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电气电子工程师学会教育学报 卷八 编号四 2015年11月
关于一种用于教学软件过程建模的严肃游戏的实验评价
Rafael Oliveira Chaves, Christiane Gresse von Wangenheim, Julio Cezar Costa Furtado,Sandro Ronaldo Bezerra Oliveira, Alex Santos, and Eloi Luiz Favero
摘要——软件过程建模(SPM)是软件工程的一个重要领域，因为它为管理、自动化和支持软件过程改进(SPI)提供了基础。教学软件过程建模是一项具有挑战性的任务，主要因为它非常注重理论，却很少有实际的练习。此外，目前很少有教学方法通过引入创新的特性，例如游戏来教学软件过程建模。游戏的使用主要集中在软件工程的其他领域，例如软件项目管理。为了填补这一空白，本文描述了一个为了评估一个严肃游戏(DesigMPS)的学习效果的正式的实验，旨在支持SPM的教学，并将基于游戏的学习与基于项目的学习方法进行比较。在DesigMPS游戏中，学生根据巴西SPI模型(MPS.BR)，从SPI的角度对软件过程进行建模。研究结果表明，玩游戏能产生积极的学习效果，比以项目为基础的学习教学方法有更大的学习效果。
关键词——基于项目的学习，严肃游戏，软件工程教育，软件过程建模。
I. 引言
软件过程建模(SPM)是软件过程的一种表现形式。这种表示可以有多个目标:向参与者和管理者传达软件过程，重用流程知识，过程措施的集成，自动流程执行，或过程改进[1]。在这方面，SPM可以为测量程序提供支持;这些是软件过程改进的关键活动，因为它们负责数据发现，并因此能够支持过程改进[2]。
从这个角度来看，SPM与更好的产品和软件过程的质量相关，这很大程度上取决于该过程的成熟度[3]。尽管知道SPM知识的重要性，但人们发现专业人员通过他们的工作活动比从大学的课程/教育学到更多的软件处理知识[4]。这可能是因为，目前SPM通常只是本科计算课程的一小部分[5]，或者因为大多数大学的课程都把软件过程看作是软件工程(SE)的边缘[6]。
尽管如此，使用严肃游戏来教授多样化的软件工程知识领域已经成为一个重要的趋势[7]。这些游戏可以帮助学生提高认知能力，让学生在接受的训练时间内应用和理解他们的相关性，而不会给老师一个沉重的负担[7]。然而，没有专门的游戏被设计用于教学SPM[7],[8]。
虽然很少有证据表明严肃游戏在软件工程教学中是有效的，但与其他教学方法[7]相比，它们的使用有一些显著的优势。他们可以让学习变得更有趣[9]，在现实情境中允许“学习”，并在获取知识和理解内容方面产生积极的结果[10]。另一个好处是，学习者可以按照自己的节奏工作，既不需要讲师的存在，也不需要与同伴交流[11]。最后，游戏提供符合现代学习理论的活动，现代学习理论表明当学习是活跃的，经验的，基于问题的，并提供即时反馈[12]，它是最有效的。
在此背景下，设计了一款电脑游戏(DesigMPS)来协助SPM在本科计算课程中的教学，通过让学生模型软件过程使用巴西软件过程改进模型(MPS.BR)[13]作为获取信息的基准。
一项正式实验由就读于信息系统和计算机科学学士学位课程的本科生执行,其中就包括关于SPM的教学单元,来检查DesigMPS对记忆,理解和应用的认知水平的影响[14],并比较DesigMPS和基于项目的学习活动(PBL)的学习效果。
研究结果表明，DesigMPS游戏对学习效果在应用层面的影响在统计上有显著的不同，并且使用DesigMPS和PBL在学习效果方面存在显著差异。
II 背景
A 软件过程建模
软件过程可以定义为一组用于开发和维护软件及其相关产品的活动、方法、实践和转换[15]。软件过程模型是软件过程的抽象表示[16]。因此，软件过程模型是保证高质量软件的关键因素，因为它们允许对软件过程进行管理的同时也将用户需求转化为软件产品[17]。
