基于群體化方法的軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)

毛新軍，尹良澤，尹 剛，王 濤，余 躍，盧 遙

（國防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

0 引 言

如何培養(yǎng)高素質(zhì)的軟件工程人才、如何根據(jù)新工科建設(shè)的要求[1-2]加強(qiáng)軟件工程人才的能力培養(yǎng)是當(dāng)前軟件工程專業(yè)教育面臨的重要挑戰(zhàn)。軟件工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)踐教學(xué)是課程教學(xué)的一項(xiàng)必備環(huán)節(jié)。為了滿足產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對軟件工程專業(yè)人才的迫切需求，我們需要從人才培養(yǎng)角度深層次思考這門課程實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)目標(biāo)、方法和手段，以期取得所需的人才培養(yǎng)效果。

首先，如何認(rèn)識軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)？不同于其他的專業(yè)課程（如操作系統(tǒng)、編譯原理等），軟件工程課程將諸多“工程”要素融合到課程實(shí)踐中以系統(tǒng)性地培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、訓(xùn)練其工程素養(yǎng)。因此，加強(qiáng)這門課程實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)對于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、提升工程實(shí)踐能力具有重要的價(jià)值。

第二，如何達(dá)成教學(xué)目標(biāo)并解決面臨的問題？軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)面臨的一個(gè)普遍性問題是學(xué)生經(jīng)常抱怨實(shí)踐沒有參考對象，不知道如何去做以及做的對不對；一個(gè)突出的現(xiàn)象是學(xué)生經(jīng)常遇到多樣化問題，老師難以做到一一解答。這就需要針對軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)和問題，尋找有效的解決方法。

第三，如何提供科學(xué)的考評手段并以此促進(jìn)人才培養(yǎng)？考評是一個(gè)指揮棒，引導(dǎo)學(xué)生按照要求來開展工作；也是一個(gè)基準(zhǔn)線，告訴學(xué)生按照什么樣的要求和標(biāo)準(zhǔn)來評定其成效和成績；同時(shí)也是一個(gè)推進(jìn)劑，以評促改，幫助學(xué)生不斷改進(jìn)其實(shí)踐成果，在此過程中培養(yǎng)能力、提升素養(yǎng)和積累經(jīng)驗(yàn)。因此，這就需要從能力培養(yǎng)的角度來正確認(rèn)識考評的目的、制定科學(xué)的考評標(biāo)準(zhǔn)和合理的考評手段。

1 改革目標(biāo)和要求

軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)需要為學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)創(chuàng)造條件、明確要求和提供指南，這就需要精心設(shè)計(jì)課程實(shí)踐的內(nèi)容，分解和細(xì)化課程實(shí)踐的要求，形成課程實(shí)踐的具體技術(shù)指標(biāo)。結(jié)合軟件工程專業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，考慮當(dāng)前軟件系統(tǒng)的形態(tài)和特征，軟件工程課程實(shí)踐內(nèi)容須滿足以下的要求。

（1）規(guī)模性。課程實(shí)踐待開發(fā)的軟件系統(tǒng)必須具備一定規(guī)模。只有通過對一定規(guī)模軟件系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)踐才能讓學(xué)生領(lǐng)悟軟件工程中的“工程”要素并運(yùn)用工程化的手段來解決問題。這里的規(guī)?？梢员憩F(xiàn)為代碼的長度、功能點(diǎn)的數(shù)量，也可是構(gòu)成系統(tǒng)的要素等。

（2）交叉性。當(dāng)前大部分的軟件系統(tǒng)不再是一個(gè)純粹的技術(shù)系統(tǒng)，而是融合領(lǐng)域知識（如教育、航空等）、交叉相關(guān)專業(yè)知識（如AI、移動計(jì)算等）的一類復(fù)雜系統(tǒng)。軟件工程課程實(shí)踐的內(nèi)容需要體現(xiàn)軟件系統(tǒng)開發(fā)的知識、技能等方面的綜合性和交叉性。

（3）集成性?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代的軟件系統(tǒng)通常不再是單一、集中和封閉的系統(tǒng)，而是要與諸多系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行集成和交互。課程實(shí)踐中應(yīng)考慮將軟件系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和設(shè)備相結(jié)合來解決問題。

