基于敏捷開發模式的“GIS軟件工程”實驗教學

張志敏， 杜景龍， 連達軍

(蘇州科技學院 環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009)

0 引 言

“GIS軟件工程”作為高校地理信息系統專業的主干課，是理論與實踐并重的一門年輕課程[1-4]。實驗教學是重要環節，它對于掌握GIS理論課所講授的基本內容、提高學生的實際動手能力、培養學生的創新思維和團隊合作精神，都具有十分重要的意義。

目前“GIS軟件工程”實驗教學主要是按照傳統的軟件工程實驗方法，以軟件生命周期的瀑布模式進行設計，沒有將GIS軟件的特點與實驗方法進行有效結合[5-7]，學生普遍反映枯燥乏味，效果不好。因此，如何改進“GIS軟件工程”的實驗教學，提高實驗環節的效果是培養高素質合格GIS軟件人才的迫切要求。

1 “GIS軟件工程”課程的特點

“GIS軟件工程”是一門工程實踐性較強的課程，目標是讓學生掌握GIS軟件的基本思想、工具、技術、過程和方法，為后續的專業知識學習以及今后從事GIS軟件項目開發與管理奠定良好的基礎[8-9]。本課程學生學習起來感到較抽象枯燥，感覺無用，教師講授起來也比較困難，難以控制。其主要原因有：

(1) 課程的復雜性強。“GIS軟件工程”是建立在復雜的空間數據處理和專業的GIS組件二次開發基礎之上的，需要學生具有程序設計、空間數據處理、數據庫開發、網絡通信和開發測試工具等多方面技能和綜合素質。而學生知識面單一，而且沒有系統化的訓練。

(2) 學生主動性不足，動手能力不強。學生對GIS工程實踐沒有感性認識，難以理解所講述的實踐經驗和知識，學習的動力和主動性不足，認為沒有什么用。再加上授課對象是大二的學生，學過的專業知識和開發工具很有限，動手能力不強。

(3) 教師工程經驗不足，缺乏有效的指導。本課程的很多授課教師是剛從學校畢業就從事教學的，沒有實際的GIS工程項目經驗，對真正有效的工程實踐缺乏了解，因此感覺本課程較難講授，難以駕馭。

(4) 實驗教學學生獨立完成，沒有考慮團隊合作和溝通。在實驗教學過程中，學生都是根據實驗指導書按部就班地獨立完成，而忽視了溝通、交互與團隊合作，學生的積極性沒有調動起來。

根據與學生訪談和畢業論文完成過程中的情況來看，很多同學并沒有真正理解“GIS軟件工程”的思想，更沒有在實際軟件項目開發中很好地運用所學的軟件工程的方法和技術。應該對實驗教學內容進行改進，通過引入敏捷開發模式，并結合GIS案例教學等教學手段和教學方法，來培養學生實施GIS軟件系統的工作能力、實際操作能力以及合作溝通能力。

2 敏捷開發法

在傳統軟件工程理論飽受爭議、冷落的今天，軟件開發領域中的另一種思想卻給人以如沐春風的感覺，正以勢如破竹之勢迅速燎原到軟件開發者陣營中，它就是敏捷開發[10]。在2001年召開的研討軟件過程未來發展趨勢的一次會議上，一批業界專家聚集在一起概括出一些可讓軟件開發團隊具有快速工作和響應變化能力的價值觀和原則，這就是敏捷聯盟的誕生。他們提出展示他們價值觀的敏捷聯盟宣言。內容如下：

“我們正在通過親身實踐以及幫助他人實踐，揭示更好的軟件開發方法。通過這項工作我們認為：人和交互重于過程和工具；可以工作的軟件重于面面俱到的文檔；客戶的合作重于合同談判；隨時應對變化重于遵循計劃。雖然右項也有其價值。但是我們認為左項更加重要。”[11]

敏捷方法強調應加強開發人員之間的交互，加強與客戶的交互，注重有可工作的軟件和完善、不過分的文檔，積極、快速應對客戶的需求變化，而不是回避。

極限編程(Extreme Programming，XP)是敏捷軟件開發中最富有成效的方法之一[12]。極限編程是大師級人物Kent Beck于1998 年首先倡導的，它是一個輕量級的、靈巧的軟件開發方法；同時它也是一個非常嚴謹和周密的方法。它的基礎和價值觀是交流、簡單、反饋和勇氣；即，任何一個軟件項目都可以從四個方面入手進行改善：加強交流；從簡單做起；尋求反饋；勇于實事求是。極限編程是一種近螺旋式的開發方法，它將復雜的開發過程分解為一個個相對比較簡單的小周期；通過積極的交流、反饋以及其他一系列的方法，開發人員和客戶可以非常清楚開發進度、變化、待解決的問題和潛在的困難等，并根據實際情況及時地調整開發過程。極限編程的核心是結對編程，它的核心精髓就在于小組內(通常為2人)成員緊密合作，時刻交流。采用極限編程進行合作的學生能更有效地交流，相互學習和傳遞經驗；能提供更好的設計質量和代碼質量；能訓練更強的問題解決能力。同時，采取結對編程，以強帶弱，學生更容易樹立信心并能從學習中獲得更多的友誼、快樂和滿足感。

3 實驗教學組織及實施過程

3.1 組織與實施策略

通過分析“GIS軟件工程”的課程特點、敏捷開發的核心思想以及極限編程的有效實踐，在“GIS軟件工程”課程實驗教學中引入敏捷方法有助于提高學生對GIS軟件工程關鍵性技術的全過程實踐與應用，理解軟件需求與軟件測試、開發的緊密關系，掌握響應客戶需求變化、結對編程、測試驅動、重構等方面的技術。因此，在“GIS軟件工程”課程中以案例驅動的方式講授應用敏捷開發[13-14]。在實驗教學中，教師組織學生以分組的形式完成規定題目系統的敏捷開發，并全程指導應用結對編程、測試驅動、重構、持續集成等敏捷方法，鼓勵并促進小組成員之間的溝通與合作[15-16]。

