特色化實踐項目驅(qū)動的軟件需求工程教學(xué)探索

宋 巍，賀 琪，王文娟，鄒一波，王振華

（上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海 201306）

0 引言

2017 年教育部、財政部、國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單的通知》，面對“雙一流”建設(shè)帶來的機遇和挑戰(zhàn)，作為特色化一流學(xué)科建設(shè)高校，如何充分依托優(yōu)勢學(xué)科，培養(yǎng)具有優(yōu)勢學(xué)科與信息學(xué)科交叉背景的復(fù)合型領(lǐng)域信息化人才，是當(dāng)前特色院校軟件工程專業(yè)建設(shè)和改革的首要任務(wù)。

軟件需求分析與設(shè)計是軟件工程專業(yè)中最重要的基礎(chǔ)課程之一，是軟件工程學(xué)科體系建設(shè)中必不可少的環(huán)節(jié)，為軟件工程專業(yè)方向?qū)W生后續(xù)課程（例如軟件項目開發(fā)、測試和管理等）的學(xué)習(xí)奠定重要基礎(chǔ)。此外，在實際軟件工程應(yīng)用項目中，需求分析與設(shè)計也是決定該軟件項目成功與否的重要因素之一。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，需求階段產(chǎn)生的軟件項目問題，在維護階段將造成100%～200%成本增加，并導(dǎo)致約15%的軟件項目失敗。因此，軟件工程的需求分析與設(shè)計課程建設(shè)對于培養(yǎng)應(yīng)用型軟件工程人才，具有重要的社會意義和實際價值。

基于上述原因，團隊長期致力于將海洋領(lǐng)域知識融入信息專業(yè)核心課程教學(xué)，定期開展不同學(xué)科背景教師間的教學(xué)研究活動，通過對多個實際涉海項目的分析和反復(fù)討論，針對軟件需求分析教學(xué)，提出驅(qū)動“全過程實踐”的課堂教學(xué)方法和“全過程引導(dǎo)”的軟件需求分析綜合實踐方案，為培養(yǎng)具有特色實踐經(jīng)驗的軟件需求工程師人才，以及交叉復(fù)合型的海洋信息化高水平緊缺人才打下堅實基礎(chǔ)。

1 軟件需求分析的教學(xué)研究現(xiàn)狀

軟件需求工程作為一門用工程化方法研究高質(zhì)量軟件需求開發(fā)和管理的學(xué)科，其自身特性決定了該學(xué)科知識具有高度的抽象性［1］。教學(xué)中，大量概念、需求獲取和建模方法等內(nèi)容，使得學(xué)生易感枯燥，失去學(xué)習(xí)興趣。因此，很多教育工作者對軟件需求分析教學(xué)方法進行了改革。

案例驅(qū)動的教學(xué)方法在工程類的人才培養(yǎng)中，起到了重要的作用［2-3］。張純?nèi)莸龋?］提出采用“問題與案例驅(qū)動的課內(nèi)實踐教學(xué)分級模式”來培養(yǎng)工程師所需的能力及職業(yè)素質(zhì)。秦放等［5］從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、課程考核等方面進行探討，提出案例驅(qū)動與項目導(dǎo)向結(jié)合的軟件工程課程教學(xué)模式。

以案例驅(qū)動的教學(xué)法在軟件需求分析或軟件需求工程中得到廣泛應(yīng)用，并取得較好的教學(xué)效果。例如，劉偉等［6］將案例驅(qū)動教學(xué)法引入“軟件需求工程”課程的課堂導(dǎo)入、內(nèi)容講解和實驗教學(xué)等教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合實踐與理論，合理選取和設(shè)置教學(xué)案例，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性及創(chuàng)造性，提高教學(xué)質(zhì)量。文獻［7-9］中則采用教學(xué)案例討論的方法，改進了課程的教學(xué)內(nèi)容與方法，增加了課程中實踐的比重，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升了教學(xué)質(zhì)量。孫紅梅等［10］提出了面向個性化案例的軟件工程類課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)的方案。陸向艷等［11］提出基于專題教學(xué)的軟件工程實踐教學(xué)方案，并以“原型法需求分析實踐”為專題進行實踐教學(xué)，進行了相關(guān)課程教學(xué)目標和教學(xué)考核的詳細設(shè)計，實現(xiàn)了核心教學(xué)內(nèi)容，教師對各教學(xué)環(huán)節(jié)的跟蹤指導(dǎo)及成績評定的精細設(shè)計，并得到學(xué)生的好評。但是，以上研究均缺乏有新意的、面向行業(yè)需求的實踐案例。

