《信息系統(tǒng)與抽象建模》教學(xué)案例

戴芳銘 高士娟 張紅玉 曹恒來(lái)

學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

信息系統(tǒng)是人們?cè)谏鐣?huì)活動(dòng)中，以滿足信息需求為目標(biāo)而建立的綜合系統(tǒng)。在開(kāi)發(fā)信息系統(tǒng)前，需要運(yùn)用抽象思維對(duì)系統(tǒng)的用戶需求進(jìn)行分析。在需求定義過(guò)程中，由于開(kāi)發(fā)人員、系統(tǒng)用戶對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的考慮或表達(dá)不全面，常常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)容失實(shí)、遺漏、含糊不清和前后描述不一致等問(wèn)題。UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言）是一種標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言，該語(yǔ)言使用統(tǒng)一、規(guī)范的圖形符號(hào)來(lái)描述系統(tǒng)模型，直觀、形象，便于學(xué)習(xí)和掌握。因此，使用UML對(duì)復(fù)雜的用戶需求進(jìn)行建模分析，可以幫助開(kāi)發(fā)人員更好地理解需求，提高需求規(guī)約的質(zhì)量，減少二義性，提高一致性和可驗(yàn)證性，有效推進(jìn)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

學(xué)習(xí)者分析

本課的學(xué)習(xí)對(duì)象是高一年級(jí)學(xué)生，他們?cè)谌粘Ｉ钪幸呀?jīng)接觸過(guò)多種信息系統(tǒng)，有較豐富的信息系統(tǒng)使用經(jīng)驗(yàn)，了解信息系統(tǒng)的基本組成及功能，同時(shí)，經(jīng)過(guò)之前的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握了Python基礎(chǔ)知識(shí)，理解程序設(shè)計(jì)的三種基本控制結(jié)構(gòu)。高一年級(jí)的學(xué)生思維活躍、求知欲旺盛，能夠針對(duì)問(wèn)題展開(kāi)探究，能夠運(yùn)用一定的策略尋找解決問(wèn)題的方案，并能使用編程的方法解決問(wèn)題，但是對(duì)信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程、抽象建模解決問(wèn)題的方法缺少認(rèn)知。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

①理解抽象與建模的概念，能夠使用抽象的方法對(duì)信息系統(tǒng)進(jìn)行需求分析。

②了解UML用例建模方法，掌握UML用例建模圖例，運(yùn)用UML用例建模方法構(gòu)建點(diǎn)餐系統(tǒng)功能模型。

③經(jīng)歷信息系統(tǒng)抽象建模的過(guò)程，體會(huì)建模在信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的作用。

教學(xué)過(guò)程

1.情境引入，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

教師展示小帥同學(xué)在食堂排隊(duì)就餐的動(dòng)畫(huà)，引導(dǎo)學(xué)生思考：①小帥點(diǎn)餐過(guò)程中遇到了哪些煩惱？（排隊(duì)隊(duì)伍長(zhǎng)、人工計(jì)價(jià)慢、就餐效率低……）②如何幫助食堂提高點(diǎn)餐效率？（增加窗口、提前訂餐、自助點(diǎn)餐……）

教師小結(jié)：設(shè)計(jì)一個(gè)自助點(diǎn)餐系統(tǒng)可以提高食堂的就餐效率，提升用餐體驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：傳統(tǒng)點(diǎn)餐、人工計(jì)價(jià)模式耗時(shí)費(fèi)力，大多數(shù)學(xué)生都受過(guò)類似困擾。以生活中的真實(shí)問(wèn)題作為情境引入，能夠引起學(xué)生共鳴，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而基于現(xiàn)有信息系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，思考解決問(wèn)題的方案。

2.分析問(wèn)題，識(shí)別系統(tǒng)需求

活動(dòng)1：分析點(diǎn)餐系統(tǒng)需求。

①可以從哪些角度對(duì)點(diǎn)餐場(chǎng)景中的人員進(jìn)行分類？（按性別、按年齡、按角色……）

②點(diǎn)餐系統(tǒng)中的兩類角色分別有哪些行為？（點(diǎn)餐人員：瀏覽菜單、點(diǎn)餐、提交訂單；出餐人員：查詢訂單、處理訂單）

教師小結(jié)：①在分析點(diǎn)餐系統(tǒng)需求時(shí)，可以忽略人員的性別、年齡等系統(tǒng)不需要的細(xì)節(jié)特征，將系統(tǒng)用戶按角色分成點(diǎn)餐、出餐兩類人員。②在解決問(wèn)題的過(guò)程中，去除不相關(guān)特征，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為更易于理解的內(nèi)容的過(guò)程，稱為“抽象”。③通過(guò)抽象的方法，分析得出點(diǎn)餐系統(tǒng)的功能性需求包括瀏覽菜單、點(diǎn)餐、提交訂單及查詢訂單、處理訂單等。

