借鑒軟件工程方法來(lái)推進(jìn)教學(xué)改革的探索

朱曉宏

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院 武漢 430081）

教育工作和軟件產(chǎn)業(yè)都是智力密集型。軟件是人的智力形式化、機(jī)械化的表示，人們對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼，運(yùn)行計(jì)算機(jī)以達(dá)成用戶目標(biāo)。教學(xué)中，課程知識(shí)體系等也是人的智力的表示，學(xué)生學(xué)習(xí)中的“同化”、“順應(yīng)”過(guò)程相當(dāng)于對(duì)自我心智的某種“編碼”，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用體現(xiàn)出教學(xué)（“編碼”）而來(lái)的能力提升。教學(xué)與軟件的相似性啟發(fā)我們可以從軟件工程中尋求教學(xué)改進(jìn)的靈感。

一、軟件產(chǎn)業(yè)與教育

統(tǒng)計(jì)表明，2019年全國(guó)軟件業(yè)務(wù)收入7.2萬(wàn)億元，從業(yè)人數(shù)673萬(wàn)人，人均實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)收入106.6萬(wàn)元；從2007年到2019年，軟件業(yè)務(wù)收入年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)23.4%[1]。軟件是經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型之擎、數(shù)字社會(huì)之基，是引領(lǐng)新一輪科技創(chuàng)新的源動(dòng)力。

教育越來(lái)越成為提高一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。只有把教育搞上去，才能化人口壓力為人才優(yōu)勢(shì)，才能在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得戰(zhàn)略主動(dòng)地位。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)一直堅(jiān)持把教育放在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略地位。

二、從軟件工程到教學(xué)工程

（一）軟件工程的產(chǎn)生

1965-1970年時(shí)期，一方面，計(jì)算機(jī)硬件成本持續(xù)快速下降，另一方面，所用的軟件卻很少能在成本、時(shí)間、功能、維護(hù)能力等方面達(dá)到要求，特別是在可靠性方面。針對(duì)“軟件危機(jī)”，1968年提出“軟件工程”的術(shù)語(yǔ)，目的是想借助傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的一些基本思想，用系統(tǒng)工程學(xué)的原理和方法來(lái)管理軟件的生產(chǎn)過(guò)程，提高軟件生產(chǎn)率和軟件的質(zhì)量。

關(guān)于軟件工程的定義。IEEE在軟件工程術(shù)語(yǔ)匯編中的定義：1）將系統(tǒng)化的、嚴(yán)格約束的、可量化的方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)，即將工程化應(yīng)用于軟件；2）在1）中所述方法的研究。

（二）教學(xué)工程的提出

教學(xué)改革歷來(lái)倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，采用探究式學(xué)習(xí)、小組合作學(xué)習(xí)等方式。但傳統(tǒng)的系統(tǒng)知識(shí)傳授模式在高校講壇上仍然根深蒂固，形成這種教學(xué)模式的原因，除了受教師行為習(xí)慣模式和該方式的高效便利性影響之外，還需要進(jìn)行更深入地分析。

以小組合作學(xué)習(xí)為例，可以分為“合作學(xué)習(xí)前、合作學(xué)習(xí)中、合作學(xué)習(xí)后”三個(gè)階段，每個(gè)階段的每一個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。當(dāng)前的課堂教學(xué)中，小組合作學(xué)習(xí)存在小組組織不力、合作準(zhǔn)備不足，合作動(dòng)力欠缺、差生難以有效參與、過(guò)程調(diào)控失當(dāng)，學(xué)習(xí)深度不夠、結(jié)束虎頭蛇尾，再次合作學(xué)習(xí)受阻，過(guò)程評(píng)價(jià)難、教師難以有效指導(dǎo)多個(gè)小組等問(wèn)題[2]。探究式學(xué)習(xí)等教學(xué)方式，也往往存在很多困難因素。

