自动生成小学四则运算题目的命令行程序（基于python）

项目|内容
--|:--😐--:
这个作业属于哪个课程|软件工程
这个作业要求在哪里|作业要求
这个作业的目标|自动生成小学四则运算题目的命令行程序
这个作业的成员|3218005395 郭泽纯，3218005397 刘烷婷

Github链接

PSP表格

项目 内容 预估耗时（分钟） 预估耗时（分钟）
Planning 计划 60 80
Estimate 估计这个任务需要多少时间 150 150
Development 开发 600 660
Analysis 需求分析 (包括学习新技术) 360 350
Design Spec 生成设计文档 160 180
Design Review 设计复审 30 40
Coding Standard 代码规范 (为目前的开发制定合适的规范) 30 40
Design 具体设计 60 60
Coding 具体编码 60 150
Code Review 代码复审 30 30
Test 测试（自我测试，修改代码，提交修改） 240 300
Reporting 报告 60 30
Test Repor 测试报告 60 30
Size Measurement 计算工作量 10 20
Postmortem & Process Improvement Plan 事后总结, 并提出过程改进计划 20 10
total 合计 1890 2130

效能分析

  • 以下是pycharm自带的效能分析工具profile进行效能分析的结果


    从上述结果中，可以看到，由于在题目查重中，使用了转换逆波兰表达式（suffix_ex(expression)），二叉树排序等算法，程序运行时间较长。经过思考后，很遗憾我们仍找到更优算法去进行优化。希望在积累了更多的项目经验后，我们能将代码进行优化。

设计实现过程及重要代码说明

  • 项目文件各功能如下：

文件|功能
--|:--😐--:
main.py|主程序
Exercises.txt|生成的四则运算题目文档
Answers.txt|生成的答案文档
Grade.txt|统计答案对错的数量文档
Sexercises1.txt|给定的的四则运算题目文档
Sanswers1.txt|给定的答案文档

  • 本次设计由生成随机四则运算题目，根据生成题目运算出答案，校对生成的答案三个部分组成

  • main函数

    • 使用 -n 参数控制生成题目的个数及使用 -r 参数控制题目中数值（自然数、真分数和真分数分母）的范围，实现代码如下：

  def main():
      try:
          # sys.argv[1:5]只读取前四个输入字符   parameter1/parameter2为两个参数
          s1, parameter1, s2, parameter2 = sys.argv[1:5]
          res = raise_ex(s1, s2)
          if res == 1:
              n = parameter1
              r = parameter2
              generate_equation(r)
              generate_file(n, r)
              print("生成题目成功！请查看 'Exercises.txt' 和 'Answers.txt'\n")
          elif res == 2:
              e = parameter1
              a = parameter2
              proofreading(e, a)
              print("校对完成！请在 'Grade.txt' 查看结果\n")
      except BaseException:
          print("Error:输入命令错误,请检查后重新输入")
  • 随机式子生成器：generate_equation(erange)
    • 设置一个生成题目的函数，使用numpy库，（因为numpy比python列表速度要快得多，numpy数组本身能节省内存，并且numpy在执行算术、统计和线性代数时采 用了优化算法）
      通过np.random.randint()来产生随机整数，np.random.rand()来生成随机小数，然后再转化为分数，再添加运算符号，实现代码如下：

  def generate_equation(erange):
      # erange = 20  # 控制题目中数的大小
      operator = [' + ', ' - ', ' x ', ' ÷ ']
      end_opt = ' ='
      # 随机生成自然数和分数的个数，但控制总和不超过4，从此控制题目不超过三个运算符
      nnature, nfraction = np.random.randint(1, 3, size=2)
      # print(nnature,nfraction)
      lnature = [str(x) for x in np.random.randint(1, erange, size=nnature)]  # 产生1-erange之间的自然整数
      # print(lnature)
      # np.random.rand()产生的是0-1之间的小数，产生的个数是根据参数nfraction来定的，round()根据四舍五入来取值，+0.5是为了防止取值后为0
      lfloat = [str(round(x + 0.5, 1)) for x in np.random.rand(nfraction)]
      lfraction = list()
      # decimal.Decimal()把lfloat中字符串类型转化为十进制数据，然后用fractions.Fraction()再次转化为分数，最后通过check_frac来整理为带分            数，添加至lfraction
      for fraction in [fractions.Fraction(decimal.Decimal(x)) for x in lfloat]:
          lfraction.append(check_frac(fraction))
      equation = ''
      bag = lnature + lfraction  # 将生成的自然整数和分数存在bag里
      # print(bag)
      len_bag = len(bag)
      for it in range(len_bag):
          randint = np.random.randint(len(bag))
          equation += bag[randint]  # 取数
          if it < len_bag - 1:  # len_bag-1即是it的最大取值，所以当it<len_bag时，后面加随机操作符
              equation += operator[randint]  # 当it>=len_bag时，把等号补上，式子完成，跳出循环
          else:
              equation += end_opt
          bag.pop(randint)  # 当数取出的时候，应该把它从bag里去除
      # print(equation)
      return equation
  • 检查分数形式：def check_frac(fraction)
    • 通过判断分子和分母的大小来判断真假分数，遇到假分数则转化为带分数，实现代码如下：