為增強教學(xué)互動，陳丹琪等［12］探討了建構(gòu)主義理論，并將相關(guān)情境、協(xié)作、會話和意義建構(gòu)4 大要素融入需求工程教學(xué)中，改變教學(xué)互動方式，激勵學(xué)生主動交流和思考。在軟件需求工程實踐與考核環(huán)節(jié)中，角色輪換或角色扮演等策略被廣泛使用［1，13-16］。學(xué)生分組，組間相互進行需求提出、需求獲取、需求評審，學(xué)員分別扮演用戶方、開發(fā)方、評審者等不同角色，促進學(xué)員不同技能與交流協(xié)作能力的培養(yǎng)。師生和學(xué)生間的交互有助于軟件需求工程抽象知識的理解和掌握，應(yīng)在軟件需求工程/軟件需求分析教學(xué)中進一步加強，需要在教學(xué)中設(shè)計更具體、更明確的交互措施。

在教學(xué)管理和質(zhì)量評審方面，李尤豐等［13］借助統(tǒng)一軟件數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（USDM）的“需求設(shè)計管理工具”，對學(xué)生實踐項目的準備、啟動、展開、定型、評審等5 個環(huán)節(jié)使用軟件成熟度模型（CMMI）標準管理，并進行量化考核?？笛愕龋?4］引入CMMI 質(zhì)量保障體系和業(yè)界標準，保證需求文檔撰寫質(zhì)量和實踐需求管理的各個階段。然而，除了以標準化管理量化考核或增強需求文檔質(zhì)量，更重要的是如何引導(dǎo)學(xué)生認識和修正需求分析過程中的問題。

綜上所述，當(dāng)前軟件需求工程的教學(xué)仍存在以下主要問題：

（1）缺乏具有行業(yè)特色且有新意的實用型案例，不利于特色領(lǐng)域信息人才的培養(yǎng)。學(xué)生選課系統(tǒng)、在線訂餐、網(wǎng)上書店等經(jīng)典案例不斷出現(xiàn)在多個計算機教學(xué)課程中，很多學(xué)生對此缺乏興趣，需求開發(fā)存在很大局限性［15］。

（2）孤立小型案例，案例間的關(guān)聯(lián)性不強，缺乏系統(tǒng)性和完整性。大部分實用案例都與較復(fù)雜的信息系統(tǒng)相關(guān)，系統(tǒng)內(nèi)容的相互關(guān)聯(lián)如何在教學(xué)案例中加以體現(xiàn)，是現(xiàn)階段案例驅(qū)動教學(xué)改革的重點。

（3）需要強化教學(xué)互動的具體設(shè)計，加強對學(xué)生實踐全過程的引導(dǎo)。軟件需求分析的案例和項目，開放性比較強，適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)互動有利于控制知識點的實踐效果。

2 特色項目驅(qū)動的軟件需求分析教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)目標

我校軟件工程專業(yè)的教學(xué)目標是“培養(yǎng)適應(yīng)當(dāng)前社會信息化發(fā)展水平，掌握計算科學(xué)和軟件過程的基本理論、方法和技能，接受良好、系統(tǒng)的工程實踐訓(xùn)練，具備熟練運用軟件工程專業(yè)知識分析、解決、管理復(fù)雜工程問題的能力，能適應(yīng)多學(xué)科、多行業(yè)需求，尤其是海洋、農(nóng)業(yè)、空間信息背景的軟件工程高級應(yīng)用型人才”。與該教學(xué)目標相匹配，將軟件需求分析課程的教學(xué)目標和任務(wù)定位于：培養(yǎng)掌握基本理論和方法、具備實踐經(jīng)驗的軟件需求工程師等領(lǐng)域人才，以及滿足海洋行業(yè)需求的海洋信息化特色高水平緊缺人才。

