结对编程——四则运算练习题

项目介绍

项目引言

      在学习编程的道路上，理论知识与实践项目相辅相成，而结对编程更是加速成长、深化理解的有效方式，对于两个可能编程风格和速度截然不同的人，想要共同完成一个项目就不得不需要沟通、设计和互相借鉴学习。近期，我与搭档（学号2352313）携手合作，共同完成了一个 C++ 编写的四则运算测验程序。通过两人思维的碰撞与技术的互补，我们不仅巩固了 C++ 编程的各类知识，还收获了团队协作的宝贵经验。该程序能够生成包含两个运算符的四则运算题目，引导用户进行答题，并在测验结束后给出得分与个性化评价，是一个兼具实用性与学习价值的小项目。接下来，我将详细分享我们在结对编程过程中的设计思路、代码实现与实践感悟 。

功能需求

      1.能够随机生成包含两个运算符的四则运算题目，运算符包括加、减、乘、除。

      2.确保生成的题目符合数学规则，例如除数不能为零，减法结果不能为负数，除法结果必须为整数。

      3.能够让用户输入答案，并判断答案是否正确。

      4.记录用户的正确答题数量，并计算得分。

      5.根据用户的得分给出相应的评价。

用户需求

      1.在学校教育体系中，四则运算是数学学科最基础且重要的内容。小学阶段，学生需要通过大量练习来熟练掌握整数的加减乘除运算，打好数学基础；初中阶段，运算的复杂性提升，包含小数、分数等类型，对运算的准确性和速度都有更高要求。此程序可以为学生提供个性化的练习方式，学生通过输入题目数量，能够自主安排学习强度，在课后进行针对性的训练，从而提高课堂知识的掌握程度，在考试中取得更好成绩。同时，程序即时反馈答案正误和最终得分评价的功能，能让学生快速了解自己的学习效果，及时发现知识薄弱点。

      2.教师在教学过程中，常常需要为学生布置适量的四则运算练习题。传统方式下，教师需要手动编写题目，耗时耗力。使用本程序，教师可以根据教学进度和学生的实际水平，输入合适的题目数量，快速生成大量符合要求的四则运算题目，用于课堂练习、课后作业或测验。而且，程序统一的评分和评价标准，也能为教师评估学生学习情况提供参考，减轻教师的教学负担，提高教学效率。

      3.家长在辅导孩子学习四则运算时，往往缺乏系统的练习资源。借助这个程序，家长可以根据孩子的学习状态和能力，灵活调整题目数量，为孩子制定专属的学习计划。在孩子完成练习后，家长能够通过程序给出的得分和评价，直观了解孩子的学习效果，有针对性地进行辅导和强化训练，助力孩子提升数学运算能力。

设计思路

整体架构

      程序采用面向对象的设计思想，将主要功能封装在 MathQuiz 类中。MathQuiz 类包含了随机数生成、题目生成、计算结果、运行测验等功能。main 函数负责与用户交互，获取用户输入的题目数量，并调用 MathQuiz 类的 runQuiz 方法开始测验。

数据结构

      使用 std::mt19937 作为随机数生成器，确保生成的随机数具有较好的随机性。

      使用 std::vector<char> 存储运算符，方便随机选择运算符。

      使用 std::stringstream 来拼接题目字符串。

算法设计

      随机数生成：使用 std::uniform_int_distribution 生成 1 到 100 之间的随机整数。

      题目生成：通过循环不断生成随机的运算符和操作数，直到生成的题目符合数学规则和结果范围要求。

      结果计算：根据运算符的优先级，先计算乘法和除法，再计算加法和减法。

代码实现

代码设计

以下是该项目的代码设计：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <random>
#include <ctime>
#include <stdexcept>
#include <sstream>
#include <iomanip>
#include <limits> 

class MathQuiz {
private:
    std::mt19937 rng;
    const std::vector<char> operators{ '+', '-', '*', '/' };

    int randomNum() {
        std::uniform_int_distribution<int> dist(1, 100);
        return dist(rng);
    }

    bool isDivisible(int a, int b) {
        return (b != 0) && (a % b == 0);
    }

    int calculateResult(int num1, char op1, int num2, char op2, int num3) {
        int part1, part2, result;

