基于GitHub平臺的問題驅(qū)動式編程實驗教學(xué)方法

曾少寧++李慧++袁秀蓮

摘 要：針對編程實驗教學(xué)過程中，存在教師分配任務(wù)和學(xué)習(xí)提交實驗代碼過于耗費時間、教師評測實驗代碼和匯總成績完全依賴手工等問題，分析使用云服務(wù)和開源協(xié)同開發(fā)平臺功能以輔助編程實驗教學(xué)的方法與過程，提出一種基于GitHub平臺的問題驅(qū)動式編程實驗教學(xué)方法，具體闡述在兩個學(xué)期Android、Web等編程課程實驗教學(xué)中對可行性和有效性的驗證。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法；GitHub；交互式學(xué)習(xí)；編程語言

0 引 言

GitHub是一個開源協(xié)同開發(fā)平臺，支持代碼庫（repository）、問題跟蹤（issue）、項目分支（fork）、代碼提交（commit）、代碼合并請求（pull request）等功能，可用于支持大規(guī)模開源和商業(yè)軟件項目的開發(fā)，其最吸引人關(guān)注的研究點有GitHub開源貢獻模式[1-2]、基于GitHub的商業(yè)軟件開發(fā)[3-4]、社交編碼[5-6]、社交行為模式[7-8]、協(xié)同工作流[9-10]、在線分布式軟件開發(fā)[11]、共同創(chuàng)作平臺[12]、推薦算法[13]及教育應(yīng)用[14]。

最近，GitHub官方還推出一個面向教育的課堂工具[15]，與其他用于教育的開源技術(shù)類似[16-17]，GitHub也可以作為一種教學(xué)工具，用于支持軟件工程專業(yè)的協(xié)同學(xué)習(xí)模式[14]。之前的研究表明，使用GitHub替代傳統(tǒng)教學(xué)資源與教學(xué)方法，可以改進教學(xué)過程[18-19]；同時，GitHub所提供的版本控制功能也可以集成到本科計算機科學(xué)課堂中[20]。一些教學(xué)工作者使用GitHub的服務(wù)優(yōu)化教學(xué)過程，如專門為軟件開發(fā)教學(xué)在GitHub上創(chuàng)建的UEC軟件庫[21]、在課堂中使用Github版本控制功能[22]以及使用GitHub的開源協(xié)同工作流支持課堂教學(xué)[23]。有研究案例表明，GitHub的協(xié)同開發(fā)特性可以很好地支持計算機科學(xué)和軟件工程等專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動[24]。實際上，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程上可以使用GitHub開展協(xié)同學(xué)習(xí)實驗[25]。此外，使用GitHub布置編程課堂作業(yè)，也是一種很常見的輔助教學(xué)方法。然而，想要在GitHub上順利執(zhí)行完整的教學(xué)過程，只是將GitHub作為一種輔助教學(xué)工具使用是遠遠不夠的?；贕itHub平臺的問題驅(qū)動式編程實驗教學(xué)方法，可用于支持開放協(xié)同的編程教學(xué)實驗。

1 相關(guān)工作

GitHub可以看做一種特殊形式的云服務(wù)，而云技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用由來已久。雖然GitHub的互聯(lián)網(wǎng)托管服務(wù)相對更適合軟件工程等計算機專業(yè)教育，但是一直以來都有其他形式的云技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程[26]。在教學(xué)中使用云計算技術(shù)具有很多的優(yōu)勢[27-28]，如有專門為信息技術(shù)教學(xué)創(chuàng)建的教育云平臺[29]，也有專門為材料科學(xué)基礎(chǔ)課程創(chuàng)建的一種高度交互的云課堂技術(shù)[30]。此外，國內(nèi)外許多高校都使用云技術(shù)創(chuàng)建虛擬化計算實驗室[31]。實際上，云計算方法本身就非常適合用來支持實驗教學(xué)過程[32]，然而相對于一般的云技術(shù)，GitHub所提供的開源項目開發(fā)特性更加適合計算機編程教學(xué)，如協(xié)同開發(fā)模型、社交編碼[33]、版本控制、免費代碼庫等。

