軟件工程漸進(jìn)式建模課程教學(xué)范文
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1背景
軟件工程類課程涉及程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)組成設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)等軟件開(kāi)發(fā)的各個(gè)方面，旨在培養(yǎng)學(xué)生在軟件系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、排錯(cuò)等不同階段的設(shè)計(jì)思想與能力，課程涉及的語(yǔ)法繁多、技術(shù)復(fù)雜，軟件建模教學(xué)是其中重要的一環(huán)。建模是以模型化的方法描述軟件系統(tǒng)的“因果關(guān)系”或“結(jié)構(gòu)關(guān)系”的過(guò)程。對(duì)建模直觀的理解就是用形式化的圖形或語(yǔ)言抽象地描述事物的主要特征，既包括對(duì)事物組成結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系的靜態(tài)描述，也包括對(duì)事物與外部交互機(jī)制以及事物內(nèi)部組件運(yùn)行機(jī)制的內(nèi)在描述。建模是對(duì)軟件系統(tǒng)的高度抽象，在軟件開(kāi)發(fā)中有兩個(gè)作用：一是模型可以幫助預(yù)測(cè)到后續(xù)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)后的結(jié)果；二是建模可以指導(dǎo)后續(xù)系統(tǒng)的真正實(shí)現(xiàn)。因此建模是軟件開(kāi)發(fā)中分析和設(shè)計(jì)的重要部分，可以更好地銜接從需求到實(shí)現(xiàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。以軟件工程中面向?qū)ο蠹夹g(shù)為例，“面向?qū)ο蟆笔且环N認(rèn)知工程學(xué)方法論，旨在使計(jì)算機(jī)按照人類的思維方式去認(rèn)知和處理問(wèn)題。“一切皆為對(duì)象”是對(duì)“面向?qū)ο蟆彼枷氲慕?jīng)典描述。“面向?qū)ο蟆币云涓咏咏祟愃季S方式的特點(diǎn)成為當(dāng)前軟件開(kāi)發(fā)的主流技術(shù)，并且是計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生必須掌握的內(nèi)容。相應(yīng)地，作為面向?qū)ο蠓椒ǖ暮诵模嫦驅(qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言（如C++、Java、C#程序設(shè)計(jì)等）和面向?qū)ο蠼７椒ㄔ谡麄€(gè)計(jì)算機(jī)課程中占據(jù)了大量課時(shí)，地位也非常重要[1]。對(duì)面向?qū)ο笳n程的掌握和理解將對(duì)學(xué)生的編程能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
面向?qū)ο蠼＞哂薪y(tǒng)一的建模語(yǔ)言（UML），從軟件的需求分析到最終實(shí)現(xiàn)階段，現(xiàn)已擴(kuò)展出一整套面向?qū)ο笙到y(tǒng)的統(tǒng)一開(kāi)發(fā)過(guò)程（UP）[2]。這就要求在軟件開(kāi)發(fā)的所有階段，都應(yīng)用統(tǒng)一的表示法。面向?qū)ο蠼Ｓ兄谲浖到y(tǒng)開(kāi)發(fā)者對(duì)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，縮減開(kāi)發(fā)時(shí)間和人力成本，增加軟件的可重用性、可擴(kuò)充性、可維護(hù)性和可靠性，面向?qū)ο蠼７梢酝癸@面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的優(yōu)越性。在大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的面向?qū)ο蠼虒W(xué)中，程序設(shè)計(jì)課程是先行課程，這種“編碼先行策略”的優(yōu)勢(shì)在于學(xué)生對(duì)程序編寫(xiě)先有了直觀了解，但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題：一些學(xué)生過(guò)分專注于編程語(yǔ)言，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)也偏重于代碼的實(shí)現(xiàn)，這實(shí)際上是某種意義上的倒退——過(guò)度重視實(shí)現(xiàn)機(jī)制，而不是它們所支持的面向?qū)ο笏季S過(guò)程。在早期編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)階段，教師對(duì)統(tǒng)一建模語(yǔ)言并不進(jìn)行強(qiáng)化和要求，導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)建模理解有偏差，養(yǎng)成了不良的思維和編碼習(xí)慣，后期再次學(xué)習(xí)的時(shí)候反而更加困難。如何才能讓學(xué)生在面向?qū)ο髮W(xué)習(xí)的早期階段就建立面向?qū)ο蠼５母拍睿咳绾螌⒚嫦驅(qū)ο缶幊棠芰ε囵B(yǎng)與建模能力培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)？如何加強(qiáng)程序設(shè)計(jì)類課程與建模類課程的前后銜接與貫通？這些都是軟件工程建模類課程教學(xué)所面臨的共同問(wèn)題。
