引言：软件工程教育的固有矛盾
本科软件工程（SE）教学面临着固有的矛盾。现实中的SE面向需要稳定性、互操作性、可靠性等特性的复杂、大规模系统，而教学却不可避免地局限于小型、短期、相对简单的项目，其中真正整合多种SE能力并非必需。此外，SE方法通常会给软件开发活动带来“非建设性”和延迟性的负担，而“直接编程”方法则直接、建设性强且快速见效。学生们在掌握初步编程技能后，热衷于开发具有可见性能的软件，而对那些确保稳定性、可靠性、灵活性和健壮性的SE要素（如分析、设计建模、测试）常常报以一声叹息。这些“内置悖论”总结如文档中表1所示。
为了应对这些挑战，问题驱动学习（PBL）作为一种促进综合性学习（IL）的方法在包括SE在内的多个领域兴起。PBL的特点是围绕解决一个复杂、可能结构不明确的问题来组织学生学习。然而，作者们多年的教学和指导经验表明，大多数学生倾向于实现功能性、可量化的目标，而质量特性往往被忽视。这印证了IL学派的观点：整合和迁移技能需要通过有意的练习来教授，而不是自动获得的。
2. 背景与相关工作：综合性学习与软件工程教育
综合性学习（IL）是连接、应用和综合来自不同背景和视角的信息与过程，并在各种情境中利用这些新见解的能力。研究指出，整合不同知识元素的能力需要被明确地教授。在医学和工程学等高等教育领域，IL都强调理论知识与实践技能的有效结合。
在软件工程高等教育中，整合知识通常表现为三种形式：多维度总结性课程、包含应用总结性课程的包容性SE项目，以及最终的毕业项目课程。尽管许多课程采用PBL，旨在促进学习整合，但它们通常未能遵循有效实践IL的既定教育原则，例如，未能将特定SE技能和整合任务隔离出来，也没有提供一个专门为教授这些技能而设计的教学环境。
本文提出的SE-IL框架正是为了解决这些问题而设计的。它建立在Essence-SEMAT倡议的基础上，专注于在SE高等教育中实践IL技能。其核心是设计一个受PBL启发的模块，围绕明确声明的目标技能、精心挑选的挑战性问题、推荐的整合实践、结合了定性与定量的绩效评估（形成性与总结性评估的结合），并依赖于推荐的教育原则。
3. 一个用于软件工程教育中实践整合技能的框架
SE-IL框架旨在让学生在创建高水平SE解决方案的过程中，掌握整合SE能力所需的技能。该框架分为三个部分：目标、应用和评估。
3.1 SE-IL框架方案
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目标：目标是定性的、抽象的、非具体的目标技能，这些技能是掌握专家级SE能力所必需的。这些目标技能通过多个量化的、具体的SE实践来实现。
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框架应用方案：SE-IL框架的应用是强制执行SE实践整合的实际手段，其设计受到第2.2节所述教育原则的启发。
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背景与问题：技能不能脱离背景。因此，框架应用依赖于在具体背景中选择一个广泛且要求高的问题，以保证对目标技能整合的需求。
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PBL回合：应用由一系列PBL回合组成，旨在逐步学习技能整合。每个回合的计划包括选择SE实践，并声明预期的技能整合。实践中被分解为具体的细小任务，其学习和表现可以反映对实践相关方面的掌握。任务的调度反映了应用设计者对目标技能和实践的偏好，建议从最初就安排困难的实践，以避免学生将活动局限于更直接和快速见效的实践。一个回合的本质在于将任务组织成一种有意的并置，以强制整合技能。
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教学环境：推荐的教学环境支持增量的、互动的学习，并结合建设性的个人参与。PBL鼓励协作式小组实践，这需要有针对性的、有意义的练习，并与个人反馈相关联。因此，教学环境应支持针对个人表现的反馈，例如小组辅导。
