基于軟件框架的軟件設計實踐教學方法研究

葉鵬　倪友聰

摘要：軟件設計是本科階段軟件工程課程教學的重難點內(nèi)容，目前在教學實踐中，因缺乏軟件設計相關教學資源的支持，學生難以在有限教學課時內(nèi)理解抽象的理論并將其運用到軟件設計實踐中。文章提出一種軟件框架AF4JAVA，在此基礎上定義軟件設計實踐教學過程，形成一種軟件設計實踐教學方法。

關鍵詞：軟件工程；軟件設計；軟件框架；實踐教學

0、引言

軟件設計是軟件需求分析與實現(xiàn)之間的溝通橋梁，是軟件質(zhì)量形成的重要階段，在軟件開發(fā)中具有重要作用。因此，在本科階段軟件工程課程教學中，軟件設計被作為重點內(nèi)容進行講授。然而，軟件設計既需要理解模塊化、信息隱蔽和功能獨立等抽象概念，又要把握高內(nèi)聚、低耦合等設計原則，同時還要了解已有的軟件體系結(jié)構(gòu)風格、設計模式和軟件框架等與工程實踐密切相關的設計知識。因而，軟件設計一直被認為是軟件工程課程教學難點中的難點。由于缺乏與軟件設計相關的教學資源，學生往往難以在有限教學課時內(nèi)理解這些抽象的概念、原則和方法并將其應用于實踐，影響了軟件工程課程的教學效果。

近幾年在軟件工程教學研究工作中，國內(nèi)外高校主要通過引入CDIOm思想改進傳統(tǒng)的軟件工程課程教學，特別強調(diào)以項目驅(qū)動的方式培養(yǎng)和提高學生的軟件開發(fā)的實踐能力。這些研究都針對軟件工程教學改革進行了有益的探索，但仍然缺乏有效的教學資源來幫助學生理解抽象的軟件設計理論知識，并切實培養(yǎng)和提高他們軟件設計的實踐能力。

1、軟件框架AF4JAVA簡介

軟件框架AF4JAVA是重要的教學資源，它幫助學生理解抽象的軟件設計理論知識，同時也為他們運用這些知識進行軟件設計實踐起到指導作用。通過對Struts、Spring和Hibernate等JAVA開源框架進行集成、封裝和抽象，構(gòu)建出AF4JAVA框架。AF4JAVA該框架中設計并實現(xiàn)了一組實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、抽象的領域?qū)嶓w對象等功能軟件構(gòu)件，對學生隱蔽了使用JAVA開源框架的繁瑣細節(jié)。AF4JAVA框架本身不僅可以幫助學生更好地理解軟件體系結(jié)構(gòu)風格、設計模型和軟件框架等知識，而且還能使學生利用它提供的可重用構(gòu)件，高效地進行JAVA Web應用軟件的設計。

AF4JAVA框架被分為用戶界面層（UIlayer），領域?qū)樱―omain layer）和數(shù)據(jù)訪問層（Data Access layer）三層，如圖1所示。用戶界面層用于實現(xiàn)圖形用戶接口GUI，提供用戶與應用程序之間的交互。領域?qū)臃庋b了業(yè)務邏輯和業(yè)務實體，并向uI層提供業(yè)務功能接口。數(shù)據(jù)訪問層則封裝了對數(shù)據(jù)庫的訪問功能，為領域?qū)犹峁?shù)據(jù)訪問接口。

2.1 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層由IDataContext、DataConteXt、Configure和Mappingfile 4個構(gòu)件組成。圖2所示為軟件框架AF4JAVA中數(shù)據(jù)訪問層的示意圖。其中IDataContext接口定義了對象的增刪改查、事務管理等操作。DataContext類通過使用Hibernate框架中的構(gòu)件，實現(xiàn)IDataContext接口。Configure中包含數(shù)據(jù)庫連接的配置文件。Mappingfile是用于定義對象一關系映射的文件。DataContext的實例根據(jù)數(shù)據(jù)庫連接配置和對象一關系映射關系，完成對數(shù)據(jù)庫的訪問操作。

2.2 領域?qū)?/p>

領域?qū)又杏蠭Service、Service和Entity 3個構(gòu)件，如圖3所示。其中IService中定義了一組接口ISubsystem_1，ISubsytem 2，……，ISubsystem_N，用于封裝子系統(tǒng)功能，并為用戶界面層提供業(yè)務服務。Service中包含了一組業(yè)務類Subsystem 1，Subsystem 2，……，Subsystem_N，用于描述IService中定義的子系統(tǒng)功能接口，這些業(yè)務類可以通過訪問層中的IDataContext接口數(shù)據(jù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問。Entity中定義了實體對象及其之間的關系。Entity又由Entityobject、ErrInf0和業(yè)務實體類構(gòu)成，如圖4所示。其中EntiyObject抽象類聲明了用于數(shù)據(jù)校驗的抽象方法valid，Errlnfo類封裝了錯誤字段和錯誤信息，BusinessEntity 1，BusinessEntity 2，……，BusinessEntity N是一組業(yè)務實體類，用于封裝業(yè)務服務過程中需要處理的數(shù)據(jù)，通過繼承EntityOb～iect類實現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗的抽象方法。

