提升学生软件能力的成功实践

                 --北航面向对象课程培训简记 

 

  2018暑假开始时看到一个通知，吴际老师团队要在北航举办“面向对象设计与构造师资培训班”。早就听说过吴老师的这门课，很难，但对学生帮助很大，很受欢迎。我很好奇具体是怎么做的？难度多大？学生做不出来怎么办？开发软件需要很多知识和技能，如何在一门课里解决？250个人的大班，如何指导学生？带着这些疑问，我报名参加了培训。

  培训一共五天，全国各地的老师来了四十多人，大家组成四五人的小组，一起讨论、练习。

  培训详细讲了面向对象设计这门课的主要思想和教学过程。学生在上这门课时，需要完成两个软件案例的开发，一个是电梯控制程序，另一个是出租车调度系统，通过课堂练习、课后作业、实验课来完成。这次培训以电梯控制程序为例进行了介绍，让大家走完了主要过程，并介绍了线程安全等高级话题。根据培训中各位老师和助教的讲解，总结出课程的几个特点。

特点1：要讲课，更要编程

  课程的一大特点是所有教学都要在“做”上落实。要求学生通过课上练习和课下作业完成案例的编程。考虑到有些学生没用过Java，如果只是把软件任务布置下去让学生做，可能做不出来，效果不能保证。为了上好这一门课，吴老师实际安排了三门课：先导课程、昆仑课程、知识补给站课程。

• 先导课程安排在大一暑期，快速教给学生入门知识，包括Java语言，OO基本特征。
• 昆仑课程是大二上学期正常上课。好比是把运动员拉到高原上训练，空气稀薄，提高能力。
• 知识补给站针对正常上课中跟不上的学生，这部分学生的知识不足以完成昆仑课程的任务，暑假为他们补课。就好像运动员无法承受高原训练的强度，要提供一些专门补给，否则就倒下了。

  其中，昆仑课程的任务体现了课程的难度，通过几阶段的编程迭代训练，最终学生一周内能开发1000～2000行OO程序，能开展严格测试与验证。

  在编程案例的选择上，满足如下特点：

• 复杂度：有真实系统背景和一定的规模，以及明确的质量和进度要求。需要有分析、编程、调试和算法知识；
• 高质量：要符合编程规范，能通过测试。使用技术性手段来表明/论证所开发的软件质量是否满足要求；
• 使用工程化的方法：有方法指导，可综合分析软件功能和性能相关约束，设计方案和实现代码，并能使用测试和推理分析等手段进行综合验证和优化。

 

特点2：要结果，更要过程

  课程中间布置了十几次编程作业，如果只是让学生交报告，老师不了解学生作业是如何完成的，就无法追踪完成的过程，难以起到培养能力的效果。课程中有系统化的方法来量化过程进展和出现的各种问题。主要是通过测试来实现。测试分为公测和互测两类。

  公测由老师和助教准备一定数量的测试用例，目前是33个，测学生提交的程序，公测能测出大部分常见bug，以保证进入互测阶段的程序可运行，达到基本的质量要求。互测时由学生自己写测试用例，测其他学生的程序，因为程序通过了公测，找出新bug有一定难度。从测试结果能清楚地看到每个学生程序的测试通过率，程序质量好或不好有据可查。下面是一个公测的测试用例：

• 用例输入 （楼层及电梯内请求指令）

(FR,1,UP,0)

(FR,8,UP,0)

(FR,4,UP,2)

(FR,7,UP,3)

(ER,8,4)

RUN

• 期望输出 （每执行完一个输入后，期望的电梯状态）

[FR,1,UP,0]/(1,STILL,1.0)

[FR,4,UP,2]/(4,UP,2.5)

[FR,7,UP,3]/(7,UP,5.0)

[FR,8,UP,0]/(8,UP,6.5)

[ER,8,4]/(8,UP,6.5)

• 实际输出 （程序实际输出的电梯状态）

[FR,1,UP,0]/(1,STILL,1.0)

[FR,4,UP,2]/(4,UP,2.5)

[FR,7,UP,3]/(7,UP,5.0)

[FR,8,UP,0]/(8,UP,6.5)

#SAME[ER,8,4]

• 运行状态 （比较期望输出和实际输出，判断状态是否正确，测试是否通过）

错误

 

