新工科背景下的軟件需求工程課程教學(xué)模式

彭珍連，曹步清，劉建勛

（湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

1 研究背景

2017 年 2 月 18 日，教育部高等教育司張大良司長(zhǎng)在綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)上強(qiáng)調(diào)：當(dāng)前新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐。隨后，教育部于同年6月9日在北京召開新工科研究與實(shí)踐專家組成立暨第一次工作會(huì)議，審議通過了《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》[1]。根據(jù)指南要求，新工科應(yīng)該服務(wù)于新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)。從普通高校層面來說，一方面要開設(shè)和發(fā)展新興工科專業(yè)，另一方面要推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新，主動(dòng)布局面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)。為加快實(shí)現(xiàn)我國(guó)工程教育強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想，普通高校應(yīng)該構(gòu)建新工科與傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)新結(jié)構(gòu)，探索新工科背景下課程教學(xué)新模式，提高普通高校教育質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]。

需求工程自20世紀(jì)90年代以來，逐漸成為獨(dú)立于軟件工程的一個(gè)研究領(lǐng)域，越來越受到國(guó)內(nèi)軟件開發(fā)者和實(shí)踐者的重視。近年來，隨著知識(shí)工程研究的不斷成熟，需求獲取、分析與演化（管理）等領(lǐng)域也越來越成為國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究的熱點(diǎn)，為需求工程課程教學(xué)提供了新的研究理論和研究方法。

2 需求工程課程性質(zhì)與主要問題

2.1 需求工程課程性質(zhì)

需求工程課程作為軟件工程方向的專業(yè)課之一，得到了全國(guó)各個(gè)開設(shè)了軟件工程專業(yè)的高校的廣泛關(guān)注。它具有理論性強(qiáng)、專業(yè)性強(qiáng)、領(lǐng)域性突出的特點(diǎn)[3]。在理論方面，該課程要求學(xué)生能夠熟悉需求工程各個(gè)階段的知識(shí)，有扎實(shí)的編程基礎(chǔ)；還能夠掌握和運(yùn)用其他非專業(yè)能力知識(shí)，例如認(rèn)知心理學(xué)、社會(huì)學(xué)、語言學(xué)、哲學(xué)等知識(shí)，去交流、提問、傾聽，能有效團(tuán)隊(duì)協(xié)作等。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，該課程要求學(xué)生能夠采用相關(guān)的工具、技術(shù)和方法，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)問題，獲取需求，分析與建模，并按照規(guī)范編寫軟件需求規(guī)格說明文檔，驗(yàn)證文檔正確性、統(tǒng)一性等特點(diǎn)。因此，該課程的教學(xué)能夠提高軟件工程專業(yè)大學(xué)生的整合能力、抽象能力、系統(tǒng)化思想的分析技能；培養(yǎng)他們表達(dá)與溝通能力、語言駕馭能力；培養(yǎng)他們觀察與建模技能；培養(yǎng)他們文檔組織能力；培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)用戶自己都很難意識(shí)到的潛在需求的能力[4]。

需求工程教學(xué)模式研究目的是以當(dāng)前市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，建立合理的需求工程課程體系，將需求工程新的技術(shù)和方法傳授給學(xué)生，并加強(qiáng)需求開發(fā)過程和需求管理過程的能力培養(yǎng)，使他們能真正掌握基本的需求分析原理和方法。為了讓軟件工程專業(yè)的大學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與需求工程課堂學(xué)習(xí)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，提高軟件工程專業(yè)課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，以培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前新工科建設(shè)形勢(shì)下軟件工程方向的高素質(zhì)專業(yè)人才，也是需求工程課程教學(xué)模式改革的核心內(nèi)容。

2.2 需求工程課程教學(xué)主要問題

經(jīng)過多年從事實(shí)際的需求工程課程教學(xué)，筆者發(fā)現(xiàn)該課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展難度都比較大，具體體現(xiàn)為以下幾個(gè)方面的問題。

（1）由于湖南科技大學(xué)軟件工程本科專業(yè)新建于2015年，時(shí)間相對(duì)較短，在專業(yè)培養(yǎng)方案初期，需求工程課程的培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容不是特別清楚。例如，將課程命名為需求工程與UML，從而使大學(xué)生普遍認(rèn)為需求工程與UML是并列或平行的關(guān)系，而不能認(rèn)識(shí)到UML只是需求工程中需求分析的一個(gè)建模工具。