        if ((op1 == '+' || op1 == '-') && (op2 == '*' || op2 == '/')) {
            part2 = (op2 == '*') ? num2 * num3 : num2 / num3;
            result = (op1 == '+') ? num1 + part2 : num1 - part2;
        }
        else {
            switch (op1) {
            case '+': part1 = num1 + num2; break;
            case '-': part1 = num1 - num2; break;
            case '*': part1 = num1 * num2; break;
            case '/': part1 = num1 / num2; break;
            }
            switch (op2) {
            case '+': result = part1 + num3; break;
            case '-': result = part1 - num3; break;
            case '*': result = part1 * num3; break;
            case '/': result = part1 / num3; break;
            }
        }
        return result;
    }

public:
    MathQuiz() {
        rng.seed(std::time(nullptr));
    }

    // 修改了返回类型，避免使用结构化绑定
    void generateProblem(std::string& problem, int& answer) {
        int num1, num2, num3;
        char op1, op2;
        bool valid;

        do {
            valid = true;
            std::uniform_int_distribution<int> opDist(0, 3);
            op1 = operators[opDist(rng)];
            op2 = operators[opDist(rng)];

            num1 = randomNum();
            num2 = randomNum();
            num3 = randomNum();

            if (op1 == '/' && !isDivisible(num1, num2)) {
                valid = false;
                continue;
            }

            if (op2 == '/') {
                if (op1 == '+' || op1 == '-') {
                    int temp = (op1 == '+') ? num1 + num2 : num1 - num2;
                    if (!isDivisible(temp, num3)) {
                        valid = false;
                        continue;
                    }
                }
                else {
                    if (!isDivisible(num2, num3)) {
                        valid = false;
                        continue;
                    }
                }
            }

            if (op1 == '-' && num1 < num2) {
                valid = false;
                continue;
            }

            if (op2 == '-') {
                if (op1 == '+' || op1 == '-') {
                    int temp = (op1 == '+') ? num1 + num2 : num1 - num2;
                    if (temp < num3) {
                        valid = false;
                        continue;
                    }
                }
                else {
                    if (num2 < num3) {
                        valid = false;
                        continue;
                    }
                }
            }

            answer = calculateResult(num1, op1, num2, op2, num3);
            if (answer < 0 || answer > 1000) {
                valid = false;
            }

        } while (!valid);

        std::stringstream ss;
        ss << num1 << " " << op1 << " " << num2 << " " << op2 << " " << num3;
        problem = ss.str();
    }

    void runQuiz(int numProblems) {
        int correctAnswers = 0;

        std::cout << "\n四则运算测验开始！共 " << numProblems << " 题。\n\n";

        for (int i = 0; i < numProblems; ++i) {
            std::string problem;
            int answer;
            generateProblem(problem, answer);  // 修改了调用方式

            int userAnswer;
            std::cout << "第 " << i + 1 << " 题: " << problem << " = ? ";

            while (!(std::cin >> userAnswer)) {
                std::cout << "请输入一个有效的整数: ";
                std::cin.clear();
                std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n');
            }
            std::cin.ignore();  // 清除换行符

            if (userAnswer == answer) {
                std::cout << "✓ 正确！\n";
                correctAnswers++;
            }
            else {
                std::cout << "✗ 错误！正确答案是: " << answer << "\n";
            }
            std::cout << std::endl;
        }

        double score = static_cast<double>(correctAnswers) / numProblems * 100;
        std::cout << "测验结束！\n";
        std::cout << "你的得分: " << correctAnswers << "/" << numProblems
            << " (" << std::fixed << std::setprecision(1) << score << "%)\n";

        if (score == 100) {
            std::cout << "六百六十六你真的会做\n";
        }
        else if (score >= 80) {
            std::cout << "有点东西，但不多\n";
        }
        else if (score >= 60) {
            std::cout << "一般\n";
        }
        else {
            std::cout << "纯飞舞，菜就多练\n";
        }
    }
};

int main() {
    MathQuiz quiz;
    int numProblems;

    std::cout << "四则运算练习题与测验系统\n";
    std::cout << "请输入要回答的题目数量: ";
    std::cin >> numProblems;

    if (std::cin.fail() || numProblems <= 0) {
        std::cerr << "请输入一个有效的正整数" << std::endl;
        return 1;
    }

