新工科背景下的軟件需求工程課程教學模式

彭珍連，曹步清，劉建勛

（湖南科技大學 計算機科學與工程學院，湖南 湘潭 411201）

1 研究背景

2017 年 2 月 18 日，教育部高等教育司張大良司長在綜合性高校工程教育發展戰略研討會上強調：當前新經濟快速發展迫切需要新型工科人才支撐。隨后，教育部于同年6月9日在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，審議通過了《新工科研究與實踐項目指南》[1]。根據指南要求，新工科應該服務于新經濟、新產業。從普通高校層面來說，一方面要開設和發展新興工科專業，另一方面要推動現有工科專業的改革創新，主動布局面向未來技術和產業的人才培養。為加快實現我國工程教育強國的夢想，普通高校應該構建新工科與傳統工科相結合的學科專業新結構，探索新工科背景下課程教學新模式，提高普通高校教育質量和人才培養質量[2]。

需求工程自20世紀90年代以來，逐漸成為獨立于軟件工程的一個研究領域，越來越受到國內軟件開發者和實踐者的重視。近年來，隨著知識工程研究的不斷成熟，需求獲取、分析與演化（管理）等領域也越來越成為國內外許多學者研究的熱點，為需求工程課程教學提供了新的研究理論和研究方法。

2 需求工程課程性質與主要問題

2.1 需求工程課程性質

需求工程課程作為軟件工程方向的專業課之一，得到了全國各個開設了軟件工程專業的高校的廣泛關注。它具有理論性強、專業性強、領域性突出的特點[3]。在理論方面，該課程要求學生能夠熟悉需求工程各個階段的知識，有扎實的編程基礎；還能夠掌握和運用其他非專業能力知識，例如認知心理學、社會學、語言學、哲學等知識，去交流、提問、傾聽，能有效團隊協作等。在實驗環節，該課程要求學生能夠采用相關的工具、技術和方法，對現實世界進行觀察，發現問題，獲取需求，分析與建模，并按照規范編寫軟件需求規格說明文檔，驗證文檔正確性、統一性等特點。因此，該課程的教學能夠提高軟件工程專業大學生的整合能力、抽象能力、系統化思想的分析技能；培養他們表達與溝通能力、語言駕馭能力；培養他們觀察與建模技能；培養他們文檔組織能力；培養他們發現用戶自己都很難意識到的潛在需求的能力[4]。

需求工程教學模式研究目的是以當前市場需求為導向，建立合理的需求工程課程體系，將需求工程新的技術和方法傳授給學生，并加強需求開發過程和需求管理過程的能力培養，使他們能真正掌握基本的需求分析原理和方法。為了讓軟件工程專業的大學生能夠積極主動地參與需求工程課堂學習，激發他們的學習興趣，提高軟件工程專業課堂教學效果，提高學生的實踐能力，以培養適應當前新工科建設形勢下軟件工程方向的高素質專業人才，也是需求工程課程教學模式改革的核心內容。

2.2 需求工程課程教學主要問題

經過多年從事實際的需求工程課程教學，筆者發現該課程的理論教學和實驗教學開展難度都比較大，具體體現為以下幾個方面的問題。

（1）由于湖南科技大學軟件工程本科專業新建于2015年，時間相對較短，在專業培養方案初期，需求工程課程的培養目標和內容不是特別清楚。例如，將課程命名為需求工程與UML，從而使大學生普遍認為需求工程與UML是并列或平行的關系，而不能認識到UML只是需求工程中需求分析的一個建模工具。

（2）需求工程這一研究領域正在發展中，目前仍缺乏國際公認的知識體系[4-5]。在理論上，本課程的教材比較少，而且這些為數不多的教材內容區別比較大，側重點不同，譬如有的教材偏重需求工程過程，而有的教材偏重需求的形式化表示方法。實踐應用中，需求工程的新技術和方法不斷涌現，實踐內容很難做到統一規范。因此，市場上幾乎找不到需求工程課程的配套實驗教材，導致實踐課的內容選擇相當困難。

