案例為中心的軟件架構設計課程體系研究與實踐

摘 要 針對當前軟件架構設計課程教學中抽象理論容易使學生感到枯燥乏味、學生缺乏完整項目體驗等實際問題，從構建滿足該課程教學實踐要求并能兼顧其他相關課程的教學案例出發，研究并實踐了以案例為中心的軟件架構設計課程體系，包括案例教學資源庫構建、教學內容與教學手段創新、配套教學體系建設等，探索了軟件工程專業學生課堂上學習、實習課上練習、課下長期實踐協調統一的培養機制。

關鍵詞 軟件架構設計 案例 課程體系 實踐

中圖分類號：G420 文獻標識碼：A

Research and Practice in Case-centered Software

Architecture Design Course System

SHANG Jianga， ZHOU Shunping， FANG Fang， YUAN Guobin

(Faculty of Information Engineering， China University of Geosciences， Wuhan， Hubei 430074)

Abstract In the process of teaching software architecture course， because of abstract theories and lack of project experiences， college students feel lacking in flavor or interest in common. To begin with many teaching cases were constructed which can meet teaching and practice requirements and be shared with other software engineering courses. In this paper， we focus on research and practice in case-centered software architecture design course， which include the construction of teaching case resource database， the innovation of teaching content and methods， the relevant teaching system etc.. Also， we explore education mechanism cohering in studying in course， practice in experiment course， long-lasting extracurricular practice.

Key words software architecture design; case; course system; practice

0 引言

軟件架構（也稱軟件體系結構）是一門源自于軟件工程實踐的學科，經過20 多年的發展，它已經成為大量復雜軟件系統研發的核心，在現代軟件行業中處于重要地位。作為一門在軟件工程知識體系中提綱挈領的核心課程，“軟件架構設計”是最能體現軟件工程專業特色的課程，其教學質量直接關乎整個學科學生培養質量。然而因其涵蓋面極為廣泛，抽象程度高，對剛剛接觸軟件工程的學生來說難以理解和認同，使得傳統的教學方法無法達到教學目的。

為了提高軟件體系結構課程的教學效果， 我國不少高校都進行了軟件體系結構或軟件工程的課程建設和改革。為了使學生能夠深刻領會和理解軟件架構設計的思想和方法，在教學中普遍引入了案例，將復雜抽象的概念用具體案例進行解釋，達到事半功倍的效果。但這些課程改革往往只是針對軟件體系結構一門課程，并未考慮這門課與其他課程之間案例的共享和知識銜接問題。對于如何將教學、人才培養、科研有機結合，解決學生課堂上學習、實演課上練習、課下長期實踐協調統一的培養機制問題缺乏深入研究。

本文針對上述問題，依托中國地質大學（武漢）教學研究項目“基于項目案例驅動的軟件架構設計課程體系研究與實踐”，以在該校開設的“軟件架構設計”課程為對象，對案例為中心的軟件架構設計課程體系進行了研究、探索。

1 課程特點與研究思路

1.1 軟件架構設計課程特點

“軟件架構設計”這門課是根據人們的軟件設計經驗總結出來的理論與實踐相結合的課程。其主題是針對復雜軟件系統的高層結構，組織元素之間的相互關系的描述，以及圍繞這種描述開展的各項活動（如設計、評估、實現、管理、測試等），其關注的是系統大粒度（宏觀）的總體結構（例如分層、子系統的劃分等）。

軟件架構的設計原則、技術、方法可以應用在不同的軟件項目中，它們位于所有具體項目之上，針對全體軟件項目，因而是抽象的。由于授課對象多是大三學生，項目開發經驗有限，學生很難在頭腦中將軟件架構的抽象理論和實際聯系起來，因此較難對這門課產生興趣。在接受抽象的理論時，容易產生枯燥乏味的感覺。

軟件中的一些質量要素經常是相互沖突的，即軟件的質量要素之間既有正相關，也有負相關，因此在實際的軟件系統設計過程中，必須根據具體情況對各種要素進行折衷與權衡，從而得到總體上滿足用戶要求的軟件。怎么折衷和權衡，必須結合具體項目，根據項目的實際情況去把握，不能生搬硬套，對于習慣了套公式，尋求標準答案的中國學生而言這種需要更多交流和折衷考慮的學習實踐在接受上有一定難度。

1.2 案例為中心的課程教學改革思路

案例教學以其獨特的理念和模式在諸多學科和領域中得到了廣泛應用。通過大量的案例分析，可以讓學生更牢固地掌握所學的知識點；從案例中分析各類軟件系統架構設計風格的優缺點，可以讓學生嘗試提出相應的改進方案；將軟件架構設計教學必須與實際軟件項目相結合，通過實踐練習加強學生對軟件架構概念和設計思想的理解，使他們有身臨其境的感覺。

現代的軟件開發尤其是大型軟件開發多采用增量迭代、以架構為中心、用例驅動的軟件開發方法，軟件架構設計開發貫穿于軟件生命周期全過程。因此，軟件架構的教學內容與軟件需求、軟件測試、軟件項目管理以及軟件文檔寫作等課程緊密相關、甚至有部分重疊，教學中應針對不同課程的特點進行妥善安排，在教學內容上注意相關課程內容的相互滲透，并在課程之間合理復用包括案例在內的教學資源。但這種復用不能是簡單的題目共享，既要考慮因不同課程教學目的和要求不同而導致的側重不同，又要注意講授課、實驗課、實習的相互銜接。