設(shè)計(jì)意圖：信息系統(tǒng)中有不同角色的用戶，每種角色用戶的功能需求不同，因此需要識(shí)別不同用戶的需求。通過(guò)分析點(diǎn)餐場(chǎng)景中的人員特征及行為，可對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象，并歸納出點(diǎn)餐系統(tǒng)的用戶分類和功能需求。在分析問(wèn)題過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生理解抽象的概念，并學(xué)會(huì)使用抽象的方法解決問(wèn)題。

3.建立模型，描述系統(tǒng)需求

活動(dòng)2：“你畫(huà)我猜”游戲。

請(qǐng)兩組學(xué)生參與游戲，每組3人。其中一人根據(jù)教師提供的詞卡內(nèi)容在黑板上畫(huà)圖，另外兩人根據(jù)圖畫(huà)猜測(cè)詞卡內(nèi)容。觀察游戲并思考：①對(duì)同一張?jiān)~卡，不同畫(huà)手繪制的圖是否一樣？②不同競(jìng)猜者對(duì)同一幅畫(huà)的猜測(cè)是否一樣？③游戲者事先未經(jīng)溝通，沒(méi)有使用統(tǒng)一的表達(dá)方式，出現(xiàn)了什么問(wèn)題？

教師小結(jié)：①表達(dá)方式不統(tǒng)一、不規(guī)范會(huì)導(dǎo)致理解的偏差。因此，信息系統(tǒng)的需求需要采用規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化的方法描述。UML為開(kāi)發(fā)人員提供了標(biāo)準(zhǔn)通用的設(shè)計(jì)語(yǔ)言，以圖形的方式描述系統(tǒng)模型。②在UML中，常用用例建模的方法來(lái)描述系統(tǒng)的功能性需求。用例建模方法使用“參與者”（系統(tǒng)的用戶）和“用例”（參與者和系統(tǒng)之間的交互序列）描述系統(tǒng)的功能性需求。③在點(diǎn)餐系統(tǒng)中，點(diǎn)餐人員和出餐人員就是參與者，“瀏覽菜單”是點(diǎn)餐人員和點(diǎn)餐系統(tǒng)間的交互，稱為“用例”。

活動(dòng)3：創(chuàng)建點(diǎn)餐系統(tǒng)用例圖。

①分析點(diǎn)餐和出餐過(guò)程，識(shí)別點(diǎn)餐系統(tǒng)參與者和用例，填寫(xiě)表1。

②教師介紹StarUML軟件，演示使用StarUML軟件創(chuàng)建點(diǎn)餐部分用例圖。

③學(xué)生模仿點(diǎn)餐用例圖的創(chuàng)建過(guò)程，自主創(chuàng)建出餐部分用例圖（如表2）。

④使用UML用例圖將之前抽象出的用戶及功能需求建立關(guān)聯(lián)，形成了點(diǎn)餐系統(tǒng)的功能模型（如圖1）。

教師小結(jié)：為了某種特定目的（如問(wèn)題求解），將系統(tǒng)某一部分信息進(jìn)行抽象而構(gòu)成的系統(tǒng)的替代物稱為“系統(tǒng)模型”或“模型”。以形成模型為目的的抽象過(guò)程就是建模。

設(shè)計(jì)意圖：借助StarUML工具對(duì)點(diǎn)餐系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行建模分析，讓學(xué)生經(jīng)歷信息系統(tǒng)建模的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)建模在信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的作用。

4.構(gòu)建原型，驗(yàn)證系統(tǒng)需求

活動(dòng)4：完善原型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

①完善點(diǎn)餐系統(tǒng)原型的點(diǎn)餐功能和處理訂單功能部分代碼。

②運(yùn)行“自助點(diǎn)餐系統(tǒng).py”，分析系統(tǒng)功能能否滿足用戶需求。

教師小結(jié)：通過(guò)編寫(xiě)點(diǎn)餐和出餐的功能代碼，獲得了可運(yùn)行的、最小化的點(diǎn)餐系統(tǒng)模型，即系統(tǒng)的原型。用戶可以試用原型，并評(píng)價(jià)原型是否滿足需求。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)原型點(diǎn)餐功能的體驗(yàn)，評(píng)價(jià)原型是否滿足用戶需求，學(xué)生能夠了解快速原型模型開(kāi)發(fā)信息系統(tǒng)的過(guò)程。

5.課堂總結(jié)

本節(jié)課在對(duì)點(diǎn)餐系統(tǒng)功能需求抽象建模的基礎(chǔ)上，完善了點(diǎn)餐系統(tǒng)的核心代碼，快速構(gòu)建了一個(gè)點(diǎn)餐系統(tǒng)原型，并提供給用戶試用。由于種種原因，在需求分析階段得到完整、準(zhǔn)確、合理的需求模型是很困難的，用戶要通過(guò)試用并評(píng)價(jià)原型，逐步明確各種需求。開(kāi)發(fā)人員根據(jù)用戶反饋，修改系統(tǒng)原型直至用戶滿意，然后再開(kāi)發(fā)真實(shí)系統(tǒng)。這就是信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一種方法——快速原型模型（如上頁(yè)圖2）。

