基于CDIO模式的《軟件工程》課程教學(xué)改革

彭小娟

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院 廣東·廣州 510180）

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來由美國麻省理工大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院等4所世界知名大學(xué)經(jīng)過長期的探索而研發(fā)的改革成果，主要包含“構(gòu)思（Conceive）—設(shè)計(jì)（Design）—實(shí)施（Implement）—運(yùn)行（Operate）”四個(gè)階段。其倡導(dǎo)的“做中學(xué)”和以“項(xiàng)目案例”組織教學(xué)活動(dòng)的教學(xué)方法，讓學(xué)生通過主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和提高工程能力，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，為《軟件工程》的教學(xué)改革提供了一些有益的探索。

1 《軟件工程》課程概況

《軟件工程》是各大高校計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)體系中的一門核心課程，主要講授軟件開發(fā)、維護(hù)與管理，在軟件工程學(xué)科人才培養(yǎng)體系中占有重要地位。軟件工程涉及的面比較廣，包括整個(gè)軟件開發(fā)的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試、維護(hù)等過程。過程中涉及的方法、原理和技術(shù)比較廣泛而復(fù)雜，教師在授課過程中也感覺有困難，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺內(nèi)容比較偏理論化，理解上比較困難，易產(chǎn)生學(xué)不會(huì)、不想學(xué)的思想。通過多年從事《軟件工程》課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的分析與總結(jié)，針對(duì)該課程存在的實(shí)際問題，我們需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革。

1.1 教材內(nèi)容略顯陳舊，已不能適應(yīng)社會(huì)需求

軟件開發(fā)方法與技術(shù)更新迭代非?？?，但是現(xiàn)有的教材內(nèi)容大部分略顯陳舊，已不能適應(yīng)社會(huì)需求。比如很多教材將大量篇幅用于講解結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計(jì)方法，該方法是一種面向數(shù)據(jù)流的傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法，它以數(shù)據(jù)流為中心構(gòu)建軟件的分析模型和設(shè)計(jì)模型。主要適用于早期的信息系統(tǒng)的開發(fā)?，F(xiàn)在大部分都是基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能的應(yīng)用程序，教材內(nèi)容也迫切需要與時(shí)俱進(jìn)進(jìn)行更新。

1.2 學(xué)生項(xiàng)目管理的意識(shí)薄弱

一般而言，軟件系統(tǒng)都是短期性的項(xiàng)目（短則幾周，長則數(shù)年），而項(xiàng)目會(huì)存在各種風(fēng)險(xiǎn)，所以軟件開發(fā)需要進(jìn)行項(xiàng)目管理。在課程設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：之前系統(tǒng)可以運(yùn)行，現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行不了了，但是之前的版本也找不到了。由于前期缺乏對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的估算，后期才發(fā)現(xiàn)技術(shù)達(dá)不到，導(dǎo)致最終項(xiàng)目擱淺了。團(tuán)隊(duì)在開發(fā)過程中沒有進(jìn)行進(jìn)度計(jì)劃和控制，最終項(xiàng)目不能如期交付。這些情況主要是由于學(xué)生項(xiàng)目管理意識(shí)薄弱造成的。

1.3 學(xué)生忽視前期的需求分析、缺乏工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)

由于前期學(xué)生學(xué)習(xí)了一些技術(shù)課程，這些課程主要是檢驗(yàn)學(xué)生掌握技術(shù)的熟練程度，所以一般是給定要求讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)，所以學(xué)生形成了拿來就開始編碼的習(xí)慣。但是軟件開發(fā)的項(xiàng)目中，需要學(xué)生從需求開始進(jìn)行分析，學(xué)會(huì)分析問題。另外，在進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的過程中，大部分學(xué)生很難有軟件工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)，即便是有也可能是一些虛擬的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或者小型的軟件項(xiàng)目。這些項(xiàng)目存在缺乏需求背景、覆蓋的專業(yè)知識(shí)面小的局限性。因此學(xué)生在進(jìn)行軟件項(xiàng)目實(shí)踐時(shí)，通常是在缺少前期軟件需求分析的基礎(chǔ)上直接編碼。通過這種模式培養(yǎng)的學(xué)生，缺乏實(shí)際動(dòng)手能力，無法在實(shí)踐過程中體會(huì)到軟件工程的精髓，無法滿足企業(yè)的實(shí)際需求。

1.4 師資隊(duì)伍缺乏項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)踐能力和經(jīng)驗(yàn)

軟件開發(fā)技術(shù)更新迭代非常快，需要教師與時(shí)俱進(jìn)地學(xué)習(xí)。很多任課教師由于長期在高校工作，缺乏對(duì)企業(yè)實(shí)際需求的了解，導(dǎo)致課堂教學(xué)內(nèi)容因教學(xué)過程規(guī)范性的限制無法適應(yīng)企業(yè)和技術(shù)的發(fā)展要求。

2 基于CDIO模式的《軟件工程》課程教學(xué)改革探索

本課程總共68學(xué)時(shí)，理論課與實(shí)驗(yàn)課各34學(xué)時(shí)，每周各2學(xué)時(shí)。提供5～10個(gè)項(xiàng)目供學(xué)生選擇；也可以自擬，但是需要獲得指導(dǎo)老師的同意。提倡自擬，因?yàn)樽詳M課題要從平時(shí)的學(xué)習(xí)生活中發(fā)現(xiàn)需求，這將調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和思辨性。項(xiàng)目要求難度適中，工作量能夠在課程中完成。學(xué)生可以自由選擇3～6人一組，每組共同完成一個(gè)項(xiàng)目。在課程設(shè)計(jì)的過程中，所有團(tuán)隊(duì)要嚴(yán)格按照軟件工程的思想和過程進(jìn)行管理，保證每個(gè)階段能夠達(dá)到CDIO相應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)。指導(dǎo)老師可以采用諸如教師引導(dǎo)講解、小組討論、學(xué)生講解、生講師評(píng)等方式進(jìn)行。

