貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法在軟件體系結(jié)構(gòu)課程中的應(yīng)用

黃佳佳 李鵬偉

摘 要：針對(duì)當(dāng)前軟件體系結(jié)構(gòu)課程特點(diǎn)和教學(xué)過程中存在的難點(diǎn)，提出貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法。通過設(shè)計(jì)一套可貫穿軟件體系結(jié)構(gòu)課程各主要知識(shí)點(diǎn)的若干案例，組織學(xué)生分組實(shí)踐，設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)，解決現(xiàn)有教學(xué)模式存在的問題。該教學(xué)模式將理論與實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，在實(shí)際教學(xué)中取得較好效果。

關(guān)鍵詞：軟件體系結(jié)構(gòu);貫穿式案例;實(shí)踐教學(xué)法;教學(xué)實(shí)踐;軟件工程

DOI：10. 11907/rjdk. 201493??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G434 ?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????????????????????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）011-0249-03

The Application of Penetrating Case and Practical Teaching Method

in Software Architecture Course

HUANG Jia-jia， LI Peng-wei

（School of Information Engineering， Nanjing Audit University， Nanjing 211815， China）

Abstract： Focusing on the course features of software architecture and difficulties in the teaching processing of this course， this paper proposes a penetrating case and practical teaching method. We try to solve current teaching problems through designing a series of cases that are able to penetrate the main points of software architecture course and designing software architecture in practice by dividing students into groups. This teaching method can both improve students cognition of software architecture theory and enhance their practical ability， which acquires promising result in teaching practice.

Key Words： software architecture course; penetrating case; practical teaching method; teaching practice; software engineering

0 引言

軟件工程專業(yè)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科的一個(gè)分支學(xué)科，較為偏重軟件開發(fā)的工程性與實(shí)用性，要求學(xué)生不僅學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)與實(shí)踐技能，還要熟悉軟件開發(fā)的一整套流程，包括軟件項(xiàng)目管理、軟件需求分析、軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)與細(xì)化、產(chǎn)品測(cè)試及后期維護(hù)等[1]。在軟件工程本科生培養(yǎng)方案中，最能綜合體現(xiàn)該專業(yè)工程性與實(shí)踐性的課程即軟件體系結(jié)構(gòu)。通過學(xué)習(xí)51或34個(gè)學(xué)時(shí)的軟件體系結(jié)構(gòu)課程，使學(xué)生掌握常用的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格及其特點(diǎn)、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估理論知識(shí)。此外，結(jié)合UML設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)模式等課程，使學(xué)生能依據(jù)特定的軟件需求設(shè)計(jì)出軟件架構(gòu)，并對(duì)該架構(gòu)進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)[2]。

軟件開發(fā)產(chǎn)業(yè)一般要求應(yīng)聘者“熟悉軟件工程領(lǐng)域理論知識(shí)，熟悉大型軟件系統(tǒng)架構(gòu)知識(shí)及實(shí)現(xiàn)方法，熟悉軟件框架的設(shè)計(jì)和編碼論證”[3]，這要求高校在培養(yǎng)軟件工程專業(yè)學(xué)生時(shí)加強(qiáng)工程實(shí)踐技能培養(yǎng)，使其從一個(gè)合格的程序員逐步過渡為軟件架構(gòu)師。眾多教育者從各種角度探討不同的教學(xué)方案，對(duì)培養(yǎng)軟件架構(gòu)人才進(jìn)行研究，如強(qiáng)調(diào)案例庫(kù)建設(shè)與項(xiàng)目實(shí)踐重要性[4-5]、提出以培養(yǎng)學(xué)生編程能力為中心[6]增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[7]的教學(xué)改革方案等。在軟件體系結(jié)構(gòu)課程改革中，清華大學(xué)覃征教授2009年提出“抽象與實(shí)踐相結(jié)合”教學(xué)思想，強(qiáng)調(diào)將專題研究作為講授線索[8]。在隨后的課程改革探討中，相關(guān)學(xué)者也認(rèn)為軟件體系結(jié)構(gòu)課程應(yīng)以案例式教學(xué)為主[9-12]，以開源軟件的設(shè)計(jì)與分析為實(shí)踐案例。