  这个测试系统是北航学生开发的，作业程序提交到课程的Gitlab上，测试系统自动拉取程序，启动JVM，执行程序，调用测试用例完成测试，并给出在线测试报告。

特点3：一遍不够，要迭代

  吴老师团队在讲课、实验、作业等各教学环节，都体现了迭代和递进的思想。比如电梯的案例设计，第二次作业只要求写一部电梯的傻瓜式控制程序，顺序执行，不考虑中间同方向的楼层请求；第三次作业增加捎带功能，在原来基础上，多了一些判断；后面的作业增加到三部电梯，需要考虑并发和多线程。复杂度和难度每次增加一点。按吴老师的说法，要垫上一两块砖才能够得到。

  不仅大的教学案例迭代，小的具体概念也考虑了迭代。比如“锁”，第一次只是在PPT中出现一次，不展开介绍；后面再出现时，介绍锁的概念、特点；最后在讲解编程时教给学生，如何分析、实现和测试锁。

  通过精心设计的迭代，学习过程没有跳跃，学生在一个平缓的过程中自然地完成了高强度的学习和训练。

 

特点4：教师引领，助教助攻

  面向对象课程设计了十几次作业和八次实验，要给所有的作业和实验评分，中间持续答疑，需要掌握学生情况，以便动态调整课程。和普通课程相比，任务增加了很多，只靠教师难以完成，需要助教辅助。

  北航这门课的助教全部由本科生而不是研究生担任，也是一大特色。助教的安排也体现了迭代和递进。助教按年级不同，分为三种类型：

• 预备助教：正在学习这门课的学生，在学习过程中提建议，参与对课程改进。下一年可转为正式助教；
• 正式助教：预备助教转正而来，助教工作的主要承担者；
• 高阶助教：正式助教下一年成为高阶助教，指导预备助教。

  助教团队约10人左右，自愿参加，能做助教都是优秀学生，是一种荣誉。学院发给助教一定的补助，保研时可加分。

 

培训小结

  几天的培训下来，感到吴老师团队的这门课，像一场音乐会，老师、助教和学生共同配合，和谐地完成了整个演出。每一个环节都用心做了设计，有讲解，有作业，有实验，可量化评估。结果分析显示，课程开始时学生的代码错误率较高，后期越来越少，包括其它的一些指标，都说明学生通过课程的学习，软件能力确实有了明显提升。

  那么，如何在自己的课上做？

  我上的是软件工程课，和面向对象相比，更侧重向学生强调生命周期各阶段的概念、项目管理的方法。课程中要求学生开发一个联想笔记本商城系统，使用的语言不限，最后交文档和代码，并演示系统，一直感觉对过程控制的不够。这次培训给了我很多启发，特别是项目复杂度、难度设定，过程控制，以及迭代三个方面。今后打算尝试把出租车调度系统作为开发案例，提高软件开发的复杂度和难度，同时提高分析文档和编程的要求，增加对过程的把控。引入需求的验证、设计中耦合、内聚、程序复杂度等的计算和评估。在编程方面，学习北航的先进经验，对课堂设计、作业、实验、助教等环节进行改进，用心设计细节。

  另一个问题，北航课的体系完善严密，老师和助教阵容整齐，外校能否学得来？

  罗马不是一天建成的。最初吴老师开始这样上这门课时，只有他一个人，200多人的课，每到交作业时，要加班到半夜2、3点，也没有辅助教学系统，完全靠个人的超强能力，把课程讲了下来，取得良好效果。因此，外部条件不是成功的必要条件，关键还是教师自己。

  另外，为帮助大家更好的掌握教学中的细节，吴老师团队正在编写教材，方便老师们在自己学校复制。也提出了建立软件能力工作委员会的倡议，把有兴趣的老师们聚集到一起，互相交流，有利于大家得到更多的资源。培训中吴老师说，一门课布置的任务，如果只有10%的学生做的好，可能是学生自己能力强，跟老师教的关系不大；有80%的学生做得好，才能证明是教得好。现在，这门课在北航取得了成功，如何能在更多的高校落地，达到同样的效果，是一个更大的挑战，也是很有意义的事情。相信经过吴老师团队以及所有志同道合老师们的努力，会不断取得进展。

  这次培训，把一学期前后的课浓缩在五天的培训中介绍，这篇博文，又把几天的培训压到一篇文字里，难免挂一漏万，有些理解和表述也不一定准确到位，请吴老师和大家指正。