基于PBL 和MOOC 的軟件工程課程立體化教學(xué)模式

張 爽

（東北大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 沈陽 110169）

0 引 言

軟件工程課程是軟件工程專業(yè)的專業(yè)核心課，同時(shí)也是其他IT 類專業(yè)重要的專業(yè)課。該課程的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握軟件工程相關(guān)專業(yè)知識，掌握軟件需求、分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試、維護(hù)等軟件生命周期的要素、理論、方法與技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的軟件工程綜合素質(zhì)[1]。

軟件工程課程實(shí)踐性很強(qiáng)，對于幾乎沒有實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的在校大二、大三學(xué)生來說，課程內(nèi)容很難掌握；同時(shí)對于授課教師來說，也難以取得理想的教學(xué)效果。基于PBL[2]（Problem-Based Learning，基于問題學(xué)習(xí)）和自建的國家級精品在線開放課程軟件工程的、線上線下教學(xué)與翻轉(zhuǎn)教學(xué)相結(jié)合的混合式立體化的教學(xué)模式，可以有效針對新工科建設(shè)背景下工程教育專業(yè)認(rèn)證對人才培養(yǎng)提出的要求，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生真正理解和掌握軟件工程的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生軟件工程的綜合實(shí)踐能力。

1 立體化教學(xué)模式設(shè)計(jì)

1.1 基于PBL

PBL 最早于20 世紀(jì)60 年代在美國的醫(yī)學(xué)教育中啟用，自70 年代以來，在北美地區(qū)快速發(fā)展，目前已被大多數(shù)國家認(rèn)可[2-3]。PBL 是近年來國內(nèi)外高等院校教學(xué)改革的熱點(diǎn)之一，除了在醫(yī)學(xué)專業(yè)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用之外[4-6]，在其他專業(yè)，如計(jì)算機(jī)、軟件專業(yè)的教學(xué)中也嘗試進(jìn)行了以PBL 為基礎(chǔ)的教學(xué)改革與實(shí)踐[7-9]。

PBL 教學(xué)是以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，即以學(xué)生為中心，以問題為導(dǎo)向[10]。傳統(tǒng)教學(xué)以教師為中心進(jìn)行知識講授、復(fù)習(xí)及布置作業(yè)，通常這種作業(yè)是小粒度的、碎片式的、淺層的、短期能夠完成的，學(xué)生難以通過完成若干個(gè)這樣的小作業(yè)而得到能夠構(gòu)成一定知識體系的、較具規(guī)模的、較深層的訓(xùn)練與培養(yǎng)[3]。PBL 教學(xué)打破這一模式，以學(xué)生為中心，注重能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生圍繞著項(xiàng)目，收集需求，開展分析、設(shè)計(jì)，并獲得相應(yīng)的可觀測的工作成果；其核心是以項(xiàng)目為基礎(chǔ)，圍繞著項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，這樣充分激發(fā)學(xué)生的專業(yè)課程學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，有助于培養(yǎng)其軟件工程的綜合能力，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

由于在校大二、大三本科生沒有項(xiàng)目經(jīng)歷，只有較短的編程經(jīng)歷，因此對工程、項(xiàng)目沒有感性認(rèn)識，很難理解軟件工程的思想及其所欲解決的問題，所以會感覺軟件工程很枯燥、抽象、晦澀。針對該課程的總體教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的客觀情況，基于PBL 的教學(xué)理念與方法要求學(xué)生在整個(gè)課程教學(xué)過程中，親身經(jīng)歷一個(gè)軟件項(xiàng)目，即隨著課程內(nèi)容的進(jìn)展，運(yùn)用所學(xué)的知識和技術(shù)有步驟、有方法地逐步解決該問題。這樣，通過讓學(xué)生實(shí)踐一個(gè)目標(biāo)軟件系統(tǒng)的軟件過程，使學(xué)生對軟件工程、軟件項(xiàng)目有了真真切切的經(jīng)歷，獲得了必要的感性認(rèn)識，從而能夠真正地、更好地理解軟件工程的思想與預(yù)解決的問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識分析問題和解決問題的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，提高學(xué)生的軟件工程綜合素質(zhì)。

