【正文】 中文 22120字 通過開發(fā) Android平臺(tái)上的社交應(yīng)用和游戲應(yīng)用來比較學(xué)習(xí)軟件體系結(jié)構(gòu) 電腦游戲和視頻游戲非常受兒童和青少年的歡迎，在年輕人的文化發(fā)揮了突出的作用 [1]?，F(xiàn)在游戲可以在技術(shù)豐富的配備了筆記本電腦，智能手機(jī)，游戲機(jī)（移動(dòng)和固定），機(jī)頂盒，和其他數(shù)字設(shè)備的環(huán)境中運(yùn)行。從這一現(xiàn)象，人們相信將年輕人對(duì)游戲的內(nèi)在動(dòng)機(jī)與教育內(nèi)容和目標(biāo)結(jié)合就會(huì)變成 Prensky稱之為“以數(shù)字游戲?yàn)榛A(chǔ)的學(xué)習(xí)”的學(xué)習(xí)方法 [2]。 青年學(xué)生生活的游戲中除了豐富的外觀，游戲開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成熟，并且越來越先進(jìn) [3]?；?于現(xiàn)有的各種游戲開發(fā)環(huán)境，游戲開發(fā)過程中的全部責(zé)任可以分為幾個(gè)的專家領(lǐng)域和角色，如游戲程序員， 3D 模型的創(chuàng)造者，游戲設(shè)計(jì)師，音樂家，漫畫家，劇作家，等等。游戲內(nèi)容與技術(shù)相結(jié)合的過程可以通過游戲引擎和使用網(wǎng)絡(luò)上的各種用戶和專家社區(qū)的可用信息得到簡(jiǎn)化。例如，微軟的 XNA游戲開發(fā)工具包提供的游戲循環(huán)函數(shù)繪制及更新游戲內(nèi)容，而且還提供了方便的游戲開發(fā)組件來加載不同格式的圖形，音頻和視頻。這使得游戲迷們?nèi)鐭o論有沒有編程背景的學(xué)生修改現(xiàn)有的游戲或開發(fā)新游戲。他們可以用這些游戲創(chuàng)作工具實(shí)現(xiàn)自己的游戲概念設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)發(fā)展技能 和相關(guān)知識(shí)，積累相關(guān)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。 在這種情況下，不但游戲可以用于學(xué)習(xí)而且通過激發(fā)任務(wù)機(jī)制，游戲開發(fā)工具可以用來研究計(jì)算機(jī)科學(xué)（ CS），軟件工程（ SE），和游戲編程相關(guān)主題。一般來說，游戲可以用三種方式集成在教育中 [4,5]。首先，游戲可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的練習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生把額外的努力用來做練習(xí)，給老師或助教一個(gè)實(shí)時(shí)地監(jiān)控學(xué)生是如何練習(xí)的機(jī)會(huì) [6， 7]。第二，游戲可以作為一個(gè)講座的一部分來促進(jìn)學(xué)生的參與，增加學(xué)生的動(dòng)力 [8,9]。第三，將要求學(xué)生們修改或開發(fā)游戲作為使用游戲開發(fā)框架（ GDF）學(xué)習(xí) CS 和 SE 方面技能的 課程的一部分。我們把后者的學(xué)習(xí)方法為以游戲開發(fā)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)（ GDBL）。 GDF表示可以用來開發(fā)或修改游戲，例如，該工具包的游戲引擎，游戲編輯器，或游戲（模擬）平臺(tái)，甚至任何集成開發(fā)環(huán)境（ IDE），如 Visual C + +， Eclipse 和 Android SDK， J2ME，因?yàn)樗械娜硕伎梢杂脕黹_發(fā)游戲。 本文重點(diǎn)研究學(xué)生通過在 Android平臺(tái)開發(fā)游戲應(yīng)用學(xué)習(xí)軟件體系結(jié)構(gòu)和在Android 平臺(tái)開發(fā)社交應(yīng)用（例如，天氣預(yù)報(bào)，聊天軟件）學(xué)習(xí)軟件體系結(jié)構(gòu)的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)。將游戲開發(fā)放到 CS 或者 SE 課程中的動(dòng)機(jī)是 利用學(xué)生對(duì)游戲 及游戲開發(fā)的迷戀來激發(fā)他們通過該項(xiàng)目更多更好的學(xué)習(xí)課程材料。 本節(jié)描述了 GDBL方法在軟件工程領(lǐng)域的使用的研究背景和以前的結(jié)果。 