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绩效评估：评估始于为任务分配具体的绩效描述符。评估方法论结合了任务的形成性和总结性评估。形成性评估是互动的、持续的，旨在鼓励学生根据反馈进行改进。总结性评估则是信息性的，旨在根据预期的绩效描述符衡量学生的表现。一个回合的最终总结性评估——回合绩效评估，结合了两个因素：1）回合中任务的总结性评估（由绩效描述符的总结性评估给出）；2）回合整合方案，它为回合中的任务分配相对权重。回合整合方案反映了设计者在教授SE技能整合方面的理想。
上图总结了SE-IL框架的组件及其相互关系。反向红色虚线描述了定量绩效评估和隐含的整合评估的计算过程。
3.2 SE-IL框架的具体SE内容
框架的SE具体内容定义了目标技能、实现这些技能的SE实践以及选定的背景和问题。目标技能反映了对SE专业知识的普遍共识，而SE实践、背景和问题则由具体的框架应用来选择，以适应特定的教学需求。
SE目标技能：参与者应获得以下技能：软件中的抽象（管理不同粒度的制品、整体软件架构、过程和结构上的抽象；控制架构元素和制品之间以及内部的转换、协调和交互）以及软件开发专业知识（编程标准和大规模维护的专业知识；掌握软件技术和持续学习；掌握方法论、目标估计与优先级排序、评审与演进以及协作开发）。
SE实践：SE实践包括：需求工程（需求收集、分析与规范、管理）、软件模型设计（系统架构、类建模、接口建模）、软件构造技术（编程实践、软件质量实践、自我学习与使用关键技术、部署）、协调（兼容的交互、制品间的一致性）以及项目开发（开发过程、制品管理、协作开发）。
SE背景：为了不强制规定特定专业领域，SE-IL框架建议采用具有挑战性的商业软件开发范式。这是一个广泛且复杂的范式，以不断变化的需求、冲突情境、持续的专业决策需求以及对抽象和互操作性协调的无尽需求为特点。成功开发此类系统具有启发性，需要广泛的SE知识，并使知识整合变得不可避免。
具有挑战性的问题需求示例：本文提供了几个需要整合抽象、协调和软件专业知识的挑战性需求示例，例如：运行时创建的条件/动作、状态敏感动作、软件通知的可靠测试以及具有复杂架构的软件的服务水平要求。这些示例基于作者在应用SE-IL框架的教学经验。
4. SE-IL框架在[匿名大学]的应用
文章详细介绍了一个应用SE-IL框架的课程。该课程面向已学习过SE多维度科目（包括编程、数据库、软件建模、软件质量等）的三年级SE学生开设，作为毕业设计项目之前的预备课程。
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SE技能与实践：课程采用了框架提出的SE技能和实践。由于管理限制，需求工程、方法论和演进控制相关的实践仅被轻度涉及。
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应用内容：
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背景与问题：选择了开发一个强大的商务系统应用作为挑战性问题。需求规格说明由课程团队编写，旨在强制执行对目标技能（抽象、顺畅协调和广泛的SE专业知识掌握）的整合。
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需求设计原则：包括平台与技术无关的规范、服务水平要求（SLR）的区分、使用多种计算元素、使用最新的SE技术以及高水平的软件质量要求（可维护性、可靠性、健壮性和可用性、灵活性和可追溯性、概念抽象）。
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回合：项目开发分为四个回合。每个回合的任务都经过精心挑选，以挑战参与者应对他们所实施实践的整合。
