軟件工程課程實踐與考核標準一致性研究

譚 鑫，史澤宇，吳 際

（北京航空航天大學 計算機學院，北京 100191）

0 引言

隨著信息化和數字化的快速發展，軟件技術已成為國家發展的重要支撐和競爭力的體現。因此，培養高素質、全面發展的軟件工程人才，對我國信息化建設和數字化轉型十分迫切與重要［1-3］。在此背景下，軟件工程課程的重要性愈發凸顯［4-8］。作為計算機科學領域中非常重要的一門課程，軟件工程課程涵蓋了軟件開發的方方面面，包括需求分析、設計、編碼、測試、維護等環節［9］。期望通過軟件工程課程的學習，使學生掌握軟件工程方法和全過程、規范的軟件開發流程，熟悉常見的軟件開發工具和技術，以提升團隊協作能力，使其了解軟件行業發展趨勢和前沿技術，從而培養高素質的軟件工程師，推動軟件行業的發展和創新，為國家數字經濟和信息化建設作出貢獻［10］。

然而，軟件工程教學往往面臨非常大的挑戰［11］。例如，軟件技術更新換代速度非常快，而傳統授課方式往往無法及時跟進，使學生所學內容和實際應用之間存在較大差距。此外，軟件工程的知識點較多、涉及面廣、難度大，需要教師花費大量時間和精力進行解釋和講解，而學生也需要更多時間自主學習和實踐。因此，如何提升軟件工程課程教學質量和效果，便成為當前軟件工程教育領域亟需解決的問題。

為此，眾多高校一直在不斷探索和改革軟件工程教學過程，采用更靈活、高效的教學方式和方法，為學生提供更實用和有價值的軟件工程知識和技術，以培養更多優秀的軟件工程師和人才。為了更好地響應計算機技術發展的新趨勢，貼合不同學生興趣，培養多元化、專業化軟件工程人才，許多高校的軟件工程課程設置了不同的方向［12］。例如，設置面向移動端開發、游戲開發、人工智能等方向的課程，讓學生針對性地進行學習和實踐，實現個性化和專業化培養。雖然，軟件工程課程的多元化方向設置能更好滿足社會對人才的需求，促進產業發展與創新，但也具有課程實踐內容不一致、考核標準不一的問題，影響了學生選課的積極性。

為了解決這一問題，本文以北京航空航天大學計算機學院2022 年春季學期軟件工程課程教學為研究對象，通過詳細分析課程教學大綱、實踐內容、考評標準，結合學生問卷數據分析不同課程方向學生的成績分布差異、成績指標差異。同時，根據美國航空航天局提出的任務負荷量表（NASA-TLX）［13］，從6 個負荷因素對不同方向學生的任務負荷進行理論計算與分析。研究結果揭示了不同課程方向差異性的來源，給出了課程內容存在的問題與相關改進建議，證明了本文研究結果與研究方法有利于軟件工程課程改革的科學探索和實施。

1 研究方法與相關背景

1.1 研究方法

為了分析軟件工程課程實踐與考核標準不一致的現象及其根本原因，本文對北京航空航天大學計算機學院軟件工程課程不同方向的實踐與評價標準進行深入分析。分析數據包括3 個方向的實際授課安排、學生的成績數據、課程實踐提交物（代碼、文檔等數據）、問卷調查數據（鼓勵學生每周填寫NASA-TLX 量表）等。基于這些數據，本文結合定量分析和定性分析方法，從不同角度對這一問題進行深入分析，以探究不同方向作業量、難度、考核標準的差異性以及存在的突出問題，還收集了學生的相關建議，為課程改革提供科學依據。

1.2 北京航空航天大學計算機學院軟件工程課程基本介紹

北京航空航天大學計算機學院的軟件工程課程是面向本科三年級學生開設的專業必修課，曾獲北京市教學成果一等獎。課程采用“大課重課”模式，每年春季學期開課，學時為32 學時（為期16 周），包括課堂授課和課堂研討，另外有約200 小時的課外在線項目實踐。如表1 所示，課程分為高可靠高安全的嵌入式軟件、快速迭代更新的互聯網軟件、大數據驅動的智能軟件3 個方向同期分別授課。學生可任選一個方向進行學習，目的是學生通過學習該門課程，能通過團隊協作的方式（5～7 人團隊合作）開發高質量（使用技術性手段確保所開發軟件的質量）、復雜（萬行規模、領域實用）的軟件系統。課程理論內容和實踐項目同步開展，理論內容涉及軟件工程基本概念、軟件工程開發方法等內容，實踐項目以團隊項目實踐為主線，實踐后再進行深入學習和翻轉課堂研討。

