結對模式驅動的軟件工程協作教學機制研究

夏小娜，戚萬學

（1.曲阜師范大學 統計學院，山東 曲阜 273165；2.曲阜師范大學 信息科學與工程學院，山東 日照 276826；3.曲阜師范大學 中國教育大數據研究院，山東 曲阜 273165）

0 引言

軟件工程是計算機科學與技術和軟件工程等工程類專業的基礎課程[1]，在工程性團隊協作素養的培養和提升方面，具有重要地位[2]。在軟件工程的教學過程中，需要考慮課程實踐過程的群體協作訓練[3-4]，加大學習者自主和互助解決問題的力度[5]。

首先，授課者應根據課程內容，找出課程知識點的線索走向和前后聯系，將課程教學規劃為課堂學習、應用實踐和專題研討3 個層次；其次，將課程內容分成不同的學習階段和學習子目標，在每個階段，制定不同的實踐內容和執行步驟，設定不同階段的考核指標和評定規則；再次，將學習者分成不同的參與組，針對應用實踐和專題研討兩個層次，每個組設定相應的參與Title（主題），每個Title 部署為一系列的執行任務。

為提高學習者參與軟件工程課程教學的主動性和自覺性，基于翻轉課堂的基本理念[6-7]，在課程授課時間有限且任務多的前提下，本研究結合軟件工程方法學的極限編程模型思想，提出結對模式驅動的協作教學機制。跟蹤軟件工程一學期的教學過程，抽取兩個專業學習者的學習行為數據，設計參與度計算方法，并結合統計檢驗指標展開實證分析。

1 結對模式的概念和原理

“結對編程（Pair programming）”[8]是軟件工程過程模型——極限編程（Extreme Programming，簡稱XP）的核心理念。它要求兩人為一個“Pair”參與合作同一段代碼，一人（思考者）分析問題另一人（編程者）編碼實現。思考者需要保持軟件頂層概念，而非僅關注當前問題，編程者只需要關注局部問題解決的可計算化和可編程化。如果編程者遇到了問題，兩個人就需要角色互換。如果兩者都處于問題解決的“瓶頸”，可以邀請本系統的其他人參與討論。這種理念可以保證整個團隊實現“自頂向下、逐步求精”的研發互助目標。將團隊成員分解成多個相對獨立又可以適時溝通的“Pair”單元，不同的“Pair”先完成各自的分配任務，再從整體上分層次、分階段地實現“Pair”工作的有效集成。

“結對”理念運用于軟件工程課程教學，需要先剖析課程知識結構，這里按照橫向和縱向兩條線索展開，橫向是結構化和面向對象兩種方法體系，縱向是軟件的生命周期線索。根據縱向的脈絡階段劃分，橫向任務交叉進行。縱向根據軟件生命周期的定義，從時間維度劃分成相互關聯的多個階段。

“結對”是采用“Pair”為基本參與單元的多層次、多階段迭代的組織模式，每一項參與任務，都是兩人結對協作。在任務推進過程中，不同的“Pair”適時溝通，及時融合，不時迭代，有效集成。圖1 是“結對”模式驅動的軟件工程協作教學機制剖面圖，圖的中間部分是軟件生命周期的相關階段，不同階段之間存在嚴格的先后次序，自頂向上有序進行，每一階段的任務都以上一階段的執行結果為依據，也是下一階段任務開始的前提條件。每一階段的執行結果，也可以反饋到相鄰的上一階段。

圖1 “結對”模式驅動的軟件工程協作教學機制

基于圖1 的邏輯部署，需要在軟件工程的教學過程中設計不同Title 的應用實踐和專題研討案例。每個Title 指定一個負責人（Leader），Leader 根據Title 的實施目標，制定任務執行的標準和規模，擔任“監督者”和“調控者”的角色。并配置一定數量的參與成員，一般為4～5 人，兩兩結合形成“Pair”。同時要求屬于同一Title 的Pair 之間保持溝通，做到任務執行過程的透明化和公開化。不同Pair 的任務關聯過程采用漸增式的集成思路，即每一次的集成，只引入一個Pair任務關聯，這樣做利于發現問題和解決問題。