（2）需求工程這一研究領(lǐng)域正在發(fā)展中，目前仍缺乏國(guó)際公認(rèn)的知識(shí)體系[4-5]。在理論上，本課程的教材比較少，而且這些為數(shù)不多的教材內(nèi)容區(qū)別比較大，側(cè)重點(diǎn)不同，譬如有的教材偏重需求工程過程，而有的教材偏重需求的形式化表示方法。實(shí)踐應(yīng)用中，需求工程的新技術(shù)和方法不斷涌現(xiàn)，實(shí)踐內(nèi)容很難做到統(tǒng)一規(guī)范。因此，市場(chǎng)上幾乎找不到需求工程課程的配套實(shí)驗(yàn)教材，導(dǎo)致實(shí)踐課的內(nèi)容選擇相當(dāng)困難。

（3）教學(xué)內(nèi)容比較抽象。需求工程課程內(nèi)容主要包括需求工程的概念、過程，需求獲取技術(shù)和方法，需求分析技術(shù)和方法，需求管理技術(shù)和工具等，這些知識(shí)除了涉及軟件開發(fā)和管理知識(shí)領(lǐng)域，也涉及心理學(xué)、社會(huì)學(xué)、語言學(xué)等領(lǐng)域。這些內(nèi)容都很抽象，對(duì)大二學(xué)生來說，會(huì)感到課程內(nèi)容枯燥，逐漸失去該課程的學(xué)習(xí)興趣。

（4）教學(xué)模式比較單一。需求工程課程目前的教學(xué)方法仍然采取傳統(tǒng)的教學(xué)模式，即以教師課堂授課為主，教學(xué)中側(cè)重基礎(chǔ)理論和方法，兼以少量的案例演示。而在相關(guān)抽象概念、技術(shù)、建模方法等實(shí)踐環(huán)節(jié)方面做得不夠到位，學(xué)生很難深入掌握和理解該課程的理論知識(shí)。另外，與其他高校一樣，該課程的課時(shí)一般較少，限制了學(xué)生實(shí)踐能力的發(fā)展[6]。

（5）考核方法不夠全面。湖南科技大學(xué)需求工程課程的考核方式基本采用傳統(tǒng)的考核方式，例如以閉卷形式為主（占70%），以平時(shí)成績(jī)?yōu)檩o（占30%），其中平時(shí)成績(jī)包括點(diǎn)到、課堂表現(xiàn)、平時(shí)作業(yè)或?qū)嶒?yàn)報(bào)告等。大量實(shí)踐證明，這種傳統(tǒng)考核方式不夠全面，太偏重于期末考試成績(jī)，即太注重需求工程基本理論知識(shí)的測(cè)試，而忽略了需求工程課程中綜合應(yīng)用知識(shí)的整體考查。

3 需求工程教學(xué)模式

3.1 課程培養(yǎng)方式調(diào)整

好的教學(xué)模式離不開清晰的課程培養(yǎng)方式。需求工程課程是湖南科技大學(xué)軟件工程專業(yè)大學(xué)生的學(xué)位必修課之一，最初確定課程的培養(yǎng)方式為理論課，課程名為需求工程與UML，共56課時(shí)。如前所述，這樣的課程培養(yǎng)方式存在一定的問題。因此，2017級(jí)軟件工程專業(yè)課程培養(yǎng)方案調(diào)整時(shí)將該課程更名為軟件需求工程，并調(diào)整為理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式，即32個(gè)理論課時(shí)和16個(gè)實(shí)踐課時(shí)。通過這種方式，軟件工程專業(yè)大學(xué)生很容易明白軟件需求工程是一個(gè)獨(dú)立的課程，UML只是軟件需求工程中面向?qū)ο笮枨蠓治龇椒ㄖ械囊环N工具。另外，這種方式既兼顧了大學(xué)生能夠?qū)W習(xí)需求工程課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，又能保證大學(xué)生在具體的實(shí)踐過程中加深對(duì)需求工程理論基礎(chǔ)知識(shí)、技術(shù)、方法與工具的理解。