課程團隊包含9 位中青年教師，專業背景跨軟件工程、大數據、人工智能等方向，專業技術互補性強。另外，借助計算機學院創立的本科生助教體系（Student Teaching Assistant AdvisoR，S.T.A.R.），由高年級本科生擔任課程助教，深度參與學生課程實踐全過程，以便及時把握學生學習動態，理解學生在學習過程中遇到的困難。

1.3 NASA-TLX任務負荷量表

由于軟件工程課程實踐提交物不僅包含源代碼，還包含模型、文檔等，難以直接通過定量方式評估3 個方向課程實踐的工作量。即使僅考慮源代碼，單純統計代碼提交行數也無法反映實際工作量。因為同一任務通常存在不同的解決方案，代碼行數多也可能是因為實現方案不夠簡潔。為此，本文借鑒了一種由美國國家航空航天局（NASA）于20 世紀80 年代開發，廣泛用于評估人類認知負荷的量表——NASA-TLX（NASA Task Load Index）任務負荷量表。該量表是一種主觀評估工具，可用于評估任務執行時的認知負荷，包括腦力需求（Mental Demands）、體力需求（Physical Demands）、時間壓力（Temporal Demands）、個人表現（Own Performance）、努力程度（Effort）和情緒狀態（Frustration）等6 個因素。通過對這些因素進行評分，可計算出任務的整體認知負荷水平，從而提升任務執行效率和安全性。

Table 1 Software engineering course directions setting of Beihang University表 1 北京航空航天大學軟件工程課程方向設置

目前，NASA-TLX 任務負荷量表廣泛應用于航空、醫療、工業等各種任務和行業，近年來也逐漸應用于教育領域［14，15］。NASA-TLX 量表實驗包含兩步流程：第一步評估影響特定任務工作量的因素，在兩兩比較中進行權衡，每次選擇一個認為更重要的因素，共15 組，某個因素被選次數越多即表示該因素與任務關聯更大；第二步是對每個尺度進行打分，確定該因素在特定任務的影響量級，打分可在任務中間、單個任務后或整個任務完成后進行。如圖1所示，每個尺度被劃分成20 個相等區間，以0 為初始值100為最大值，每個小區間增量為5。在本文研究中，鼓勵3 個方向的學生在每周結束時基于NASA-TLX 量表對本周實踐內容進行評價。

Fig.1 NASA-TLX（taking mental demand as an example）圖 1 NASA-TLX量表（以腦力需求為例）

2 實際授課安排

為了調研3 個方向課程實踐和考核標準的差異性，本文對3 個方向的授課安排及實踐內容進行調研。表2 展示了各方向的課程大綱，由此可見不同方向所設計的課程具有共同特點，主要體現在將理論知識與學生的課程實踐相結合，以考核、培養學生的軟件開發能力，例如需求分析、項目迭代、軟件測試等。

然而，這些方向之間也存在一些不同之處。具體而言，在考核安排方面（表2 中加粗字體所示），嵌入式軟件方向將總共進行5 次項目評審，分別為需求分析文檔評審、設計文檔評審及3 次迭代評審，但互聯網軟件和人工智能方向則進行3 次項目評審，分別為選題（需求）評審和兩次迭代評審。此外，課程內容也存在一定的差異，例如互聯網方向的課程內容額外涉及結對項目、風險管理，但人工智能方向則包括專家講座和互測互評。

Table 2 Syllabus for three directions of software engineering表 2 軟件工程3個方向的課程大綱

3 考核方法

3.1 考核內容與評價指標

3.1.1 嵌入式軟件

在考核內容方面，嵌入式軟件方向重點考查團隊項目的完成情況，要求應用嵌入式相關知識，利用相關軟件完成一個機器人的模擬實現（機器人取物）。具體考核參照5次評審情況（成績由授課教師根據評審情況直接給出）及最終歸檔文件（包括代碼、文檔）。具體的學生成績計算方式為：

