學(xué)習(xí)遷移理論在軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

周 倩，王志軍

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

0 引言

為了克服軟件危機(jī)，人們提出了采用工程化的思想開發(fā)軟件，軟件工程應(yīng)運(yùn)而生。在這種工業(yè)化的軟件生產(chǎn)中，構(gòu)件是核心和基礎(chǔ)，重用是必需的手段[1]3。

軟件體系結(jié)構(gòu)作為軟件工程領(lǐng)域的一門獨(dú)立學(xué)科，是整個軟件系統(tǒng)的骨架，在軟件開發(fā)中起著非常重要的作用。軟件體系結(jié)構(gòu)是構(gòu)件的集合，也是實(shí)現(xiàn)軟件重用的重要因素，因此完成有效、合理的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠提高軟件生產(chǎn)效率和軟件系統(tǒng)的質(zhì)量，同時，優(yōu)秀的軟件架構(gòu)設(shè)計師也是軟件開發(fā)行業(yè)迫切需要的高端人才。因此，在高校開設(shè)軟件體系結(jié)構(gòu)課程，能夠適應(yīng)軟件行業(yè)的發(fā)展需求[2]，但是對于剛剛接觸軟件開發(fā)、缺乏大型軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的本科生來說，要理解軟件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)理論知識并應(yīng)用，還比較困難，這就需要教師根據(jù)教育心理學(xué)理論進(jìn)行正確的引導(dǎo)，幫助學(xué)生構(gòu)建知識框架，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

學(xué)習(xí)遷移也稱訓(xùn)練遷移，是教育心理學(xué)介紹和研究的一個重要內(nèi)容，是指一種學(xué)習(xí)對另一種學(xué)習(xí)的影響，或習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)對完成其他活動的影響[3]。學(xué)習(xí)遷移理論主要有形式訓(xùn)練說、相同要素說、概括化理論、關(guān)系理論等，有學(xué)者分析認(rèn)為：兩種學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)、技能之間具有共同要素、成分是遷移的最基本前提條件，因此具有相同元素是產(chǎn)生遷移的最重要條件[4]。

運(yùn)用學(xué)習(xí)遷移理論，將構(gòu)件這一軟件體系結(jié)構(gòu)的重要組成元素作為軟件體系結(jié)構(gòu)理論知識的共同要素，可以使學(xué)生在掌握構(gòu)件的相關(guān)理論下，能夠在軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言和軟件體系結(jié)構(gòu)評估等知識中遷移，搭建以構(gòu)件為主的軟件體系結(jié)構(gòu)知識框架，并將軟件體系結(jié)構(gòu)知識應(yīng)用到軟件開發(fā)中。

1 軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中存在的問題

在軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中，學(xué)生普遍反映該課程概念抽象、理論性較強(qiáng)、內(nèi)容繁多無規(guī)律，理解起來較為困難，導(dǎo)致難以體會軟件體系結(jié)構(gòu)在克服軟件危機(jī)、提高軟件生產(chǎn)效率和影響軟件產(chǎn)品質(zhì)量屬性方面的實(shí)際作用，從而在學(xué)習(xí)上缺乏主觀能動性。具體原因包括以下幾個方面。

（1）軟件體系結(jié)構(gòu)概念抽象，學(xué)生掌握困難。目前關(guān)于軟件體系結(jié)構(gòu)的定義有60多種，有的定義從構(gòu)造的角度來審視軟件體系結(jié)構(gòu)，有的側(cè)重于從體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、模式和規(guī)則的角度來考慮[1]18，導(dǎo)致一些教材給出的定義非常抽象，學(xué)生理解起來較為困難。

（2）軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格豐富，學(xué)生較易混亂。對于剛剛接觸軟件開發(fā)、缺少開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的本科生來說，接觸的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格有限，學(xué)生缺乏經(jīng)驗(yàn)，不能較好地區(qū)分不同的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格，這時候就需要教師在教學(xué)中給予相應(yīng)的歸納分類，并結(jié)合實(shí)例促進(jìn)理解。

（3）沒有統(tǒng)一的軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言（Architecture Description Language,ADL）。抽象是認(rèn)識事物本質(zhì)的慣用法，抽象是人類對實(shí)際事物在針對某一特定觀點(diǎn)下的簡化，這樣就能突出希望認(rèn)識的各個元素，辨識和分析關(guān)注的結(jié)構(gòu)和行為，并用特殊符號表示，當(dāng)構(gòu)建新的實(shí)例時可以作為藍(lán)圖。因此在描述軟件體系結(jié)構(gòu)時會采用類似程序設(shè)計語言一樣的軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言來描述不同的軟件體系結(jié)構(gòu)。由于沒有統(tǒng)一的描述語言，學(xué)生需要掌握不同的描述語言，難度較高，容易失去學(xué)習(xí)興趣。