通過引入海洋信息化軟件項目作為實際案例，全過程貫穿并指導(dǎo)軟件工程需求分析的教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)，將授課內(nèi)容各個環(huán)節(jié)與實踐任務(wù)緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生對軟件需求分析知識的理解力和軟件需求分析綜合實戰(zhàn)能力。本教學(xué)設(shè)計是海洋特色高水平大學(xué)建設(shè)背景下軟件工程專業(yè)新型教學(xué)模式的初步探索。

2.2 教學(xué)設(shè)計與內(nèi)容

圍繞教學(xué)目標，確定教學(xué)活動的實施包括以下3個階段。

（1）海洋特色軟件項目的遴選與再分析。以涉海類項目案例驅(qū)動的軟件需求分析，首先要完成軟件項目的遴選。根據(jù)軟件工程需求分析與設(shè)計課程目標、時間安排以及軟件工程專業(yè)本科生的知識技能和理解能力，合理選擇海洋特色軟件項目案例的難度、規(guī)模、數(shù)量。

為此，調(diào)研了學(xué)校2014～2017 年間在海洋與信息交叉領(lǐng)域完成的軟件工程項目，共12 項，從中選擇適合的項目作為案例。項目選擇依據(jù)兩大原則：①項目材料相對齊全。需收集的各類項目資料包括：原始背景資料、項目的軟件需求規(guī)格說明文檔、會議紀要、各類硬數(shù)據(jù)、項目成果等；②項目難度適中。項目周期太長、涉眾范圍太廣的項目，一般太復(fù)雜不適宜教學(xué)任務(wù)；而執(zhí)行時間太短、涉眾單一、功能簡單的項目一般不需要開展軟件工程需求分析。因此，選擇周期6～12 個月，涉眾3～6 類的項目。最后，對于選定的項目，進一步根據(jù)教學(xué)內(nèi)容在需求量上進行適當(dāng)刪減，對于部分資料不足的項目，積極與項目相關(guān)涉眾開展了面談和集體訪談，獲取需求，并由教師開展需求分析活動，確保最終的需求說明文檔具備優(yōu)秀需求特性。

通過以上過程，選定了兩個涉海類項目：海洋環(huán)境監(jiān)測平臺和海洋經(jīng)濟調(diào)查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)前期項目需求分析較完備，難度適中，且各自具有不同的側(cè)重點。海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)平臺以各類環(huán)境監(jiān)測的業(yè)務(wù)管理為主要需求，涉及多類型監(jiān)測內(nèi)容的處理與展示，適合在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中使用；海洋經(jīng)濟調(diào)查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)管理為主要需求，涉及多種數(shù)據(jù)庫建模和關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析、數(shù)據(jù)的查詢、輸入和輸出等，與學(xué)生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫原理等課程相關(guān)性強，適合在學(xué)生自主實踐中使用。由于這兩個系統(tǒng)都比較龐大，用于教學(xué)時對原系統(tǒng)中功能模塊的數(shù)量進行了刪減，將業(yè)務(wù)級需求控制在3～4 項，便于開展教學(xué)實踐。

（2）海洋特色軟件項目驅(qū)動的“全過程實踐”教學(xué)措施。海洋特色化項目確定后，需要解決的問題是如何圍繞軟件工程需求分析活動的全過程，將海洋信息化實際項目及軟件工程需求分析與設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容真正結(jié)合起來，設(shè)計最適合的教學(xué)情境，最大化教學(xué)效果。

