主題圖的軟件工程教程機(jī)制研討范文
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軟件工程是一門工程性很強(qiáng)的專業(yè)，為了培養(yǎng)高素質(zhì)的軟件工程應(yīng)用型人才，依據(jù)CDIO教學(xué)大綱標(biāo)準(zhǔn)和國家教育部軟件工程專業(yè)規(guī)范來制定SE-CDIO人才培養(yǎng)方案是一種有效的教學(xué)改革措施。筆者重點(diǎn)從教學(xué)的角度對(duì)軟件工程專業(yè)的課程體系進(jìn)行建模，基于TopicMaps著重刻畫軟件工程專業(yè)工程化的實(shí)踐體系。通過所提出的課程體系建模方式，可為進(jìn)行教學(xué)研究的工作者分析教學(xué)體系的內(nèi)涵與關(guān)系，合理規(guī)劃課程和教師分工等內(nèi)容提供一種有效途徑。
TopicMaps相關(guān)概念
TopicMaps最初的思想是希望建立起智能化電子索引，并能支持這些索引間的相互融合。近年來，TopicMaps已經(jīng)不再局限于索引領(lǐng)域，而成為一套用來組織信息的方法，使用這套方法可以描述知識(shí)結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)，及其相關(guān)的信息資源。TopicMaps于2003年成為ISO標(biāo)準(zhǔn)，并了其基于XML的描述方式XTM。目前XTM最新的版本于2007年。TopicMaps中的基本概念包括:
1)主題(Topic):廣義上講，任何事物都可以是一個(gè)主題。嚴(yán)格地講，“主題”表示TopicMaps中指代事物的對(duì)象或節(jié)點(diǎn)。在一個(gè)TopicMap中，主題可以是零或多個(gè)主題類型的實(shí)例。主題通常具有顯式的名稱，但沒有也可以。一個(gè)主題可以在不同的上下文中具有不同的名稱。
2)關(guān)聯(lián)(Association):一個(gè)主題關(guān)聯(lián)用于指定2個(gè)或多個(gè)主題之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)類型可自定義。參與關(guān)聯(lián)的每個(gè)主題在該關(guān)聯(lián)中發(fā)揮不同的作用，稱為關(guān)聯(lián)角色。
3)資源(Occurrence):一個(gè)主題可以用某種方式去鏈接一至多個(gè)信息資源。這些資源稱為該主題的Occurrence。資源可以分類。主題可以在特定的上下文中關(guān)聯(lián)特定的資源。TopicMaps將知識(shí)劃分為2層:上層是概念層，描述各種概念及關(guān)系;下層是資源層，描述概念層中各個(gè)Topic所關(guān)聯(lián)的具體資源。
軟件工程課程體系模型
通過TopicMaps對(duì)課程體系進(jìn)行建模，可以有效地實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)管理和分析工作。在此，建立一個(gè)簡化的課程體系模型，用以說明TopicMaps建立模型的方法。
1基本概念
為了不產(chǎn)生混淆，本文給出如下定義。定義1“教學(xué)實(shí)體”:指教學(xué)中涉及的各種對(duì)象類型和具體對(duì)象所對(duì)應(yīng)的概念，不涉及具體內(nèi)容。例如，“必修課”是一種課程類型，“C語言”是一門必修課。兩者在模型中都是一個(gè)教學(xué)實(shí)體。課程體系模型中涉及的基本教學(xué)實(shí)體包括:①抽象類實(shí)體:Teacher(教師)、Course(課程)、Resource(資源，如書籍、音頻和視頻等教學(xué)輔助資源)和Group(課程組)等，用于表示實(shí)體的類型。需要特別說明的是，在教學(xué)體系中，經(jīng)常會(huì)劃分課程組，課程組包含一系列相關(guān)課程，這樣有助于教學(xué)質(zhì)量的提高和教師隊(duì)伍的發(fā)展。②具體實(shí)體:表示一個(gè)具體的實(shí)體對(duì)象，一般是某個(gè)抽象類實(shí)體的實(shí)例。例如，表示各個(gè)具體課程的實(shí)體。定義2“教學(xué)資源”:指教學(xué)實(shí)體對(duì)應(yīng)的具體信息和關(guān)聯(lián)的各種資源。例如，“C語言”課程關(guān)聯(lián)的“教學(xué)大綱”文件和課程網(wǎng)站等都屬于具體的教學(xué)資源。
