王 濤，白 羽，余 躍，毛新軍，歐陽建權(quán)，尹 剛，王懷民

（國防科技大學 計算機學院，湖南 長沙 410073）

0 引 言

近年來，教育部和多個高等院校聯(lián)合提出了“新工科建設(shè)”的思路，希望以此來推動工程實踐能力和創(chuàng)新能力強的高素質(zhì)復合型工科人才的培養(yǎng)。然而，軟件工程課程本身具有的綜合性、交叉性、工程性等問題使得軟件工程實踐教學面臨著諸多問題，比如缺乏高質(zhì)量實踐教學案例、難以有效指導實踐教學過程、難以持續(xù)評估實踐開發(fā)過程等。要推動學生工程實踐能力和軟件創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，亟須在實踐對象、資源、環(huán)境等方面突破當前實踐教學的局限，需要相應(yīng)平臺的強力支撐。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展推動了數(shù)字化教學平臺的發(fā)展，形成了以學校為中心的在線學習管理平臺和以學習者為中心的在線學習服務(wù)平臺兩大類。在線學習管理平臺如Blackboard等堅持以教師、課堂為中心的教學理念和管理模式，側(cè)重于課堂教學活動的在線化，并不能有效支持實踐；在線學習服務(wù)平臺如Coursera等MOOC[1]自主學習平臺以及CodeAcadamy[2]、Topcoder[3]等自主實踐平臺是以學習者為中心，但與軟件工程實踐教學活動有所脫節(jié)。如何充分利用當前互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)帶來的機遇，構(gòu)建面向軟件工程實踐教學的支撐平臺，是實現(xiàn)新工科建設(shè)目標亟須解決的關(guān)鍵問題。

1 群體化實踐教學支撐平臺的建設(shè)思路

借鑒以開源軟件為代表的群體化實踐，我們形成了將互聯(lián)網(wǎng)開放資源以及開發(fā)者群體智慧引入實踐教學過程，基于高質(zhì)量開源軟件構(gòu)建實踐任務(wù)，利用互聯(lián)網(wǎng)群體協(xié)助指導學生創(chuàng)新實踐的群體化實踐教學基本思路和方法，希望以此克服老師和學生在知識、經(jīng)驗、時間等方面的局限性，突破傳統(tǒng)實踐教學面臨的實施空間、協(xié)同對象、實踐資源等受限的問題，實現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。

開源軟件蘊含的以“大眾化協(xié)同、開放式共享、持續(xù)性評估”為核心的群體化學習與創(chuàng)新機理[4]，為群體化實踐教學支撐平臺建設(shè)提供了很好的思路。

（1）引入大眾化群體協(xié)同模型，將教師答疑輔導為主的課堂實驗?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變?yōu)榛陂_放社區(qū)、以互助討論為主的協(xié)作學習模式，實現(xiàn)教師引導激發(fā)、學生協(xié)同實踐的協(xié)作創(chuàng)新模式。

（2）引入開放式資源共享模式，將以教師為單一資源來源的封閉環(huán)境資源分享模式轉(zhuǎn)變?yōu)榛诨ヂ?lián)網(wǎng)的大范圍資源共享模式，更有效地推動創(chuàng)新實踐活動的開展。

（3）引入持續(xù)性過程評估機制，實現(xiàn)對學生、老師以及實踐教學活動的有效評估與反饋，推動創(chuàng)新實踐群體共同協(xié)作參與和多樣化貢獻匯聚，更有效地實現(xiàn)協(xié)同實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

基于上述基本思想，我們形成了以開源群體化機理為內(nèi)核，將教學體系與實踐體系相融合的群體化實踐教學支撐平臺建設(shè)思路，如圖1所示。

群體化實踐教學支持平臺需要通過一系列的機制和工具設(shè)計，將課堂與互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)聯(lián)接起來，將課堂教學與創(chuàng)新實踐銜接起來，從而為軟件工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供支撐。