2 結對模式的參與度計算方法

“結對模式”驅動的協作教學機制具有共同的組織原理。無論Pair 參與的是哪一個Title，都遵循軟件生命周期的8 個階段，將這8 個步驟的任務集定義為X1、X2......X8，每個步驟對應的課堂學習、應用實踐和專題研討的參與度分別定義為Li、Ci和Ri，取值區間為[0，1]，其經驗權重系數通常設定為0.5、0.3 和0.2，則Xi=0.5Li+0.3Ci+0.2Ri。軟件生命周期的任務權重系數定義為a1、a2......a8，一般情況下，默認取值為1，表明每一個階段的任務都很重要，每個Pair 的參與度平均值計算模型表示為，其中φt是調節Title 難易程度的因子，取值范圍為[1，1.5]，由Title 的規模、任務量和技術研發目標等共同決定，通常取自經驗值。

同一Title 的任務量計算是一個迭代過程。從兩個最基本的Pair 任務集成一個子整體開始，之后的每一次集成，只發生在子整體與一個Pair 的任務之間。這樣，就產生了子整體和每一個Pair 任務集成的額外工作量。工作量會隨著集成度的增加，難度系數將呈放大趨勢。將任務集成難度的定性系數表示為F（s），其中F（1）=1，F（2）=1，F（s）=F（s-1）+F（s-2）。任務量的難度值計算模型設計為f（s，F（s））=f（2，F（2））+φt×f（s-1，F（s-1））。由于每一次漸增集成過程都是兩兩集成，可以將f（2，F（2））作為難度函數的常量平衡值。其中s=|Pair|-1，表示集成的次數，|Pair|是一個Title 所分成的Pair 個數。

結對模式的參與度計算方法是關于Title 任務集成的定性描述，得到的結果可以衡量參與Title 的任務難度，適合用于不同Title 的參與情況比較。

3 結對模式的實施方案

分別選擇一屆軟件工程和計算機科學與技術兩個專業15 名研究生的課程學習行為數據為樣本，運用第2 部分的參與度計算方法，統計分析課堂學習、應用實踐和專題研討中取得的成績，實證檢驗結對模式在個體學習積極性、任務難易度、考核成績等方面的應用效果。

圖2 Pair模式的組建方法

為此將應用實踐設定為3 個特定的訓練Title：PT1.考勤系統、PT2.招聘系統和PT3.圖書系統，專題研討Title 包括RT1.區塊鏈、RT2.電子商務和RT3.大數據。15 人中指定3 個Leader，由Leader 分別組建5 人參與小組，每組采用隨機方式選擇實用實踐和專題研討題目。

在Pair 規劃時，Leader 自主與其他成員組成Pair，完成不同任務目標的分析與設計，5 人組的Pair 組建方式如圖2 所示。A、B、C 和D 是4 個成員，假設A 與C 的分工是類似的，B 和D的分工是類似的，L 是Leader，A 和B、C、D可以分別組成合作Pair，L 設定為任務可兼顧的角色，分別和A 和B、C、D 中的一個組成Pair，這樣每個組就可以形成4 個Pair。同樣的，A 和D、B、D 也可以分別組成合作Pair，也可以有4種組合方法。這里將圖中8 個單元右側的學習者定義為編程者，左邊的學習者為思考者。

表1 是應用實踐和專題研討兩部分的相關指標。Leader根據Title的目標要求，規劃Title任務。基于Leader 的技術和能力特點，根據圖2 的Pair組建方法，選擇合適的“4-Pair”單元。根據以往軟件研發經驗，3 個訓練Title 的研發規模近似，則Pair 的任務漸增集成工作量可以設定為同值。3 個研討Title 的主旨目標是一樣的，但是Leader規劃的任務目標和要求是不一樣的，執行要求也有所不同，從系統的開發技術、支持跨平臺和支持移動設備3 個方面考慮，所對應的應用實踐和專題研討的難易度也就不一樣，Title 的φt應具有不同的權重值。從表中可以看出，兩個專業雖然選題一樣，但不同的Pair 組建方式不同、研發目標不同、參與人不同、Leader 的編程和組織協調能力不同等，都會影響團隊合作效果和任務執行難度。