3.2 教材選擇和編寫

選擇和編寫合適的教材是提高教學(xué)效果的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的需求工程課程教材比較少，而且它們之間的側(cè)重點(diǎn)有所不同。經(jīng)過多次比較和選擇，理論課教材選定了由南京大學(xué)駱斌教授主編、高等教育出版社出版的《需求工程——軟件建模與分析》[7]。對(duì)于需求工程初學(xué)者，該教材的內(nèi)容比較豐富，能夠深入淺出地解釋需求工程的基本理論知識(shí)。對(duì)于實(shí)踐教材，目前幾乎沒有找到相應(yīng)的配套教材，筆者根據(jù)理論知識(shí)對(duì)應(yīng)的案例進(jìn)行編寫，具體實(shí)踐內(nèi)容包括需求獲取技術(shù)與方法、結(jié)構(gòu)化需求分析方法、面向?qū)ο笮枨蠓治龇椒ㄒ约靶枨笠?guī)格說明文檔編寫等。其中，需求獲取包括用例場(chǎng)景、面談、調(diào)查問卷與原型等案例內(nèi)容；結(jié)構(gòu)化需求分析包括數(shù)據(jù)流圖與數(shù)據(jù)字典等案例內(nèi)容；面向?qū)ο蠓治霭ㄓ美龍D、類圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖、順序圖、協(xié)作圖等案例內(nèi)容。

3.3 課程內(nèi)容優(yōu)化

優(yōu)化課程內(nèi)容是不斷適應(yīng)新工科要求的必然選擇。隨著軟件需求工程技術(shù)和方法的不斷涌現(xiàn)，需求工程課程內(nèi)容非常豐富，概念性和抽象性強(qiáng)。經(jīng)過多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，選擇需求開發(fā)過程和需求管理過程為課程的教學(xué)內(nèi)容。其中，需求開發(fā)過程為重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，而需求管理過程為可選教學(xué)內(nèi)容，見圖1。

圖1 需求工程教學(xué)內(nèi)容分配

需求開發(fā)過程和需求管理過程統(tǒng)稱為需求工程過程。其中，需求開發(fā)過程包括需求獲取、需求分析、需求規(guī)格說明與需求驗(yàn)證，需求管理過程包括需求變更與需求跟蹤。需求獲取的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容包括涉眾分析、硬數(shù)據(jù)采樣、基于用例場(chǎng)景模型、面談、原型、觀察和文檔審查。需求分析的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)化需求分析方法和面向?qū)ο笮枨蠓治龇椒?。結(jié)構(gòu)化需求分析方法以數(shù)據(jù)流圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為重點(diǎn)授課內(nèi)容；面向?qū)ο笮枨蠓治龇椒ㄒ杂美龍D、類圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖、順序圖、協(xié)作圖、組件圖與部署圖模型為主。需求規(guī)格說明以需求規(guī)格說明書的國(guó)際或國(guó)家撰寫標(biāo)準(zhǔn)為主，需求驗(yàn)證主要講解需求評(píng)審方法。

3.4 內(nèi)容差異化教學(xué)方法

行之有效的教學(xué)方法是教學(xué)模式發(fā)揮作用的有力保證。需求工程課程包含的內(nèi)容非常多，這些內(nèi)容之間的差異性非常大，在教學(xué)過程中采用同一種教學(xué)方法勢(shì)必影響教學(xué)效果。因此，實(shí)際課堂采用內(nèi)容差異化教學(xué)方法，即根據(jù)不同的內(nèi)容使用不同的教學(xué)方法。

對(duì)于需求工程過程涉及的眾多概念性內(nèi)容，譬如軟件需求定義、需求工程等理論知識(shí)，迭代反饋式教學(xué)方式[8]可以發(fā)揮有效作用。迭代反饋式教學(xué)方式通過典型案例介紹需求工程研究的最新概念、經(jīng)典技術(shù)與方法及未來發(fā)展方向，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)視野；學(xué)生通過這些案例分析，采取分組討論的方式進(jìn)行實(shí)踐，并將實(shí)踐中遇到的問題反饋給任課教師；任課教師將反饋的問題進(jìn)行解釋和闡述；如此反復(fù)，直到學(xué)生理解清楚這些抽象概念為止。例如，講解需求、問題、問題域和解系統(tǒng)的時(shí)候，以連鎖超市管理系統(tǒng)作為案例，可以將用戶對(duì)現(xiàn)有超市管理中的期望看作需求，期望與現(xiàn)實(shí)中的差距看作問題，現(xiàn)實(shí)中的超市管理相關(guān)業(yè)務(wù)知識(shí)看作問題域，而將解決問題的軟件系統(tǒng)解決方案看作解系統(tǒng)，讓學(xué)生分組討論，討論結(jié)果與問題反饋給任課教師，由教師負(fù)責(zé)解釋和說明。實(shí)踐和調(diào)查結(jié)果顯示，這種方式提高了學(xué)生對(duì)需求工程中抽象概念的理解和掌握。