由此可見，嵌入式軟件方向的學生最終成績評定方式將考慮個人和團隊貢獻，結合出勤扣分或其他減分項。具體地，成績計算公式中各部分分數含義為：①團隊總分指整個評估期間團隊獲得的總分數，該分數可根據團隊項目中的表現評定；②個人占比表示個人在團隊中的權重或貢獻比例，每個團隊成員的個人占比根據其在團隊中的工作量、貢獻程度或其他指標來確定；③集體占比表示團隊整體的權重或貢獻比例，該比例反映團隊整體貢獻程度，例如團隊合作效果、團隊成員間的協作等；④團隊人數指參與評估的團隊成員總人數，團隊人數會影響團隊的集體占比，因為隨著團隊人數增加，每個人的貢獻可能相對較小；⑤貢獻率表示個人在團隊中的貢獻程度或貢獻比例，每個團隊成員的貢獻率根據其在團隊中的表現、工作質量或其他指標來評估；⑥出勤扣分或其他減分項指根據個人的出勤情況或其他扣分規則所減去的分數，例如遲到、曠課、缺席或其他違反規定的行為。

3.1.2 互聯網軟件

互聯網軟件方向的考核內容較多，主要包括個人項目（獨自實現某個較為簡單的編程任務）、結對項目（兩人組隊完成一個稍復雜的編程任務）、團隊項目（包含兩輪迭代，除項目本身外還包括規格說明書、博客等文檔的撰寫）、平時作業。學生成績計算方式為：

原始成績=個人項目成績+結對項目成績+

其中，團隊項目成績根據兩輪迭代，計算方式為：

由此可見，互聯網軟件方向的學生成績計算方式涉及多個組成部分，綜合在一起才形成原始成績，這種計算方式綜合考慮了學生在不同項目和階段的表現、個人和團隊的貢獻，從而得出代表學生最終成績的數值。

3.1.3 智能軟件

智能軟件方向要求學生以團隊形式，應用人工智能算法實現評論文本情感分析、圖像內容識別、個性化推薦等AI 應用元素，并開發出系統的前端與后端。此外，優秀作業額外要求有手機端（小程序或應用軟件）。具體考核要點如表3所示。

成績計算方式依據各小組文檔、產品各得到的A、B、C檔數目加權評分，以獲得小組成績，具體計算方式為：小組成績=30 × A類文檔個數+15 × B類文檔個數+

其中：A 檔為超出預期；B 檔為完成得很好；C 檔為完成但一般（基準檔）；D 檔為完成但較差；E 檔為很差或未完成。

Table 3 Assessment content of intelligent software direction表 3 智能軟件方向考核內容

通過上述分析可知，3 個方向在考核內容方面均有各類文檔說明書、團隊項目（代碼任務）、項目答辯等任務，不同之處在于互聯網軟件方向額外包括個人任務、博客任務和結對編程任務，智能軟件方向則涉及互測內容和額外的手機端（小程序和app）任務。在作業量方面，互聯網軟件方向的平均作業量相較于嵌入式軟件、智能軟件方向稍多。

對于評價指標而言，互聯網軟件方向相較于其他兩個方向增加了博客作業和結對編程作業，提升了任務難度和工作量。在成績計算中，將個人表現與3 項任務相關聯，要求個人單獨提交博客作業或與一名隊友一起完成結對編程才能獲得相應分數。相比之下，互聯網軟件方向對隊員個人的要求更高，任務量更大。

在團隊合作開發方面，互聯網軟件方向將個人貢獻作為加分項，將其與團隊總分一起計算在總成績中，與其他兩個方向團隊得分乘以個人貢獻的計算方式有所不同。

3.2 成績分布情況

由表4 可知，互聯網軟件方向的學生成績普遍較高，平均分相較于智能軟件方向和嵌入式軟件方向高約7 分，但嵌入式軟件方向和智能軟件方向的學生成績均值相近，中位數也相近。由圖2 可見，3 個方向的學生成績分布情況存在一定的差異，具體為互聯網軟件方向和嵌入式軟件方向的高分成績較集中，但智能軟件方向的學生成績接近正態分布。綜合分析上述差異，可為改進3 個方向的課程 評價標準提供一定啟示。

