Development Environment for Rule-based Prototyping PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor aan de Open Universiteit op gezag van de rector magnificus prof. mr. A. Oskamp ten overstaan van een door het College voor promoties ingestelde commissie in het openbaar te verdedigen op vrijdag 19 juni 2015 te Heerlen om 16.00 uur precies door Gerardus Michels geboren op 27 februari 1980 te Utrecht Promotores Prof. dr. ir. S.M.M. Joosten Open Universiteit Prof. dr. A. Bijlsma Open Universiteit Overige leden beoordelingscommissie Prof. dr. S. Brinkkemper Universiteit Utrecht Prof. dr. H.A. Proper Radboud Universiteit Prof. dr. M.C.J.D. van Eekelen Open Universiteit Prof. dr. G. Zwaneveld Open Universiteit Dr. J.C.S.P. van der Woude Technische Universiteit Eindhoven Printed by GVO drukkers & vormgevers B.V., Ede. Cover by Floor Geluk. ISBN: ??-??-??-??-?? Copyright c Gerard Michels, 2015 Contents 1 INTRODUCTION 1 1.1 From didactic problem to research . .2 1.1.1 Development of RAP with Ampersand . .4 1.1.2 Teaching a formal language . .5 1.1.3 Automated design tasks for education . .5 1.1.4 Didactic research with RAP . .6 1.2 Contribution . .6 1.3 Dissertation outline . .7 1.4 Origin of content . .8 2 METHOD FOR RULE-BASED PROTOTYPING 9 2.1 Rule-based design for requirements engineers . .9 2.2 Example . 12 2.3 Rule-compliant run-time system . 14 2.4 Conclusion . 15 3 RULE-BASED LANGUAGE FOR RAP 17 3.1 Introduction . 17 3.2 Syntax . 19 3.3 Semantics . 20 3.4 Type System . 22 3.5 Feedback system . 24 3.5.1 Error messages . 25 3.5.2 Demonstration . 27 3.5.3 Conceptual diagrams . 29 3.6 Conclusion . 30 i ii CONTENTS 4 DESIGN OF RAP 31 4.1 Logical design of RAP . 31 4.2 Design of Ampersand-generated prototypes . 35 4.3 Rule-based processes . 36 4.4 Rule-based database . 37 4.4.1 Relational data . 37 4.4.2 Integrity rules . 39 4.5 User interfaces . 40 4.6 User interface layout . 41 4.7 Ampersand compiler . 43 4.8 Conclusion . 44 5 DETAILED SPECIFICATION OF RAP 45 5.1 Overview . 46 5.2 PATTERN: The repository of files . 49 5.2.1 Defined concepts . 50 5.2.2 Declared relations . 53 5.2.3 Defined rules . 57 5.3 PATTERN: Committed files . 57 5.3.1 Defined concepts . 58 5.3.2 Declared relations . 60 5.4 PROCESS: Handling script errors . 62 5.4.1 Defined rules . 63 5.5 PATTERN: Contexts . 64 5.5.1 Defined concepts . 65 5.5.2 Declared relations . 66 5.6 PATTERN: Patterns . 66 5.6.1 Defined concepts . 67 5.6.2 Declared relations . 68 5.7 PATTERN: Generalization rules . 69 5.7.1 Defined concepts . 69 5.7.2 Declared relations . 70 5.7.3 Defined rules . 70 5.8 PATTERN: Concepts . 71 5.8.1 Defined concepts . 73 5.8.2 Declared relations . 73 5.8.3 Defined rules . 75 5.9 PATTERN: Relation type signatures . 76 5.9.1 Defined concepts . 76 5.9.2 Declared relations . 77 CONTENTS iii 5.10 PATTERN: Relation declarations . 78 5.10.1 Defined concepts . 80 5.10.2 Declared relations . 80 5.10.3 Defined rules . 82 5.11 PATTERN: Expressions . 84 5.11.1 Defined concepts . 85 5.11.2 Declared relations . 86 5.11.3 Defined rules . 87 5.12 PATTERN: Rules . 87 5.12.1 Defined concepts . 88 5.12.2 Declared relations . 88 5.13 PATTERN: Symbols . 89 5.13.1 Defined concepts . 89 5.14 PATTERN: Calculated details . 90 5.14.1 Defined concepts . 90 5.14.2 Declared relations . 92 5.15 PROCESS: Testing rules . 93 5.15.1 Defined rules . 93 5.16 PROCESS: Editing a population . 96 5.16.1 Defined rules . 97 5.17 PATTERN: Metrics . 98 5.17.1 Defined concepts . 