    quiz.runQuiz(numProblems);
    return 0;
}

代码解释

MathQuiz 类：

      rng：随机数生成器。

      operators：存储运算符的向量。

      randomNum 方法：生成 1 到 100 之间的随机整数。

      isDivisible 方法：判断两个数是否可以整除。

      calculateResult 方法：根据运算符的优先级计算表达式的结果。

      generateProblem 方法：生成符合规则的四则运算题目，并计算结果。

      runQuiz 方法：运行测验，显示题目，获取用户答案，判断答案是否正确，并计算得分和评价。

main 函数：

      创建 MathQuiz 对象。

      获取用户输入的题目数量。

      调用 runQuiz 方法开始测验。

测试与调试

1.当使用者点下开始运行后，出现用户界面，输入需要生成的题目数量

2.在输入题目数量后，将分别输出题目，请使用者回答

3.在每道题做完之后，都会判断正确与否，并输出相应的答案

4.在做完题目后，会输出总正确率，以及一句评价

5.其他评价如下：

问题与解决：

1.题目生成的逻辑复杂度问题

      在生成包含两个运算符的四则运算题目时，需要同时满足多种规则，如除法的整除性、减法结果非负性，还要处理运算符优先级。最初代码逻辑混乱，导致生成的题目经常出现不符合要求的情况，且难以排查错误。

解决方法：

      将题目生成的逻辑拆分为多个独立的函数，如randomNum()用于生成随机数，isDivisible()检查整除性，calculateResult()计算表达式结果。通过函数模块化，降低了代码耦合度，提高了可读性和可维护性。

      采用do-while循环结构，在循环中不断生成新的题目并进行规则检查，直到生成符合所有要求的题目。同时，在每次循环中添加详细的continue条件判断，及时排除不符合规则的中间结果，减少无效计算。

2. 用户输入异常处理不全面

      当用户输入非整数内容时，程序会陷入错误状态，无法继续正常运行。此外，用户可能输入负数或过大的题目数量，也会导致程序异常。

解决方法：

      在获取用户输入题目数量时，使用std::cin.fail()判断输入是否合法。如果输入失败，通过std::cin.clear()清除错误状态，std::cin.ignore(std::numeric_limits<std::streamsize>::max(), '\n')清空输入缓冲区，然后提示用户重新输入有效的正整数。

      在用户答题环节，同样使用循环检查输入合法性。当用户输入非整数时，提示用户输入有效整数，并重复等待输入，直到获取到合法输入。

3. 代码风格与协作冲突

      由于是结对编程，我和搭档在代码缩进风格、变量命名习惯等方面存在差异，导致合并代码时出现较多冲突，影响开发效率。

解决方法：

      双方共同查阅 C++ 代码规范，最终确定采用 Google C++ Style 作为统一标准。明确了代码缩进、命名规则、注释格式等具体要求。

总结与展望

      在本次结对开发四则运算测验程序的过程中，我们不仅将 C++ 编程知识付诸实践，更在团队协作中收获颇丰。面对题目生成逻辑复杂、用户输入异常处理、代码风格统一及程序扩展性等诸多挑战，我们通过模块化编程、制定统一规范、优化架构设计等方式逐一攻克。

      在技术层面，我们深入理解了 C++ 中随机数生成、输入输出流处理、类与对象的设计和使用。通过将功能拆分为独立函数和模块，提升了代码的可读性和可维护性；利用版本控制工具 Git 解决了代码合并冲突，保障了开发流程的顺畅。在协作层面，结对编程模式让我们能够相互学习、查漏补缺，不同的思维方式碰撞出更优的解决方案，极大提高了开发效率和代码质量。

      最终完成的程序不仅实现了随机生成四则运算题目、用户答题、自动评分及评价等核心功能，还具备一定的容错性和可扩展性，能够满足学生、成人练习心算、教师布置作业等多样化需求。这次实践让我们深刻体会到，一个成功的项目不仅需要扎实的技术功底，更离不开良好的团队协作和问题解决能力。

      尽管当前版本的四则运算测验程序已经具备了基础功能，但仍有许多优化和扩展的空间：

      功能拓展：未来计划增加更多运算类型，如幂运算、开方运算、三角函数运算等，以满足更高阶的数学练习需求；支持分数、小数的运算，进一步提升题目多样性。同时，考虑添加计时功能，让用户在规定时间内完成测验，增强练习的挑战性和趣味性。

      用户体验优化：引入图形化界面，使用 Qt 或 SDL 等库替代当前的命令行交互，让程序更直观易用；设计个性化的用户界面主题，提供错题回顾、学习进度统计等功能，帮助用户更好地掌握学习情况。

      教育功能深化：针对学生用户，结合教学大纲设计分阶段的练习题库；为教师用户提供更多的题目筛选和导出功能，方便生成定制化试卷；增加智能提示和解题思路引导，帮助用户理解和掌握运算方法。

      性能与稳定性提升：优化随机数生成和题目计算的算法，提高程序运行效率；进行全面的压力测试，确保程序在处理大量题目和高并发使用场景下的稳定性。