3.2 實施過程

(1) 案例選擇及學習。由于實驗教學環節的時間限制，一般指定學生較熟悉的應用型GIS系統進行設計與開發，這樣學生可以騰出更多的時間與精力，來體會和實踐敏捷開發的過程。因此就選擇像校園地理信息系統、城市旅游地理信息系統、城市交通地理信息系統等案例，業務功能比較直觀，和學生日常生活聯系也比較緊密。

(2) 構建敏捷開發實驗環境。將現有的實驗設施稍做調整，使工作臺和計算機的擺放便于兩名搭檔之間和各組搭檔之間高效率的交流，并配備白板以便于展開更充分的討論。參加實驗的人都將擔任一個角色(項目經理、客戶、開發人員、測試人員等)，所有的人都在同一個開放的開發環境中工作。教師扮演“客戶”的角色全程指導項目開發，選擇一名組織溝通能力比較強的學生擔任項目經理負責項目進度和資源控制，學生按照自愿原則每兩個同學結成編程小組，再選擇兩名同學組成測試組人員負責驗收測試用例的編寫和管理。

(3) 需求分析與管理。教師在整個實驗過程中全程參與和指導。教師和學生一起，把各種需求變成一個個小的用戶故事(User Story)，例如“按照名稱查詢并在地圖上定位公交站點”，這些模塊又會根據實際情況被組合在一起或者被分解成更小的模塊，它們都被記錄在一些故事卡(Story Card)上，之后分別被學生在各個小的迭代中(Iteration，通常是1周一次實驗課)實現；教師根據每個模塊的重要程度來指定它們的優先級，學生要做的是確定每個需求模塊的開發風險，風險高的(通常是因為缺乏類似的經驗)需求模塊將被優先研究、探索和開發，經過學生和教師分別從不同的角度評估每個模塊后，它們被安排在不同的開發周期里，教師將得到一個盡可能準確的開發計劃；最后，教師指導測試組學生為每個需求模塊指定驗收測試(功能測試)。

(4) 基于測試驅動的設計。從具體開發設計的角度來看，極限編程過程是一個個基于測試驅動的開發周期，諸如計劃和設計等外層的過程都是圍繞這些展開的。每個開發周期(1周一次的實驗課)都有很多相應的單元測試。剛開始，因為什么都沒有實現，所以所有的單元測試都是失敗的；隨著一個個小的需求模塊的完成，通過的單元測試也越來越多。通過這種方式，教師和學生都很容易檢驗，是否完成了既定的開發任務。另外，通過設計走查、代碼走查以及重構來優化設計；在這些過程中不斷運行單元測試和功能測試，可以保證經過重整和優化后的系統仍然符合所有需求。

(5) 結對編程。2個學生結對坐在同一屏幕前，使用同一臺計算機進行編程開發。所有的開發人員寫程序和重構程序的時候，都要嚴格遵守編程規范。任何人都可以修改其他人寫的程序，修改后要確定新程序能通過單元測試。結對編程的好處是，1個人編寫代碼時另1個人在思考，思考者的頭腦中保持總體概念。如果編碼者遇到困難，他們就交換位置。如果2個人都遇到困難，他們的討論可能被在這個區域工作的其他人聽到，可能給出幫助。這種結對方式，使事情順暢、有章可循。也許更重要的是，他能使程序設計更具有社交性和娛樂性。

(6) 測試。極限編程要求學生開始寫程序之前先寫單元測試。學生應該經常把開發好的模塊整合到一起，每次整合后都要運行單元測試；做任何的代碼走查和修改，都要運行單元測試；發現了BUG，就要增加相應的測試。除了單元測試之外，還有集成測試，功能測試、壓力測試和系統測試等。所有這些測試，是極限編程開發過程中最重要的文檔之一，是最終交付內容。

(7) 結果評審。在實驗結束時學生提交項目報告和進行項目設計答辯，對其取得的學習和開發的成果進行評估，鼓勵學生撰寫科技小論文，整理發表。對有進一步開展研究興趣的學生，組織他們完善其應用開發設計作品，參加全國的GIS高校學生開發大賽。最后，教師要對小組的表現進行總結點評，幫助學生整理敏捷開發過程中的技術內容，鼓勵積極性，但也要適當地指出系統開發中的不足。

4 結 語

引入敏捷開發方法后，學生普遍反映能夠較好地理解并掌握GIS軟件工程的開發理論和方法。敏捷開發模式對于教師的要求比較高，首先，要求教師應當能夠靈活地應用敏捷開發的思想，其次，要求教師能夠正確地指導學生。采用敏捷開發模式的GIS實驗教學方案，其主要特色可以歸納為：

(1) 通過引入敏捷開發模式能降低學生開發一個實用GIS軟件系統的難度，使學生能在開發實用系統的同時自覺應用軟件工程思想，包括運用敏捷開發的方法來分析問題和解決問題，從而激發了學生的學習熱情，增強了學生勇于實踐的信心。

(2) 采用案例教學法，學生通過案例操作得到具體的體現和理解，使學生在深入理解案例的基礎上能效仿該案例，運用其中的技術來開發新系統。

(3) 學生通過參與并在完成小組任務和實驗的過程中，掌握了極限編程的主要實踐，鍛煉了自學能力和團隊合作意識，提高了動手解決實際問題的能力。

總之，敏捷開發模式在“GIS軟件工程”教學中是一種新的嘗試，如何有效地在實驗教學中深入應用敏捷開發思想將是筆者下一步探索的重點。

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