本文基于軟件工程專業(yè)人才培養(yǎng)需求與軟件體系結(jié)構(gòu)課程特點(diǎn)，提出貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法，從頂層設(shè)計(jì)上推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新，培養(yǎng)適應(yīng)軟件行業(yè)發(fā)展需求的軟件工程人才。

1 軟件體系結(jié)構(gòu)課程特點(diǎn)及存在的問題

與軟件工程其它基礎(chǔ)或核心課程不同，軟件體系結(jié)構(gòu)課程具有知識(shí)面廣、抽象程度高、實(shí)踐要求強(qiáng)等特點(diǎn)。

（1）軟件體系結(jié)構(gòu)課程一般開設(shè)于大三，這是因?yàn)樵撜n程涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、程序設(shè)計(jì)與編程語(yǔ)言等課程知識(shí)，要求學(xué)生較為熟練地掌握這些已學(xué)過的核心知識(shí)并靈活運(yùn)用。

（2）軟件體系結(jié)構(gòu)課程本質(zhì)是對(duì)一款軟件的頂層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與細(xì)化，這種設(shè)計(jì)思想與單一的算法設(shè)計(jì)及其編碼實(shí)現(xiàn)的思維方式差異較大。該課程要求學(xué)生能夠從軟件需求出發(fā)，以UML等為設(shè)計(jì)工具，靈活運(yùn)用所學(xué)的軟件架構(gòu)風(fēng)格和各類設(shè)計(jì)模型/思想，為某款軟件設(shè)計(jì)一個(gè)合理有效的架構(gòu)方案并逐步細(xì)化該方案。這一過程抽象程度較高，要求靈活運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)且設(shè)計(jì)方案不唯一，學(xué)生往往難以真正掌握。

（3）軟件體系結(jié)構(gòu)課程要求理論與實(shí)踐相結(jié)合。理論知識(shí)可輔助學(xué)生進(jìn)行體系架構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，但是如何為軟件規(guī)劃一個(gè)合理的架構(gòu)需要學(xué)生在過去的軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)中尋找靈感。僅依賴課堂的理論知識(shí)講解和做習(xí)題而不進(jìn)行軟件項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐，學(xué)生很難從整體上理解和把握這門課程精髓，進(jìn)而很難將其運(yùn)用到軟件設(shè)計(jì)中[9]。

筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前軟件體系結(jié)構(gòu)課程多采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，即以“老師課堂講解，學(xué)生聽課、記筆記、做練習(xí)”為主[13]，輔以少量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如使用UML設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)的部分模塊，這種教學(xué)模式存在如下問題：①以知識(shí)點(diǎn)為中心的理論教學(xué)較為枯燥。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，軟件體系結(jié)構(gòu)課程涉及知識(shí)點(diǎn)較多且分散，若教師在課堂上逐一講解各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)但缺乏較為形象的實(shí)驗(yàn)案例，學(xué)生的學(xué)習(xí)注意力不易集中、學(xué)習(xí)熱情較低;②學(xué)生對(duì)軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架理解不足。由于軟件架構(gòu)一般結(jié)構(gòu)宏大，而在課堂教學(xué)中往往只針對(duì)部分知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的小型案例。這些案例之間獨(dú)立設(shè)計(jì)，無法將離散的知識(shí)有效貫通起來，因而學(xué)生往往只能理解一款軟件架構(gòu)的部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，很難理解其總體設(shè)計(jì)思想;③學(xué)生綜合實(shí)踐能力較差。由于教師在教學(xué)過程中以理論講解為主，缺乏實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，容易忽視案例的趣味性和系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生不能很好消化這些理論知識(shí)。此外，由于課時(shí)限制和實(shí)踐機(jī)會(huì)欠缺，學(xué)生往往無法將所學(xué)知識(shí)點(diǎn)與軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)真正結(jié)合起來。

2 貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法

案例教學(xué)是一種開放、互動(dòng)的新型教學(xué)方式，其通過模擬和重現(xiàn)生活中的一些場(chǎng)景，將學(xué)生納入案例場(chǎng)景中，從而使學(xué)生能夠深刻體會(huì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)涵和價(jià)值。案例學(xué)習(xí)是知識(shí)遷移的重要方式，特別是在創(chuàng)新工程教育背景下，基于問題解決的案例教學(xué)在工程教育中具有重要作用[14]。在案例教學(xué)中，教師需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和所學(xué)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)學(xué)生能理解的教學(xué)案例[15]。學(xué)生通過對(duì)這些案例的討論和交流增強(qiáng)分析和解決問題的能力。

