结对模式驱动的软件工程协作教学机制研究

夏小娜，戚万学

（1.曲阜师范大学 统计学院，山东 曲阜 273165；2.曲阜师范大学 信息科学与工程学院，山东 日照 276826；3.曲阜师范大学 中国教育大数据研究院，山东 曲阜 273165）

0 引言

软件工程是计算机科学与技术和软件工程等工程类专业的基础课程[1]，在工程性团队协作素养的培养和提升方面，具有重要地位[2]。在软件工程的教学过程中，需要考虑课程实践过程的群体协作训练[3-4]，加大学习者自主和互助解决问题的力度[5]。

首先，授课者应根据课程内容，找出课程知识点的线索走向和前后联系，将课程教学规划为课堂学习、应用实践和专题研讨3 个层次；其次，将课程内容分成不同的学习阶段和学习子目标，在每个阶段，制定不同的实践内容和执行步骤，设定不同阶段的考核指标和评定规则；再次，将学习者分成不同的参与组，针对应用实践和专题研讨两个层次，每个组设定相应的参与Title（主题），每个Title 部署为一系列的执行任务。

为提高学习者参与软件工程课程教学的主动性和自觉性，基于翻转课堂的基本理念[6-7]，在课程授课时间有限且任务多的前提下，本研究结合软件工程方法学的极限编程模型思想，提出结对模式驱动的协作教学机制。跟踪软件工程一学期的教学过程，抽取两个专业学习者的学习行为数据，设计参与度计算方法，并结合统计检验指标展开实证分析。

1 结对模式的概念和原理

“结对编程（Pair programming）”[8]是软件工程过程模型——极限编程（Extreme Programming，简称XP）的核心理念。它要求两人为一个“Pair”参与合作同一段代码，一人（思考者）分析问题另一人（编程者）编码实现。思考者需要保持软件顶层概念，而非仅关注当前问题，编程者只需要关注局部问题解决的可计算化和可编程化。如果编程者遇到了问题，两个人就需要角色互换。如果两者都处于问题解决的“瓶颈”，可以邀请本系统的其他人参与讨论。这种理念可以保证整个团队实现“自顶向下、逐步求精”的研发互助目标。将团队成员分解成多个相对独立又可以适时沟通的“Pair”单元，不同的“Pair”先完成各自的分配任务，再从整体上分层次、分阶段地实现“Pair”工作的有效集成。

“结对”理念运用于软件工程课程教学，需要先剖析课程知识结构，这里按照横向和纵向两条线索展开，横向是结构化和面向对象两种方法体系，纵向是软件的生命周期线索。根据纵向的脉络阶段划分，横向任务交叉进行。纵向根据软件生命周期的定义，从时间维度划分成相互关联的多个阶段。

“结对”是采用“Pair”为基本参与单元的多层次、多阶段迭代的组织模式，每一项参与任务，都是两人结对协作。在任务推进过程中，不同的“Pair”适时沟通，及时融合，不时迭代，有效集成。图1 是“结对”模式驱动的软件工程协作教学机制剖面图，图的中间部分是软件生命周期的相关阶段，不同阶段之间存在严格的先后次序，自顶向上有序进行，每一阶段的任务都以上一阶段的执行结果为依据，也是下一阶段任务开始的前提条件。每一阶段的执行结果，也可以反馈到相邻的上一阶段。

图1 “结对”模式驱动的软件工程协作教学机制

基于图1 的逻辑部署，需要在软件工程的教学过程中设计不同Title 的应用实践和专题研讨案例。每个Title 指定一个负责人（Leader），Leader 根据Title 的实施目标，制定任务执行的标准和规模，担任“监督者”和“调控者”的角色。并配置一定数量的参与成员，一般为4～5 人，两两结合形成“Pair”。同时要求属于同一Title 的Pair 之间保持沟通，做到任务执行过程的透明化和公开化。不同Pair 的任务关联过程采用渐增式的集成思路，即每一次的集成，只引入一个Pair任务关联，这样做利于发现问题和解决问题。