基于GitHub平臺的教學(xué)應(yīng)用可以分成3類：第1類是課堂工具，其中包括前面提到的GitHub官方推出的課堂工具，但是這些工具是一種適用于教學(xué)資料管理和教學(xué)活動管理的通用技術(shù)，而不是專門針對編程教學(xué)的工具；第2類是將GitHub作為一種內(nèi)容托管服務(wù)，通常只是利用GitHub開源源代碼庫所支持的無限空間存儲和分發(fā)教學(xué)資料，如布置作業(yè)；最后1類應(yīng)用相對更復(fù)雜一些，它們將協(xié)同開發(fā)模型融合到教學(xué)過程中。通常，師生都會使用GitHub的社交編碼特性，如提交代碼、請求合并、評論等。我們也曾經(jīng)提出過一種基于GitHub平臺的協(xié)同式實驗教學(xué)方法[34]，但是編程是一種解決問題的過程，教學(xué)中應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生使用代碼解決問題的能力，而不僅僅是教授編程技能。

實際上，無論是開源項目或是商業(yè)項目，都在使用GitHub的問題跟蹤功能跟蹤和管理軟件缺陷（Bug）。在GitHub上修復(fù)一個開源項目缺陷的基本過程如下。

在這個過程中，用戶、開發(fā)者和核心開發(fā)者一起協(xié)作，使用GitHub提供的代碼庫、分支、代碼提交、評論、標(biāo)簽、合并請求等功能修復(fù)一個問題。經(jīng)過恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這個過程就可以用來支持編程教學(xué)活動，實現(xiàn)一種問題驅(qū)動式教學(xué)方法，從而更高效地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。

2 問題驅(qū)動式編程教學(xué)方法

根據(jù)編程實驗教學(xué)的特點，如果按照前面的GitHub解決問題過程開展編程實驗教學(xué)活動，就必須對解決問題過程的角色進行調(diào)整，才能最終設(shè)計出符合實驗教學(xué)要求的過程。

2.1 設(shè)計教學(xué)過程

在GitHub跟蹤和修復(fù)問題的過程中，如果結(jié)合實驗教學(xué)的需求，用教師與學(xué)生等相關(guān)角色替代開源協(xié)同開發(fā)的角色，并且將這個過程中的活動調(diào)整為實驗教學(xué)活動，就可以得到一種問題驅(qū)動式實驗教學(xué)方法。

在該方法中，教師和學(xué)生都使用相同的問題、代碼庫、分支、提交、評論、標(biāo)簽、合并請求等功能完成實驗教學(xué)中的各種活動。教師在這個過程中扮演著核心開發(fā)者的角色，負(fù)責(zé)創(chuàng)建課程代碼庫、檢查作業(yè)代碼和給學(xué)生作業(yè)評分；學(xué)生則根據(jù)實驗問題要求編寫和提交代碼。當(dāng)學(xué)生通過合并請求提交實驗作業(yè)時，教師會檢查作業(yè)，通過評論功能指導(dǎo)學(xué)生解決作業(yè)中的問題；如果教師決定接受并合并學(xué)生的請求時，學(xué)生就算是完成實驗并且會獲得相應(yīng)的實驗分?jǐn)?shù)。在這個過程中，開放協(xié)同開發(fā)平臺的特點使得所有學(xué)生的全部實驗活動都是互相可見的。我們的課程實驗發(fā)現(xiàn)，這種方式對于編程學(xué)習(xí)過程非常有好處，但是為了順利完成整個編程實驗，我們還需要解決兩個問題：一是自動識別學(xué)生身份；二是自動生成學(xué)生的期末總評分。