教學(xué)團隊從3 個方面制定相關(guān)措施。①整理選定的海洋領(lǐng)域軟件工程項目的需求分析材料，根據(jù)授課內(nèi)容的不同階段進行分解，使其與教學(xué)活動相匹配，保證對教學(xué)內(nèi)容的全覆蓋和完整性。②對于理論教學(xué)中的重點和難點部分，從選定的涉海項目中提煉關(guān)鍵問題，作為教學(xué)中與學(xué)生交互活動的主題，讓學(xué)生帶著問題思考、討論、總結(jié)。③授課時結(jié)合準備的材料和交互主題設(shè)計，以海洋環(huán)境監(jiān)測平臺軟件項目的需求分析全程貫穿教學(xué)，邊學(xué)邊做，逐步開展對該項目的分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，強化對課程知識點的理解。

以海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)平臺為例，針對各教學(xué)階段的主要難點梳理出與之對應(yīng)的項目內(nèi)容和課堂交互的方式方法，如表1 所示。

表1 教學(xué)關(guān)鍵問題與案例項目材料和交互內(nèi)容對照表

（3）以海洋特色化項目“全過程引導(dǎo)”的軟件需求分析綜合實踐。與理論教學(xué)相輔相成，實踐課程是學(xué)生深入理解和掌握需求搜集、分析、評審、變更管理等過程和技能的重要手段，同時也是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力、溝通交流能力和團隊協(xié)作能力的有效渠道。通常學(xué)生以小組為單位開展軟件需求項目的設(shè)計與分析實踐，小組項目可以是自由選題也可是給定題目。這兩種做法的利弊是：①自由選題的靈活性高、項目范圍廣，但小組項目各不相同，教師對學(xué)生自定義項目的準備不足，分析和指導(dǎo)可能不到位；②給定題目下教師能夠?qū)W(xué)生做出的項目分析給出比較準確、合理的指導(dǎo)，但題目往往不能與時俱進，學(xué)生對此缺乏興趣。

在海洋特色化項目驅(qū)動下，將學(xué)生綜合實踐的項目選題范圍確定為：1 個指定的海洋類軟件工程項目（海洋經(jīng)濟調(diào)查數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）加自由選題。此外，以分角色扮演的組織形式開展綜合實踐。根據(jù)第1 階段選定的海洋信息化項目（該項目未在理論教學(xué)中出現(xiàn)）指定1 個項目題目；每個小組各提出1 個合理的軟件項目（項目的合理性由教師進行指導(dǎo)），作為項目候選庫。此時，小組扮演的角色是軟件需求方。由1 個小組自愿選擇海洋類項目、其余小組選擇非自己小組提出的項目，開展需求工程活動。此時，學(xué)生們扮演的角色是需求分析工程師。在學(xué)生開展需求分析活動的過程中，教師以這個海洋類項目為樣本，通過檢查、分析該項目各小組的分析活動和產(chǎn)生的需求分析文檔，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在開展需求分析各個階段中出現(xiàn)的問題；并以此為例向所有學(xué)生進行講解，從而引導(dǎo)學(xué)生了解如何正確開展需求活動及撰寫需求文檔，理解并解決自己項目中出現(xiàn)的共性問題。③在實踐項目完成后開展需求評審活動。各小組此時扮演技術(shù)評審方，匯同需求方代表一起，對不相關(guān)的需求項目按照優(yōu)秀需求的特性，從需求的質(zhì)量和數(shù)量方面進行評審，給出評審意見并由教師做最終復(fù)核。

在整個實踐過程中，特色化涉海軟件項目起到積極引導(dǎo)作用，既保證了教師能夠?qū)W(xué)生需求分析活動開展的有效把握，又增強了學(xué)生的主動性和積極性。同時，每小組分別扮演了3 個角色：軟件需求方、需求分析工程師、技術(shù)評審方。這種分角色扮演的過程真實模擬了軟件需求開發(fā)過程中的情境，使學(xué)生充分體驗不同角色間產(chǎn)生的沖突、協(xié)調(diào)與協(xié)作，深入理解軟件需求工程各方面的活動和方式方法。