2 结对模式的参与度计算方法

“结对模式”驱动的协作教学机制具有共同的组织原理。无论Pair 参与的是哪一个Title，都遵循软件生命周期的8 个阶段，将这8 个步骤的任务集定义为X1、X2......X8，每个步骤对应的课堂学习、应用实践和专题研讨的参与度分别定义为Li、Ci和Ri，取值区间为[0，1]，其经验权重系数通常设定为0.5、0.3 和0.2，则Xi=0.5Li+0.3Ci+0.2Ri。软件生命周期的任务权重系数定义为a1、a2......a8，一般情况下，默认取值为1，表明每一个阶段的任务都很重要，每个Pair 的参与度平均值计算模型表示为，其中φt是调节Title 难易程度的因子，取值范围为[1，1.5]，由Title 的规模、任务量和技术研发目标等共同决定，通常取自经验值。

同一Title 的任务量计算是一个迭代过程。从两个最基本的Pair 任务集成一个子整体开始，之后的每一次集成，只发生在子整体与一个Pair 的任务之间。这样，就产生了子整体和每一个Pair 任务集成的额外工作量。工作量会随着集成度的增加，难度系数将呈放大趋势。将任务集成难度的定性系数表示为F（s），其中F（1）=1，F（2）=1，F（s）=F（s-1）+F（s-2）。任务量的难度值计算模型设计为f（s，F（s））=f（2，F（2））+φt×f（s-1，F（s-1））。由于每一次渐增集成过程都是两两集成，可以将f（2，F（2））作为难度函数的常量平衡值。其中s=|Pair|-1，表示集成的次数，|Pair|是一个Title 所分成的Pair 个数。

结对模式的参与度计算方法是关于Title 任务集成的定性描述，得到的结果可以衡量参与Title 的任务难度，适合用于不同Title 的参与情况比较。

3 结对模式的实施方案

分别选择一届软件工程和计算机科学与技术两个专业15 名研究生的课程学习行为数据为样本，运用第2 部分的参与度计算方法，统计分析课堂学习、应用实践和专题研讨中取得的成绩，实证检验结对模式在个体学习积极性、任务难易度、考核成绩等方面的应用效果。

图2 Pair模式的组建方法

为此将应用实践设定为3 个特定的训练Title：PT1.考勤系统、PT2.招聘系统和PT3.图书系统，专题研讨Title 包括RT1.区块链、RT2.电子商务和RT3.大数据。15 人中指定3 个Leader，由Leader 分别组建5 人参与小组，每组采用随机方式选择实用实践和专题研讨题目。

在Pair 规划时，Leader 自主与其他成员组成Pair，完成不同任务目标的分析与设计，5 人组的Pair 组建方式如图2 所示。A、B、C 和D 是4 个成员，假设A 与C 的分工是类似的，B 和D的分工是类似的，L 是Leader，A 和B、C、D可以分别组成合作Pair，L 设定为任务可兼顾的角色，分别和A 和B、C、D 中的一个组成Pair，这样每个组就可以形成4 个Pair。同样的，A 和D、B、D 也可以分别组成合作Pair，也可以有4种组合方法。这里将图中8 个单元右侧的学习者定义为编程者，左边的学习者为思考者。

表1 是应用实践和专题研讨两部分的相关指标。Leader根据Title的目标要求，规划Title任务。基于Leader 的技术和能力特点，根据图2 的Pair组建方法，选择合适的“4-Pair”单元。根据以往软件研发经验，3 个训练Title 的研发规模近似，则Pair 的任务渐增集成工作量可以设定为同值。3 个研讨Title 的主旨目标是一样的，但是Leader规划的任务目标和要求是不一样的，执行要求也有所不同，从系统的开发技术、支持跨平台和支持移动设备3 个方面考虑，所对应的应用实践和专题研讨的难易度也就不一样，Title 的φt应具有不同的权重值。从表中可以看出，两个专业虽然选题一样，但不同的Pair 组建方式不同、研发目标不同、参与人不同、Leader 的编程和组织协调能力不同等，都会影响团队合作效果和任务执行难度。