（4）高質(zhì)量。質(zhì)量是工程的基本要素。因此，課程實(shí)踐必須重視質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)量意識（如編程規(guī)范、模型一致性等），掌握高質(zhì)量軟件產(chǎn)品的開發(fā)能力。

（5）創(chuàng)新性。有創(chuàng)意的軟件才有價(jià)值，才能激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐熱情和激情，幫助學(xué)生獲得成就感。因此，課程實(shí)踐要創(chuàng)造機(jī)會、提供空間來讓學(xué)生進(jìn)行各種創(chuàng)意和構(gòu)思，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。

（6）先進(jìn)性。軟件工程相關(guān)技術(shù)發(fā)展很快，業(yè)界所采用的技術(shù)不斷變化，除了要訓(xùn)練學(xué)生的基本軟件開發(fā)技能之外，課程實(shí)踐要盡可能地采用業(yè)界的主流技術(shù)，如開發(fā)方法、實(shí)現(xiàn)語言、支撐平臺和工具等，確保課程實(shí)踐技術(shù)手段的先進(jìn)性。

2 基于群體化的課程實(shí)踐教學(xué)理念和思想

要達(dá)成上述目標(biāo)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。一方面，對老師的知識、經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)投入提出很高的要求。另一方面，對學(xué)生開展課程實(shí)踐所需的知識結(jié)構(gòu)、開發(fā)技能、工具使用、實(shí)踐結(jié)果等提出了更高的要求。當(dāng)前基于互聯(lián)網(wǎng)的群體化方法及其在軟件工程等諸多領(lǐng)域的成功實(shí)踐為上述問題的解決提供新穎的思路和獨(dú)特的方法，可以借助于互聯(lián)網(wǎng)上的群體（如軟件開發(fā)人員），利用他們的智慧（如開發(fā)經(jīng)驗(yàn)）和產(chǎn)品（如開源軟件）來開展課程實(shí)踐，以克服老師、助教和學(xué)生在知識、經(jīng)驗(yàn)、閱歷和認(rèn)識等方面的局限性和有限性，達(dá)成工程實(shí)踐和能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

（1）借助互聯(lián)網(wǎng)群體的智慧?；ヂ?lián)網(wǎng)連接了大量的人群，其中不乏高手和能人。它們擁有多樣的軟件工程知識，具有豐富的軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技能。開源軟件社區(qū)提供了靈活的機(jī)制來支持他們之間的交流、溝通和討論，從而來分享他們的智慧和經(jīng)驗(yàn)[3-4]。課程實(shí)踐可以借助于互聯(lián)網(wǎng)群體的力量和智慧，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)的運(yùn)行機(jī)制和手段，讓互聯(lián)網(wǎng)群體成為課程實(shí)踐的指導(dǎo)者和貢獻(xiàn)者，幫助和指導(dǎo)學(xué)生解答問題、提供資源、給出建議、反饋經(jīng)驗(yàn)等。

（2）利用互聯(lián)網(wǎng)群體的作品?；ヂ?lián)網(wǎng)上匯聚了大量的開源軟件，他們是互聯(lián)網(wǎng)群體實(shí)踐活動的結(jié)晶，其中不乏高水平、高質(zhì)量[5]的作品。重用開源軟件成為目前重要的軟件開發(fā)方式和手段。軟件工程課程實(shí)踐的規(guī)模性、高質(zhì)量、交叉性、集成性等要求意味著讓學(xué)生從頭開始、全新開發(fā)這樣的軟件系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的?；陂_源的軟件開發(fā)方法將開發(fā)軟件與重用開源軟件二者相結(jié)合不僅可以滿足課程實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)和要求，而且可以幫助學(xué)生掌握主流的軟件開發(fā)技術(shù)。

概括起來，軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)可借助互聯(lián)網(wǎng)群體的智慧和力量，依托他們的軟件開發(fā)知識、經(jīng)驗(yàn)和作品，指導(dǎo)學(xué)生的課程實(shí)踐，解決軟件開發(fā)中遇到的種種問題，重用開源軟件來實(shí)現(xiàn)特定功能，從而來達(dá)成和實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)和要求。