2.2 自動識別學(xué)生身份

這個過程的問題是GitHub本身并不可能支持學(xué)生賬號與學(xué)號的關(guān)聯(lián)。學(xué)生賬號都是自行在網(wǎng)站上注冊的，記錄和跟蹤學(xué)生賬號會帶來額外的繁重工作，但是新方法不應(yīng)該增加教學(xué)工作的負(fù)擔(dān)。那么，該如何確定哪一位學(xué)生提交了代碼，以及他/她所提交代碼對應(yīng)的問題號是哪一個呢？使用GitHub的版本控制功能，恰恰能解決這個問題。在每一次代碼提交中，GitHub都會跟蹤所有發(fā)生修改的文件，包括文件增加或刪除的代碼行。此外，在一次代碼提交中所有新創(chuàng)建、修改或刪除的文件都會被記錄下來。在以創(chuàng)建問題的方式布置實驗任務(wù)時（見表2），教師需要設(shè)計一個實驗要求，讓學(xué)生在代碼中留下一個可以鑒別學(xué)號的線索，如以學(xué)號作為文件夾或文件名。圖1所示為實驗課程庫（hzuapps/java-web）中的一個代碼提交記錄，里面包含修改過的文件記錄，其中就可以看到學(xué)生學(xué)號的線索（se1414080902203），因此這個線索就可以在評分程序中用于關(guān)聯(lián)學(xué)生賬號與學(xué)號。endprint

2.3 自動評分系統(tǒng)

在使用信息技術(shù)輔助教學(xué)過程時，自動考核是其中要考慮的最重要問題之一[35]。只有支持合理的評分方式，一個教學(xué)方法才稱得上真正有效。GitHub提供了一套開發(fā)者應(yīng)用編程接口（API）[36]，允許開發(fā)者編程抓取代碼庫的開發(fā)活動數(shù)據(jù)，包括前面提到的貢獻者、問題列表、合并請求、提交代碼等，因此，在編寫Java評分程序時，第1個任務(wù)就是抓取課程代碼庫所發(fā)生的活動數(shù)據(jù)，整個評分過程如圖2所示。

我們編寫的Java程序的第2個任務(wù)是分析從課程代碼庫抓取的活動數(shù)據(jù)。由于實驗要求中定義了學(xué)生身份線索（參見2.2），因此這個程序可以將每一個問題映射到一個學(xué)號上，然后它會記錄所有的實驗活動，包括請求數(shù)、提交數(shù)、修改文件數(shù)等，最后，程序會根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果為每名學(xué)生生成一份實驗成績報告。例如，表3顯示了課程代碼庫“hzuapps/java-web”中登錄名為“Mr-bingo”的學(xué)生成績報告，這名學(xué)生實驗成績?yōu)?00分。滿分列指每一類數(shù)據(jù)的最高分值，而平均值顯示的是整個班級中每一類數(shù)據(jù)的平均值，然后，每一項數(shù)據(jù)得分可以參照平均值計算得出。需要特別說明的是，請求數(shù)是指教師接受請求的數(shù)量（參見2.1）。這個接受請求的動作是由教師評閱作業(yè)時手工完成的，而不是評分程序自動完成的。這個Java評分程序只負(fù)責(zé)采集和統(tǒng)計正確作業(yè)（已接受）的得分以及自動生成學(xué)生的實驗成績報告。

3 教學(xué)方法的實踐及結(jié)果

為了驗證所提出方法的可行性，我們在2門課程的編程實驗教學(xué)過程中實踐了問題驅(qū)動式實驗教學(xué)方法，分別是“基于Android的移動應(yīng)用設(shè)計與開發(fā)”和“基于Java EE的高級網(wǎng)頁設(shè)計”。我們使用Java編寫數(shù)據(jù)抓取程序，通過GitHub開發(fā)者API抓取實驗活動數(shù)據(jù)，包括請求數(shù)、提交數(shù)、用戶、評論等，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)評估教學(xué)方法的有效性。在程序抓取到數(shù)據(jù)后，有時需人工處理少量出現(xiàn)問題的數(shù)據(jù)。具體地，需要進行2個人工處理操作：①刪除所有沒有關(guān)聯(lián)到一個有效問題號的數(shù)據(jù)；②刪除未能解析到一個有效學(xué)號的數(shù)據(jù)。