圖1 群體化實踐教學支撐平臺建設(shè)思路

圖2 群體化實踐教學支撐平臺Trustie的整體框架

2 Trustie平臺對群體化實踐教學的支持

基于群體化實踐教學的思想，圍繞閱讀和維護高質(zhì)量的開源軟件，開發(fā)有創(chuàng)意、上規(guī)模的軟件系統(tǒng)兩個方面的任務(wù)，構(gòu)建形成了面向群體化實踐教學的支撐平臺Trustie[4]。

2.1 平臺整體框架

Trustie平臺涵蓋了對開源代碼閱讀與評價、開源資源的分析與共享、實踐項目的協(xié)同開發(fā)等群體化實踐教學的支持，主要包括數(shù)據(jù)存儲管理、核心支撐機制、關(guān)鍵子系統(tǒng)以及Web交互等，整體框架如圖2所示。

針對實踐教學實施過程中不同時期的特殊需求，我們構(gòu)建了面向不同實踐任務(wù)的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）課堂教學管理平臺。支持圍繞課堂學習開展實踐，提供實踐任務(wù)發(fā)布、實踐過程監(jiān)測等管理工具以及活躍度排序、實踐質(zhì)量分析等評估工具。

（2）開源代碼閱讀標注平臺。支持圍繞開源代碼開展實踐，提供開源代碼標注任務(wù)發(fā)布、代碼閱讀與標注、對標注進行匯聚與分析等功能。

（3）開源資源開放共享平臺。支持教師和學生圍繞開源資源實現(xiàn)資源匯聚、分析與分享，提供互聯(lián)網(wǎng)資源的熱度分析、質(zhì)量評估等資源評估工具以及檢索推薦等資源共享工具。

（4）實踐項目協(xié)同開發(fā)平臺。支持課堂小組圍繞實踐任務(wù)開展分布式協(xié)作實踐，提供任務(wù)跟蹤、協(xié)同開發(fā)等群體協(xié)同工具，以及代碼質(zhì)量、個體能力等持續(xù)評估工具。

2.2 對群體化實踐教學的支持

2.2.1 對群體化實踐教學組織的支持

實踐教學的實施需要老師對學生進行積極引導、對實踐過程教學有效監(jiān)測和管理，面向?qū)嵺`教學管理的Trustie-Course平臺提供了相應(yīng)的支撐機制。

（1）多層次實踐教學組織?；谠撈脚_，課程教師可以根據(jù)不同實踐任務(wù)的需要以及不同課程教學和實踐的特點，創(chuàng)建不同粒度和層次的實踐教學組織方式，包括結(jié)對模式、分組模式、班級模式、課程模式、社區(qū)模式等。這些多樣化、不同粒度、不同層次的群體化組織能夠更好地促進資源共享、有效協(xié)同、數(shù)據(jù)采集、科學評估。

（2）跨班級、跨學期資源匯聚和共享。一門實踐課程通常會涉及多個班級和學期?；谠撈脚_，課程教師可以實現(xiàn)不同班級、不同學期之間大量教學資源的“一鍵”匯聚和共享。跨班級、跨學期的共享能夠?qū)崿F(xiàn)教學活動的繼承和互補，推動實踐教學承上啟下、不斷延續(xù)。

2.2.2 對開源代碼的閱讀標注的支持

高質(zhì)量開源代碼閱讀與維護對提升學生工程意識、分析復用能力等具有重要價值。Trustie-Codepedia平臺為學生群體化開源代碼學習提供了相應(yīng)的支撐。

（1）面向代碼理解的開源注釋。Codepedia平臺基于開源社區(qū)構(gòu)建了面向?qū)嵺`教學的代碼閱讀標注資源庫；提供了項目總體結(jié)構(gòu)、類與方法、方法間調(diào)用關(guān)系等不同視圖，便于學生理解項目需求與系統(tǒng)設(shè)計；設(shè)計針對每一行代碼的獨立標注機制，學生可以針對任何一行代碼或者一個代碼庫等進行標注；集成了SonarQube等代碼分析工具，并基于工具分析結(jié)果形成相應(yīng)的引導問題，引導和培養(yǎng)學生編寫高質(zhì)量代碼的意識。