3 實(shí)踐教學(xué)改革的關(guān)注點(diǎn)及解決方法

針對上述目標(biāo)和要求，我們開展了基于群體化的軟件課程實(shí)踐教學(xué)探索。整個(gè)實(shí)踐采用分組方式，每組由3～4位同學(xué)組成，他們共同完成實(shí)踐任務(wù)，包括需求創(chuàng)意、軟件設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)、軟件測試等。課程實(shí)踐要求學(xué)生提交分析和設(shè)計(jì)模型、軟件文檔、程序代碼等軟件產(chǎn)品。為了落實(shí)人才培養(yǎng)目標(biāo)、加強(qiáng)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，踐行群體化的實(shí)踐教學(xué)方法，課程實(shí)踐特別關(guān)注以下幾個(gè)方面的工程實(shí)踐問題，并采取了一組行之有效的實(shí)施方法。

1）軟件需求創(chuàng)意。

要求學(xué)生借助群體的智慧和力量，做有創(chuàng)意的課程實(shí)踐，具體表現(xiàn)為軟件系統(tǒng)欲解決的問題、軟件需求以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段要有新意。鼓勵學(xué)生參考往屆學(xué)生的作品，依托基于互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐教學(xué)平臺Trustie，與往屆學(xué)生進(jìn)行交流和溝通，分享他們的經(jīng)驗(yàn)和感悟，從而獲得創(chuàng)意的靈感和想法。要求學(xué)生加入到開源社區(qū)，通過對已有開源軟件的分析以及與社區(qū)中群體的交流來獲得有關(guān)創(chuàng)意的意見、建議和想法。這兩種方法的本質(zhì)都是希望擴(kuò)大學(xué)生的視野、獲取他人的智慧、聽取他人的建議、獲得更多的知識，并依此來構(gòu)想軟件需求。在此過程中，老師主要起到引導(dǎo)、評價(jià)、建議、把關(guān)、促進(jìn)再思考等作用。

2）分布式協(xié)同開發(fā)和版本管理。

要求學(xué)生基于Git開發(fā)、管理軟件。每個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建各自的軟件版本庫，負(fù)責(zé)人基于Issue管理工具來安排和發(fā)布任務(wù)，成員間基于Git來開展交流和解決沖突，每個(gè)成員利用Git提交各自的作品（如程序代碼），并利用Pull-request機(jī)制將其合并到整個(gè)課程實(shí)踐項(xiàng)目中。它不僅可以幫助學(xué)生掌握基于互聯(lián)網(wǎng)的軟件開發(fā)模式（如任務(wù)分配、作品發(fā)布、作品的本地開發(fā)和分布式提交等），而且有助于獲取學(xué)生個(gè)體的課程實(shí)踐情況，搜集第一手課程實(shí)踐數(shù)據(jù)，從而對學(xué)生的實(shí)踐情況（如參與程度、所作出的貢獻(xiàn)、產(chǎn)品質(zhì)量等）進(jìn)行科學(xué)和客觀的評價(jià)。

3）迭代開發(fā)。

由于課程實(shí)踐對軟件的創(chuàng)意、規(guī)模和知識交叉性等提出了更高要求，對于學(xué)生而言要一次性地開發(fā)出如此復(fù)雜的軟件系統(tǒng)是非常困難的，他們常常面臨需求創(chuàng)意難以想清楚、一些復(fù)雜功能難以實(shí)現(xiàn)等問題。為此我們采用迭代的方法來開展課程實(shí)踐，在整個(gè)課程實(shí)踐過程中要求學(xué)生分若干次迭代來完成整個(gè)課程實(shí)踐任務(wù)，每次迭代關(guān)注的角度和評價(jià)的要求不同。