2模型結(jié)構(gòu)
課程體系中涉及的教學(xué)實(shí)體非常多，實(shí)體除了有自己的基本描述外，實(shí)體間還會(huì)存在各種關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且每個(gè)實(shí)體還可能會(huì)有一系列的相關(guān)參考資源。理清和描述各種教學(xué)實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)，是高效地分析專業(yè)方向和教學(xué)規(guī)劃、相關(guān)課程依賴關(guān)系，合理配置教學(xué)資源和優(yōu)化課程體系的基礎(chǔ)。因此，如何將各種教學(xué)實(shí)體和資源做有效的描述和關(guān)聯(lián)，是建模的重點(diǎn)。
TopicMaps在建模時(shí)，采用分層的形式將資源層和概念層分離。分層的結(jié)構(gòu)有助于清晰地描述教學(xué)體系。
1)概念層:在概念層中，主要描述概念及概念之間的關(guān)系。在課程體系中，即各種教學(xué)實(shí)體和實(shí)體間的關(guān)系。這是模型中相對(duì)穩(wěn)定的部分。2)資源層:在資源層中，描述各種教學(xué)資源，是各個(gè)教學(xué)實(shí)體的具體信息描述。例如，教師的個(gè)人主頁、教學(xué)大綱文檔、具體的視頻、音頻對(duì)象等。由于教學(xué)內(nèi)容需要緊跟科技的發(fā)展，因此教學(xué)資源需要及時(shí)更新和補(bǔ)充。這部分在模型中的動(dòng)態(tài)變化性較高。由于TopicMaps模型中的概念之間可以存在很多的關(guān)系類型，所以概念和關(guān)系會(huì)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的圖結(jié)構(gòu)。為了簡要說明模型的結(jié)構(gòu)，給出了一個(gè)簡化的課程體系模型的雙層結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。其中省略了很多主題、關(guān)系和資源。在課程體系模型中，需要定義一些主題用于描述類別，屬于抽象概念，如Course(課程)、Teacher(教師)、Video(視頻)等。在此基礎(chǔ)上，定義各個(gè)表示具體教學(xué)實(shí)體的主題，如概念層中表示具體課程的主題“C++”、“軟件工程”等，表示具體教師的主題“T1”和“TN”等。在課程體系模型中必備的關(guān)聯(lián)類型包括:1)“Class-Instance”關(guān)系。用于描述一個(gè)具體的概念是另一個(gè)概念的實(shí)例。定義RC－I(a，b)。對(duì)任意主題a和b，如果RC－I(a，b)成立，則表示a和b之間是“Class-Instance”關(guān)系。在該關(guān)系中a扮演“Class”的角色，b是實(shí)例“Instance”的角色。圖1中用帶箭頭的實(shí)線表示RC－I(a，b)，起點(diǎn)為a，終點(diǎn)為b。每個(gè)具體的課程都是“Course”的一個(gè)實(shí)例，如RC-I(Course，C++)。