3 教學(xué)效果分析及改進策略

經(jīng)過一個學(xué)期的軟件需求分析課程教學(xué)實踐，采用問卷形式對以上改革的實施效果進行了調(diào)查，并結(jié)合學(xué)生在實踐過程中的作業(yè)完成情況進行了效果分析。調(diào)研主要包括3 方面的內(nèi)容：學(xué)生對軟件需求分析知識的了解和掌握程度、海洋特色化項目案例在本教學(xué)中的適用情況、學(xué)生對融入海洋特色的軟件需求分析教學(xué)的態(tài)度和建議。

調(diào)查問卷包括12 個單選問題和2 個開放式問題。調(diào)查對象是60 名參加本課程的本科二年級軟件工程專業(yè)學(xué)生，共收回49 份有效問卷，其中男生33 名，女生16 名，男女生比例與本專業(yè)學(xué)生的男女比例一致。以下對問卷調(diào)查的結(jié)果進行分析。

3.1 學(xué)生對軟件需求分析的理解度

針對學(xué)生在授課前后對軟件工程需求分析的了解程度進行了對比分析，如圖1 所示?？梢?，在開始本課程前，只有約20%的學(xué)生對軟件工程的需求分析有點了解，約39%的學(xué)生不太了解或完全不了解；完成課程后，了解軟件需求分析的學(xué)生比例增加到81%以上。圖2 所示是通過本課程的學(xué)習(xí)學(xué)生對軟件需求分析知識掌握程度的自我評價?？傮w來看，超過67%的學(xué)生對知識的掌握度可以達到60%以上，其中，約8%的學(xué)生可以達到80%以上，約30%的學(xué)生達到70%以上。仍有約16%的學(xué)生認為自己的掌握程度在51%～60%，其余16%的學(xué)生的掌握程度在50%以下。

圖1 完成本課程前、后學(xué)生對軟件需求分析的了解程度對比

圖2 學(xué)生認為自己對軟件工程需求分析知識的掌握程度

整體來講，大部分學(xué)生認為自己從課程中受益。學(xué)生對軟件需求分析知識的掌握程度遠低于其對課程知識的了解程度，有大約32%的學(xué)生認為自己對課程的掌握程度達不到60%。這種比例符合軟件需求分析課程的特點。軟件需求分析理論知識比較抽象，軟件項目的需求分析本身又具有迭代性、階段性等特點，短時間內(nèi)的小規(guī)模項目實踐對于知識的完全掌握難度很大。

學(xué)生的作業(yè)情況卻表明他們對知識的掌握程度明顯高于上一屆同學(xué)。由于教學(xué)改革前一屆學(xué)生未進行同等調(diào)查，無法直接對比調(diào)查結(jié)果，從學(xué)生提交的軟件需求分析文檔質(zhì)量方面進行了比對。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生所提交的項目文檔的總頁數(shù)平均增加了5.5 頁，用戶需求和系統(tǒng)級需求的數(shù)量上平均增加4.7%，需求的錯誤率則下降了3%；同時，需求分析建模的模型復(fù)雜度（例如，模型中對象的數(shù)量和對象間的關(guān)系或消息數(shù)量）也明顯增加。因此，可以認為在海洋特色化項目驅(qū)動下軟件需求分析的教學(xué)效果有明顯提升。