2 學(xué)習(xí)遷移理論——相同要素

遷移是學(xué)習(xí)的普遍現(xiàn)象，廣泛存在于各種知識、技能、行為規(guī)范和態(tài)度的學(xué)習(xí)中，平時所說的“舉一反三”“觸類旁通”等即是典型的遷移形式[3]。通過遷移，各種經(jīng)驗(yàn)得以溝通，經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)得以整合，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對知識的理解。

在早期的學(xué)習(xí)遷移理論中，桑代克認(rèn)為，遷移是非常具體的、有條件的，需要有共同的要素。只有當(dāng)兩個技能因素中有相同要素時，一個機(jī)能的變化才會改變另一個機(jī)能的習(xí)得。兩種情境中的刺激相似，反應(yīng)也相似時，遷移才會發(fā)生。兩種情境中相同要素越多，遷移的量就越大。因此，兩種學(xué)習(xí)活動含有共同成分，無論學(xué)習(xí)者是否意識到這種成分的共同性，都會有遷移現(xiàn)象的產(chǎn)生[3]。

在軟件體系結(jié)構(gòu)課程的學(xué)習(xí)中，構(gòu)件就是該課程各知識點(diǎn)的共同成分之一，以構(gòu)件為中心，將知識遷移到軟件體系結(jié)構(gòu)不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容中去。

3 學(xué)習(xí)遷移理論在軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用

以張友生教授所著《軟件體系結(jié)構(gòu)原理、方法與實(shí)踐》一書為例，學(xué)習(xí)遷移理論在軟件體系結(jié)構(gòu)概論、軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、軟件體系結(jié)構(gòu)描述中的應(yīng)用過程如下。

3.1 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)著名的教育心理學(xué)家布盧姆對教育目標(biāo)的分類，將教學(xué)目標(biāo)分為知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度和價值觀3個維度進(jìn)行分析，見表1。

表1 軟件體系結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)目標(biāo)

3.2 教學(xué)策略

采用布魯納以學(xué)生為中心的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)策略。發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)指給學(xué)生提供學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生通過探索、操作和思考，自行發(fā)現(xiàn)知識、理解概念和原理的教學(xué)方法，具體流程見圖1。

圖1 發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)策略流程

3.3 教學(xué)實(shí)施

3.3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)概念

在講授軟件體系結(jié)構(gòu)概念時，引導(dǎo)學(xué)生對不同學(xué)者給出的定義進(jìn)行歸納總結(jié)。例如，對Mary Shaw和David Garlan給出的定義，總結(jié)出構(gòu)件、連接件、約束；對Barry Boehm給出的定義，總結(jié)出構(gòu)件、連接件、約束、不同人員的需求和準(zhǔn)則；對Bass，Ctements 和 Kazman給出的定義，總結(jié)出構(gòu)件、外部可見特性、相互關(guān)系。通過分析，軟件體系結(jié)構(gòu)概念離不開幾個基本的元素：構(gòu)件、連接件（相互關(guān)系）、配置（約束）。根據(jù)這些基本元素，可以確定軟件體系結(jié)構(gòu)是以構(gòu)件為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，并能提供一種高級抽象的描述，站在較高層次來描述構(gòu)件之間的關(guān)系和約束。

通過歸納軟件體系結(jié)構(gòu)概念的一些共同元素，學(xué)生對軟件體系結(jié)構(gòu)概念有了一個清晰的認(rèn)識，能夠更加具象化地理解構(gòu)件的基本理論，為后續(xù)學(xué)習(xí)的遷移做好準(zhǔn)備。

3.3.2 軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格

在講授軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格時，教師可以根據(jù)前面的歸納總結(jié)給出關(guān)鍵元素：構(gòu)件、連接件、配置，讓學(xué)生確定不同的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格對應(yīng)的這3個元素，并填好相應(yīng)表格。

這種順向遷移讓學(xué)生在接下來的學(xué)習(xí)中能夠帶有目的性地對不同的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格進(jìn)行歸納分類，加深學(xué)生對不同的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的理解，繼而應(yīng)用到實(shí)際的開發(fā)中去。

表格可采用自主學(xué)習(xí)與小組合作等形式完成，小組成員5人左右為宜，組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)，這樣有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和團(tuán)隊合作精神。