研究背景 最早的類似的通過在游戲的環(huán)境中編程來學(xué)習(xí)的應(yīng)用在 20 世紀(jì) 70 年代早期。 Logo語言 [11]，龜圖形，是一種最古老的用來介紹計(jì)算概念給初學(xué)者的圖書館。這個(gè)概念是基于一只可以在 2D屏幕上移動(dòng)的 “海龜”，該“海龜”用可設(shè)置開關(guān)屏幕的畫筆畫就，因此，可能會(huì)留下龜運(yùn)動(dòng)的痕跡。編程使該“海龜”畫不同的花樣，這可以用來介紹一般的計(jì)算技巧，如程序操 作，迭代，遞歸。此外，在 1987， Micco學(xué)術(shù)性的提出了一個(gè)寫井字游戲的使用 [12]。后來，其他的研究已經(jīng)使用專業(yè)游戲編程工具如 Stage Cast Creator [13]， Gamemaker [14] ， Alice [15]和 Neverwinter Nights [16]。此外，文章 [17]提出了使用手機(jī)游戲開發(fā)作為激勵(lì)工具和計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)背景調(diào)查。他們的調(diào)查表明游戲編程和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的游戲開發(fā)之間的關(guān)系 游戲發(fā)展可以用在學(xué)習(xí)人工智能（ AI），數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)， SE，人機(jī)交互，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì) 算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，算法，編程和操作系統(tǒng)。 這些研究表明，游戲制作和技術(shù)的編程技巧得到激勵(lì)以及故事性的發(fā)展。制作游戲激勵(lì)和開發(fā)評(píng)書以及技術(shù)的編程技巧的。制作游戲的任務(wù)其性質(zhì)在目的上不盡相同 因此搭建環(huán)境并平衡游戲角色這些事情由學(xué)習(xí)者來承擔(dān)。最近的游戲編程工具包往往具有比 Logo語言更強(qiáng)的視覺效果，無論是因?yàn)檫@個(gè)原因，或者因?yàn)樗麄冇幸环N可視化的編程語言，或兩個(gè)原因同時(shí)的作用，使得設(shè)計(jì)者能夠輕松創(chuàng)建圖形游戲。這種變化使學(xué)習(xí)者的重點(diǎn)遠(yuǎn)離了低級(jí)編程，而是強(qiáng)制往其他角色如設(shè)計(jì)師或軟件開發(fā)者轉(zhuǎn)變。因此，我們通過實(shí)驗(yàn)研究了 如何將 GDFS用于教育，探討傳統(tǒng)的授課進(jìn)化為動(dòng)態(tài)的，合作的，和對(duì)當(dāng)前技術(shù)豐富的環(huán)境下的學(xué)生有吸引力的授課。然而，這種說法有待進(jìn)一步相關(guān)理論，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)證據(jù)的支持。這是一個(gè)分享我們的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)證結(jié)果在 GDBL 領(lǐng)域采用Android軟件體系結(jié)構(gòu)課程的動(dòng)機(jī)。 課程和項(xiàng)目設(shè)置 挪威科技大學(xué)（ NTNU）（課程代碼 TDT4240）的軟件體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué) 方式和其他大多數(shù)大學(xué)不一樣，因?yàn)閷W(xué)生也必須在項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)他們自己設(shè)計(jì)的軟件體系結(jié)構(gòu)。這樣做的動(dòng)機(jī)是為了讓學(xué)生了解架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系，并能夠真正的對(duì)體 系架構(gòu)和實(shí)施是否符合應(yīng)用程序指定質(zhì)量要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。在軟件體系結(jié)構(gòu)課程中的架構(gòu)項(xiàng)目和其他軟件工程課程項(xiàng)目的相似，只是軟件體系結(jié)構(gòu)課程中項(xiàng)目都是從軟件體系結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行。