在軟件工程課程的授課過程中，由授課者不定期組織應用實踐和專題研討的進度交流會，討論不同Title 前期工作存在的問題。每組的Leader 主講，Pair 做任務的針對性陳述，所有參與人及時了解不同Title 的進展狀態，總結參與過程存在的優缺點。應用實踐和專題研討的考核一般在學期末完成，通過組建評審小組，建立評審標準和衡量指標，統一進行評分。最后由授課者和Leader共同參與計算每一個Pair 的參與度。

4 結對模式的課程實踐結果

課程學習結束，產生了與課程相關的考試成績、系統研發文檔、系統代碼和專題報告等數據，也是學習者學習行為的描述載體。課堂學習、應用實踐和專題研討分別對應不同的考核標準，見表2。講授者主導的課堂學習側重基礎知識的考核，主要體現為期末筆試；應用實踐從系統驗收的角度設立考核標準；專題研討從學術報告質量角度進行考量。

課程3 個考核方面的成績分布見表3。課程學習的成績均分布在70～100 之間，應用實踐和專題研討的最高分均出現在兩個專業的第3 個Title，其實現難度是中等偏上。這兩個分組的共同點是Leader 的組織協調能力強，有較好的編程能力，分組成員也取得了良好的課程學習成績。可以看出，有效的團隊合作可以提高團隊成員的課程學習效果，開發出一個應用操作友好、功能相對完備的軟件強過面面俱到的高難度技術追求，符合軟件工程的基本理念。

表1 課程應用實踐和專題研討相關指標

表2 考核標準 %

表3 課程考核成績分布

每個Title 分化為4 個Pair 的結對參與過程，其中ThreePair 和FourPair 的成員之一是Leader，即Leader 在一個組內參與2 個Pair。訓練Title 和專題Title 得分最高的分組，負責人所在的ThreePair 和FourPair 參與度都比較高，說明Leader 的參與度會影響團隊的凝聚力和執行力。4 個Pair 都服務于Title 的整體目標，任務合作的相關性也將影響整體目標。對“Pair—Pair”的任務相關性進行統計分析得到表4，ThreePair與FourPair 的合作相關性在0.05 級別（雙尾）相關性顯著。這與Leader 的Pair 參與有直接關系。

對Pair 為基本單元的Title 實施進行樣本的統計指標描述，以驗證不同分工的配對顯著性，檢驗結果見表5，訓練Title 和專題Title 的難度指標檢驗結果存在顯著性差異，這是兩個不同類別的主題，具有明顯的執行差異，滿足樣本檢驗的前提條件。

對同一Title 的Pair 配對顯著性進行檢驗。配對有OnePair-TwoPair 和ThreePair-FourPair，OnePair和TwoPair 再 分 別 與Leader 參 與 的ThreePair、FourPair 分別配對，以此檢驗非Leader 參與的Pair 與Leader 參與的Pair 之間是否存在配對差異。通過t 檢驗得到Pair 的參與度配對不存在顯著性差異，說明同一Title 的Pair 配對是易于融合的，也利于課堂學習、應用實踐和專業研討3 個方面的成績考核。

表4 Pair模式的合作相關性

表5 Pair模式的配對樣本檢驗

5 結語

結對模式是軟件工程過程模型的一種重要實施范式，它在提高現代軟件研發團隊協作和研發質量方面具有推動意義。本研究針對軟件工程課程多角度的學習手段和考核方式需求，在課程的應用實踐和專題研討訓練中，采用了“結對”合作模式。為此，抽取兩個專業的15 名學習者為研究樣本，形成同等規模的組單元，指定具有一定的編程或組織管理能力的學習者為分組Title 的Leader，由Leader 根 據Title 實 施目標制定不同階段不同層次的各級參與任務。組成員兩兩組合，形成任務執行的“Pair”單元。通過統計、分析和對比一個學期軟件工程課程的學習行為數據，可以得出這樣的結論：結對模式可以增強分組的任務協作力和課程學習積極性，具有較好編程能力和組織協調能力的分組Leader，利于提高團隊的應用研發質量和專題報告水平，提升任務執行的規范性和全局性。因此，結對模式可以改進具有團作協作特性的課程教學效果，具有理論和實踐的借鑒意義和參考價值。