案例實施與工具應用相結合的軟件工程動手能力培養

孫昌愛

（北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京100083）

0 引 言

軟件工程學科發展迅速，具有理論與實踐相結合特點，要求計算機專業本科生應具備較強的軟件工程動手能力。“老師講、學生聽”傳統的理論教學模式，不利于高質量計算機專業人才的培養[1]。近年來，筆者講授了多門軟件工程類課程，基于課程考核與教學反饋意見發現，盡管絕大多數學生能夠理解軟件開發的原理與方法，但運用起來仍然有困難。近年來企業招聘的反饋結果表明，計算機類專業的畢業生（特別是本科生）動手能力比較欠缺，一個直接的例證是90%以上的剛就業的本科生需要近半年的培訓才能上崗。另一方面，筆者連續多年參與了計算機專業研究生入學復試工作，基于編程工作量方面的作答情況，感到考生在本科階段的編程訓練不足（編碼量少于5千行代碼）。由于軟件工程動手能力方面較為欠缺，計算機專業畢業生無法滿足工業界需求，也影響了他們在研究生階段的科研水平。

1 案例實施與工具應用相結合

軟件開發是一種構造性活動，需要很強的創造性思維[2]。軟件工程的基本原理來自于“最佳實踐”，不同于數學學科中“公理”、也不同于物理學科中的各種“定則”。軟件工程學科的新特點對計算機專業本科生培養提出了新的挑戰。特別值得指出的是，軟件工程動手能力培養是計算機專業本科生培養中的一個難題。

以單元測試中常用的語句覆蓋測試技術為例，語句覆蓋技術的基本原理如下：對于給定的某個待測程序P（通常是程序模塊），如果某個測試用例集中TS的測試用例能保證P中所有可執行的語句至少執行一次，則稱TS符合語句覆蓋準則。顯然，理解語句覆蓋測試技術的基本原理并不困難，但在實際中有效運用該技術并不簡單。具體說來：①由于程序中可能存在不可達路徑，如何有效識別這些路徑并排除相關的不可達語句，是正確實施語句覆蓋測試的前提；②對于一個較大的程序（1 000行以上）進行語句覆蓋測試時，通常離不開測試工具的支持；采用人工的方式追蹤與記錄每個測試用例覆蓋的語句集，不僅效率低而且容易出錯；③工業界軟件測試實踐表明，采用隨機測試方法對大規模軟件進行語句覆蓋測試時，語句覆蓋率并不高（通常低于20%）。筆者在講授單元測試時布置一個作業，要求學生對一個50行左右的程序進行語句覆蓋測試。遺憾的是，只有極少數學生能正確、高效地完成該作業。未能完成該作業的部分原因是無法運用合適的單元測試工具。

軟件工程動手能力的培養應從兩個方面著手：①軟件開發實例的重復實踐，可以使學生有效地理解與掌握“最佳實踐”；②通過軟件工程工具的運用，促進學生理解與把握工具背后的軟件工程方法學思想與原理。事實上，由于軟件的復雜性，軟件開發活動通常離不開軟件工程工具的支撐，要想有效運用軟件工程工具離不開對其背后的方法學的把握。圍繞如何在軟件開發中有意識地運用軟件工程原理，如何系統地分析、設計、測試構造出合格的軟件系統，如何將軟件工程工具引入到軟件開發活動等重要問題，可以從人才培養定位、教學內容、授課手段、課程考核方式等方面出發，解決計算機專業本科生的軟件工程動手能力培養難題。

（1）教學模式改革的準備。以各種方式調研國內、外多所高校在軟件工程課程教學方面的一些做法；參加全國軟件與應用學術會議軟件工程教學研討會，與國內同行交流軟件工程方面先進教學經驗；分析與借鑒荷蘭格羅寧根大學軟件分析與設計本科生課程教學模式[3]；全程觀摩美國普渡大學軟件工程本科生課程與軟件測試研究生課程教學[4]。通過不同層次高校調研、同行教學經驗交流、國際著名大學軟件工程課程教學觀摩，為軟件工程動手能力培養的課程教學改革提供理論依據與經驗參考。

（2）專業培養計劃修訂。加強軟件工程動手能力培養的頂層設計，對計算機科學與技術專業本科生培養計劃進行修訂。特別地，在2017版計算機科學與技術專業培養計劃中將軟件工程由選修課課程改為必修課程，與國際通用的計算機專業培養方案無縫接軌；增加軟件工程課程設計部分，增強軟件工程原理與方法的運用。