軟件體系結(jié)構(gòu)課程包含章節(jié)和知識(shí)點(diǎn)較多，若只針對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)案例會(huì)使整個(gè)課程案例之間關(guān)聯(lián)性差，無法解決學(xué)生對(duì)軟件架構(gòu)整體框架理解不足的問題。為此，本文從連貫性和系統(tǒng)性出發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)或若干個(gè)完整案例，將課程知識(shí)點(diǎn)有序串聯(lián)起來，使課程理論與實(shí)踐更好地結(jié)合。

案例設(shè)計(jì)遵循以下幾點(diǎn)原則：①難度適中，案例既要符合大三本科生的認(rèn)知水平，也要符合當(dāng)前軟件架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì);②案例能夠?qū)⒄n程中的主要知識(shí)點(diǎn)囊括進(jìn)來，通過案例使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知;③設(shè)計(jì)與案例難度相匹配的練習(xí)題，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)能力;④學(xué)生根據(jù)軟件需求以分組作業(yè)形式設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)體系。

與傳統(tǒng)扁平式分章節(jié)教學(xué)相比，貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法圍繞課程的核心知識(shí)點(diǎn)展開縱深模式教學(xué)。這種方式對(duì)知識(shí)點(diǎn)詳略把握得當(dāng)、對(duì)知識(shí)點(diǎn)之間的區(qū)別與聯(lián)系理解更加深刻、對(duì)理論知識(shí)與實(shí)踐方案的結(jié)合運(yùn)用更加靈活。學(xué)生通過案例學(xué)習(xí)到特定問題的解決方法，熟悉特定工作領(lǐng)域業(yè)務(wù)流程，身臨其境地進(jìn)行系統(tǒng)分析與決策，能更好激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和獨(dú)立思考能力，提升團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)踐開發(fā)能力，同時(shí)豐富該課程教學(xué)形式與教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 教學(xué)目標(biāo)及案例設(shè)計(jì)

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)目標(biāo)

軟件體系結(jié)構(gòu)課程主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括體系結(jié)構(gòu)概念、“4+1”視圖模型、軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、UML建模與應(yīng)用、基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)與評(píng)估等。在51個(gè)學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)如下教學(xué)目標(biāo)：①學(xué)生掌握該課程的核心理論知識(shí)，如什么是軟件體系結(jié)構(gòu)？不同體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的優(yōu)缺點(diǎn)、異同點(diǎn)是什么？②能將所學(xué)理論用于軟件體系結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，如使用UML設(shè)計(jì)軟件的用例模型和類圖，根據(jù)軟件需求設(shè)計(jì)軟件的邏輯視圖與開發(fā)視圖等;③在通學(xué)所有知識(shí)點(diǎn)后根據(jù)某款軟件的需求設(shè)計(jì)一個(gè)體系架構(gòu)方案。這一目標(biāo)需要學(xué)生不僅具有對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的靈活運(yùn)用能力，還需要學(xué)生具有分組協(xié)作能力。在這一過程中，學(xué)生通過充分的溝通交流和分工協(xié)作為軟件選擇某種體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格并自頂向下（或自底向上）設(shè)計(jì)。

3.2 貫穿式案例選擇

基于該課程的教學(xué)目標(biāo)及案例設(shè)計(jì)原則，本文選擇Hassan編著《軟件建模與設(shè)計(jì)：UML、用例、模式和軟件體系結(jié)構(gòu)》[16]一書中的“ATM系統(tǒng)”和“在線購(gòu)物系統(tǒng)”案例作為本課程貫穿式教學(xué)主案例。選擇這兩個(gè)案例理由：①這兩個(gè)系統(tǒng)所隱含的軟件需求較為清晰簡(jiǎn)潔，貼合學(xué)生認(rèn)知水平;②這兩個(gè)貫穿式案例都是從需求分析入手，遵循“選擇風(fēng)格→設(shè)計(jì)頂層結(jié)構(gòu)→設(shè)計(jì)”4+1“視圖（如用例模型、類圖等）→設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)（如數(shù)據(jù)庫(kù)表單設(shè)計(jì)、服務(wù)設(shè)計(jì)等）→架構(gòu)評(píng)估”這一過程。通過剖析子案例可將所學(xué)的大部分知識(shí)點(diǎn)貫穿起來，形成一個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)方案;③這兩個(gè)案例分別使用“客戶/服務(wù)器”和“面向服務(wù)”風(fēng)格實(shí)現(xiàn)軟件架構(gòu)的頂層設(shè)計(jì)，而這兩種風(fēng)格及其應(yīng)用正是學(xué)生需要掌握的最重要且有一定難度的軟件設(shè)計(jì)風(fēng)格;④在整個(gè)案例講解過程中，學(xué)生能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)模式、UML建模、面向?qū)ο笏枷氲溶浖こ虒I(yè)的知識(shí)融入到軟件設(shè)計(jì)實(shí)踐，提升軟件開發(fā)能力。

