jù)來源于筆者采用Moodle自動評測系統(tǒng)進(jìn)行“循環(huán)嵌套”教學(xué)的統(tǒng)計。1.便于內(nèi)容管理在傳統(tǒng)的信息技術(shù)課堂教學(xué)中，學(xué)生如果有知識遺忘需要查閱課本或者詢問教師，但是對于編程而言，課本上關(guān)于Python編程用到的知識點(diǎn)不夠完整，借助Moodle課程管理平臺，可以將Python編程語言的基礎(chǔ)要點(diǎn)做成一個內(nèi)容網(wǎng)頁，便于學(xué)生在使用時快速檢索回顧。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，“循環(huán)嵌套”知識頁面點(diǎn)擊量292次，學(xué)生反饋良好，認(rèn)為一方面可以查詢本節(jié)課用到的知識點(diǎn)，另一方面還可以快速查詢以往課程的知識點(diǎn)，有助于節(jié)約時間、提高學(xué)習(xí)效率。2.便于即時反饋采用Moodle自動評測系統(tǒng)，學(xué)生提交代碼就能即時判分，這也是教師使用自動評測系統(tǒng)積極性最高的地方，讓初學(xué)編程的學(xué)生在課堂上找到要做的事，能感受到自己的進(jìn)步。當(dāng)然這也帶來了課堂作業(yè)的應(yīng)試感，因此，教師需要采用不同的教學(xué)策略和語言引導(dǎo)學(xué)生擺脫應(yīng)試思維。采用自動評測系統(tǒng)的目的并不是為了通過率或者數(shù)量，僅僅是一種快速評測代碼的工具而已，是為了幫助學(xué)生即時得到自己代碼在嚴(yán)格評測系統(tǒng)中的反饋，幫助他們找到進(jìn)步的成就感。根據(jù)自我效能感與學(xué)習(xí)倦怠成負(fù)相關(guān)的關(guān)系[5]，提升學(xué)生的自我效能感有助于減少程序?qū)W習(xí)的壓力、枯燥等帶來的學(xué)習(xí)懈怠。3.便于課堂評價和作業(yè)管理傳統(tǒng)課堂的教學(xué)評價無法有效進(jìn)行，Moodle系統(tǒng)中的圖、表可視化的作業(yè)統(tǒng)計功能非常便于教師的課堂評價。以往教師需要大量的時間出題和維護(hù)題庫，通過Moodle自動評測系統(tǒng)，教師可以查看每節(jié)課隨堂練習(xí)題的學(xué)生完成情況、難度、區(qū)分度等，不斷根據(jù)學(xué)情優(yōu)化題庫，隨著代碼的積累，形成特色的題庫，有