（2）面向?qū)嵺`過程的眾包評估。老師要有效評估學生對代碼理解的準確性和標注的質(zhì)量，僅靠實踐教學是很難完成的。平臺設(shè)計了包括標注后才能查看他人標注等多種機制，促使學生獨立思考、認真標注，防止學生之間相互抄襲；設(shè)計了贊與踩、匿名評論、交叉互評等機制，通過學生之間的相互評閱，利用相應(yīng)的機器學習和自然語言處理技術(shù)，對每個學生的代碼標注質(zhì)量進行準確的分析和評估。

2.2.3 對互聯(lián)網(wǎng)資源開放共享的支持

在實踐教學實施過程中，為學習者提供所需的個性化軟件資源和知識資源等極其關(guān)鍵。面向開放式資源共享的Trustie-OSSEAN平臺[5]為大范圍互聯(lián)網(wǎng)資源的高效共享提供了相應(yīng)支持。

（1）面向?qū)嵺`教學的互聯(lián)網(wǎng)資源匯聚共享?；ヂ?lián)網(wǎng)上匯聚了海量有價值的教學資源，這些資源大多并非來自傳統(tǒng)意義上的教學群體，而是由特定互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)提供。所提供的資源具有多樣化、持續(xù)增長等特點。Trustie-OSSEAN平臺基于全球主流開源開發(fā)社區(qū)和應(yīng)用社區(qū)構(gòu)建形成了面向?qū)嵺`教學的大規(guī)模資源庫；在實踐教學平臺與互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)之間建立起“通道”，方便教師將特定互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)資源導入實踐課程，幫助實踐教學群體便捷、快速地共享海量的學習資源，以支持軟件工程實踐教學活動。

（2）面向教學資源選擇的開源資源評估與推薦。海量開源資源存在規(guī)模巨大、分布廣泛、形式多樣、質(zhì)量良莠不齊的特點。Trustie-OSSEAN平臺提供了一種基于使用者應(yīng)用反饋的項目量化評估機制，實現(xiàn)對開源軟件的評估、排序以及發(fā)展趨勢預(yù)測，從而幫助學習者尋找到所需要的資源；基于互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模群體對軟件及相關(guān)討論的標注標簽進行關(guān)聯(lián)分析，提供了海量資源的準確定位與相似相關(guān)項目的推薦，為學習者提供更準確的學習實踐資源檢索與推薦。

2.2.4 對群體化分布式協(xié)同實踐的支持

創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的關(guān)鍵在于動手實踐。圍繞基于群體化軟件開發(fā)方法的實踐教學，形成了面向群體協(xié)同開發(fā)的Trustie-Forge平臺，提供了高效便捷的在線協(xié)同支撐工具和服務(wù)，為大規(guī)模群體協(xié)同實踐提供支持。

（1）實踐項目的任務(wù)管理。對協(xié)作實踐任務(wù)的有效跟蹤管理是提升協(xié)作效率和質(zhì)量的關(guān)鍵要素。Trustie-Forge平臺提供項目目標規(guī)劃、里程碑設(shè)置來控制項目工作的進展，保證目標規(guī)劃的實現(xiàn)；提供項目任務(wù)（需求、功能、支持、缺陷等）分配管理機制，使開發(fā)過程能夠有序進行；提供項目進度統(tǒng)計、分析、通知等，確保協(xié)作團隊之間所修改的代碼保持一致性和完整性；提供wiki、論壇等以實現(xiàn)群體知識分享與高效協(xié)同。