（3）教學內容比較抽象。需求工程課程內容主要包括需求工程的概念、過程，需求獲取技術和方法，需求分析技術和方法，需求管理技術和工具等，這些知識除了涉及軟件開發和管理知識領域，也涉及心理學、社會學、語言學等領域。這些內容都很抽象，對大二學生來說，會感到課程內容枯燥，逐漸失去該課程的學習興趣。

（4）教學模式比較單一。需求工程課程目前的教學方法仍然采取傳統的教學模式，即以教師課堂授課為主，教學中側重基礎理論和方法，兼以少量的案例演示。而在相關抽象概念、技術、建模方法等實踐環節方面做得不夠到位，學生很難深入掌握和理解該課程的理論知識。另外，與其他高校一樣，該課程的課時一般較少，限制了學生實踐能力的發展[6]。

（5）考核方法不夠全面。湖南科技大學需求工程課程的考核方式基本采用傳統的考核方式，例如以閉卷形式為主（占70%），以平時成績為輔（占30%），其中平時成績包括點到、課堂表現、平時作業或實驗報告等。大量實踐證明，這種傳統考核方式不夠全面，太偏重于期末考試成績，即太注重需求工程基本理論知識的測試，而忽略了需求工程課程中綜合應用知識的整體考查。

3 需求工程教學模式

3.1 課程培養方式調整

好的教學模式離不開清晰的課程培養方式。需求工程課程是湖南科技大學軟件工程專業大學生的學位必修課之一，最初確定課程的培養方式為理論課，課程名為需求工程與UML，共56課時。如前所述，這樣的課程培養方式存在一定的問題。因此，2017級軟件工程專業課程培養方案調整時將該課程更名為軟件需求工程，并調整為理論與實踐相結合的方式，即32個理論課時和16個實踐課時。通過這種方式，軟件工程專業大學生很容易明白軟件需求工程是一個獨立的課程，UML只是軟件需求工程中面向對象需求分析方法中的一種工具。另外，這種方式既兼顧了大學生能夠學習需求工程課程的理論基礎知識，又能保證大學生在具體的實踐過程中加深對需求工程理論基礎知識、技術、方法與工具的理解。

3.2 教材選擇和編寫

選擇和編寫合適的教材是提高教學效果的基礎。現有的需求工程課程教材比較少，而且它們之間的側重點有所不同。經過多次比較和選擇，理論課教材選定了由南京大學駱斌教授主編、高等教育出版社出版的《需求工程——軟件建模與分析》[7]。對于需求工程初學者，該教材的內容比較豐富，能夠深入淺出地解釋需求工程的基本理論知識。對于實踐教材，目前幾乎沒有找到相應的配套教材，筆者根據理論知識對應的案例進行編寫，具體實踐內容包括需求獲取技術與方法、結構化需求分析方法、面向對象需求分析方法以及需求規格說明文檔編寫等。其中，需求獲取包括用例場景、面談、調查問卷與原型等案例內容；結構化需求分析包括數據流圖與數據字典等案例內容；面向對象分析包括用例圖、類圖、活動圖、狀態圖、順序圖、協作圖等案例內容。

3.3 課程內容優化

優化課程內容是不斷適應新工科要求的必然選擇。隨著軟件需求工程技術和方法的不斷涌現，需求工程課程內容非常豐富，概念性和抽象性強。經過多年教學經驗，選擇需求開發過程和需求管理過程為課程的教學內容。其中，需求開發過程為重點教學內容，而需求管理過程為可選教學內容，見圖1。

圖1 需求工程教學內容分配

需求開發過程和需求管理過程統稱為需求工程過程。其中，需求開發過程包括需求獲取、需求分析、需求規格說明與需求驗證，需求管理過程包括需求變更與需求跟蹤。需求獲取的重點教學內容包括涉眾分析、硬數據采樣、基于用例場景模型、面談、原型、觀察和文檔審查。需求分析的重點教學內容包括結構化需求分析方法和面向對象需求分析方法。結構化需求分析方法以數據流圖、狀態轉換圖為重點授課內容；面向對象需求分析方法以用例圖、類圖、活動圖、狀態圖、順序圖、協作圖、組件圖與部署圖模型為主。需求規格說明以需求規格說明書的國際或國家撰寫標準為主，需求驗證主要講解需求評審方法。