種種問(wèn)題（或誤區(qū)）的存在，恰恰表明合作學(xué)習(xí)等教學(xué)模式有著較高的實(shí)施門檻，這制約了推廣普及。而僅依靠教師的主觀能動(dòng)性去克服以上難題，就好比軟件生產(chǎn)中復(fù)雜問(wèn)題的解決試圖依賴原有的手工小作坊生產(chǎn)方式。

時(shí)代的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)需求，呼喚我們提出“教學(xué)工程”理念。類似于軟件工程的出發(fā)點(diǎn)，用系統(tǒng)工程的方法優(yōu)化教學(xué)方式和教學(xué)過(guò)程。

“教學(xué)工程”的定義：以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為中心，注重提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題等能力；教學(xué)過(guò)程采用合作學(xué)習(xí)等方式；針對(duì)教學(xué)過(guò)程的需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與測(cè)試、運(yùn)行與維護(hù)等階段，建立并使用完善的工程化原則，以較經(jīng)濟(jì)的手段、較高效率獲得可靠教學(xué)質(zhì)量的一系列方法。

三、基于教學(xué)工程的教學(xué)

（一）教學(xué)過(guò)程的階段劃分

軟件工程是設(shè)計(jì)人員把現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜問(wèn)題，由問(wèn)題空間向解空間進(jìn)行映射，經(jīng)設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)和測(cè)試得到軟件產(chǎn)品，并在計(jì)算機(jī)上部署和運(yùn)行。教學(xué)工程有著類似的工作流程。以高校的工程教育為例，來(lái)說(shuō)明教學(xué)工程各階段的任務(wù)。

問(wèn)題定義：教師選擇符合教學(xué)要求與學(xué)生狀況的待探究問(wèn)題；學(xué)生明確要解決的問(wèn)題是什么。

可行性研究：針對(duì)待解決問(wèn)題從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面進(jìn)行可行性分析。

需求分析：明確解決問(wèn)題必須做什么。

總體設(shè)計(jì)：怎樣實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決，探究或梳理概要設(shè)計(jì)。

詳細(xì)設(shè)計(jì)：該怎樣具體實(shí)現(xiàn)解決方案，探究或梳理詳細(xì)設(shè)計(jì)。

實(shí)現(xiàn)和單元測(cè)試：根據(jù)團(tuán)隊(duì)總體設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)的文檔、涉及知識(shí)，進(jìn)行知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)者利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)“同化”或“順應(yīng)”當(dāng)前新知識(shí)，從而達(dá)到對(duì)新知識(shí)的意義建構(gòu)；對(duì)知識(shí)模塊進(jìn)行測(cè)試以優(yōu)化完善。

綜合測(cè)試：對(duì)整體解決方案進(jìn)行測(cè)試，使之完善；通過(guò)練習(xí)以更深入地學(xué)習(xí)。

運(yùn)行和維護(hù)：使用已掌握的解決方案解決相關(guān)問(wèn)題；通過(guò)迭代教學(xué)過(guò)程，更新升級(jí)知識(shí)、解決方案。

（二）借鑒軟件工程方法，推進(jìn)教學(xué)工程

軟件產(chǎn)業(yè)正在加快向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化、服務(wù)化、云端化、智能化、生態(tài)化演進(jìn)。具備知識(shí)密集型、勞動(dòng)密集型特點(diǎn)的軟件工程，可以為教學(xué)工程的推進(jìn)提供大量的方法源泉。以下舉例說(shuō)明軟件工程相關(guān)方法對(duì)教學(xué)工程的借鑒價(jià)值。

瀑布模型：教學(xué)過(guò)程按規(guī)定順序而連接的若干階段進(jìn)行工作，自頂向下地結(jié)構(gòu)化分析和逐步求精。通過(guò)工序?qū)?wèn)題化簡(jiǎn)，便于學(xué)生分工協(xié)作，降低學(xué)習(xí)門檻，便于進(jìn)行合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)。