2建模課程面臨的問(wèn)題
2.1龐大的知識(shí)體系面臨有限的授課學(xué)時(shí)建模滲透在軟件工程的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，包括應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＜医涣麟A段、企業(yè)級(jí)建模應(yīng)用階段、編寫(xiě)文檔階段以及程序設(shè)計(jì)階段。面向?qū)ο蠼５闹R(shí)體系可以分為3個(gè)部分：面向?qū)ο蠼８拍畋硎痉ā⒚嫦驅(qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)、面向?qū)ο髮?shí)現(xiàn)。UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言作為軟件工程專業(yè)三年級(jí)本科生的必修課，課程學(xué)時(shí)設(shè)定為32學(xué)時(shí)，因?qū)W時(shí)限制，要求教學(xué)內(nèi)容必須進(jìn)行大幅度縮減。面對(duì)龐大的知識(shí)體系，授課只能采用以點(diǎn)帶面的方式講授其中的第一部分，而第二部分和第三部分只能作概念性介紹。
2.2抽象的理論教學(xué)內(nèi)容缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)支持在課程教學(xué)的內(nèi)容安排上，教師需要逐一講解類建模、狀態(tài)建模和交互建模。這3種建模方法又包含類圖、包圖、狀態(tài)圖、用例圖、順序圖等共13種建模圖的具體表示法，這部分教學(xué)占據(jù)了90%以上的課堂時(shí)間。這門(mén)課程并未配機(jī)房練習(xí)環(huán)節(jié)，教師為了保證教學(xué)質(zhì)量需要對(duì)每種圖的畫(huà)法及變化逐一講解。這些理論性內(nèi)容較為枯燥，不如軟件代碼那么具體可運(yùn)行，也沒(méi)有實(shí)際系統(tǒng)作為支撐和輔助手段，無(wú)法引起學(xué)生足夠的重視，導(dǎo)致很多學(xué)生對(duì)軟件工程建模的理解僅停留在理論和概念階段，知其然而不知其所以然。
2.3編程課程與建模課程的設(shè)置缺乏銜接軟件工程將軟件系統(tǒng)的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程分為需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試5個(gè)階段。針對(duì)不同階段，教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)不同，在本科生教學(xué)中出現(xiàn)的先后時(shí)間也有差異。以面向?qū)ο蠹夹g(shù)為例，其核心課程是面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言和面向?qū)ο蠼！Ｍǔ＃幋a語(yǔ)言類課程相對(duì)開(kāi)設(shè)較早，建模類課程開(kāi)課較晚，導(dǎo)致理論與實(shí)踐缺乏銜接。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院面向?qū)ο箢愓n程開(kāi)課時(shí)間見(jiàn)表1。從表1中看出，編程課程、建模課程及實(shí)踐課程存在明顯的時(shí)間差，這不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通。編程語(yǔ)言學(xué)習(xí)階段重視編碼與系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，建模學(xué)習(xí)階段重視建模方法的介紹和講解，學(xué)生往往到了做畢業(yè)設(shè)計(jì)階段依然沒(méi)有從頭至尾完整地經(jīng)歷過(guò)一次面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)的全過(guò)程，既沒(méi)有對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程的宏觀認(rèn)識(shí)，也沒(méi)有對(duì)具體細(xì)節(jié)間的銜接性把握。這種教學(xué)的“時(shí)差性”導(dǎo)致許多軟件工程專業(yè)學(xué)生在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)階段往往先用編程語(yǔ)言把系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)出一個(gè)大概，然后修修補(bǔ)補(bǔ)，再做逆向工程，繪制建模圖，因此常常出現(xiàn)需求與設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)不上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不上的補(bǔ)丁式本科畢業(yè)論文，究其根本，還是建模方法教學(xué)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)脫節(jié)造成的。
3漸進(jìn)式教學(xué)的內(nèi)容