98 5.17.2 Declared relations . 99 5.18 Conclusion . 100 6 USING RAP FOR EDUCATION 101 6.1 Background on the course . 101 6.2 Research Approach . 103 6.3 A first exploration of traces in RAP . 105 6.3.1 Step 1: harvesting traces . 106 6.3.2 Step 2: defining metrics . 106 6.3.3 Step 3 and 4: formulating observations and learning lessons . 107 6.3.4 Step 5: refining RAP . 107 6.3.5 Further steps . 110 6.4 Observations and Lessons Learned . 110 6.5 Conclusion . 115 iv CONTENTS 7 SPECIFICATION OF RAP EXTENSION FOR METRICS 119 7.1 PATTERN: Ampersand projects . 120 7.1.1 Defined concepts . 122 7.1.2 Declared relations . 123 7.1.3 Defined rules . 124 7.2 How to add a metric to RAP . 125 7.3 Conclusion . 125 8 CONCLUSIONS 127 8.1 Answer to research question . 127 8.1.1 Requirements to develop RAP with RAP . 127 8.1.2 Requirements to teach the Ampersand language . 128 8.1.3 Requirements to automate tasks for design exercises . 129 8.1.4 Requirements to analyse learning behaviour . 129 8.2 Contributions . 130 8.3 Reflection . 132 8.4 Further research and development . 132 A The RAP model 135 A.1 RAP . 135 A.2 User interfaces for students . 148 Bibliography 153 Summary 157 Samenvatting 161 Curriculum Vitae 165 Index 166 Dankwoord Stef Joosten is veel meer geweest dan dat je wensen mag van een promotor. Ik dank hem voor zijn geloof en motiverende betogen, zijn geduld en vasthoudendheid, zijn inspiratie en kritieken, zijn ondersteuning en enthousiasme, want deze invloeden zijn allen onmisbaar geweest voor het kunnen produceren van dit proefschrift. Vervolgens dank ik Lex Wedemeijer, Jaap van der Woude en Lex Bijlsma, om- dat zij altijd tijd hadden om mee te denken en commentaar te geven op dat wat mij bezighield. Mijn dank gaat uit naar de mensen van het Centrum voor Software Technologie van de Universiteit Utrecht en met name Doaitse Swierstra, Sean Leather en Basti- aan Heeren. Zij hebben mij gastvrij ontvangen en barmhartig geholpen bij mijn on- derzoek. Martijn Schrage, Han en Bas Joosten dank ik voor hun ontwikkelwerkzaamheden aan de Ampersand compiler, waardoor ik de ontwikkelomgeving (RAP) heb kunnen maken met alle functionaliteiten die het nu heeft. Bert Zwaneveld, Harrie Swart en Jeroen Merrienboer¨ dank ik voor de gesprekken, die ik met ze heb gehad. Tenslotte bedank ik mijn gezin. Mijn vrouw Floor voor het luisterend oor dat ze me geboden heeft. Mijn dochter Veerle omdat ze zo fijn heeft meegewerkt. Mijn zoon Ruben voor de zelfreflectie. Mijn pasgeboren zoon Roy, we gaan het beleven! vi CONTENTS Chapter 1 INTRODUCTION This dissertation provides insight into a didactic problem: How to teach Ampersand, which is a rule-based approach to design information systems and business processes (IS&BP). This research addresses difficulties to design IS&BP, which are specific to a rule-based design approach, namely the difficulty: • to understand and agree upon requirements, that is, what do the stakehold- ers want? For which we have found inspiration in the Business Rules Ap- proach [32]. • to implement requirements, that is, how to develop software from require- ments? For which we have found inspiration in model-driven software en- gineering [25]. • to cope with changing requirements, that is, how to maintain requirements and software? For which we have found inspiration in the work of Date [5]. • to formulate and communicate requirements, which is needed to manage re- quirements and software in a structural.