3.1 基于Android的移動應(yīng)用設(shè)計與開發(fā)課程實驗

這個課程（2016年春季）一共有4個班級162名學(xué)生選課，都使用同一個GitHub代碼庫（hzuapps/android-labs）。我們一共從數(shù)據(jù)中獲取到162個有效問題號，但是有一些問題并沒有任何的請求和提交數(shù)據(jù)，如圖3和圖4所示，這是因為這個課程并不是一個必修課程，一些學(xué)生可能在提交問題后選擇中途退出課程。

這個實驗課程一共設(shè)置了9個作業(yè)，其中包括5個必選作業(yè)和4個可選作業(yè)，這表示所有學(xué)生必須有5個以上請求獲得接受，如圖3（虛線）所示，有29.6%的學(xué)生完成了規(guī)定的實驗；同時，一共有83個問題出現(xiàn)4個請求，另外有111個問題出現(xiàn)3個請求，換算成比例分別是51.2%和68.5%。全部學(xué)生發(fā)送的平均請求數(shù)量為4.735個，稍低于合格實驗數(shù)量（5個），但在正常的范圍之內(nèi)，完成實驗的學(xué)生數(shù)量也符合正態(tài)分布。

為了準(zhǔn)確評估學(xué)生的實驗表現(xiàn)，還需要進一步分析學(xué)生的代碼提交數(shù)量和修改過的文件數(shù)量，如圖4所示，每一個學(xué)生平均修改的文件數(shù)量為17.710個，而平均提交代碼次數(shù)為7.136次，這個數(shù)字高于平均請求數(shù)（4.735）。請求數(shù)量較低的原因是一些學(xué)生會在一次請求中提交多次作業(yè)的代碼。除此之外，一些學(xué)生可能會在一次實驗中多次提交代碼，如修改之前的錯誤。經(jīng)過統(tǒng)計，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生大約需要1.5次提交代碼才能完成一個請求。按照問題關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的分析，有50個問題（30.8%）出現(xiàn)了7次以上提交代碼，而這個數(shù)字與平均請求數(shù)更接近一些，因此有必要在評分時考慮提交數(shù)和修改文件數(shù)所體現(xiàn)的實驗工作量。

3.2 基于Java EE的高級網(wǎng)頁設(shè)計課程實驗

第2個課程（2016年秋季）有2個班級共79名學(xué)生選課。這些數(shù)據(jù)都來源于GitHub庫“hzuapps/java-web”。我們從代碼庫一共獲得79個有效問題，同時也抓取了請求數(shù)、提交數(shù)、修改文件數(shù)等數(shù)據(jù)，具體如圖5和圖6所示。這個課程一共有8個實驗，其中只有1個是選做實驗。

課程數(shù)據(jù)分析得到的平均請求數(shù)為6.835，比較接近要求的7個實驗數(shù)，意味著這兩個班級的學(xué)生完成實驗情況非常好，如圖5所示，一共有30個問題（38.0%）有7個以上合并的請求，另外有67個問題（84.8%）有4個合并的請求，這些學(xué)生至少可以得到合格以上的成績；如圖6所示，在提交代碼次數(shù)和修改文件數(shù)量上，它們的平均值分別是12.6和20.4，因此選修這個課程的學(xué)生至少需要1.8次代碼提交才能完成一次請求，這表明這個課程的學(xué)生在完成實驗過程中投入了更多的時間和精力，但可能是由課程難度造成的。