1.2 自建慕課

軟件工程專業(yè)是一個(gè)包羅交叉眾多學(xué)科的專業(yè)，而軟件工程課程作為軟件工程專業(yè)的專業(yè)核心課，涵蓋了軟件生命周期的各個(gè)階段，且交叉了軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)、軟件測試、社會科學(xué)、管理科學(xué)、心理學(xué)等眾多學(xué)科的知識，課程內(nèi)容非常豐富與龐雜。它是一門偏工程性質(zhì)的課程，并沒有太多太深?yuàn)W復(fù)雜的理論，所以學(xué)生往往感覺軟件工程課“聽著容易、做起來難”。雖然網(wǎng)絡(luò)上充斥著各種軟件相關(guān)的資料與信息，但真正適用于在校大學(xué)生的高校軟件工程教學(xué)課程資源卻是很少。

自建MOOC 是指以軟件人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，基于本課程10 多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和積累，軟件工程向在校學(xué)生和老師以及社會上的從業(yè)人員提供高質(zhì)量的可反復(fù)觀看、學(xué)習(xí)、練習(xí)、思考與交流的課程資源與平臺。該慕課資源豐富、生動(dòng)，包括碎片化的教學(xué)視頻和大量真實(shí)的軟件項(xiàng)目案例、測試題庫、作業(yè)、論壇討論題目等課程資源，覆蓋了課程各章節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。將抽象的軟件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，制作成生動(dòng)、形象的動(dòng)畫視頻，向?qū)W生進(jìn)行演示與講解軟件系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的方法與過程。上線后，課程團(tuán)隊(duì)對課程內(nèi)容及時(shí)進(jìn)行更新與完善，不斷將最新的學(xué)科與教學(xué)研究發(fā)展成果、社會熱點(diǎn)問題充實(shí)到課程資源中，使學(xué)生能夠結(jié)合到IT 領(lǐng)域最新的發(fā)展與技術(shù)來學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟本課程內(nèi)容。本課程被評為2018 年國家精品在線開放課程。

1.3 立體化、混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

基于慕課資源，國內(nèi)眾多高校的計(jì)算機(jī)、軟件專業(yè)課程積極地開展了MOOC 對未來的教育趨勢、對專業(yè)課程教學(xué)改革的啟示等研究與思考[11-13]，并積極地進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)課堂、立體化教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[14-15]，取得了良好的教學(xué)效果。

所謂軟件工程課程的立體化、混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，是指以圍繞著課程軟件工程的教學(xué)目標(biāo)和課程標(biāo)準(zhǔn)[1]，以問題暨軟件項(xiàng)目為縱向?qū)颍哉n程資源暨慕課資源為橫向基礎(chǔ)，以線上線下混合式教學(xué)與翻轉(zhuǎn)教學(xué)為教學(xué)方法，有機(jī)地將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了立體化的、矩陣式的交叉與結(jié)合，來拓展學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)的空間與時(shí)間，從而使學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)效果，如圖1所示。

圖1 立體化、混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

軟件工程綜合了PBL 教學(xué)方法和慕課資源、SPOC 平臺、翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，真正實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的教與學(xué)，打破了課內(nèi)與課外的界限和在線與離線的界限，使得學(xué)習(xí)無處不在，促使有效學(xué)習(xí)行為的發(fā)生[16]。

2 立體化教學(xué)實(shí)施

傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)施過程中，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互孤立，學(xué)時(shí)和進(jìn)度通常不同步，教師和學(xué)生都往往習(xí)慣性地認(rèn)為課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)是互不相干的兩個(gè)套路，各做各的。這顯然不符合我們的教學(xué)思想與目的，不符合教學(xué)規(guī)律，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