我們針對“軟件架構設計”課程教學實踐中的問題，尤其是學生缺乏項目經驗、實踐安排不足等問題，從構建以滿足軟件架構設計課程教學實踐為主并能兼顧其他相關課程教學案例和資源庫出發，研究探索了基于項目尤其是實際項目的案例中心教學方法，強調課上與課下、教學與科研、抽象理論與實際應用的緊密結合，從而激發學生的學習興趣，增強動手能力，為全面改進和提高軟件工程學科的教學質量提供有益借鑒。

2 案例為中心的課程教學改革實踐

我們本著“抽象與實踐協調統一” 的教學理念，以軟件產業人才需求為導向，走教學革新、人才培養、科學研究相結合的道路，圍繞著案例建設、分析和運用，大膽探索實踐了“軟件架構設計”課程教學方法、課程體系和教學內容改革。如下圖所示。

圖 1 案例為中心的軟件架構設計課程教學與實踐研究框架

2.1 項目案例教學資源庫建設

針對教學、實驗、實習需要，通過教師科研項目、業界典型項目、學生團隊項目等多渠道廣泛搜集項目資料，整理、編寫出符合學生接受能力的案例。對于教師科研項目資料主要選擇近年來授課老師團隊在科研開發工作中積累的軟件系統開發經驗、成果，業界典型項目主要選擇典型商業軟件和開源項目資料，學生項目主要用于問題分析使用。每個案例一般應包括案例簡介、解決/設計方案、文獻資料、架構文檔、源碼、構件庫等資料，這些案例資料還將在以后的教學、實踐中不斷豐富、完善。此外，參考國內外高校、研究機構在軟件架構教學和科研方面的最新研究成果，進一步完善了試題庫、實習題庫和文獻資料庫，力爭授課時能將本領域最新的研究成果和前沿技術展示給學生，注重教學內容的豐富性和新穎性，追蹤學科前沿。

通過系統研究上述教學資源的分類和編碼，我們利用文獻管理軟件（如EndNote或NoteExpress）建立起可用于課堂教學、實驗、實習的多源、多層次案例資源學習庫，并通過引入SVN版本控制系統實現了對資料的版本控制、集中管理和網絡共享，使得資料的使用可不受地域、時間的限制。例如針對數據流風格、過程調用風格、隱式調用風格等常見軟件架構我們建立了經典的KWIC案例，針對事件驅動的軟件架構建立了MessageIT、Rebeca、FAMOUSO等開源軟件案例，針對C/S、B/S等流行多層軟件架構建立了基于教師科研項目“城市三維地質信息系統”案例，所有案例源碼一般都有Java和C++兩種版本，供學生選擇學習。

2.2 基于項目案例法的教學內容及手段創新

借助項目案例教學資源庫，通過引入案例教學法，我們對原有教學方法、手段進行了一定程度的革新，改以前的單純理論講授為案例分析、研討為基礎的講授，將知識點貫穿于案例中進行講解，盡可能使所有架構知識都“落到實處”，觸及具體案例、甚至代碼，便于學生理解。由于有了案例做支撐，老師講課更加自信，講解也更透徹了，由于講授中注重解決軟件構架設計中的實際問題，學生普遍反映切實體會到了軟件架構這門課的作用。通過課堂上案例講解和指導學生完成一系列實驗課練習和課下項目實訓，讓學生對構架分析和設計的方法、過程等產生了較深刻的感性認識。

對于本課程與軟件工程其他課程的資源共享和銜接，課程實驗及開發團隊建設、課程考核方式方面我們也進行了探索。在本課程與軟件工程其他課程銜接方面，通過讓學生在不同課程（如軟件需求、軟件測試）中選擇同一個題目來完成作業、實驗、實習，既打通了不同課程知識體系之間的閉鎖、實現了知識的融會貫通，又保證了學習質量。此外，我們還引導學生組成項目團隊，通過參與教師研究課題、企業項目或進行興趣研究等方式，獲得更長期實踐機會和鍛煉。這種產學研結合培養方式，使得學生能有機會綜合運用軟件架構設計等軟件工程方法、技術解決實際問題，將所學知識與社會需求相結合，又進一步激發了他們的學習興趣。

3 總結與探討

軟件工程尤其是軟件架構設計課程具有抽象程度高、強調工程實踐的特點，在我們的研究中通過建立多源、多層次內容豐富的項目案例教學資源庫，引入案例教學對教學方法和手段進行了一定程度的革新和改進。接下來，我們將會針對具體實施中存在的一些問題，修改、完善案例庫結構和內容，進一步改革教學內容和教學方法，尤其是要加強軟件架構課程與其他軟件工程課程內容之間的深度銜接，探索案例資源庫更大范圍、更深層次共享服務的機制。

基金項目：中國地質大學（武漢）校級教學研究項目“基于項目案例驅動的軟件架構設計課程體系研究與實踐”（編號：2010B21）

參考文獻

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