在整個(gè)項(xiàng)目中，學(xué)生們必須根據(jù)指定的項(xiàng)目使用的軟件體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，方法和工具來成功學(xué)到東西。 軟件體系結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目包括以下幾個(gè)階段 : （ i） COTS（商用成品）練習(xí)：學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)并用來開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲。 （ ii）設(shè)計(jì)模式：學(xué)習(xí)如何通過改變現(xiàn)有系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)模式來應(yīng)用設(shè)計(jì)模式。 （ iii）需求和體系結(jié)構(gòu)：列表功能，質(zhì)量的要求和對(duì)游戲的軟件體系結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)。 （ iv）架構(gòu)評(píng)估：使用的架構(gòu)權(quán)衡分析法（ ATAM） [1820]評(píng)價(jià)方法對(duì)項(xiàng)目的軟件體系結(jié)構(gòu)方面的質(zhì)量要求進(jìn)行評(píng)估。 （ v）實(shí)施：做詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并在新建的架構(gòu)和根據(jù)評(píng)估結(jié)果做出修改的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)該游戲。 （ vi）項(xiàng)目評(píng)估：使用事后分析法（ PMA） [21]將項(xiàng)目作為一個(gè)整體進(jìn)行評(píng)估。 在項(xiàng)目的前兩個(gè)階段，學(xué)生將獨(dú)立完成他們的工作任務(wù)。在 3– 6階段， 45個(gè)學(xué)生組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，并在自己的團(tuán)隊(duì)中完成相應(yīng)的工作。同時(shí)，在項(xiàng)目進(jìn)行期間，學(xué)生將專注于一個(gè)固定的初級(jí)指定質(zhì)量屬性。對(duì)于中等質(zhì)量屬性，學(xué)生可以選擇他們喜歡 的質(zhì)量屬性。學(xué)生花大部分時(shí)間在實(shí)施（六周），但也鼓勵(lì)他們?cè)谠缙陔A段開始實(shí)現(xiàn)該游戲以測(cè)試他們的架構(gòu)選擇（增量開發(fā)）是否合理。在實(shí)施階段，學(xué)生通過多次迭代不斷擴(kuò)展，完善軟件體系結(jié)構(gòu)使其得到改進(jìn)。 早期的成果 此前，該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā) Java 方面的 Khepera 機(jī)器人模擬器的華盛頓州立大學(xué)的機(jī)器人控制器（機(jī)器人） [22]，該機(jī)器人控制器著重于一些指定的質(zhì)量屬性如可用性，性能，可修改性，或可測(cè)性。開始時(shí)，學(xué)生們被要求編寫的機(jī)器人控制器能控制一個(gè)機(jī)器人在一個(gè)迷宮中移動(dòng)，并在迷宮中收集四個(gè)球，并把它們帶到迷宮中 一個(gè)固定的位置中。在 2020 年，學(xué)生們可以在機(jī)器人控制器項(xiàng)目和游戲開發(fā)項(xiàng)目之間進(jìn)行選擇。兩種項(xiàng)目的過程，成果，和對(duì)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)是一樣的 只是領(lǐng)域不一樣。在游戲項(xiàng)目中，學(xué)生們被要求使用微軟 XNA框架和 C語言開發(fā)一個(gè)游戲。最后，對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行評(píng)價(jià) [23， 24]。評(píng)價(jià)是基于一個(gè)項(xiàng)目的調(diào)查數(shù)據(jù)，學(xué)生的項(xiàng)目可交付成果，和其他可訪問的課程信息。研究的主要結(jié)論是，游戲開發(fā)項(xiàng)目可以成功地如果我們考慮機(jī)器人作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)用來教軟件體系結(jié)構(gòu)。 