（2）實踐項目的制品管理。群體協(xié)作中個體實踐制品的有效管理和融合直接影響團隊項目的最終成敗。Trustie-Forge提供分布式版本管理工具對項目組織中不同個體所提交的代碼進行版本管理，確保多個個體之間所修改的代碼保持一致性和完整性；提供代碼分析工具對學生提交的代碼進行分析，讓學生對知識點的掌握以及在編程開發(fā)中容易觸犯的共性錯誤和個性錯誤一目了然；提供協(xié)同編輯工具幫助項目成員合作編輯同一個文檔，最終形成整個項目組的開發(fā)成果；提供基于Pull-Request的貢獻匯聚機制實現(xiàn)群體協(xié)同制品的高效匯聚和合并。

（3）實踐過程的持續(xù)評估。如何對協(xié)同過程進行持續(xù)的分析和評估對于指導學生實踐非常重要。Trustie-Forge平臺基于持續(xù)集成工具Jenkins和質(zhì)量分析工具SonarQube構(gòu)建了實踐質(zhì)量持續(xù)檢查模塊，實現(xiàn)了對提交代碼的自動化靜態(tài)質(zhì)量分析，能夠?qū)W生的實踐過程進行持續(xù)檢查與實時反饋，在提高軟件代碼質(zhì)量的同時提高開發(fā)者的編程質(zhì)量和水平；提供了基于開發(fā)過程數(shù)據(jù)的個體能力分析工具，對團隊協(xié)作中個體實踐工作量、實踐質(zhì)量等進行有效的分析和排名等?；谶@些工具實現(xiàn)對學生實踐過程的持續(xù)的、定量和定性的分析和評估。

3 Trustie平臺在群體化實踐教學中的應(yīng)用

Trustie平臺通過一系列機制和工具設(shè)計，將課堂學習者與大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)群體連接起來，讓互聯(lián)網(wǎng)大眾參與到實踐教學活動中，幫助學習者獲得多源、多樣的知識和技能，支持更開放的交流和討論，吸取多方的不同觀點、見解和意見；將學生創(chuàng)新實踐與互聯(lián)網(wǎng)群體實踐連接起來，將開源開發(fā)者、開源項目、開源社區(qū)討論等作為重要組成部分參與到創(chuàng)新實踐過程中，讓學生向全球頂級開發(fā)者學習，對軟件工程群體化實踐教學提供了有力支持。

3.1 平臺應(yīng)用情況

圍繞群體化實踐教學，Trustie平臺匯聚以下的實踐教學相關(guān)資源，有力地支持了軟件工程實踐教學活動的有效開展。

（1）高質(zhì)量開源代碼閱讀片段超過50萬個。

（2）開源項目超過530萬個，在線討論數(shù)量超過2 000萬，對開源開發(fā)與應(yīng)用社區(qū)進行實時監(jiān)測與持續(xù)更新，且更新延遲小于30分鐘。

（3）發(fā)布了超過3 580次實踐任務(wù)，學生累計提交實踐作品達到101 153個，累計下載超過245萬次。

（4）創(chuàng)建實踐項目達到3 317個，缺陷發(fā)布數(shù)量超過10萬個，項目資源累積3萬份，這些資源涵蓋了軟件、文檔、代碼、媒體以及論文等類型。

國防科技大學包括程序設(shè)計等課程實踐都基于Trustie平臺來開展。計算機學院圍繞群體化實踐教學，采用小班教學的模式，對軟件工程專業(yè)的學生開展了持續(xù)兩年的教學實踐，包括實踐任務(wù)的發(fā)布與管理、小米便簽等開源代碼的閱讀與維護，創(chuàng)新軟件的需求創(chuàng)意、開源復用、協(xié)同開發(fā)等，都基于Trustie平臺來實施。在開源代碼閱讀階段，代碼標注達到平均3～4行添加1條注釋且比較規(guī)范標準，在代碼維護階段平均添加代碼規(guī)模約為500行，基于Git的代碼提交約為142次，對學生代碼分析、協(xié)同開發(fā)以及代碼質(zhì)量等方面的能力提升起到了很好的作用；在協(xié)同開發(fā)階段，學生開發(fā)的軟件系統(tǒng)規(guī)模平均超過10 000行，開發(fā)的軟件系統(tǒng)具有較好的集成性和綜合性。