針對這一問題，本課程團(tuán)隊(duì)基于自建的在線開放課程軟件工程資源和MOOC/SPOC 平臺，以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，基于問題暨軟件項(xiàng)目，做了精心細(xì)致的教學(xué)設(shè)計(jì)，通過線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)教學(xué)，實(shí)施了立體化的教學(xué)，使得課程的理論內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)任務(wù)緊密地橫向與縱向雙重交叉地結(jié)合在一起，使學(xué)生真正地理解、實(shí)踐與掌握軟件工程的方法與技術(shù)，達(dá)到了令人滿意的教學(xué)效果。

2.1 基于PBL 的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

如前所述，針對該課程的總體教學(xué)目標(biāo)，本課程團(tuán)隊(duì)基于PBL 的教學(xué)理念與方法，要求學(xué)生完成一個(gè)軟件項(xiàng)目，也就是說學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，始終圍繞著完成一個(gè)“問題暨軟件項(xiàng)目”而進(jìn)行學(xué)習(xí)。這樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中就會有針對性地去學(xué)習(xí)和實(shí)踐一個(gè)軟件項(xiàng)目過程中所需要的各種方法與技術(shù)。

為此，本課程團(tuán)隊(duì)有針對性地精心設(shè)計(jì)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使二者無論是內(nèi)容還是進(jìn)度都做到完全平行同步。理論教學(xué)內(nèi)容，除了第一章概論和第二章軟件過程，從第三章開始，按照軟件生命周期的各個(gè)階段、按照軟件從無到有的過程依次展開教學(xué)內(nèi)容，具體包括：第三章需求、第四章面向?qū)ο蠓治?、第五章面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)。相應(yīng)地，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的任務(wù)與理論教學(xué)緊緊相扣、緊密結(jié)合，學(xué)生在課堂上所學(xué)的方法與技術(shù)將在實(shí)驗(yàn)中得到運(yùn)用，以達(dá)到真正實(shí)踐和掌握的目的，見表1。

2.2 線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)教學(xué)

基于自建的慕課資源，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)打破了傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容的學(xué)時(shí)安排，將教學(xué)內(nèi)容分為三大類，充分利用慕課資源與翻轉(zhuǎn)教學(xué)，相應(yīng)地采取不同的教學(xué)方法與學(xué)時(shí)安排。線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施見表2。

由表2 可見，這種線上線下混合式教學(xué)與翻轉(zhuǎn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間與空間上的隔閡，使得學(xué)生和老師可以充分利用翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行實(shí)踐方面的討論、交流，解答學(xué)生的疑問，老師加以正確引導(dǎo)、解答和總結(jié)，如幾個(gè)失敗案例的原因分析、模塊內(nèi)聚與耦合、如何選擇編程語言等。這使得理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了真正的、立體式的、橫向與縱向的結(jié)合與融會貫通。

表1 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同步與平行的教學(xué)設(shè)計(jì)

表2 線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

3 教學(xué)效果

本教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于以上的教學(xué)設(shè)計(jì)，在東北大學(xué)軟件學(xué)院的軟件工程專業(yè)和數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)，已經(jīng)開展了多輪基于PBL 的線上線下混合式教學(xué)與翻轉(zhuǎn)教學(xué)。調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，對慕課及線上線下和翻轉(zhuǎn)教學(xué)的各項(xiàng)滿意度均為A 的學(xué)生占比，2018 年和2019 年分別為85.8%和87.9%，可見絕大多數(shù)學(xué)生對課程教學(xué)是非常滿意的。另外，如表3 所示，在線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)教學(xué)相結(jié)合的立體式教學(xué)模式下，學(xué)生的期末卷面成績和實(shí)驗(yàn)成績均有大幅度提高。

表3 學(xué)生成績統(tǒng)計(jì)對比

4 結(jié) 語

本課程團(tuán)隊(duì)針對課程軟件工程抽象難懂難學(xué)而又實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，以PLB 為核心，基于自建的國家精品慕課資源，經(jīng)過精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，采用線上線下混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)教學(xué)相結(jié)合的立體式教學(xué)模式，將軟件工程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、線上資源與線下授課有機(jī)地、融會貫通地相結(jié)合，所取得的理想的教學(xué)效果證明這種教學(xué)模式是可行的、科學(xué)的，對教學(xué)效果是很有益的。