（3）軟件工程類課程教學大綱調整。從教學內容方面加強軟件工程動手能力的培養規劃，對多門軟件工程課程的教學大綱進行調整。特別地，在軟件工程、軟件測試等多門軟件工程課程中增加案例實施的教學內容，在軟件測試課程增加軟件工程工具應用的教學內容。從2014年秋學期開始，在軟件測試本科生課程教學中首次嘗試案例實施與用具應用相結合的教學模式，部分學時用于軟件測試工具應用的實踐教學。此后，在其他多門軟件工程類課程教學中推廣案例實施與工具應用相結合的教學模式。

（4）軟件工程實驗室建設與完善。完善軟件工程實驗室建設，為提升計算機專業本科生軟件工程動手能力提供環境支撐。我們購置了多種軟件開發與測試工具，包括IBM公司研制的項目管理工具、建模工具、測試工具、版本配置工具，邀請IBM技術人員對軟件工程課程本科生進行了測試工具和版本配置工具培訓。軟件工程實驗室有力支撐了各門軟件工程課程的實踐教學，同時還鼓勵本科生在實驗室開展科技創新活動或完成本科畢設。

案例實施與工具應用相結合的軟件工程動手能力培養的教學模式契合了近年來國內外計算機專業人才培養改革的趨勢。一方面，我國計算機教育界開始關注與推廣案例教學，中國計算機學會軟件工程專委會主辦的“2018年全國軟件與應用學術年會”上首次舉辦了“CCF-SE軟件工程案例征集及比賽”活動；另一方面，美國普渡大學非常注重計算機專業學生的軟件工程動手能力培養，該校從2015開始在計算機本科生培養計劃中增設軟件工具課程，要求學生了解與掌握常見的軟件工具。

2 案例實施與工具應用相結合的教學模式實踐

在軟件測試、軟件工程與課程設計等本科生課程教學中進行案例實施與工具應用相結合的教學，不僅可以增加案例實施與軟件工具應用教學內容，而且能夠促進軟件工程原理與方法的掌握與高效運用。

軟件測試課程教學中，在系統講授軟件測試的概念、原理、技術與過程的基礎上，增加案例實施與測試工具應用的教學內容。以“字符串正反向搜索程序”等案例探討等價類劃分、邊界值分析等黑盒測試技術的運用；以“西門子程序集”為案例探討語句覆蓋和判定覆蓋、基本路徑測試、控制結構測試、數據流測試、變異測試等白盒測試技術的運用。特別地，課程教學中介紹開源測試工具JUnit，并要求學生運用JUnit進行語句覆蓋和判定覆蓋測試。

軟件工程與課程設計課程教學分為軟件工程理論教學與課程設計兩個階段。軟件工程理論教學階段，以通用ATM系統的開發為案例初步理解與運用軟件工程原理，要求遵循軟件工程的規范與過程（結構化方法或面向對象方法）完成該系統的開發，提交一份規范的技術報告，包括需求分析、總體設計、關鍵模塊的詳細設計、測試與項目管理；建議采用UML表示法，并使用常見的建模工具（如Rational Rose）；設計測試方案，并說明如何實施測試；初步估算軟件規模與工作量，并描述估算依據；提供可行的進度安排（以周為單位）。

軟件工程課程設計階段，結合軟件工具使用、高效完成某個案例系統的開發。可供選擇的案例系統包括：①基于B/S結構的會議室教室預約管理系統：以某個學院會議室/教室預約為對象，分析、設計并實現一個預約管理的網絡電子化系統，方便教師、學生進行會議室、教室的借用。該系統應具有一定的實用性，考慮基本的權限管理，考慮數據存儲如何滿足可擴展性需求；②人臉簽到（“刷臉”）系統：以本班同學的人臉庫為基礎，設計一個簽到系統，包括手機APP設計與實現、數據庫設計、考勤管理、是否需要服務器等。應考慮用戶管理、用戶交互、數據安全等基本需求；③圖書收集與查詢管理系統：以豆瓣、當當、亞馬遜的中文圖書為對象，把相應的圖書元信息（題目、作者、出版社、圖書簡介、目錄等）及相關社會信息（標簽、打分、評論等）爬取下來，進行整理與入庫，然后設計并實現相應的圖書信息查詢與管理系統。軟件工程課程設計階段的課程考核放棄傳統的考試方式，采用技術報告與口頭答辯的方式考核案例實施完成情況。