在软件工程课程的授课过程中，由授课者不定期组织应用实践和专题研讨的进度交流会，讨论不同Title 前期工作存在的问题。每组的Leader 主讲，Pair 做任务的针对性陈述，所有参与人及时了解不同Title 的进展状态，总结参与过程存在的优缺点。应用实践和专题研讨的考核一般在学期末完成，通过组建评审小组，建立评审标准和衡量指标，统一进行评分。最后由授课者和Leader共同参与计算每一个Pair 的参与度。

4 结对模式的课程实践结果

课程学习结束，产生了与课程相关的考试成绩、系统研发文档、系统代码和专题报告等数据，也是学习者学习行为的描述载体。课堂学习、应用实践和专题研讨分别对应不同的考核标准，见表2。讲授者主导的课堂学习侧重基础知识的考核，主要体现为期末笔试；应用实践从系统验收的角度设立考核标准；专题研讨从学术报告质量角度进行考量。

课程3 个考核方面的成绩分布见表3。课程学习的成绩均分布在70～100 之间，应用实践和专题研讨的最高分均出现在两个专业的第3 个Title，其实现难度是中等偏上。这两个分组的共同点是Leader 的组织协调能力强，有较好的编程能力，分组成员也取得了良好的课程学习成绩。可以看出，有效的团队合作可以提高团队成员的课程学习效果，开发出一个应用操作友好、功能相对完备的软件强过面面俱到的高难度技术追求，符合软件工程的基本理念。

表1 课程应用实践和专题研讨相关指标

表2 考核标准 %

表3 课程考核成绩分布

每个Title 分化为4 个Pair 的结对参与过程，其中ThreePair 和FourPair 的成员之一是Leader，即Leader 在一个组内参与2 个Pair。训练Title 和专题Title 得分最高的分组，负责人所在的ThreePair 和FourPair 参与度都比较高，说明Leader 的参与度会影响团队的凝聚力和执行力。4 个Pair 都服务于Title 的整体目标，任务合作的相关性也将影响整体目标。对“Pair—Pair”的任务相关性进行统计分析得到表4，ThreePair与FourPair 的合作相关性在0.05 级别（双尾）相关性显著。这与Leader 的Pair 参与有直接关系。

对Pair 为基本单元的Title 实施进行样本的统计指标描述，以验证不同分工的配对显著性，检验结果见表5，训练Title 和专题Title 的难度指标检验结果存在显著性差异，这是两个不同类别的主题，具有明显的执行差异，满足样本检验的前提条件。

对同一Title 的Pair 配对显著性进行检验。配对有OnePair-TwoPair 和ThreePair-FourPair，OnePair和TwoPair 再 分 别 与Leader 参 与 的ThreePair、FourPair 分别配对，以此检验非Leader 参与的Pair 与Leader 参与的Pair 之间是否存在配对差异。通过t 检验得到Pair 的参与度配对不存在显著性差异，说明同一Title 的Pair 配对是易于融合的，也利于课堂学习、应用实践和专业研讨3 个方面的成绩考核。

表4 Pair模式的合作相关性

表5 Pair模式的配对样本检验

5 结语

结对模式是软件工程过程模型的一种重要实施范式，它在提高现代软件研发团队协作和研发质量方面具有推动意义。本研究针对软件工程课程多角度的学习手段和考核方式需求，在课程的应用实践和专题研讨训练中，采用了“结对”合作模式。为此，抽取两个专业的15 名学习者为研究样本，形成同等规模的组单元，指定具有一定的编程或组织管理能力的学习者为分组Title 的Leader，由Leader 根 据Title 实 施目标制定不同阶段不同层次的各级参与任务。组成员两两组合，形成任务执行的“Pair”单元。通过统计、分析和对比一个学期软件工程课程的学习行为数据，可以得出这样的结论：结对模式可以增强分组的任务协作力和课程学习积极性，具有较好编程能力和组织协调能力的分组Leader，利于提高团队的应用研发质量和专题报告水平，提升任务执行的规范性和全局性。因此，结对模式可以改进具有团作协作特性的课程教学效果，具有理论和实践的借鉴意义和参考价值。