Fig.2 Distribution of grades in three directions圖2 3個方向成績分布情況

Table 4 Basic information of course grades in three direction表4 3個方向課程成績基本信息

4 任務量評估

考慮到課程實踐環節不僅要求學生提交代碼，還涉及文檔、視頻、周報等多種內容，因此難以直接量化3 個方向之間工作量差異。為此，本文采用了NASA_TLX 量表，從6個負荷因素評估課程實踐的工作量。具體為，向軟件工程3 個方向的學生發放NASA_TLX 問卷，鼓勵學生根據每周完成課程實踐的真實感受填寫問券，便于動態跟蹤學生工作量的變化。根據上述方法，本文共收集到208 份問卷（嵌入式軟件方向58 份，互聯網軟件方向65 份，智能軟件方向85 份），涉及109 名學生，大致覆蓋50%以上的選課群體，并對問卷結果進行統計分析。

由圖3 可見，軟件工程3 個方向的學生在腦力需求、體力需求、時間壓力、個人表現、努力程度和情緒狀態方面的評分總體分布情況不同。其中，互聯網方向在腦力需求、體力需求、時間壓力和努力程度方面的評分明顯高于其他兩個方向，說明學生主觀感受互聯網方向需要花費更多的腦力和體力才能完成課程實踐任務，并且時間緊迫，這與前文分析結果一致。

Fig.3 Overall distribution of the six indicators of NASA-TLX圖3 NASA-TLX六項指標的總體分布情況

值得注意的是，在個人表現方面（該指標分數越高代表越不滿意）智能軟件方向的評分較高，而在情緒狀態方面嵌入式軟件方向的評分較高，表明智能軟件方向的學生在完成課程實踐的過程中自我滿意度較低，嵌入式軟件方向的學生在完成課程實踐時遇到挫折的概率更大。原因是智能軟件方向涉及人工智能算法的實現，開發嵌入式軟件需要學生掌握一定的嵌入式開發相關知識，對于本科三年級的學生而言具有一定的挑戰性。

（四）在免疫、檢疫、監督的同時錄入信息 通過對縣、鄉、村人員層層培訓，讓他們熟悉、掌握了掛標及通過識讀器信息錄入的方法。從2007年起州、縣、鄉每年投入官方獸醫787人，村協檢人員1 230人參與掛標、基礎信息錄入和免疫、產地檢疫、屠宰檢疫信息錄入工作，到目前，共錄入養殖戶的基礎信息5.8萬條，戴標579 483條、免疫2 060 858條、產地檢疫9 467條、出縣境檢疫53 576條的信息錄入，上傳中央數據庫。為信息查詢提供了堅實的基礎保障。

圖4 顯示了軟件工程3 個方向學生在腦力需求、時間壓力、個人表現、努力程度和情緒狀態方面的評分的每周分布情況。結合3 個方向的課程大綱（見表2）可獲得以下發現：

Fig.4 Dynamic distribution of the six indicators of NASA-TLX圖4 NASA-TLX六項指標的動態分布情況

（1）腦力需求方面。智能軟件方向第4 周（系統建模）需要較高的腦力，互聯網軟件方向第1 周（軟工概述）、第4周（團隊軟件過程）、第10 周（用戶體驗，項目進度追蹤）、第11 周（Alpha 階段項目評審）需要相對較高的腦力；嵌入式軟件方向第7 周（需求分析文檔評審）需要相對較高的腦力。

（2）體力需求方面。互聯網軟件方向第9 周（項目經理，項目進度追蹤）、第11 周（Alpha 階段項目評審）、第12周（Alpha 階段反思、Beta 階段改進計劃）需要較高的體力；智能軟件方向整體體力需求較平滑，最高為第9 周（軟件測試）；嵌入式軟件方向整體較為平滑，第8 周（軟件設計與迭代開發）和第12周（集成測試）需要較大的體力。