要实现一个清晰、定义良好且执行良好的软件过程，必须建立一个过程建模语言(PML)，它涵盖了软件过程的所有主要方面，并创建了一个足够灵活的环境，可以对不同类别的项目进行建模[3]。 SPEM 2.0(软件过程工程元模型)是一个支持SPM[18]的元模型，它的符号、语法和语义被用作指定新的PMLs的基础。一个示例是SPIDER_ML[19]，它是SPEM 2.0的一个更简单的子集，被用作 DesigMPS程序的PML。开发了一个名为SPIDER_PM的工具，为SPIDER_ML[20]提供计算机支持。
有一些标准和参考模型可以通过更好的实践和推荐的应用来逐步改进软件过程，例如巴西软件过程改进模型(MPS.BR)[13]。 MPS.BR的软件过程改进的参考模型(mrs - mps - sw)分为7个成熟度等级。
B 软件过程教学
IEEE-CS/ACM课程[21]建议，软件过程的知识应该是SE本科教育的一部分。该知识领域的学习目标之一是软件过程的建模和规范。学习目标可以通过采用定义了应该使用的教学方法的教学策略[22]来实现。
一般而言，教学策略可分为五类:直接教学、互动教学、间接教学、自主学习、经验学习[22]。经验学习是从直接经验中获得意义的过程[23]。以计算机为基础的严肃游戏是经验学习的一个例子，它为SPM教学提供了另一种选择。
对[1], [24]-[26]中所描述的课程进行了分析，从其教学策略的角度对SPM进行了分析。所有课程都在讲授关于SPM概念的初始介绍时采用直接教学，并通过学术项目引入间接指导作为一种主要的教学策略。然而，这些课程都没有把游戏作为教学策略。这表明，缺乏适合于SPM教学的特定游戏，这在其他文献综述中已经被提及[7],[8], [10]。
C.软件工程教育的严肃游戏。
根据[7]发表的系统综述，对严肃游戏有重要意义的知识领域是:SE管理、SE过程、需求设计、软件设计、软件构建和软件测试。SimSE[27]是唯一一个设计用来教授软件过程的经过实验性评估的基于计算机的游戏(通过一个控制组的前/后测试)。一个结果显示，SimSE不如讲课和阅读有效。虽然SimSE的主要教育目的不是教SPM，但是这个游戏已经被用于学习活动中了，在学习时，学生们必须为自己的过程建模[28].
虽然其他游戏[29], [30]存在于教学软件过程中，但它们并不是设计用来教授SPM的，也没有通过与对照组的pre/post测试来进行实验评估。
现有的少量证据表明，用于教学软件过程的游戏通常在用来补充其他教育方法时更加有效[27],[31]。
III. DESIGMPS
DESIGMPS是一种计算机游戏，旨在通过强化相关概念和提供SPM练习来支持SPM的教学。在学习目标方面，它针对的是记忆，理解和应用的认知水平。并根据布鲁姆的教育目标分类的修订版[14]。它的目标受众是本科生或软件专业人员，它被设计成在课堂上单独播放，最长时间为90分钟。
在游戏结束时，学生们会发现:1)说出软件过程的元素(活动、角色、工件和工具);2)记住他们各自的使用和建模规则(记住);3)从过程(理解)的文本描述中识别和描述软件过程的要素及其依赖关系; 4)在基于MPS.BR的改进方案（应用)情况下使用SPIDER_ML来模拟软件过程。
A 游戏流程
在游戏中，学生扮演了一个过程工程师的角色，他必须使用SPIDER_ML来模拟基于MR-MPS-SW的过程。DesigMPS引导学生通过四个阶段的过程建模活动(A、B、C和D)，以难度递增的顺序，来达到这个目标。根据概念图(CM)任务的自适应知识评估来定义阶段[32]。这些CM任务逐步评估学生的学科知识; 这是可能的，因为软件过程模型像CM一样，通过图形可视化来表示和测量个人的知识[33]。
设计人员提供信息，帮助学生完成四个阶段，如图1所示:i)对mrl - mps - sw软件过程的文本描述;ii)流程模型的结构——显示元素(角色、工具和工件)是如何通过关系链接的设置(END_TO_START，接受，拒绝，在/输出关联中);和iii)过程的元素和关系的列表。
学生必须通过在流程模型的结构中正确的位置放置列表中的元素和关系来对流程进行建模。元素、关系和过程结构的列表取自SPM专家创建的模型模板(引用模型)，并基于MR-MPS-SW。
图一 流程建模阶段A的屏幕截图，它提供了所有关系正确标记的流程模型结构和一些预定义的元素。要完成的元素标记为“?????”