教學(xué)反思

本節(jié)課以“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—分析需求—建立模型—構(gòu)建原型”為主線，圍繞點(diǎn)餐系統(tǒng)功能需求的抽象建模展開(kāi)教學(xué)。首先，從食堂就餐效率低的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生提出提高就餐效率的可行性方案，通過(guò)討論和對(duì)比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)引出自助點(diǎn)餐系統(tǒng)；其次，通過(guò)分析餐廳中人員及其行為特征，歸納出系統(tǒng)用戶類型及功能需求，幫助學(xué)生理解抽象解決問(wèn)題的方法。“最后，完成點(diǎn)菜功能和處理訂單功能的代碼，快速構(gòu)建點(diǎn)餐系統(tǒng)的原型。

需要注意的是，在活動(dòng)3中，由于學(xué)生初次使用StarUML軟件，對(duì)軟件功能的不熟悉、對(duì)“用例”概念的陌生，牽制了教學(xué)邏輯向?qū)W習(xí)邏輯的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致了活動(dòng)4系統(tǒng)原型核心代碼的完善環(huán)節(jié)時(shí)間略顯不足。

點(diǎn)? 評(píng)

模型是信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)不可或缺的工具，模型并不是實(shí)體系統(tǒng)本身，而是根據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè)的需要尋找的系統(tǒng)約簡(jiǎn)物，有助于人們抓住系統(tǒng)核心內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)模型化的過(guò)程稱為建模，其主要工作就是通過(guò)抽象的方法，忽略問(wèn)題的次要方面，抓取問(wèn)題的主要特征，并采用適當(dāng)?shù)谋憩F(xiàn)形式把它描繪出來(lái)。

抽象既是實(shí)現(xiàn)模型化的重要手段，也是計(jì)算學(xué)科中設(shè)計(jì)自動(dòng)化工程實(shí)現(xiàn)的重要步驟，還是計(jì)算思維的重要組成部分。在本課教學(xué)過(guò)程中，執(zhí)教教師從食堂點(diǎn)餐這一生活實(shí)例切入，引導(dǎo)學(xué)生討論點(diǎn)餐系統(tǒng)中的人員分類，發(fā)現(xiàn)對(duì)于點(diǎn)餐系統(tǒng)而言，人員的年齡和性別都屬于可以忽略的不相關(guān)細(xì)節(jié)，按角色將用戶分成點(diǎn)餐、出餐兩類人員，則是點(diǎn)餐系統(tǒng)的核心元素。這樣不僅把抽象的概念闡述得十分清楚，而且將抽象的過(guò)程展現(xiàn)了出來(lái)，使得學(xué)生對(duì)抽象的認(rèn)知從一個(gè)較膚淺的識(shí)記層次過(guò)渡到較深入的理解層次。

建模的第二個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)則是選擇合適的工具建立模型，以描述待開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的功能需求。為幫助學(xué)生理解采用規(guī)范方式描述系統(tǒng)需求的必要性和重要性，執(zhí)教教師設(shè)計(jì)了學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的“你畫(huà)我猜”游戲，通過(guò)觀察和分析不同學(xué)生對(duì)同一個(gè)詞卡所作圖畫(huà)和不同競(jìng)猜者對(duì)同一幅畫(huà)的猜測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)由于事先沒(méi)有約定統(tǒng)一的描述方法，導(dǎo)致對(duì)同一幅圖畫(huà)的理解存在不一樣的結(jié)果。游戲活動(dòng)引出統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML，教師演示使用StarUML工具創(chuàng)建點(diǎn)餐部分用例，對(duì)學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)建出餐部分用例起到了較好的范例作用。

在本節(jié)課中，學(xué)生通過(guò)解決點(diǎn)餐系統(tǒng)這個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，經(jīng)歷了從抽象特征到建立模型、構(gòu)建原型的過(guò)程，這正是快速原型法開(kāi)發(fā)信息系統(tǒng)的過(guò)程。以問(wèn)題解決的過(guò)程構(gòu)建教學(xué)邏輯主線，抽象與建模、模型與原型等知識(shí)就不是孤立的，而是通過(guò)邏輯主線前后聯(lián)系起來(lái)，互相蘊(yùn)含、自然推演、逐步建構(gòu)，并深深地銘刻于學(xué)生大腦之中，較好地體現(xiàn)了“用中學(xué)”“做中學(xué)”的課程理念。

（點(diǎn)評(píng)人：江蘇省鹽城市教育科學(xué)研究院信息技術(shù)教研員 曹恒來(lái)）