（3）時間壓力。互聯網軟件方向第11 周（Alpha 階段項目評審）、第12 周（Alpha 階段反思、Beta 階段改進計劃）和智能軟件方向第9 周（軟件測試）時間壓力較大；嵌入式軟件方向整體時間需求較低。

（4）個人表現。學生們對于互聯網軟件方向第3 周（結對編程）、嵌入式軟件方向第16 周（課程總結答辯）、智能軟件方向第4 周（系統建模）、第10 周（Alpha 版本發布匯報評審）和第16周（課程總結）的個人表現不太滿意。

（5）努力程度。總體而言，3 個方向的學生們的努力程度差異不大。

（6）情緒狀態。嵌入式方向第7 周（需求分析文檔評審）、第12 周（集成測試）、第13 周（第二次迭代評審）、第16 周（課程總結答辯）的挫折程度較高，原因可能由于學生第一次進行嵌入式軟件學習（如ROS 學習）比較困難所導致。

5 總結與建議

基于以上分析可知，軟件工程課程3 個方向的要求（考核內容、任務形式、任務量、成績評定方式）不一致是導致不同方向學生任務不均衡的主要因素之一。在課程改革中，為確保不同方向的特色得到保持和發展，在宏觀上統一課程安排、任務形式、任務要求和工作量非常重要。如此，既能確保學生在學習過程中得到公平、均衡的任務分配，也能滿足各方向的學習需求，給予學生一定的自由度，又讓他們在選課和方向選擇時根據自身興趣和目標作出適合自己的選擇，有助于減少不同方向學生任務的不均衡性。

統一課程安排、任務形式、任務要求和工作量可確保學生在學習過程中獲得相似的學習機會和挑戰，避免某些方向的學生承擔過多或過少的任務。因此，確保各方向的特色得到保持，并在宏觀上統一課程安排、任務形式、任務要求和工作量，是解決不同方向學生任務不均衡問題的有效途徑之一。如此，可為學生提供公平、均衡的學習環境，促進學生全面發展。具體可以采取以下措施：

（1）統一課程安排。每個方向的課程安排應有固定的時間安排評審，以平衡各方向的評審次數和項目迭代次數，確保每個方向都有相同的機會展示他們的工作成果，鼓勵不同方向課程交叉評審。

（2）統一任務形式。3 個方向的任務形式應該大致相同，包括團隊任務（代碼任務）、文檔任務、答辯任務。如果有其他任務形式，應保證對每個方向的學生相同，以確保評估標準的一致性。

（3）統一任務要求。對于文檔、博客等文字性任務，應保證每個方向的學生都有相同的要求和指導，以確保評估標準的一致性。此外，還應該鼓勵各方向共建、共享學習資源。

（3）統一工作量。每個方向的課程實踐任務量應大致相同，以確保學生有相同的工作量和學習負擔。對于互聯網方向的工作量較多的問題，可適當減少任務量使其與其他兩個方向持平。

綜上所述，通過以上措施可確保軟件工程課程的3 個方向在考核內容、任務形式、任務量、成績評定方式上的一致性，為學生提供更公平、公正的學習機會，從而提升課程教學質量和學生學習效果。此外，統一課程設計和考核標準也有助于促進不同方向學生之間的交流和合作，提升團隊協作和溝通能力，培養全面的軟件工程師素質。

6 結語

軟件工程課程的重要性在當前信息化和數字化時代十分突出。然而，軟件工程教育面臨許多挑戰，例如知識更新換代快、難度大等問題。為了更好地響應計算機技術發展的新趨勢，貼合不同學生興趣，培養多元化、專業化軟件工程人才，許多高校的軟件工程課程均設置了不同方向，從而實現個性化和專業化培養。

然而，軟件工程課程的多元化方向設置也帶來了一些教學上的問題，例如不同方向的課程實踐內容和考核標準不一致性，影響了學生選課積極性。為此，本文以北京航空航天大學計算機學院軟件工程課程教學為例，探討不同課程方向的教學內容和考評標準存在的問題，并提出一些改進方案。上述研究結果和方法，將有助于軟件工程課程改革的科學探索和實施，未來在全社會共同努力下，軟件工程教育將更完善和高效，為我國數字化轉型和發展提供更堅實的支撐。