整合我們?cè)?2020年運(yùn)行軟件體系結(jié)構(gòu)課程的游戲項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在 20202020年期間我們軟件體系結(jié)構(gòu)課程項(xiàng)目中增加了一個(gè) COTSAndroid的項(xiàng)目作為給學(xué)生的一個(gè)新的選擇。學(xué)生們現(xiàn)在可以在除了在 Java 機(jī)器人項(xiàng)目和 XNA 游戲項(xiàng)目之間進(jìn)行選擇，還可以在 Android 平臺(tái)開發(fā)一個(gè)社交應(yīng)用程序或游戲。由于COTS和所選擇領(lǐng)域的獨(dú)立性，學(xué)生們?cè)陧?xiàng)目過程中必須專注于相同的軟件體系結(jié)構(gòu)問題，并按照相同的模板編程。游戲和社交 Android項(xiàng)目的引進(jìn)，使我們得以比較學(xué)生在項(xiàng)目所涉及的領(lǐng)域如何影響學(xué)習(xí)和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)以及 COTS的獨(dú)立性。在下面的章節(jié)中詳細(xì)說明。 3 研究方法 本節(jié)描述我們使用 Android開發(fā)作為軟件體系結(jié)構(gòu)中的項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)中獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)的研究方法。 研究目的 本文重點(diǎn)研究使用相同的 COTS 但具有不同的發(fā)展領(lǐng)域來探討不同領(lǐng)域是否產(chǎn)生不同的輸出。在我們以前的研究， GDBL結(jié)論的有效性是基于不同的 COTS機(jī)器人和 XNA。本文不探討 XNA 和 Java 開發(fā)的機(jī)器人控制器開發(fā)的游戲，只注重 Android平臺(tái)的社會(huì)應(yīng)用和游戲應(yīng)用的開發(fā)。我們的評(píng)估包括五個(gè)主題：選擇域分布，學(xué)生對(duì)項(xiàng)目感知，項(xiàng)目交付的代碼質(zhì)量和復(fù)雜性，學(xué)生的努力和成績(jī)，獲獎(jiǎng)項(xiàng)目等級(jí)。 GQM 方法 社會(huì)和游戲項(xiàng)目的比較應(yīng)該 有助于發(fā)現(xiàn)差異，揭示在 Android平臺(tái)上引入項(xiàng)目的影響。這個(gè)評(píng)價(jià)是一個(gè)模擬試驗(yàn)，而不是一個(gè)受控制的試驗(yàn)。采用的研究方法是基于目標(biāo)問題度量方法（ GQM） [ 25 ]，我們首先確定研究目標(biāo)（概念層面），然后定義一組研究問題（操作層面），并描述了一套指標(biāo)來回答研究問題的定義（數(shù)量級(jí)）。在我們的例子中，回答問題的研究使用的指標(biāo)的定量和定性數(shù)據(jù)共同決定的。 表 1：展示了用于分析軟件體系結(jié)構(gòu)課程的游戲開發(fā)項(xiàng)目的 GQM方法。 目標(biāo) 分析 軟件開發(fā)項(xiàng)目 為了 在同一 COTS社交應(yīng)用與游戲應(yīng)用領(lǐng)域比較 關(guān)于 兩個(gè)領(lǐng) 域的項(xiàng)目的差異性和有效性 看待 的 角度 研究員和教育家 上下文索引 在軟件體系結(jié)構(gòu)課程的學(xué)生 問題 Q1：如何看待選擇選擇一個(gè)Android社會(huì)項(xiàng)目的學(xué)生和選擇Android游戲項(xiàng)目的 學(xué)生 他們的選擇 是否有任何差異？ Q2：在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生做一個(gè)Android 的游戲項(xiàng)目與學(xué)生做一個(gè)Android 社會(huì)項(xiàng)目有什么不同？ Q3：在項(xiàng)目實(shí)施工作中的學(xué)生做 Android游戲項(xiàng)目與學(xué)生做一個(gè)Android社會(huì)項(xiàng)目是否有任何差異？ Q4：學(xué)生在性能上做一個(gè) Android的游戲項(xiàng)目與做一個(gè) Android社會(huì)項(xiàng)目有 什么區(qū)別？ Metric M1：選擇游戲項(xiàng)目與社會(huì)項(xiàng)目的學(xué)生數(shù)量。 M2：?jiǎn)柧碚{(diào)查， 5級(jí)李克特量表：強(qiáng)烈不同意（ 1），不同意（ 2），中立（ 3），同意（ 4），強(qiáng)烈同意（ 5） M3：項(xiàng)目報(bào)告 M4：源代碼文件 M5：花費(fèi)的時(shí)間 M6：項(xiàng)目得分 . 