對(duì)于需求工程過程中的技術(shù)、方法或者工具等知識(shí)點(diǎn)，項(xiàng)目與案例驅(qū)動(dòng)方法[9]可以收到較好的教學(xué)效果。例如，講解面談、原型等需求獲取技術(shù)與方法、Rational Rose等UML建模工具內(nèi)容時(shí)，由教師指導(dǎo)，將圖書管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)、高校二手交易系統(tǒng)、在線教學(xué)系統(tǒng)等獨(dú)立項(xiàng)目交給學(xué)生處理；學(xué)生仍然采取分組方式，每組3～5人，自行選擇感興趣的項(xiàng)目；要求學(xué)生完成需求信息收集、需求建模分析、需求文檔編寫及需求評(píng)審等工作。學(xué)生通過這些項(xiàng)目實(shí)踐，了解并掌握整個(gè)過程和每個(gè)階段的基本要求。項(xiàng)目與案例驅(qū)動(dòng)教學(xué)法倡導(dǎo)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心，教師在教學(xué)過程中起指導(dǎo)、組織和幫助作用。通過這種教學(xué)方法的實(shí)施，學(xué)生的知識(shí)串聯(lián)能力、交流溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及文檔撰寫能力都得到了明顯的進(jìn)步。

在實(shí)踐課程過程中，成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，OBE）理念[10]可以貫穿該實(shí)踐課程教學(xué)過程。具體來講，可以采用學(xué)生分組完成一個(gè)項(xiàng)目成果，每組學(xué)生不能超過3人，項(xiàng)目成果包括需求獲取結(jié)果文檔，數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典等結(jié)構(gòu)化需求分析文檔，各種圖模型的面向?qū)ο蠓治鲂枨蠓治鑫臋n，軟件需求規(guī)格說明書編寫與評(píng)審文檔等。通過這種成果導(dǎo)向教育方式，軟件工程專業(yè)大學(xué)生的建模能力和文檔撰寫能力明顯提升。

3.5 過程化考核方式

改革教學(xué)考核方式是檢驗(yàn)教學(xué)效果的有效手段。湖南科技大學(xué)需求工程課程目前采用傳統(tǒng)的考核方式，即平時(shí)考核和期末考核兩部分。平時(shí)考核占總成績(jī)的30%，期末考試占總成績(jī)的70%。今后的教學(xué)將逐步增加平時(shí)考核成績(jī)的比重，如平時(shí)考核成績(jī)提高為40%，并采取多次考核的方式，形式可以為實(shí)驗(yàn)報(bào)告、分析模型或者可運(yùn)行原型等；期末考核逐步采用開卷方式，對(duì)現(xiàn)實(shí)案例分析進(jìn)行考核，重點(diǎn)考核大學(xué)生對(duì)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目的綜合運(yùn)用能力和實(shí)踐能力。這些現(xiàn)實(shí)案例按一定比例（如50%）來源于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激勵(lì)學(xué)生重視平時(shí)實(shí)驗(yàn)，防止部分學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)過程中“打醬油”，督促他們積極主動(dòng)，不能偷懶。

4 結(jié) 語

新工科背景下，在軟件工程專業(yè)的課程開展問題的教學(xué)模式的嘗試，取得了初步的效果，一定程度上促進(jìn)了軟件工程專業(yè)大學(xué)生需求獲取、需求分析方面能力的提高。但是需求工程課程的教學(xué)模式改革是個(gè)系統(tǒng)工程，本文討論的教學(xué)模式只是一些淺層模式的嘗試，許多新的課程教學(xué)方法值得進(jìn)一步完善和改進(jìn)，使這些方法也能在軟件工程其他專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐中加以推廣和應(yīng)用。