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教学环境：学生被分成小型自组织小组，每个小组配备一名员工作为导师、教练和督导。
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绩效评估：除最后一个回合外，每个回合都有两个评估阶段：形成性和总结性。形成性评估阶段由小组教练在会议期间提供建设性反馈。总结性评估阶段在下一次会议中进行，小组成员根据形成性反馈展示改进或修订后的表现。回合的最终绩效评估基于回合整合方案以及相关的绩效描述符。课程最终绩效评估基于各回合的总结性评估以及个人表现（如简短技术报告和评估）的得分。
4.1 第一回合
第一回合分为规划和实现两个阶段，专注于在平台和技术无关的环境中开发，将最困难的技能（如软件抽象和软件开发专业知识）的整合实践从最初就纳入其中。
规划阶段：专注于概念特征、概念间关系到概念层次结构的区分，支持状态变化的稳定性概念抽象，以及概念配置（包括操作和行为规则）的抽象。主要整合了需求规范、软件模型设计和协调实践。具体任务包括构建“空白”类模型（关注实体和关系，避免属性和子类细节）、定义组件架构（域层与服务层分离、内部垂直组件、与外部服务的交互）、编写术语表以及编写功能需求规格（并与模型、架构协调）。表2总结了该阶段的实践、任务、绩效描述符和整合方案。
实现阶段：整合了软件模型设计（适应代码考虑）、软件构造技术（面向对象质量、安全组件交互、软件质量实践——高强度高质量测试、部署）以及协调（模型-代码协调、软件组件协调、软件与测试架构协调）和项目开发（开发过程、制品管理、协作开发）等实践。具体任务包括实现基于组件的架构、规划忠实实现、测试（包括验收测试、开发者测试、SLR测试）、部署以及项目管理（包括分支管理、任务分配、可追溯性）。表3总结了该阶段的实践、任务、绩效描述符和整合方案。
4.2 第二、三、四回合及最终评估
后续回合引入了更高层次的实践，深化了抽象水平并扩展了对SE专业知识的掌握。这些回合的核心SE实践是软件开发技术、领域分析中的深度抽象、面向对象开发、组件协调、协作能力和技术自我学习。
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第二回合：强制整合非平凡的商业逻辑抽象与先进的SE开发技术。包括安全、角色特定的用户界面、实时和延迟系统通知、运行时定义操作和完整性约束配置的灵活性等要求。
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第三回合：要求与先进的SE专业知识紧密结合的抽象能力。增加了持久性和健壮性的SLR、系统初始化、与变化的外部服务的顺畅交互以及对新的状态敏感过程的支持。
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第四回合：主要收尾项目。新增要求加强了抽象技能在SE专业知识中的整合，例如负载和压力（可用性）SLR，以及强化角色特定和状态敏感概念的建模。
最终回合的总结性评估依赖于一个详细的情景绩效描述符集合，代表了项目所有回合中各种整合实践。其整合方案包含了所有这些绩效描述符。表4汇总了所有回合的整合方案。可以看到，需求工程和软件模型设计实践在第一回合（R1-规划）权重较高，在后续回合中影响较小。协调实践在前三个回合中权重相当大，重点是一致性。最显著的影响给予了软件构造技术，从第一个实现回合（R1-实现）到最终回合都占据了主要权重。
5. [匿名大学] SE-IL课程评估
5.1 观察到的整合评估
对学生在最终回合平均绩效的分析表明，各实践之间存在良好的整合。平均绩效良好，每个实践的平均分数在79%到97%之间。总平均分87%表明知识获取水平较高。四个主要实践中的标准偏差相对适中，在4%到13%之间，表明大多数小组的成就良好。软件构造技术实践（SCTs）拥有最大的权重（76.5分），其下的子实践SLR技术和部署显示出明显的成绩波动，反映了这些挑战性技能掌握程度的差异。