  def check_frac(fraction):
      if fraction.numerator > fraction.denominator:  # 分子大于分母，即假分数
          mixed = fraction.numerator // fraction.denominator  # 提取带分数前面的整数
          if fraction - mixed == 0:
              frac_str = '{}'.format(mixed)
          else:
              frac_str = '{}`{}'.format(mixed, fraction - mixed)
      else:
          frac_str = str(fraction)
      return frac_str
  • 计算答案函数：compute_equation(equation)
    • 设置一个生成答案的函数，通过对式子进行分割，然后格式化形式，通过eval()函数返回式子答案，实现代码如下:

  def compute_equation(equation):
      lequation = equation.split(' ')  # 将式子进行分割，则遇到空格就截取，分割完成后显示[数字+符号]
      # print(lequation)
      for it in range(len(lequation)):
          etype = elem_type_judge(lequation[it])
          if etype == 'f':
              if '`' in lequation[it]:
                  tnum, frac = lequation[it].split('`')  # 把带分数分割成整数和分数
                  # print(tnum,frac)
                  lequation[it] = '({}+fractions.Fraction(\'{}\'))'.format(tnum, frac)
                  # print(lequation[it])
              else:
                  lequation[it] = 'fractions.Fraction(\'{}\')'.format(lequation[it])
          elif etype == 'n':
              lequation[it] = 'fractions.Fraction(\'{}\')'.format(lequation[it])
          elif etype == 'o':
              if lequation[it] == '÷':
                  lequation[it] = '/'
              if lequation[it] == 'x':
                  lequation[it] = '*'
          elif etype == 'e':
              lequation[it] = ''
      fequation = ''.join(lequation)
      try:
          result = eval(fequation)
          if result < 0:
              return '-1'
          else:
              # print(check_frac(result))
              return check_frac(result)
      except ValueError:
          print('the equation is wrong')
          return '-1'
  • 判断重复方法:is_repeat(express_set, expression)，实现代码如下:
    • 其中包含了将中缀表达式转为后缀表达式（逆波兰表达式）的方法：suffix_ex(expression):
    • 然后将得出的结果转为二叉树，并进行排序，生成一个字符串：new_tree(exp)
      比较当前表达式与列表中表达式所生成的字符串是否相同，若相同，则说明发生重复：same_judge(root)

  def is_repeat(express_set, expression):
      a = suffix_ex(expression)  # expression转化为后缀表达式
      a_tree = new_tree(a)  # 再生成二叉树
      for it in express_set:
          b_suffix = suffix_ex(it)  # expression_set的其中一个expression转化为后缀表达式转化为后缀表达式
          b_binary_tree = new_tree(b_suffix)
          if same_judge(a_tree) == same_judge(b_binary_tree):  # 判断两个二叉树是否相同
              return True
      return False
  • 异常处理：raise_ex(s1, s2)
    • 简单的异常处理机制，就是在通过命令行输入参数时，除了-n -r还有-e -a这两种标准输入外，其他均视为非法输入，
      显示“输入命令错误，请检查后重新输入”，实现代码如下:

  raise_ex(s1, s2):
      if s1 == '-n' and s2 == '-r':  # 当输入-n xx -r xx 时，即是生成题目和答案的过程
          return 1
      elif s1 == '-e' and s2 == '-a':  # 当输入-e xx -a xx 时，即是校对给定题目和答案的过程
          return 2
      else:
          ex = Exception('Error:参数格式错误！')
          raise ex

测试运行

  • 生成题目的个数为10，题目中数值（自然数、真分数和真分数分母）的范围10

    • 命令行输入 python main.py -n 10 -r 10
      可以生成题目文件 Exercises.txt和答案文件 Answers.txt




    • 命令行输入 python main.py -e 给定的题目文件 -a 给定的答案文件
      可以生成校对完成后的文件Grade.txt

      全对的情况如下：

    • 手动将第三个答案修改（正确答案是4，改为24），可以看到准确给出错误的数量还有哪些题错了，正确的数量还有哪些题做对了也都有给出
      其中“:”后面的数字5表示对/错的题目的数量，中括号内的是对/错题目的编号。


    • 若输入的命令行形式有错误，则会触动异常处理机制，输出 Error：输入命令错误。

  • 可支持10000条题目与答案的生成:
    生成题目的个数为10000，题目中数值（自然数、真分数和真分数分母）的范围最大值为10



项目小结

  • 郭泽纯：刚开始看到题目，我感觉这个项目对我自己来说还是蛮有难度的，但想到还有一个队友可以共同完成，心里就踏实了一点。收获颇多，再次让我见到了很多没接触过的知识以及对pycharm的运用更加熟悉，通过借鉴网上的思路以及交流彼此的想法，在两人的共同努力下完成了这个项目，当然还有需要优化的地方。还有之前并没有参加过团队开发，所以这次也让我体会到了团队合作的重要性，相互学习，共同进步。

  • 刘烷婷：从项目设计到项目实现的过程中，我深刻体会到结对合作跟单枪匹马编程是不一样的。在两个人的合作中，会有意见相左的地方，这时候就需要磨合；但大部分时候我们都是融洽协作的。在共同进行项目设计后，我们各自认领了不同模块的函数编写任务，在规定时间内完整编写，并进行代码的整合。在编写博客的时候我们也是分别写不同的板块，有什么问题就及时跟对方进行交流，最后完成了博客。我觉得写得还不错！毕竟这是我们合作的成果。这次跟泽纯同学的结对编程很愉快我从中学习到了许多，希望下一次也能跟她合作！

posted @ 2020-10-12 23:13  RabbitLau  阅读(231)  评论(0)  编辑  收藏  举报