3.3 分組實(shí)踐

貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法不僅要求教師在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)貫穿式案例，還要求學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到軟件架構(gòu)開發(fā)實(shí)踐中，為此設(shè)計(jì)若干個(gè)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)課題，學(xué)生以自愿分組形式選擇某個(gè)課題，其整體思路如圖1所示，包括組隊(duì)（3～5人）、選題、設(shè)計(jì)架構(gòu)方案、撰寫架構(gòu)文檔、總結(jié)與展示、交叉評(píng)價(jià)架構(gòu)方案等5個(gè)環(huán)節(jié)。其中，設(shè)計(jì)架構(gòu)方案包括細(xì)化需求分析、選擇體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、設(shè)計(jì)頂層架構(gòu)、設(shè)計(jì)視圖、設(shè)計(jì)類/包/服務(wù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊。

在分組協(xié)作完成課題過程中，需要根據(jù)興起愛好自由組隊(duì)并推選一名組長(zhǎng)開展組織協(xié)調(diào)工作，小組設(shè)定需求分析師、架構(gòu)師、模塊開發(fā)員、文檔撰寫員和架構(gòu)評(píng)估員等不同角色。通過團(tuán)隊(duì)合作，培養(yǎng)學(xué)生溝通協(xié)作能力、文檔撰寫能力和軟件開發(fā)能力。

項(xiàng)目完成后，教師采取綜合評(píng)定方式對(duì)每個(gè)小組實(shí)踐課題進(jìn)行打分，并從教師、項(xiàng)目組內(nèi)部和項(xiàng)目組之間3個(gè)維度進(jìn)行評(píng)分。首先，小組成員自行分配各自對(duì)課題的貢獻(xiàn)度;其次由教師和其它小組分別為組織軟件架構(gòu)方案展示答辯打分，將兩類分?jǐn)?shù)加權(quán)并按內(nèi)部貢獻(xiàn)度劃分給每個(gè)小組成員，作為其在該實(shí)踐課題中的綜合得分。

3.4 教學(xué)效果

貫穿式案例教學(xué)法與軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合，不僅能有效提升學(xué)習(xí)效果，還能促進(jìn)對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用能力。通過生動(dòng)形象又有機(jī)統(tǒng)一的貫穿式案例，能夠讓學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)逐步加深理解，提升學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性;課堂教學(xué)過程不再是教師的“獨(dú)奏”，而是在與學(xué)生的積極互動(dòng)與共同探討中度過。分組設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)方案使學(xué)生不再被動(dòng)式學(xué)習(xí)，而是帶著任務(wù)和問題主動(dòng)尋求解決方案。此外，分組實(shí)踐鍛煉了學(xué)生的合作交流能力和良性競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軟件工程專業(yè)核心主干課程軟件體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合學(xué)生在該課程學(xué)習(xí)過程中存在的難點(diǎn)，本文對(duì)貫穿式案例實(shí)踐教學(xué)法進(jìn)行了探索。該教學(xué)方式能夠在教學(xué)過程中將軟件體系結(jié)構(gòu)課程中的重要知識(shí)點(diǎn)和軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的核心思想有機(jī)結(jié)合，根據(jù)課程特點(diǎn)對(duì)教學(xué)案例進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。然而該教學(xué)方案案例設(shè)計(jì)仍有較大改進(jìn)空間，需在后續(xù)實(shí)踐中不斷優(yōu)化。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）