2.3 用戶界面層

UI層包括View、ViewModel和ViewController構(gòu)件，如圖5所示。其中View構(gòu)件用于定義一組JSP頁面WebPage 1，WebPage2，……，WebPage N。ViewModel為渲染JSP頁面提供數(shù)據(jù)或者保存從JSP頁面獲取的數(shù)據(jù)。ViewControUer中定義了一組JSP頁面請求處理的動作Action 1，Action 2，……，Action N等。這些動作通過調(diào)用領域?qū)又械臉I(yè)務服務接口完成具體的業(yè)務處理過程。

3、基于AF4JAVA框架的軟件設計實踐教學過程

基于AF4JAVA框架開展軟件工程實踐教學的總體目標是：首先通過對AF4JAVA框架的講解，使學生能理解抽象的軟件設計理論知識，了解如何使用該框架進行設計工作。然后讓學生通過模擬真實開發(fā)場景，在AF4JAVA框架和與之相關的軟件設計相關文檔模板等教學資源的支持下，完成對給定的實踐項目的軟件設計方案，以達到培養(yǎng)和提高學生軟件設計的實踐能力。

基于AF4JAVA框架的軟件工程實踐教學過程可分為初始階段、計劃階段、實施階段和評審階段4個階段。

1）初始階段。

該階段主要讓學生學習AF4JAVA框架，并明確軟件設計相關文檔的書寫要求。首先，教師在課堂教學中通過“用戶在線注冊”的簡單例子剖析基于AF4JAVA框架的軟件設計過程，使學生了解該框架的特點、內(nèi)容和用法。然后，將學生分成人數(shù)為4～5人的小組，并在組內(nèi)討論構(gòu)建AF4JAVA框架中使用的軟件體系結(jié)構(gòu)風格、設計模式，以及遵循的設計原則等軟件設計理論知識。進一步，講解基于AF4JAVA框架的UML設計模型、設計計劃書和設計規(guī)則約說明書等軟件設計相關文檔模板。最后，選定一個規(guī)模合適的實踐項目，給出其需求規(guī)格說明書，并要求學生分組討論該項目需求。endprint

2）計劃階段。

該階段主要是各個小組按照基于AF4JAVA框架的項目設計的工作計劃書模板，制訂實踐項目的設計計劃書。制訂計劃書過程主要步驟為：①按照項目需求規(guī)格說明書，將待開發(fā)軟件系統(tǒng)劃分成若干子系統(tǒng)，確定這些子系統(tǒng)中用例的優(yōu)先級，并進行排序。②將每個子系統(tǒng)的設計任務進行分割，并將這些分割后的任務分配給小組成員，設定完成期限，估算完成每個子系統(tǒng)設計任務需要迭代的次數(shù)，據(jù)此估算完成每個子系統(tǒng)設計需要的時間。③制訂小組討論會的計劃，要求在每次迭代完成時進行必要的組內(nèi)評審和回顧，保證設計的質(zhì)量。

3）實施階段。

該階段中項目小組按照項目設計計劃書開展工作，建議采用迭代增量式的軟件設計過程，如圖6所示。下面對該過程中的每個步驟進行介紹。

步驟1（靜態(tài)結(jié)構(gòu)的設計）：按照計劃書中任務分割和分配情況，利用基于AF4JAVA框架的UML設計模型中預定義的類和接口，小組成員使用UML類圖說明某一子系統(tǒng)的用戶界面層、領域?qū)釉O計和數(shù)據(jù)層中包含的類，以及3個層次間的接口設計。

步驟2（動態(tài)行為的設計）：小組成員使用UML活動圖、順序圖說明該子系統(tǒng)各層次內(nèi)部、層次之間的交互以及外部與子系統(tǒng)之間的交互。

步驟3（設計規(guī)約的書寫）：根據(jù)步驟l和步驟2得到的設計模型，按照AF4JAVA框架的設計規(guī)約說明書模板，書寫該待建子系統(tǒng)的設計規(guī)約說明。

步驟4（組內(nèi)評審）：小組成員通過討論會評審該次迭代的設計結(jié)果。評審的結(jié)果決定小組是否調(diào)整后續(xù)的迭代過程。同時在討論會上也要回顧此次迭代過程中好的和不好的做法，幫助提高后續(xù)設計工作的效率。

重復步驟1～步驟4，直至完成整個項目的設計方案。

4）評審階段。

最后，以項目答辯的形式，各組匯報自己的設計工作完成情況。答辯時，必須提交項目設計的工作計劃書、設計說明文檔和答辯演示文稿。根據(jù)各組完成設計工作的表現(xiàn)，教師進行講評和最后總結(jié)。

4、結(jié)語

軟件框架AF4JAVA為學生提供了一種直觀的、有效的軟件設計的教學資源。實踐證明，基于AF4JAVA框架的軟件設計實踐教學過程，幫助了學生理解軟件設計的抽象概念，同時也使學生能更好地進行軟件設計實踐，進而改善軟件工程實踐教學的效果。下一步，我們將繼續(xù)完善該框架的內(nèi)容，優(yōu)化基于該框架的軟件設計實踐教學過程。endprint