4）以評促改。

課程實(shí)踐要求學(xué)生周期性地匯報(bào)課程實(shí)踐的成果（平均每周一次），老師根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)對學(xué)生的課程實(shí)踐進(jìn)行“點(diǎn)評”，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并提供建議，目的是引導(dǎo)學(xué)生對課程實(shí)踐成果持續(xù)改進(jìn)和提高，從而起到以“評”促“改”的功效。針對學(xué)生的調(diào)查問卷結(jié)果表明，課堂點(diǎn)評最受學(xué)生歡迎，并對學(xué)生改進(jìn)和提高課程實(shí)踐水平起到關(guān)鍵性的作用。

5）重用開源軟件。

課程實(shí)踐鼓勵學(xué)生根據(jù)構(gòu)想的軟件需求，到開源軟件托管網(wǎng)站（如SourceForge、Github、Stack Overf l ow、開源中國、CodeProject等）去尋找支撐其關(guān)鍵需求的開源軟件，并將其集成到整個(gè)課程實(shí)踐的軟件項(xiàng)目之中。為了鼓勵學(xué)生重用開源，我們明確要求學(xué)生在課程實(shí)踐中要重用至少5 000行開源軟件。

6）借助開源社區(qū)。

課程實(shí)踐要求學(xué)生加入到相關(guān)的開源社區(qū)中，學(xué)生通過檢索獲取相關(guān)討論或者在社區(qū)中提出問題獲得所需的解答。此外，我們還通過實(shí)踐教學(xué)平臺收集了每一屆學(xué)生開展課程實(shí)踐所遇到的問題、解決問題的方法、軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)等，學(xué)生也可以通過分享這些智慧來促進(jìn)相關(guān)問題的解決。

7）持續(xù)檢查。

課程實(shí)踐要求學(xué)生采用持續(xù)檢查（continuous inspection）來確保所開發(fā)軟件系統(tǒng)的質(zhì)量，借助持續(xù)集成系統(tǒng)Jenkins將SonarQube質(zhì)量分析工具集成到Trustie平臺，實(shí)現(xiàn)了對學(xué)生提交到版本庫代碼的自動化質(zhì)量檢查，并要求學(xué)生對問題代碼進(jìn)行修復(fù)后，才可合并到項(xiàng)目倉庫中。

8）考評方法。

采用定性和定量、主觀和客觀、過程和結(jié)果相結(jié)合的考評方法，針對多個(gè)方面（如參與度、質(zhì)量、貢獻(xiàn)等）給出一個(gè)詳盡的實(shí)踐考核評價(jià)要素，借助于課程實(shí)踐教學(xué)平臺Trustie以及諸多軟件開發(fā)工具（如Git和SonarQube），搜集學(xué)生在課程實(shí)踐過程中的參與和貢獻(xiàn)信息（如提出問題、提供建議、參與討論、提交作品等的數(shù)量），對課程實(shí)踐結(jié)果（如代碼質(zhì)量）進(jìn)行定量的分析，盡可能做到基于數(shù)據(jù)、綜合實(shí)踐過程和結(jié)果、統(tǒng)籌實(shí)踐的工作量和質(zhì)量、團(tuán)隊(duì)匯報(bào)和個(gè)體問答相結(jié)合的方式來進(jìn)行考評，從而通過考評方法的改變來驅(qū)動學(xué)生更為獨(dú)立、自主、積極地開展實(shí)踐。

9）工具和平臺支持。

為了幫助老師和學(xué)生高效地開展課程實(shí)踐，跟蹤實(shí)踐情況和效果，科學(xué)客觀地評價(jià)實(shí)踐成績，課程實(shí)踐教學(xué)借助一系列的工具和平臺，包括分布式協(xié)同開發(fā)平臺Trustie-Forge、開源軟件檢索和分析平臺Trustie-OSSEAN、開源代碼閱讀和標(biāo)注工具Trustie-Codepedia等。

4 教學(xué)成效分析

基于上述實(shí)踐教學(xué)方法，針對軟件工程專業(yè)的學(xué)生開展了2年的探索，每年大約有24名學(xué)生參與，采用小班教學(xué)模式，配備2～3名助教。課程實(shí)踐延續(xù)一年時(shí)間，覆蓋了4門課程的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)，包括軟件工程、軟件體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、軟件項(xiàng)目管理以及軟件課程綜合實(shí)踐。整體上看軟件工程實(shí)踐教學(xué)改革取得了以下成果：