5.2 形成性评估方案的影响
为了评估形成性-总结性评估的作用，文章分析了学生在各回合形成性评估阶段前后的平均小组绩效。数据显示，在所有回合中，形成性评估后平均绩效都有显著提高，分数增加，标准偏差减小。在第一个回合的规划阶段（R1-规划）和第二回合（R2），改进幅度小于第一个回合的实现阶段（R1-实现）和第三回合（R3）。这可能是因为R1-规划中的整体类建模和组件设计，以及R2中的配置操作符建模、通知抽象和完整架构设计等具有挑战性的抽象要求所致。
5.3 学生对课程的看法
标准的大学教学质量问卷调查显示，学生对SE-IL整合课程的评价很高。在“我对课程的投入程度”和“课程主题的相关性”两项陈述上（1-5分制），平均分均超过4.5分。学生的评论肯定了课程的重要性和相关性，例如“课程极大地加深了对已学SE主题之间联系的理解”。此外，课程结束后的反馈会议也显示，学生认为该课程为毕业设计项目做了很好的准备，使他们能够从错误中学习并避免在毕业项目中犯类似错误，并且将多个工程方面连接起来。
5.4 能力提升的证据
为了检验课程是否能提高学生的SE能力，研究设计了一份包含21个问题的前后测问卷，涉及各种SE实践。参与测试的是2021届的63名SE本科生。结果表明，课程对学生在各种实践中的能力产生了积极影响，平均绩效提高了13%，具有显著的统计学意义。两个没有显示出显著改善的领域是需求获取和编程实践，因为这两者并非课程的主要重点。
5.5 对框架应用的反思性分析
SE-IL框架应用的成功取决于其设计和实际执行。可能危及应用设计的障碍涉及背景的选择和回合的组织。所选背景必须能够提供一个具有挑战性的问题，即一个不积极应用抽象和SE专业技能就无法解决的问题。回合的组织和任务的选择必须考虑一般的教育经验，任务应是可行的，适当地覆盖所选实践，并自然地整合目标技能。选择可行的、全面的绩效描述符是另一个难点。SLR要求尤其具有挑战性。总之，选择能强制整合的实践和任务，找到匹配的绩效描述符，并将所有这些组织到连续的、教育上合理的回合中，是具有挑战性的。作者的经验表明，要达到一个促进计划性整合的稳定版本需要多次迭代。SE-IL框架的教学应用需要超出标准学术课程的教学资源。基于小组辅导的教学环境和多轮形成性与总结性评估周期，比传统的、反馈通常是单一和总结性的讲座式课程，无疑需要更多的资源。这种密集的、个性化的指导对于教授整合技能至关重要，但也构成了实际采用的障碍。解决这个“成本”问题是作者未来研究可扩展实施方案的主要动机。
6. 结论与未来研究
利用通过课程学到的SE知识来开发大型软件需要学习的整合。尽管教育研究的最新见解主张对IL进行明确的教学，但标准的SE课程并未明确教授这一技能。为了弥补这一差距，本文介绍了SE-IL框架，一种在SE中教授整合的新方法。其新颖之处在于将整合视为需要教授的一种明确的掌握能力，而非传统项目工作的假定结果。该框架由IL教育原则驱动，并以定性的SE目标技能为中心，这些技能通过具体的、量化的SE实践来实现。文章描述并评估了一个经过十年高强度迭代开发而演变的框架应用。
未来工作将聚焦于几个关键方向。首先，计划制定应用该框架的系统化设计指南，以支持教育者选择背景、构建回合、定义促进整合的任务和绩效描述符。其次，需要整合评估的定量方法，以超越粗略的相关性度量，支持对学习成果的更精细评估。第三，在具有不同课程的机构中进行更广泛的部署，将有助于比较整合成果，并为不同的教育背景优化框架。最后，计划探索可扩展的实施方式，以减少框架的教学开销。这包括开发半自动化工具来帮助评估代码质量、测试结构和制品一致性；引入同行反馈机制以鼓励主动反思并减轻指导负担；以及设计能够跟踪学生在SE实践中进展的整合感知分析工具。这些创新旨在保持学习体验深度的同时，使框架更适用于大规模学生群体和更广泛的采用。另一个有前景的研究方向是在SE-IL框架中嵌入个性化学习的元素，根据学生的能力和进展动态调整其练习内容、指导量和概念引入时机。