3 軟件工程動手能力培養的教學改革初步成效與建議

我校計算機科學與技術、信息安全、物聯網工程3個專業按照計算機專業大類招生，每年招收本科生240人左右。案例實施與工具應用相結合的教學模式改革的相關舉措直接影響了計算機專業本科生，有助于進一步提升計算機類專業本科生的軟件工程動手能力。近年來，我校多名計算機專業學生在中國大學生計算機設計大賽、全國大學生物聯網創新創業大賽、全國大學生軟件測試大賽、全國服務創新大賽、全國軟件原型競賽以及一系列國際競賽中獲獎。在教育部高等教育軟件工程專業教學指導委員會主辦的2016年全國大學生軟件測試大賽中，我校一名計算機專業本科生進入了全國總決賽，其突出的表現得到軟件工程領域專家的高度認可。我校計算機專業本科生積極參與創新創業活動，“秋菠網”“賞金獵人”“天兵天將”等一批軟件創業項目獲得天使基金資助。一名本科生開發了多個iOS游戲，被邀請參加蘋果公司2016年全球開發者大會。通過參加軟件工程類科技競賽與創新創業活動，培養與鍛煉了計算機專業學生的創新能力與實踐能力。

基于5年來的案例實施與工具應用相結合教學模式改革的實踐，為使該教學模式更加富有成效，做到如下4點非常關鍵。

（1）教材建設。在理解軟件工程的基本原理的基礎上，如何在不同類型的軟件開發項目上合理地運用這些原理非常具有挑戰性。特別地，在沒有案例引導與參考的前提下，讓尚不具備大量編程經驗的本科生真正地掌握與運用軟件工程原理則更加困難。以軟件工程課程為例，不同出版社、不同作者出版了近百種版本的中文教材。絕大多數的教材側重介紹軟件工程的概念、過程、原理、方法，僅有部分教材能夠結合一些案例討論軟件工程原理與方法的應用，部分教材僅僅簡單介紹了一些軟件工具的特色與功能。由此可見，教材建設將是影響該教學模式改革的關鍵問題之一。

（2）案例開發。部分教材介紹的案例通常較為簡單與陳舊，與實際的軟件項目差別較大、而且不夠豐富。解決案例開發問題的一個有效途徑是開發一個公共平臺（類似于開源代碼平臺），收集與整理各個高校開發的軟件工程案例。2018年CCF-SE軟件工程案例征集及比賽，可謂是對該問題的一次有益嘗試。

（3）工具教學。軟件項目通常牽涉多種人員、多個步驟、多種技術、復雜的管理過程，相關的技術與管理都離不開軟件工具的支持。針對相同的技術與管理需求，則存在不同類型與不同版本的軟件工具。例如，支持單元測試的軟件工具就多達數十種。那么，如何選擇軟件工具、選擇何種軟件工具是進行該教學模式改革的一個不可回避的問題。

（4）教學管理與環境。與傳統教學模式相比，案例實施與工具應用相結合的教學模式對授課教師提出了更高的要求，也增加了授課教師的工作量。一方面，僅懂軟件工程原理而缺乏軟件開發經驗的教師很難勝任此類教學模式；另一方面，授課教師不僅需要開發案例，還需要指導學生在案例實施過程中遇到各種問題。由于案例實施過程中存在頻繁、深度的交互，上述教學模式比較適合小班教學（我國僅有部分高校具備這樣的條件[3]）。此外，多種軟件工具的購置與維護則牽涉到實驗環境建設與教師配備問題。

4 結 語

我校較早設置了計算機科學與技術、信息安全等計算機類本科專業，相關專業培養方案中開設了軟件測試、軟件工程、軟件課程設計、軟件應用實踐等軟件工程類課程。在中央級普通高校改善基本辦學條件專項資金的支持下，2013年初步建成了軟件工程專業實驗室，購置了軟件配置管理工具、軟件測試工具、軟件建模工具等。鑒于計算機類專業本科生在軟件工程動手能力方面的不足，在北京科技大學本科教育教學改革與研究面上項目“案例實施與工具應用相結合的軟件工程動手能力培養探索與實踐”的資助下，筆者探索了如何培養計算機類專業本科生的軟件工程動手能力，嘗試了案例實施與工具應用相結合的計算機專業本科生軟件工程動手能力培養的教學改革，在軟件測試、軟件工程與課程設計等多門課程教學中進行了實踐。案例實施與工具應用相結合的課程教學模式通過在軟件工程類課程教學中增加案例實施，增強學生對軟件工程原理的理解與掌握；通過增加軟件工具應用，促進學生對現代軟件工程方法的把握與高效運用。案例實施與工具應用相結合課程教學模式實踐與舉措，對于提升我國計算機專業本科生軟件工程動手能力有重要的借鑒意義。