2)“Teach-TaughtBy”關(guān)系。用于描述具體的教師與其所授課程之間的關(guān)系。定義RT－TB(a，b)，對(duì)任意主題a和b，如果RT－TB(a，b)成立，則表示a和b之間是“Teach-TaughtBy”關(guān)系，即教師a教授課程b，而課程b由教師a教授。圖1中用帶箭頭的虛線表示RT－TB(a，b)，起點(diǎn)為a，終點(diǎn)為b，如RT－TB(TN，C++)。利用主題圖中概念和資源分層的機(jī)制，在對(duì)課程體系進(jìn)行建模時(shí)，將相對(duì)穩(wěn)定的課程體系信息置于模型的概念層，將各種教學(xué)資源置于模型的資源層，可使經(jīng)常動(dòng)態(tài)變化的教學(xué)資源不會(huì)對(duì)課程體系的穩(wěn)定性產(chǎn)生過多的影響，能滿足對(duì)專業(yè)課程體系研究、分析和動(dòng)態(tài)調(diào)整的需求。2.3以實(shí)踐課程為主體的課程體系在SE－CDIO培養(yǎng)方案中，特別重視和強(qiáng)化工程實(shí)踐能力。其課程體系中以實(shí)踐教學(xué)為主線，將各種專業(yè)核心課程緊密結(jié)合在一起。課程體系中設(shè)置了項(xiàng)目實(shí)踐、綜合項(xiàng)目實(shí)踐和企業(yè)社會(huì)實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)等不同層次的實(shí)踐類課程，以此來強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力、工程能力、協(xié)同能力和職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。
為了清晰地說明如何利用TopicMaps來描述軟件工程專業(yè)的工程化教育理念，圖2僅給出課程體系模型概念層的一部分，其中重點(diǎn)描述了專業(yè)實(shí)踐體系的主體結(jié)構(gòu)。想要突出這種以實(shí)踐課程為主線的工程化教育理念，還需要定義更多的主題類型和關(guān)系類型。在TopicMaps模型中定義的部分主要概念如下:
1)抽象概念Group(課程組)和Project(項(xiàng)目)。
2)具體課程組的主題:為每個(gè)具體的課程組建立一個(gè)主題，在圖2中用虛線橢圓節(jié)點(diǎn)表示。某個(gè)具體的課程組g是Group的實(shí)例，即滿足3)課程主題:為每門專業(yè)核心課程建立一個(gè)主題，在圖2中用實(shí)線橢圓節(jié)點(diǎn)表示。每個(gè)具體的課程a是Course的實(shí)例，即滿足4)實(shí)踐類課程主題:為每門實(shí)踐性課程建立一個(gè)主題，在圖2中用實(shí)線矩形節(jié)點(diǎn)表示。某個(gè)項(xiàng)目課程b是Project的實(shí)例，該關(guān)系描述在圖2中省略，即滿足在模型中還需要至少定義如下關(guān)聯(lián)類型:1)“Pre-Next”關(guān)系。用于描述課程之間的先后關(guān)系。定義RP－N(a，b)表示主題a和b之間是“Pre-Next”關(guān)系，即表示a是b的前驅(qū)課程，而b是a的后繼課程。圖2中用帶箭頭的實(shí)線表示RP－N(a，b)，起點(diǎn)為a，終點(diǎn)為b。2)“Whole-Part”關(guān)系。用于描述整體和部分之間的關(guān)系。例如，一個(gè)課程組由若干具體課程組成。
定義RW－P(a，b)表示主題a和b之間是“Whole-Part”關(guān)系，即表示a包含b，而b是a的一部分。圖2中用圖形的“包含”表示整體和部分。例如，課程組“GroupA”中包含課程“A1”、“A2”、“A3”和實(shí)踐性課程“PA”，即滿足在一個(gè)合理的培養(yǎng)方案中，各種知識(shí)的教授是存在前后順序和關(guān)聯(lián)的。因此，“Pre-Next”關(guān)系在課程體系建模中是必需的一種關(guān)聯(lián)。圖2所示的模型可以說明每個(gè)實(shí)踐類課程需要一系列先驅(qū)課程為其進(jìn)行知識(shí)儲(chǔ)備，而該實(shí)踐類課程的設(shè)置目的則是其所屬課程組中前驅(qū)課程知識(shí)的綜合培養(yǎng)和訓(xùn)練。例如，為了培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的能力，學(xué)生首先需要學(xué)習(xí)編程語言、數(shù)據(jù)庫和軟件建模知識(shí)。