4 結(jié) 語

隨著GitHub逐漸成為一個最流行的開源軟件開發(fā)平臺，出現(xiàn)了許多基于GitHub社交編碼服務(wù)、特性和方法的教學(xué)方法，而且GitHub也越來越多地被用作教學(xué)工具，然而相對于它所提供的工具功能，這個平臺的社交編碼方法對于編程學(xué)習(xí)的作用更大。我們提出一種問題驅(qū)動式編程課程實驗教學(xué)方法，更注重培養(yǎng)學(xué)生解決問題的習(xí)慣和能力。這個方法使用GitHub的許多核心功能，如代碼庫、分支、提交代碼、合并請求等，可以很好地支持編程實驗教學(xué)活動。我們在兩個編程課程中實踐了這個新的教學(xué)方法，結(jié)果證明這個教學(xué)方法有效。未來，我們將探索這個教學(xué)方法在非計算機編程課程上的應(yīng)用可行性。

參考文獻：

[1] Tsay J， Dabbish L， Herbsleb J. Influence of social and technical factors for evaluating contribution in GitHub[C]//ICSE. Hyderabad： ACM， 2014： 356-366.endprint

[2] Guzman E， Azócar D， Li Y， et al. Sentiment analysis of commit comments in GitHub： An empirical study[C]//Working Conference on Mining Software Repositories. Hyderabad： ACM， 2014： 352-355.

[3] Peterson K. The GitHub open source development process[J]. Mayo Clinic， 2013（1）： 1-10.

[4] Kalliamvakou E， Damian D， Blincoe K， et al. Open source-style collaborative development practices in commercial projects using GitHub[C]//37th IEEE International Conference on Software Engineering. Florence： IEEE， 2015： 574-585.

[5] Dabbish L， Stuart C， Tsay J， et al. Social coding in GitHub： Transparency and collaboration in an open software repository[C]//CSCW 2012 Computer Supported Cooperative Work. Seattle： DBLP， 2012： 1277-1286.

[6] Thung F， Bissyande T F， Lo D， et al. Network structure of social coding in GitHub[C]//2013 17th European Conference on Software Maintenance and Reengineering.Washington D C： IEEE， 2013： 323-326.

[7] Mcdonald N， Goggins S. Performance and participation in open source software on GitHub[C]//CHI '13 Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems. Paris： ACM， 2013： 139-144.

[8] Yu Y， Yin G， Wang H， et al. Exploring the patterns of social behavior in GitHub[C]//Proceedings of the 1st International Workshop on Crowd-Based Software Development Methods and Technologies. Hong Kong： ACM， 2014： 31-36.

[9] Rahman M M， Roy C K. An insight into the pull requests of GitHub[C]//Proceedings of the 11th Working Conference on Mining Software Repositories. Hyderabad： ACM， 2014： 364-367.

[10] Tsay J， Dabbish L， Herbsleb J. Let's talk about it： Evaluating contributions through discussion in GitHub[C]//Proceedings of the 22nd ACM SIGSOFT international symposium on foundations of software engineering. Hong Kong： ACM， 2014： 144-154.

[11] Marlow J， Dabbish L， Herbsleb J. Impression formation in online peer production： Activity traces and personal profiles in github[C]//Proceedings of the 2013 Conference on Computer Supported Cooperative Work. San Antonio： ACM， 2013： 117-128.

[12] Longo J， Kelley T M. Use of GitHub as a platform for open collaboration on text documents[C]//Proceedings of the 11th International Symposium on Open Collaboration （OpenSym）. San Francisco： ACM， 2015： 1-2.

[13] Yu Y， Wang H， Yin G， et al. Reviewer recommender of pull-requests in GitHub[C]//IEEE International Conference on Software Maintenance and Evolution.Victoria： IEEE， 2014： 609-612.endprint

[14] Zakiah A， Fauzan M N. Collaborative learning model of software engineering using Github for informatics student[C]//2016 4th International Conference on Cyber and IT Service Management. Jakarta： IEEE， 2016： 1-5.

[15] Github classroom[EB/OL]. [2017-05-18]. https：//classroom.github.com/.

[16] Stracquadanio G， Yang K， Boeke J D， et al. BioPartsDB： A synthetic biology workflow web-application for education and research[J]. Bioinformatics， 2016， 32（22）： 394.