研究步驟 當(dāng)學(xué)生開始的項(xiàng)目，并按照項(xiàng)目的階段進(jìn)行時(shí)，他們應(yīng)該報(bào)告他們花在項(xiàng)目的每個(gè)階段的時(shí)間。前兩個(gè)階段讓學(xué)生單獨(dú)或成對(duì)熟悉 COTS、架構(gòu)和設(shè)計(jì)模式。該項(xiàng)目的主要工作是在項(xiàng)目 35階段，包括需求說明，架構(gòu)設(shè)計(jì)，架構(gòu)評(píng)估，項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。學(xué)生每個(gè)階段要上交自 己的成果，這由課程負(fù)責(zé)人評(píng)估和反饋，在最后交作品之前使作品不斷改善。在 5階段的結(jié)束，學(xué)生們會(huì)上交一個(gè)最終的作品，該作品是經(jīng)過課程負(fù)責(zé)人評(píng)估和分級(jí)的。完成 5階段后，學(xué)生回答一個(gè)問卷調(diào)查，主要集中在學(xué)生如何看待該項(xiàng)目。在 6階段，學(xué)生必須對(duì)其進(jìn)行項(xiàng)目的事后分析作為一個(gè)整體來反映他們?cè)陧?xiàng)目中取得的成績(jī)和挑戰(zhàn)。 4 研究結(jié)果 在 2020年和 2020年，學(xué)生可以選擇使用三個(gè) COTS做項(xiàng)目：機(jī)器人（ Java），XNA（ C ），和 Android（ Java）。學(xué)生選擇的 COTS結(jié)果展示在圖 1中，其中36名學(xué)生選擇了 Khepera機(jī)器人（ 19%）， 55名學(xué)生選擇了 XNA（ 27%），和 102名學(xué)生（ 54%）選擇了 Android。選擇 Android的學(xué)生中， 58名學(xué)生（ 57%）選擇了社會(huì)應(yīng)用， 44名學(xué)生（ 43%）選擇了游戲應(yīng)用。從學(xué)生選擇中我們看到， 51%的人選擇了游戲開發(fā)領(lǐng)域， 30%的人選擇了社會(huì)應(yīng)用， 19%的人選擇機(jī)器人控制器。 圖 1：軟件架構(gòu)項(xiàng)目類型的選擇分布圖 圖 1 的數(shù)據(jù)清楚地表明，大多數(shù)學(xué)生喜歡游戲開發(fā)相比其他領(lǐng)域。 Android是目前最流行的 COTS，我們相信這是由于開發(fā)商其開放性， Java的開發(fā)，有吸引力的設(shè)備，創(chuàng) 新的特點(diǎn)和發(fā)展，和一個(gè)通過 Android標(biāo)記共享開發(fā)的應(yīng)用程序的新方式。 在項(xiàng)目的第一階段，學(xué)生們被要求填寫一份調(diào)查問卷，選擇 COTS和領(lǐng)域的原因。最重要的原因是：（ 1）編程列表的原因（熟悉 Java或 C ）（ %），（ 2）了解 COTS（機(jī)器人， XNA， Android）（ %），（ 3）游戲動(dòng)機(jī)或娛樂的原因（ %），（ 4）社會(huì)應(yīng)用的動(dòng)機(jī)（ %），（ 5）了解該領(lǐng)域（機(jī)器人，游戲，社會(huì)）（ %），（ 6）硬件上運(yùn)行游戲的動(dòng)機(jī)， Android手機(jī)， Zune播放器（ 33%），和（ 7）做了游 戲，然后將自己的游戲放到 Android市場(chǎng)或 XNA俱樂部（ %）。從上面的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，游戲領(lǐng)域已經(jīng)吸引學(xué)生注意力和吸引力的外圍設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，如硬件或軟件市場(chǎng)， Android社交領(lǐng)域也一樣。但這不是機(jī)器人領(lǐng)域的情況。 下面的小節(jié)重點(diǎn)分析在以下四個(gè)方面是否社交領(lǐng)域和游戲領(lǐng)域不同而產(chǎn)生明顯不同的輸出：（ 1）學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的感受，（ 2）軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，（ 3）學(xué)生在項(xiàng)目中的實(shí)現(xiàn)成果（ 4）學(xué)生在項(xiàng)目的評(píng)分。 學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的不