快速原型模型：傳統(tǒng)教學(xué)一般未脫離學(xué)科型教學(xué)方式。教材也是按先后順序?qū)W(xué)科理論知識(shí)進(jìn)行編排，一般不是面向探究式學(xué)習(xí)，容易形成平鋪直敘的“灌輸式”教學(xué)，難以引起學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)合適的待解決問(wèn)題，快速原型模型要求學(xué)習(xí)小組在教師啟發(fā)下、學(xué)習(xí)骨干的示范帶領(lǐng)下，依托原有知識(shí)迅速構(gòu)建一個(gè)初步的解決方案原型，激發(fā)探究學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性。方案原型的持續(xù)演化和優(yōu)化，提綱挈領(lǐng)地帶動(dòng)課程知識(shí)的全面學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目協(xié)作管理：以管理學(xué)為依托，對(duì)教學(xué)中計(jì)劃、資源、質(zhì)量、成本、文檔等加強(qiáng)管理，對(duì)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行控制。類似于軟件工程項(xiàng)目管理，云端平臺(tái)可以提供組織管理、項(xiàng)目管理、需求管理、任務(wù)管理、測(cè)試管理、版本、檔案、日程等功能，并以手機(jī)端App支持移動(dòng)化協(xié)作式教學(xué)。教學(xué)工程項(xiàng)目管理面向復(fù)雜問(wèn)題的求解，可以順暢銜接不同課程、課內(nèi)課外、線上線下、理論實(shí)踐。

教學(xué)工程的中心課題是控制教學(xué)的復(fù)雜性，和諧地合作是教學(xué)成功的關(guān)鍵。教學(xué)工程化可以獲得以下好處：

落實(shí)成果導(dǎo)向理念。因?yàn)榻虒W(xué)工程的基因是面向問(wèn)題分析和問(wèn)題解決的。

教學(xué)方式優(yōu)化。自然地實(shí)施以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)，合作學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等。采用“做中學(xué)”，從生產(chǎn)（或梳理）知識(shí)中學(xué)習(xí)知識(shí)。

降低學(xué)習(xí)門檻。把“大”問(wèn)題進(jìn)行工序劃分，在邏輯空間、時(shí)間、人員組織分配的展開中控制學(xué)習(xí)復(fù)雜度。

正相互依賴效應(yīng)。發(fā)揮學(xué)習(xí)骨干的帶動(dòng)作用，激發(fā)個(gè)人責(zé)任感和榮譽(yù)感，激活后進(jìn)學(xué)生；學(xué)習(xí)骨干的示范、輔導(dǎo)和文檔共享，使后進(jìn)學(xué)生可提升自信心。

協(xié)作溝通。各知識(shí)模塊的責(zé)任人在演示交流、互幫互學(xué)中，獲得進(jìn)步，培養(yǎng)了合作精神。文檔撰寫和演示可提升學(xué)生邏輯思維能力，溝通交流以及清晰表達(dá)能力。

降低教學(xué)組織難度。運(yùn)用系統(tǒng)工程方法，減輕教師負(fù)擔(dān)，教師更容易實(shí)施。過(guò)程評(píng)價(jià)更為透明，可以指導(dǎo)更多的學(xué)習(xí)小組。降低成本，提高效率。

迭代優(yōu)化，以點(diǎn)線帶動(dòng)面?？焖僭湍Ｊ窖杆贅?gòu)建解決方案原型，學(xué)生對(duì)解決方案初步設(shè)計(jì)有概念后，對(duì)后續(xù)知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)減少了盲目性。敏捷教學(xué)方式，可以先結(jié)構(gòu)化地學(xué)習(xí)框架知識(shí)，再發(fā)散式、滴灌式學(xué)習(xí)。因此，可以和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，也可以和慕課、混合式教學(xué)等結(jié)合，從而使學(xué)生形成完整的知識(shí)體系。

四、結(jié)束語(yǔ)

分析表明，借鑒軟件工程成功經(jīng)驗(yàn)，引入系統(tǒng)工程方法，教學(xué)工程具有低成本、高效率、可靠質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。培養(yǎng)造就創(chuàng)新型人才，亟須教學(xué)模式的變革。教學(xué)工程汲取軟件工程豐富營(yíng)養(yǎng)，借數(shù)字文明大勢(shì)，定能助力教學(xué)改進(jìn)工作。