（1）學(xué)生通過課程實(shí)踐所開發(fā)的軟件系統(tǒng)代碼規(guī)模平均超出10 000行。2個(gè)年級課程實(shí)踐提交的代碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，課程實(shí)踐的各項(xiàng)目開發(fā)程序代碼量平均超出5 000行，重用開源軟件超出5 000行（見表1）。

（2）軟件系統(tǒng)的集成性和綜合性。所開發(fā)的軟件系統(tǒng)大部分是基于互聯(lián)網(wǎng)的分布式系統(tǒng)，許多軟件系統(tǒng)集成了機(jī)器人、無人系統(tǒng)、智能手機(jī)、Web服務(wù)等系統(tǒng)和設(shè)備，交叉了模式識別、移動計(jì)算、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)知識。

（3）軟件質(zhì)量意識和水平得到提升。學(xué)生軟件開發(fā)的質(zhì)量意識得到加強(qiáng)，運(yùn)用各種技術(shù)（如持續(xù)檢查、軟件測試等）和工具（如Junit、SonarQube等）來開發(fā)高質(zhì)量軟件系統(tǒng)的能力得到提升，分析結(jié)果表明學(xué)生開發(fā)的軟件產(chǎn)品的質(zhì)量處于較高水平。

（4）軟件工程綜合素養(yǎng)獲得提升。課程實(shí)踐過程中學(xué)生持續(xù)進(jìn)行總結(jié)、報(bào)告和討論，制作宣傳彩頁、視頻和匯報(bào)PPT，撰寫產(chǎn)品手冊、凝練創(chuàng)新點(diǎn)，因而學(xué)生的總結(jié)、分析、表達(dá)、匯報(bào)、交流、討論等方面的綜合素養(yǎng)得到了顯著提升。

（5）學(xué)生掌握了基于互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代軟件工程技術(shù)和工具，學(xué)會了借助于開源軟件的軟件開發(fā)技能（如查找、閱讀、分析和集成開源軟件等）、依托開源社區(qū)獲得群體智慧的方法（如提出和發(fā)布問題、查詢解答等），運(yùn)用基于互聯(lián)網(wǎng)的CASE工具來進(jìn)行協(xié)同開發(fā)。

（6）課程實(shí)踐成果的創(chuàng)新性得到認(rèn)可。兩年來學(xué)生構(gòu)思了許多有創(chuàng)意的軟件作品，包括無人值守的圖書館、家庭接待機(jī)器人、多無人機(jī)聯(lián)合搜尋系統(tǒng)、Baby安保助手等，這些軟件作品獲得了計(jì)算機(jī)作品比賽、機(jī)器人比賽等多項(xiàng)全國性獎項(xiàng)，包括金獎1項(xiàng)、銀獎2項(xiàng)、省賽區(qū)特等獎3項(xiàng)和一等獎1項(xiàng)。

5 結(jié) 語

實(shí)踐教學(xué)是軟件工程系列課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，如何改革軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)，克服當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)理念、實(shí)施方法、評價(jià)手段等方面的局限性是一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的連接、共享和開放思想，借助以開源軟件和開源社區(qū)為代表的群體化思想，結(jié)合主流的軟件工程技術(shù)和工具，針對軟件工程實(shí)踐教學(xué)中的突出矛盾和瓶頸問題，開展了以提升工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)改革，取得了積極的成效，為加強(qiáng)軟件工程專業(yè)人才的培養(yǎng)做出了積極的探索，極大提高了學(xué)生開發(fā)大規(guī)模、高質(zhì)量軟件系統(tǒng)的自信心。兩年的教學(xué)實(shí)踐表明，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代我們應(yīng)該采用更為開放的思維來尋找解決實(shí)踐教學(xué)問題的方法，應(yīng)該充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢和力量來彌補(bǔ)當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)中存在的問題和不足，應(yīng)該通過教學(xué)和科研相結(jié)合、滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要以及貼近主流的技術(shù)來落實(shí)實(shí)踐教學(xué)改革。