3.2 海洋特色化項目案例的難易度分析

以案例貫穿軟件工程需求分析課程的重要性得到普遍認可，有85.7%（42 人）的學(xué)生認為案例學(xué)習(xí)非常重要或重要，6 名同學(xué)認為一般，只有1 名同學(xué)認為不重要。對授課過程中使用的所有案例的總體難易程度和涉海類項目案例的難易程度分別進行了調(diào)查，結(jié)果如圖3 所示?？梢?，總體案例的難度以適中為主，成正態(tài)分布，大部分同學(xué)通過對基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和自己的獨立思考，基本上可以完成案例的分析。而涉海類案例相對偏難，超半數(shù)（57%）同學(xué)認為難度適中，約39%的同學(xué)認為有一定難度，但通過老師的講解可以理解，有4%（2 名）同學(xué)認為太難。“有一定難度”與預(yù)期基本一致。由于實際軟件工程項目遠比簡單的通用案例（如，圖書管理系統(tǒng)）要復(fù)雜，適當(dāng)?shù)卦黾影咐y度更能體現(xiàn)真實世界的需求，并且激發(fā)學(xué)生的主動思考，提高其解決問題的能力。但是，由于“有一定難度”的比例較高且有個別同學(xué)認為涉海類項目案例的難度太高，在下一輪教學(xué)中將對案例做適當(dāng)調(diào)整，以更好地適應(yīng)學(xué)生的理解能力。

圖3 案例的難易度分析

關(guān)于是否在課程中增加涉海類案例，46.94%的學(xué)生建議保持現(xiàn)狀，同等比例的學(xué)生認為可以適當(dāng)增加涉海類軟件工程案例的，只有6.12%的學(xué)生認為應(yīng)該減少涉海類案例。鑒于學(xué)生對涉海類項目的積極響應(yīng)，在下一輪教學(xué)中擬適當(dāng)增加實踐課程中的涉海類案例項目，供學(xué)生實踐課程中自由選擇，以適應(yīng)部分學(xué)生增加涉海類案例的需求。

3.3 學(xué)生對融入海洋特色的軟件需求分析教學(xué)的態(tài)度和建議

調(diào)查顯示，73.47%的學(xué)生認為作為以海洋學(xué)科為特色的學(xué)校，在本課程中引入涉海類軟件工程案例符合專業(yè)培養(yǎng)目標。開放式問題中，學(xué)生們對如何更好地體現(xiàn)海洋特色提出了許多很好的建議，可以總結(jié)為以下3 項：

（1）涉海類需求項目與學(xué)生小組作業(yè)相結(jié)合：建議與學(xué)校海洋或水產(chǎn)與生命學(xué)院的學(xué)生或老師合作，了解目前海洋領(lǐng)域的實際需求，將其作為課程小組作業(yè)的內(nèi)容。

（2）需求項目的分析與改進方案相結(jié)合：建議任課教師在課堂上將已完成的海洋信息化項目作為案例結(jié)合課程知識點進行多方面分析和講解之后，讓學(xué)生對已完成的項目提出改進方案，可以提高學(xué)生分析問題和掌握知識的能力。

（3）1 +3 案例組合：涉海類案例也不易過多，以免增加學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)，建議以1 個大案例貫穿全課程，中間穿插3 個左右小的涉海類分析案例對重點知識進一步強化。

學(xué)生們的這些建議具有建設(shè)性，值得在今后的教學(xué)中不斷嘗試和改進。同時，學(xué)生們積極表達想法，也充分反映了對教學(xué)改革的認可和支持。

4 結(jié)語

將海洋特色化項目案例分析引入軟件需求分析課程，提出驅(qū)動“全過程實踐”的課堂教學(xué)方法和“全過程引導(dǎo)”的軟件需求分析綜合實踐方案，為特色大學(xué)中軟件工程專業(yè)建設(shè)和課程改革提供了參考，為多學(xué)科交叉復(fù)合型信息人才的培養(yǎng)提供了支持。

此外，通過教學(xué)實踐也充分證明，學(xué)生對這種教學(xué)方式非常認可，認為在課程學(xué)習(xí)過程中，自身主動思考的能力加強了，通過討論具體的海洋特色類項目案例，獲得的知識比單純教師講授的內(nèi)容更容易理解和記憶，同時小組合作完成任務(wù)也鍛煉了每個學(xué)生表達思想、相互合作的能力，促進了合理學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成，在學(xué)生中間形成了良好的學(xué)習(xí)氛圍。讓學(xué)生在分析實際案例的過程中，了解海洋信息化的主要流程，為學(xué)生未來適應(yīng)海洋類信息化工作崗位打下了基礎(chǔ)。