這樣，“信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”是一門實(shí)踐類課程，而其他相關(guān)課程是該課程的前驅(qū)課程。圖2還描述了不同實(shí)踐類課程之間也存在“Pre-Next”關(guān)系，這樣可以體現(xiàn)實(shí)踐類課程的不同層次。即每個(gè)項(xiàng)目實(shí)踐類課程是重點(diǎn)對(duì)某幾門課程知識(shí)綜合能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，綜合項(xiàng)目實(shí)踐和企業(yè)社會(huì)實(shí)踐是培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生在工程中運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)的能力以及協(xié)同能力和職業(yè)素質(zhì)，而畢業(yè)設(shè)計(jì)是用于檢查學(xué)生最終對(duì)本專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用的能力。
培養(yǎng)方案中各種基礎(chǔ)課程和核心專業(yè)課程的設(shè)置都是為了實(shí)現(xiàn)最終的培養(yǎng)目標(biāo)。為了清晰地刻畫各個(gè)核心專業(yè)課程對(duì)專業(yè)能力培養(yǎng)目標(biāo)所做的貢獻(xiàn)，便于分析各個(gè)專業(yè)課對(duì)學(xué)生某種實(shí)踐能力培養(yǎng)(體現(xiàn)在實(shí)踐類課程中)所做的貢獻(xiàn)，模型中定義了Group(課程組)的概念和“Whole-Part”關(guān)系。每個(gè)課程組中的課程都是為了重點(diǎn)教授、培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的某種實(shí)踐能力。每門實(shí)踐性課程與其前驅(qū)課程即為一個(gè)課程組。需要說明的是，每門實(shí)踐性課程是為了重點(diǎn)培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生在該實(shí)踐課的前驅(qū)課程中所學(xué)知識(shí)，但仍然可能會(huì)運(yùn)用到其他知識(shí)。例如，在GroupA中學(xué)生學(xué)習(xí)了某種編程語言，而在GroupB中的實(shí)踐性課程PB中仍然可能會(huì)用到。
課程體系模型的應(yīng)用
TopicMaps技術(shù)便于知識(shí)的導(dǎo)航和檢索，基于TopicMaps創(chuàng)建課程體系模型可以為培養(yǎng)方案的設(shè)置和分析、教學(xué)資源的配置等工作提供一種便捷的分析手段。下面以查找課程組GroupA中所有課程的任課教師為例，說明如何基于TopicMaps模型方便地進(jìn)行信息檢索。查找過程如下:最終得到的集合T即GroupA中所有課程的任課教師。TopicMaps的概念層是一個(gè)圖結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行信息檢索時(shí)可利用各種圖的算法以提高搜索速度。因此，信息檢索效率的實(shí)用性可以保證。
結(jié)束語
提出基于TopicMaps的軟件工程專業(yè)課程體系模型，其中不但具有一般課程體系建模所需的共性，還結(jié)合了SE-CDIO教育模式，重點(diǎn)刻畫了課程體系中以實(shí)踐課程為主線的工程化教育理念。該模型采用雙層結(jié)構(gòu)，將相對(duì)穩(wěn)定的課程體系信息置于模型的概念層，將各種教學(xué)資源置于模型的資源層，可使經(jīng)常動(dòng)態(tài)變化的教學(xué)資源不會(huì)對(duì)相當(dāng)穩(wěn)定的課程體系產(chǎn)生過多的影響。基于模型的形式化描述，可以方便高效地對(duì)課程體系中的各種教學(xué)實(shí)體和資源進(jìn)行檢索、定位，能滿足對(duì)專業(yè)課程體系進(jìn)行研究、分析和動(dòng)態(tài)調(diào)整的需求。
作者：侯霞單位：北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院