[17] Izbicki M. Open Sourcing the Classroom（Abstract Only）[C]//ACM Technical Symposium on Computing Science Education. Memphis： ACM， 2016： 723-723.

[18] Murray J. Open education： A revolution of resources and community[C]// TCC Worldwide Online Conference. Honolulu： TCC，2014： 65-72.

[19] Kamvar Z N， Lópezuribe M M， Coughlan S， et al. Developing educational resources for population genetics in R： An open and collaborative approach[J]. Molecular Ecology Resources， 2016， 17（1）： 120-128.

[20] Bonakdarian E. Pushing Git & GitHub in undergraduate computer science classes[J]. Journal of Computing Sciences in Colleges， 2017， 32（3）： 119-125.

[21] Goto T， Homma T， Tsuchida K， et al. Software development education based on UEC software repository[M]. Berlin： Springer， 2012： 55-65.

[22] Griffin T， Seals S. GitHub in the classroom： Not just for group projects[J]. Journal of Computing Sciences in Colleges， 2013， 28（4）： 74.

[23] Zagalsky A， Feliciano J， Storey M A， et al. The emergence of GitHub as a collaborative platform for education[C]//The ACM Conference on Motivation and Dynamics of the Open Classroom CSCW 2015. Vancouver： ACM， 2015： 1906-1917.

[24] Feliciano J， Storey M A， Zagalsky A. Student experiences using GitHub in software engineering courses： A case study[C]//International Conference on Software Engineering Companion. Washington D C： IEEE Computer Society， 2016： 422-431.

[25] Kertesz C Z. Using GitHub in the classroom： A collaborative learning experience[C]//2015 IEEE 21st International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging. Brasov： IEEE， 2015： 381-386.

[26] Ercan T. Effective use of cloud computing in educational institutions[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2010， 2（2）： 938-942.

[27] González-Martínez J A， Bote-Lorenzo M L， Gómez-Sánchez E， et al. Cloud computing and education： A state-of-the-art survey[J]. Computers & Education， 2015（80）： 132-151.

[28] Liou W K， Bhagat K K， Chang C Y. Beyond the flipped classroom： A highly interactive cloud-classroom（HIC） embedded into basic materials science courses[J]. Journal of Science Education and Technology， 2016， 25（3）： 460-473.endprint

[29] Yokoyama S， Yoshioka N， Shida T. Cloud in a cloud for cloud education[C]//International Workshop on Principles of Engineering Service-Oriented Systems. Zurich： IEEE， 2012： 63-64.

[30] Burd S D， Luo X， Seazzu A F. Cloud-based virtual computing laboratories[C]//Hawaii International Conference on System Sciences. Hawii： IEEE， 2013： 5079-5088.

[31] Khmelevsky Y， Voytenko V. Cloud computing infrastructure prototype for university education and research[C]//Western Canadian Conference on Computing Education. Kelowna： ACM， 2010： 8.

[32] Yang G Z， Zhou F， Zhu Z. The application of SaaS-based cloud computing in the University Research and Teaching Platform[C]//International Conference on Intelligence Science and Information Engineering. Wuhan： IEEE， 2011： 210-213.

[33] Lima A， Rossi L， Musolesi M. Coding together at scale： GitHub as a collaborative social network[J]. Eprint Arxiv， 2014（7）： 25-35.

[34] 曾少寧. 基于GitHub平臺的協(xié)同式實驗教學(xué)方法[J]. 計算機教育， 2016（12）： 144-148.

[35] Zamyatina O M， Mozgaleva P I. IT implementation in the educational process of future engineers by means of project activities and competences assessment[C]//Global Engineering Education Conference. Berlin： IEEE， 2013： 1170-1176.

[36] Github Developer. REST API v3[EB/OL]. [2017-05-18]. https：//developer.github.com/v3/ .

（編輯：宋文婷）endprint