同時，Trustie在全國多所高校得到推廣使用。截至目前，全國有超過360所高校和科研院所在Trustie平臺上開展課程教學，包括清華大學、北京大學、中科院大學、北京航空航天大學、同濟大學、湖南師范大學等不同層次的高校；注冊用戶超過18 000人，其中教師數(shù)量超過3 000余人，學生超過15 000人。

此外，開發(fā)社區(qū)中的項目創(chuàng)建者覆蓋了來自全國150多所高校的近1 000名師生以及約25個科研院所和創(chuàng)新實驗室的科研人員，包括北斗開源實驗室、國內(nèi)首個機器人操作系統(tǒng)團隊Micros、國際頂尖機器人競技團隊Nubot以及國家超級計算廣州中心等。此外，還有超過200多名自由軟件愛好者也在平臺中通過項目貢獻了自己的代碼、開發(fā)經(jīng)驗以及心得文檔等。

3.2 平臺應(yīng)用成效

Trustie平臺在國防科技大學軟件工程實踐教學改革中的應(yīng)用，有力地支持了群體化實踐教學活動，有效提高了實踐教學的效果，對學生工程實踐能力和軟件創(chuàng)新能力的培養(yǎng)起到了很好的支撐作用。

Trustie平臺集成了各類持續(xù)檢查分析工具，能夠在教學實踐中幫助老師對學生的實踐過程進行持續(xù)監(jiān)測與實時指導，解決了以往實踐教學難以指導和評估的問題，有效提升了學生編寫高質(zhì)量代碼的實踐能力。例如，平臺將代碼質(zhì)量持續(xù)檢查機制引入到群體化實踐教學活動中，能夠?qū)崟r分析發(fā)現(xiàn)學生實踐代碼中經(jīng)常性出現(xiàn)的錯誤和風險，并對相應(yīng)的學生進行針對性的指導。在分析對比小班教學實踐中使用持續(xù)檢查機制前后學生的代碼質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，利用平臺持續(xù)檢查機制大大降低了學生代碼中質(zhì)量問題的密度。同時，通過調(diào)查問卷獲得的學生反饋表明，該機制和工具大大提升了學生編寫高質(zhì)量軟件代碼的意識和能力。

Trustie平臺提供的開放共享和協(xié)同開發(fā)工具，有效支持了學生創(chuàng)意激發(fā)、需求分析、軟件設(shè)計、資源復用、協(xié)作開發(fā)等活動，培養(yǎng)了學生基于互聯(lián)網(wǎng)的群體化軟件開發(fā)思維和團隊協(xié)同開發(fā)能力，提升了學生的軟件工程綜合素質(zhì)。例如，在持續(xù)兩年的小班教學實踐中，學生基于該平臺構(gòu)思并協(xié)作完成了無人值守的圖書館、家庭接待機器人、多無人機聯(lián)合搜尋系統(tǒng)、Baby安保助手等多項代碼規(guī)模超過10 000行的具有集成性和綜合性的創(chuàng)新實踐作品，并在計算機作品比賽、機器人比賽等多項全國性賽事中取得了金獎、銀獎等優(yōu)異成績。

4 結(jié) 語

新工科建設(shè)對軟件工程專業(yè)實踐教學提出了更高的要求，基于群體化的實踐教學思想為創(chuàng)新性、工程性高素質(zhì)復合型人才培養(yǎng)提供了解決思路，但是需要相應(yīng)基礎(chǔ)平臺的有力支撐。本文詳細介紹了面向群體化實踐教學的支撐平臺Trustie，重點闡述了面向?qū)嵺`教學的關(guān)鍵支撐機制，包括實踐教學管理機制、開源代碼閱讀機制、網(wǎng)絡(luò)資源開放共享機制以及項目實踐協(xié)同開發(fā)機制等，并從建設(shè)應(yīng)用情況及實際應(yīng)用成效兩個方面說明了Trustie對軟件工程實踐教學改革和學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的支撐作用。