3.4 內容差異化教學方法

行之有效的教學方法是教學模式發揮作用的有力保證。需求工程課程包含的內容非常多，這些內容之間的差異性非常大，在教學過程中采用同一種教學方法勢必影響教學效果。因此，實際課堂采用內容差異化教學方法，即根據不同的內容使用不同的教學方法。

對于需求工程過程涉及的眾多概念性內容，譬如軟件需求定義、需求工程等理論知識，迭代反饋式教學方式[8]可以發揮有效作用。迭代反饋式教學方式通過典型案例介紹需求工程研究的最新概念、經典技術與方法及未來發展方向，擴大學生的知識視野；學生通過這些案例分析，采取分組討論的方式進行實踐，并將實踐中遇到的問題反饋給任課教師；任課教師將反饋的問題進行解釋和闡述；如此反復，直到學生理解清楚這些抽象概念為止。例如，講解需求、問題、問題域和解系統的時候，以連鎖超市管理系統作為案例，可以將用戶對現有超市管理中的期望看作需求，期望與現實中的差距看作問題，現實中的超市管理相關業務知識看作問題域，而將解決問題的軟件系統解決方案看作解系統，讓學生分組討論，討論結果與問題反饋給任課教師，由教師負責解釋和說明。實踐和調查結果顯示，這種方式提高了學生對需求工程中抽象概念的理解和掌握。

對于需求工程過程中的技術、方法或者工具等知識點，項目與案例驅動方法[9]可以收到較好的教學效果。例如，講解面談、原型等需求獲取技術與方法、Rational Rose等UML建模工具內容時，由教師指導，將圖書管理系統、教務管理系統、高校二手交易系統、在線教學系統等獨立項目交給學生處理；學生仍然采取分組方式，每組3～5人，自行選擇感興趣的項目；要求學生完成需求信息收集、需求建模分析、需求文檔編寫及需求評審等工作。學生通過這些項目實踐，了解并掌握整個過程和每個階段的基本要求。項目與案例驅動教學法倡導以學生自主學習為中心，教師在教學過程中起指導、組織和幫助作用。通過這種教學方法的實施，學生的知識串聯能力、交流溝通能力、團隊協作能力以及文檔撰寫能力都得到了明顯的進步。

在實踐課程過程中，成果導向教育（Outcomes-based Education，OBE）理念[10]可以貫穿該實踐課程教學過程。具體來講，可以采用學生分組完成一個項目成果，每組學生不能超過3人，項目成果包括需求獲取結果文檔，數據流圖、數據字典等結構化需求分析文檔，各種圖模型的面向對象分析需求分析文檔，軟件需求規格說明書編寫與評審文檔等。通過這種成果導向教育方式，軟件工程專業大學生的建模能力和文檔撰寫能力明顯提升。

3.5 過程化考核方式

改革教學考核方式是檢驗教學效果的有效手段。湖南科技大學需求工程課程目前采用傳統的考核方式，即平時考核和期末考核兩部分。平時考核占總成績的30%，期末考試占總成績的70%。今后的教學將逐步增加平時考核成績的比重，如平時考核成績提高為40%，并采取多次考核的方式，形式可以為實驗報告、分析模型或者可運行原型等；期末考核逐步采用開卷方式，對現實案例分析進行考核，重點考核大學生對現實項目的綜合運用能力和實踐能力。這些現實案例按一定比例（如50%）來源于平時的實驗項目，激勵學生重視平時實驗，防止部分學生在分組實驗過程中“打醬油”，督促他們積極主動，不能偷懶。

4 結 語

新工科背景下，在軟件工程專業的課程開展問題的教學模式的嘗試，取得了初步的效果，一定程度上促進了軟件工程專業大學生需求獲取、需求分析方面能力的提高。但是需求工程課程的教學模式改革是個系統工程，本文討論的教學模式只是一些淺層模式的嘗試，許多新的課程教學方法值得進一步完善和改進，使這些方法也能在軟件工程其他專業課程的教學實踐中加以推廣和應用。