在阶段A中，学生被赋予了流程模型的结构，其中包含了一些预定义的元素，并在它们的正确位置上标记了所有关系。随着阶段变得越来越困难，学生被给予较少的预定义元素和正确放置的关系。在D阶段，学生必须在没有任何预定义元素的帮助下定义完整的流程模型。
阶段A，图1，提供了正确标记的所有关系的流程模型结构和填充(预定义)的一些元素。学生要完成的内容有“??????”的标记。阶段B提供了流程模型结构。所有的关系都贴上了标签，但是所有的元素都标上了“?????”在C阶段，流程模型结构再次被提供，但是没有元素被填充(所有的都被标记为“???????”)，并且没有标记关系(所有的都标记为“??????? ?”)，所以所有的元素和关系都必须由学生完成。最后，在最困难的阶段D阶段，流程模型的结构根本没有提供，学生必须“从零开始”创建模型。
在每个阶段结束时，将学生创建的模型与参考模型按照预定义的相似标准进行比较。这将自动生成一个分数，并加上错误提示，将向学生提供反馈。一个分数的预先定义允许学生进入下一个阶段，否则他/她仍然处于相同的阶段。
阶段A, B和C为学生提供可选的帮助。如果他们点击一个“非填充元素”(标记为“??????? ?”)，左下角的框架给出了元素的描述，并在软件过程中简要说明了它的功能，以帮助玩家选择正确的元素。
IV.评估
这里提出的使用目标问题度量（GQM）[34]描述的工作的目标是分析DesigMPS，以评估其在记忆，理解和应用SPM知识的认知水平上的学习效果。 然后，从学生的角度，将其与软件过程质量本科课程中应用于SPM教学单元的PBL方法的学习效果进行比较。
PBL在工程教育中的应用被认为是使学生积极参与设计学习的最有效途径之一[35]。 这里采用的PBL方法包括要求学生使用来自软件过程的文本描述的SPIDER_PM来进行建模过程。 这是以MPS.BR以及学生们接受了关于SPM和SPIDER_ML和SPIDER_PM培训的讲座为基础的。
A 研究策略和评估设计
应用正式的实验设计（前测/后测随机对照组设计）来比较和评估各种学习活动的有效性[36]，使实验组观察到的变化与对照组观察到的变化进行统计比较[37]。总体设计如下：1）学生们参加了关于 i）软件过程能力/成熟度模型（SPCMM）;ii）MR-MPS-SW过程;和iii）SPM概念和实践，并接受有关使用SPIDER_PM和DesigMPS的培训的讲课;2）为减少选择偏倚问题，将参与者分为A组（实验组）和B组（对照组）的受试者按分
组随机分组，以通过混杂因素的数据分析达到平衡组群 - 这里是个人背景（DF.1）和动机（DF.2） - 因此，为了统计目的，这两个组被假定为等同的;3）所有学生在处理应用前都进行过相同的书面测试;4）接受相同的对待（学习活动）。每组进行不同的学习活动：A组播放了DesigMPS，B组使用SPIDER_PM完成了PBL活动;5）最后，A组和B组经过了相同的书面测试。
B.研究问题和变量
研究问题及其各自的变量，表述，假设和工具如表1所示。变量Y.1，Y.2和Y.3由[38]改编，并与SPM文献中的其他相关工作相对应 表示软件过程所需的元素（角色，工具，任务，工件）和关系（关联和依赖）的术语[17]，[39]，[40]。这些元素和关系也是SPEM 2.0 [18]和SPIDER_ML [19]的一部分。 对于这项研究，调整了[41]中使用的混杂因素：DF.1，培训和专业和/或学术经历方面的个人背景 - 本科研究和监督培训; DF.2，基于SPM的重要性和参与者对学习更多关于这个主题的兴趣的动机。
表一 研究问题，变量，公式和假设
C 仪表
进行匿名前/后测试以收集与研究问题1和2相关的数据。这些测试可在DesigMPS网站上获得。在应用层面上，测试包括一个问题，要求学生根据MR-MPS-SW对软件过程建模。 这些测试的内容和难度相似，都由同一位教师进行评分，学习分数通过百分比精通量表来计算[42]。记忆和理解水平通过每个水平的前/后测试的相同问题进行评估。 记忆分数（Y.5）和理解分数（Y.6）是正确回答问题的算术平均值。
在两个调查问卷的基础上对混杂因素进行了整理：个人背景问卷（DF.1）包括13项，动机问卷（DF.2）包含两个问题。详情请参阅DesigMPS网站。
A组使用的DesigMPS，B组使用SPIDER_PM，两个学习活动在两个90分钟的会期中同时进行，持续两天。在第一次会期的前十分钟内，教员解释了学习活动，并解释说这些活动不是竞争性活动。
D. 实行
该实验于2013年以软件过程质量课程（EN-05137软件工程专题）的两个平行产
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