漸進(jìn)式教學(xué)是指教學(xué)活動(dòng)主體不斷提升的發(fā)展過(guò)程，主要包括不同個(gè)體自身隨時(shí)間周期推移的不斷發(fā)展過(guò)程，以及學(xué)習(xí)內(nèi)容隨著時(shí)間周期螺旋式上升的過(guò)程。學(xué)習(xí)內(nèi)容和個(gè)體自身學(xué)習(xí)時(shí)間的不斷演化，使教育不斷地接近最終培養(yǎng)目標(biāo)。國(guó)內(nèi)大學(xué)本科生軟件工程教學(xué)一般是以編程語(yǔ)言教學(xué)為重點(diǎn)開(kāi)展的，其目的是要培養(yǎng)學(xué)生熟練的軟件編碼技能，以便在工程實(shí)踐中能夠靈活運(yùn)用，因此在編程語(yǔ)言教學(xué)方面，增量式、互動(dòng)式、開(kāi)放式等教學(xué)手段都會(huì)得到靈活運(yùn)用。事實(shí)上，軟件工程建模思想本身是獨(dú)立于編程語(yǔ)言的。以面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)為例，面向?qū)ο蠼虒W(xué)不僅要培養(yǎng)學(xué)生熟練的軟件編碼技能，還要培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)ο蠼Ｄ芰蛙浖O(shè)計(jì)領(lǐng)域的科學(xué)思維方式，這樣才能讓學(xué)生既具備實(shí)際編碼能力，同時(shí)也對(duì)軟件系統(tǒng)的宏觀設(shè)計(jì)與模塊設(shè)計(jì)有把控能力。如果把編程語(yǔ)言教學(xué)比作一座建筑的施工，那么建模教學(xué)就是建筑的構(gòu)思和設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，因此，本科生軟件工程教學(xué)要通過(guò)改革課程內(nèi)容和授課方式來(lái)強(qiáng)化建模對(duì)編程的指導(dǎo)作用。要實(shí)現(xiàn)“模型反映需求”“建模協(xié)助設(shè)計(jì)”“模型指導(dǎo)編程”的面向?qū)ο蠼y(tǒng)一開(kāi)發(fā)過(guò)程，必須對(duì)面向?qū)ο蠼５慕虒W(xué)內(nèi)容進(jìn)行漸進(jìn)式調(diào)整。
4實(shí)施
4.1面向?qū)ο蠼＝虒W(xué)的內(nèi)容分解為了強(qiáng)化建模對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)意義，實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠼y(tǒng)一開(kāi)發(fā)過(guò)程，我們對(duì)面向?qū)ο蠼５慕虒W(xué)內(nèi)容進(jìn)行了階段式分解，將面向?qū)ο蠼Ｕn程分解為建模入門(mén)、建模基礎(chǔ)、建模提高、綜合強(qiáng)化和實(shí)踐應(yīng)用5個(gè)階段。教學(xué)內(nèi)容以培養(yǎng)面向?qū)ο笏枷霝橹骶€，以實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)為目的，以編程語(yǔ)言教學(xué)、建模語(yǔ)言教學(xué)、實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)為載體，在整個(gè)軟件工程本科生教學(xué)環(huán)節(jié)中由淺入深逐步強(qiáng)化建模知識(shí)，最終使學(xué)生達(dá)到全面掌握并能靈活運(yùn)用的程度。（1）建模入門(mén)階段引導(dǎo)學(xué)生以面向?qū)ο蟮乃枷胄纬勺罨镜某橄蠡Ｋ季S。該階段的建模教學(xué)以“單獨(dú)類”的設(shè)計(jì)為中心，包括類的“屬性”、類的“操作”的圖形表示法及意義，介紹抽象、封裝、多態(tài)的思想，介紹類的“繼承”關(guān)系。（2）建模基礎(chǔ)階段引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)面向?qū)ο蠼５恼J(rèn)識(shí)。該階段的建模教學(xué)以“類的關(guān)系”為中心，內(nèi)容包括類的關(guān)聯(lián)、繼承、依賴，強(qiáng)化以面向?qū)ο蟮乃枷雽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)建模。（3）建模提高階段要求學(xué)生以面向?qū)ο蟮乃枷刖C合分析需求。該階段在前兩個(gè)階段的基礎(chǔ)上突出類的“狀態(tài)”和“對(duì)象交互”，介紹類的狀態(tài)分析、用例分析以及順序圖和活動(dòng)圖的表示法，強(qiáng)化使用面向?qū)ο蟮乃枷雽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。（4）在綜合強(qiáng)化階段，建模教學(xué)以系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)為中心，全面整合系統(tǒng)靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模的方法，講解系統(tǒng)領(lǐng)域分析、應(yīng)用分析、高級(jí)類建模知識(shí)，強(qiáng)化整套UML圖形表示法和建模方法。（5）實(shí)踐應(yīng)用階段。帶領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用面向?qū)ο蠓椒ㄍ瓿擅嫦驅(qū)ο蠓治觥⒚嫦驅(qū)ο笤O(shè)計(jì)、面向?qū)ο缶幊蹋?duì)學(xué)生UML制圖的精細(xì)化、準(zhǔn)確化進(jìn)行全面驗(yàn)收。