例如，在對管道—過濾器這一經(jīng)典數(shù)據(jù)流風(fēng)格的歸納中，學(xué)生通過小組合作判斷出該風(fēng)格的構(gòu)件就是過濾器，管道就是連接件，配置就是所有數(shù)據(jù)按照流的形式進(jìn)行傳送，一個活動的輸出就可以作為下一個活動的輸入。合作學(xué)習(xí)小組通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)這種風(fēng)格可以應(yīng)用在ATM機(jī)的部分交易系統(tǒng)中，持卡人信息處理、代理行賬務(wù)處理、交易數(shù)據(jù)分配等都可以看作過濾器，它們之間可以通過管道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；還可以應(yīng)用在汽車牌照識別系統(tǒng)中，灰度拉伸、邊緣處理、字符風(fēng)格等操作都可看做過濾器。

在3層B/S體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格中，web服務(wù)器和客戶端瀏覽器都可看做構(gòu)件，它們通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)可以看做連接件。應(yīng)用程序以網(wǎng)頁的形式存放在web服務(wù)器上，用戶運(yùn)行某個應(yīng)用服務(wù)器時只需要在客戶端的瀏覽器中輸入相應(yīng)的網(wǎng)址，調(diào)用web服務(wù)器上的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫進(jìn)行操作并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理工作，最后將結(jié)果通過瀏覽器顯示給用戶，那么這就是配置的一個實(shí)例。3層B/S體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是一種常用的、應(yīng)用較廣泛的風(fēng)格，合作學(xué)習(xí)小組能夠列舉出很多應(yīng)用實(shí)例。

通過完成風(fēng)格統(tǒng)計表，學(xué)生能夠較好地區(qū)分不同的風(fēng)格，并按照構(gòu)件、連接件、配置這3要素進(jìn)行歸納，再結(jié)合生動、形象的實(shí)例進(jìn)行分析和討論，將理論知識具體化，在未來的軟件系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐中，能夠站在較高層次抽象系統(tǒng)，設(shè)計系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的構(gòu)件。

3.3.3 軟件體系結(jié)構(gòu)描述

由于ADL種類較多，學(xué)生掌握起來有難度，容易失去學(xué)習(xí)興趣。教師可以將每一描述語言分成3個部分，幫助學(xué)生理解，這3個部分就是構(gòu)件（component）、連接件（connector）、配置，每一構(gòu)件具有1～N個端口，每一連接件具有1～N個角色。

例如，使用ACME描述一個簡單的2層C/S體系結(jié)構(gòu)如下所示[1]120：

再有，用XBA描述一個簡單的2層C/S體系結(jié)構(gòu)的配置如下所示[1]174：

根據(jù)前面軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的小組合作學(xué)習(xí)已經(jīng)確定不同的風(fēng)格對應(yīng)的構(gòu)件、連接件、配置，再按照劃分好的結(jié)構(gòu)使用ADL，這是一種正遷移。在實(shí)際教學(xué)中可以配以一些生活中的實(shí)例，例如讓學(xué)生用ADL描述去超市買東西這樣的場景活動，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，營造出一種貼近生活的、輕松愉悅的課堂氛圍。

3.4 教學(xué)評價

采用的評價方法是在課堂上進(jìn)行的形成性評價。在進(jìn)行前面3部分內(nèi)容的教學(xué)實(shí)施之后，利用雨課堂教學(xué)軟件向171位學(xué)生發(fā)送了8個相關(guān)例題，包括7個客觀題和1個描述輸入輸出系統(tǒng)的主觀題。最后監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在平均答題率89.5%的情況下，7個客觀題的平均正確率高達(dá)85.2%，大部分學(xué)生都能較好地完成主觀題，僅存在一些細(xì)節(jié)的語法描述錯誤，基本都能按照劃分好的構(gòu)件、連接件、配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。

4 結(jié)語

學(xué)生在面對一門理論內(nèi)容較多的課程時，容易失去學(xué)習(xí)興趣，教師也容易陷入“填鴨式”教學(xué)模式，因此掌握教育心理學(xué)理念并應(yīng)用在實(shí)際教學(xué)過程中顯得非常重要。本文將學(xué)習(xí)遷移理論中的相同要素理念運(yùn)用在軟件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論教學(xué)中，充分利用構(gòu)件、連接件等軟件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)知識的共同要素，引導(dǎo)學(xué)生在不同內(nèi)容遷移，取得了良好的教學(xué)效果，也極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，在領(lǐng)域工程、軟件體系結(jié)構(gòu)評估等知識當(dāng)中也涉及了構(gòu)件，下一步考慮能否利用這一共同要素，實(shí)現(xiàn)更多的遷移，設(shè)計更為科學(xué)的教學(xué)過程。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，本方法只適用于本科生學(xué)習(xí)軟件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性知識，并不適用于軟件體系結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的內(nèi)容，因?yàn)榇藭r相關(guān)構(gòu)件模型較為復(fù)雜，難以確定和描述。