基于CDIO 軟件的設計與體系結構課程教學研究

胡志慧

（湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

軟件設計與體系結構課程是以軟件設計思想為主線，讓學生通過課程學習能夠全面、深入理解在軟件開發階段設計軟件體系結構的必要性，并能夠運用其中的思想分析、解決軟件系統設計相關的問題。眾所周知，如果要建造一座摩天大廈，首先必須給出設計藍圖，然后在其指導下一步步地按照工程要求進行建造，絕不能隨意施工。與之相似，龐大、復雜的軟體系統也需要進行軟件體系結構設計，這樣產生了軟件體系結構理論。好的體系結構是決定軟件系統成敗的重要因素，軟件體系結構已經成為國內外軟件研究的熱點。隨著當前軟件系統規模變得越來越大，軟件體系結構的設計顯得更加重要，因而Perry和Wolf認為，“未來的時代將是研究軟件體系結構的時代！”

1 CDIO理念概述

CDIO是近年來國際高等工程教育的最新成果，在培養學生的創新能力、工程實踐能力、團隊協作能力等方面效果顯著。CDIO 代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以工程項目從研發到運行的整個生命周期為載體，通過項目設計將整個課程體系系統地、有機地結合起來，讓學生以主動的、實踐的方式參與到課程的各個教學環節，強調課程學習要與項目設計相聯系，以培養學生的工程實踐能力。CDIO的理念不僅繼承和發展了歐美多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的標準。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際溝通能力和工程系統能力4個層面，要求以綜合的培養方式使學生在這4個層面達到預定目標。我國高等工科教育的迫切任務是盡快培養與國際接軌的中國工程師，然而我國工科的教育實踐中還存在不少問題，如重理論輕實踐、強調個人學術能力而忽視團隊協作精神、重視知識學習而輕視開拓創新的培養等問題。借鑒CDIO工程教育理念和標準，對軟件設計與體系結構課程教學改革進行探索，革新傳統的教學思路和教學模式。

2 課程特點與現狀

我國各高校的計算機科學與技術、軟件工程等相關專業的教學中，已普遍開設了軟件設計與體系結構課程，為軟件架構設計師的培養提供條件。“軟件設計與體系結構”課程與其他專業課之間緊密聯系，需要的先修課程包括軟件工程、UML建模技術以及程序設計等方面知識。

目前高等院校在軟件體系結構課程教學中，大多主要講授軟件體系結構的基本概念和基本原理，簡單分析軟件體系結構風格的具體應用。軟件體系結構中的抽象理論容易使學生感到枯燥乏味，另外作為在校學生項目開發經驗有限，學生很難在頭腦中將軟件體系結構的抽象理論和實際聯系起來，因此較難對這門課內容產生興趣。當前，國內已經有許多學者編著出版了《軟件體系結構》教材，如張友生（清華大學出版社）、齊治昌（高等教育出版社）等。總體來說，這些教材主要介紹了軟件體系結構的基本原理、方法和實踐，反映了軟件體系結構研究和應用的最新研究進展。但大多數教材偏重于理論，實踐性有待于進一步加強，尤其是對于軟件工程本科專業的學生來說非常必要。

3 自主式開源系統案例教學

軟件體系結構內容較抽象，對于缺乏軟件開發經驗的學生來說難以理解，采用案例教學法可以較好地解決這個問題。本校在四年級上學期開設軟件體系結構課程，教學大綱中共安排32學時。采用以教師布置相關案例的自主式學習作為引導，學生在課外通過相互討論、查閱文獻資料等方式完成自主學習的過程，這樣可以適當解決學時有限的問題。另外，由于開源軟件的源代碼是可以自由訪問的，可以引導學生分析某個比較成熟的開源軟件的結構，并鼓勵其閱讀源代碼，研究一些新技術背景下的軟件體系結構。

教師選擇布置一些成熟的開源軟件系統案例進行分析引導，如在大規模集群上的分布式并行編程框架的云計算平臺Hadoop、基于JAVA的可擴展開發平臺Eclipse等，這樣可以讓學習與新技術、新思想接軌，了解學習最新的軟件發展前沿知識，開闊學生的視野，激發學習的興趣，也可能提供更廣一些的就業方向。下面以Hadoop為例介紹：

3.1 云計算及Hadoop簡介

云計算是一種新型的計算范型，其核心思想是將大量用網絡連接的計算資源進行統一管理和調度，構成一個計算資源池。它是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云計算是一種方便、低成本的IT服務能力的實現方法，具有非常廣闊的應用前景。

云計算的主要特點是數據密集型的計算方式，同時還具有移動計算的特點，即移動計算到數據，而不是移動數據到計算，因為CPU計算移動到數據的代價更小。Hadoop就是一個實現了google云計算系統的開源系統，包括并行計算模型Map－Reduce，分布式文件系統HDFS，以及分布式數據庫Hbase。同時Hadoop的 相 關 項 目 也 很 豐 富 ， 包 括 ZooKeeper，Pig，Chukwa，Hbase，Mahout等，這些項目都使得Hadoop成為一個很大的家族系統。Hadoop是一個分布式計算基礎框架下的相關子項目的集合。其中，眾所周知的HDFS和Map－Reduce屬于中心成員，其他子項目為它們提供了配套的服務。

3.2 自主學習Hadoop平臺下的軟件設計

通過對Hadoop框架的講解，演示Hadoop自帶的簡單實例（如統計文本文件中單詞個數的程序Wordcount），剖析基于Hadoop框架的軟件設計過程，使學生能理解抽象的軟件設計理論知識，讓學生對如何使用在該框架基礎上進行應用程序設計工作感興趣。

學生分組學習討論有利于集思廣益、取長補短。一般將學生分成人數為5人左右的小組，并確定一名組長，便于組織交流。首先組內討論構建Hadoop框架中使用的軟件體系結構風格、設計模式，以及遵循的設計原則等軟件設計理論知識，引導學生通過查閱基于Hadoop應用的相關文檔資料進行學習，開始完成Hadoop云平臺的搭建，經過組內討論，選定一個規模合適的相關實踐項目，給出其需求規格說明書，并討論確定該項目需求；然后根據項目需求，分割各個子系統，每個成員分配確定任務，任務分配完成后，小組成員間討論，修訂完成軟件設計計劃；最后就是項目的實施，按照項目設計計劃書開展完成相關設計工作。

對于考核評價，按組進行項目答辯的形式匯報自己的設計工作完成情況，采取學生小組之間、小組內部互評，教師在學生匯報結束后作細致點評。教師根據提交的工作計劃書、設計說明文檔、軟件程序和答辯情況以及互評情況等，綜合給出最終成績評定。

4 結語

隨著信息技術與互聯網產業的快速發展，我國已成為信息產業大國，越來越需要大批的高級軟件設計人才。軟件設計與體系結構課程，是當前軟件工程專業學習軟件設計的重要專業課程，為適應新時期的教學要求，本文提出了一種基于CDIO的自主式開源系統案例教學方法，讓學生了解軟件發展的前沿知識，開闊學生視野，激發學習興趣，使學生掌握了軟件架構設計的基本方法及案例分析能力，學會自主學習解決實踐問題的能力。

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