4.2漸進(jìn)式面向?qū)ο蠼＝虒W(xué)我們將5門(mén)面向?qū)ο箢愓n程（含軟件工程課程設(shè)計(jì)）進(jìn)行聯(lián)系貫通，形成漸進(jìn)式面向?qū)ο蠼虒W(xué)體系，如圖1所示。面向?qū)ο蠓Q為“線狀知識(shí)”，沿著系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方向展開(kāi)。早期的C++教學(xué)是以系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為重點(diǎn)，同時(shí)也發(fā)展一部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)；上升期的Java和C#教學(xué)需要兼顧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雙向發(fā)展；成熟期的UML教學(xué)是以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，同時(shí)整合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；最后在軟件工程課程設(shè)計(jì)階段，完成面向?qū)ο笾R(shí)體系的綜合應(yīng)用。
4.3教學(xué)視頻庫(kù)的建設(shè)UML統(tǒng)一建模語(yǔ)言課程在大專院校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了較長(zhǎng)時(shí)間，教材、學(xué)習(xí)參考書(shū)、電子課件和教學(xué)案例已經(jīng)基本建設(shè)完畢。漸進(jìn)式教學(xué)需要低年級(jí)本科生盡早接觸面向?qū)ο蠼ＶR(shí)，因此，我們將教學(xué)視頻庫(kù)的建設(shè)放到了首要位置。視頻庫(kù)建成后，學(xué)生可以盡早觀看視頻，自主學(xué)習(xí)UML建模的初期知識(shí)點(diǎn)，再到中后期的課堂中靈活運(yùn)用。這樣既可以讓學(xué)生接觸到建模課程的知識(shí)，又不增加低年級(jí)課程授課教師的負(fù)擔(dān)。教學(xué)視頻可以分為“微課”和“屏幕錄像課件”兩種。“微課”是指以視頻為主要載體，記錄教師教育過(guò)程的一種新型教學(xué)資源。“屏幕錄像課件”是指通過(guò)教師授課的語(yǔ)音信息、板書(shū)記錄呈現(xiàn)的視頻課件。屏幕錄像課件通過(guò)電腦錄屏軟件記錄教師在授課時(shí)對(duì)電子課件操作的全過(guò)程，同時(shí)也可以使用電子白板等手段記錄教師的板書(shū)書(shū)寫(xiě)過(guò)程，還可以同期錄制教師上課的聲音，隨后將聲音與圖像合二為一，形成立體的視頻課件。屏幕錄像因?yàn)椴恍枰⒄n的攝影機(jī)、攝影棚等設(shè)備，成為一種方便的電子視頻課件的制作方法。“微課”和“屏幕錄像課件”選用的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)在2~7分鐘內(nèi)講解清楚，如果時(shí)間太長(zhǎng)，學(xué)習(xí)者注意力容易分散，太短則會(huì)造成知識(shí)點(diǎn)講解不充分或教學(xué)節(jié)奏過(guò)快，影響教學(xué)效果。短時(shí)間教學(xué)視頻對(duì)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)提出了更高的要求：必須將每節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容按知識(shí)點(diǎn)劃分成5~10分鐘左右的教學(xué)單元，每個(gè)單元制作成一個(gè)課件。知識(shí)點(diǎn)的選擇、排序等是對(duì)教學(xué)內(nèi)容的精細(xì)加工，這要求分析學(xué)習(xí)者的初始能力、學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)特征、學(xué)習(xí)環(huán)境等因素。制作高質(zhì)量的5分鐘教學(xué)視頻需要專業(yè)的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該包括優(yōu)秀的一線教師、教學(xué)設(shè)計(jì)專家、教學(xué)媒體制作專家等，遵循教學(xué)設(shè)計(jì)的基本原理和流程，并在教學(xué)實(shí)踐中不斷修改、完善。UML知識(shí)體系的特點(diǎn)就是單元性強(qiáng)，包括3類共計(jì)13種不同類型的建模圖，非常適合這種教學(xué)模式。
5結(jié)語(yǔ)
軟件工程建模類課程漸進(jìn)式教學(xué)改革是大連理工大學(xué)軟件學(xué)院在多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)際先進(jìn)的工程教育理念提出的一種新型軟件工程教育模式。該模式依托學(xué)院現(xiàn)有的面向?qū)ο箢愓n程體系，以良好的教學(xué)團(tuán)隊(duì)為研究基礎(chǔ)，以面向?qū)ο蠼ＵZ(yǔ)言（UML）課程為改革中心，實(shí)現(xiàn)了“以編程逐步滲透建模思想，以建模思想指導(dǎo)程序設(shè)計(jì)”“全面提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和實(shí)踐能力”的教學(xué)目標(biāo)。在后續(xù)的教學(xué)過(guò)程中，我們將繼續(xù)對(duì)教學(xué)體系進(jìn)行迭代優(yōu)化，使其發(fā)揮更好的作用。
作者：趙小薇 許真珍 田琳琳 于紅 徐秀娟 單位：大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院