2.1 構(gòu)思階段

從軟件工程的角度出發(fā)，項(xiàng)目開始需要先初步收集開發(fā)需求，確定項(xiàng)目目標(biāo)及范圍等要求，定義系統(tǒng)功能，計(jì)劃開發(fā)進(jìn)度，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、法律等方面進(jìn)行可行性論證。

構(gòu)思階段首先是分組選題，確定各小組的項(xiàng)目經(jīng)理及其他角色，明確角色職責(zé)。項(xiàng)目經(jīng)理是團(tuán)隊(duì)主要角色，一般由組織能力、溝通協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)，技術(shù)能力不錯(cuò)的同學(xué)擔(dān)當(dāng)。團(tuán)隊(duì)確定后集體討論進(jìn)行選題。接著，由項(xiàng)目經(jīng)理組織團(tuán)隊(duì)成員確定團(tuán)隊(duì)的slogan及團(tuán)隊(duì)規(guī)章制度，培養(yǎng)大家的團(tuán)隊(duì)意識(shí)；再進(jìn)行團(tuán)隊(duì)分析，明確團(tuán)隊(duì)人員技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，盡量降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；還要對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行分析與討論，分析系統(tǒng)的用戶類型、特點(diǎn)及權(quán)限，劃分系統(tǒng)功能模塊，明確難重點(diǎn)，評(píng)估系統(tǒng)功能能否在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。之后，項(xiàng)目經(jīng)理還需要通過Project分解WBS結(jié)構(gòu)，估算工期，分析任務(wù)間的依賴關(guān)系，制定項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃，明確里程碑，為團(tuán)隊(duì)成員分配任務(wù)。需求分析可以采取調(diào)查問卷、訪談、實(shí)地工作、聯(lián)合小組、競品分析等形式開展，分析整理后的需求條目還要進(jìn)行重要性和優(yōu)先級(jí)排序，工作量估算等。之后可用案例分析與建模的方式表示，比較簡潔明了。每個(gè)階段都要形成相應(yīng)的文檔并提交給指導(dǎo)老師，并由團(tuán)隊(duì)與指導(dǎo)老師一起進(jìn)行評(píng)審。

2.2 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)（Design）階段是根據(jù)構(gòu)思階段定義的系統(tǒng)功能進(jìn)行系統(tǒng)建模。設(shè)計(jì)內(nèi)容一般包括以下幾方面：

（1）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。軟件架構(gòu)指軟件系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)。架構(gòu)是經(jīng)過系統(tǒng)性地思考，權(quán)衡利弊之后在現(xiàn)有資源約束下的最合理決策，最終明確的系統(tǒng)骨架：包括子系統(tǒng)、模塊、組件，以及他們之間協(xié)作關(guān)系，約束規(guī)范，指導(dǎo)原則，并由它來指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人思想層面上的一致。架構(gòu)可細(xì)分為業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)，代碼架構(gòu)及部署架構(gòu)。業(yè)務(wù)架構(gòu)是戰(zhàn)略，應(yīng)用架構(gòu)是戰(zhàn)術(shù)，技術(shù)架構(gòu)是裝備。其中應(yīng)用架構(gòu)承上啟下，一方面承接業(yè)務(wù)架構(gòu)的落地，另一方面影響技術(shù)選型。業(yè)務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則以解決業(yè)務(wù)問題為最終目標(biāo)。應(yīng)用架構(gòu)和業(yè)務(wù)架構(gòu)是相輔相成的關(guān)系。應(yīng)用作為獨(dú)立可部署的單元，為系統(tǒng)劃分了明確的邊界，深刻影響系統(tǒng)功能組織、代碼開發(fā)、部署和運(yùn)維等各方面。學(xué)生可以以解決業(yè)務(wù)問題為最終目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)進(jìn)行拆分，對(duì)領(lǐng)域模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，劃分子系統(tǒng)或者模塊。

（2）界面設(shè)計(jì)。界面設(shè)計(jì)是指對(duì)軟件的人機(jī)交互、操作邏輯、界面美觀的整體設(shè)計(jì)。好的界面設(shè)計(jì)不僅要有個(gè)性，體現(xiàn)軟件的特點(diǎn)，還要讓軟件的操作變得舒適簡單。由于界面是面向最終用戶的，用戶對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知主要源于界面，所以學(xué)生可以根據(jù)需求，采用Axure或其他工具進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，這樣可以以最小的時(shí)間和成本快速進(jìn)行需求分析，避免在沒有明確需求的情況下匆忙開始編碼，導(dǎo)致后期返工的窘?jīng)r。

（3）類和接口的設(shè)計(jì)。本課程主要采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想分析類和接口、設(shè)計(jì)類和接口、確定類的屬性和方法、職責(zé)之間的協(xié)作。另外，還需要根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則去優(yōu)化類圖模型，以便提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可復(fù)用性。

（4）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。大部分的選題都需要后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的支持，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。通過E-R圖進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建模，確定需要設(shè)計(jì)的表、表的字段、表與表的關(guān)系及其他約束等。

2.3 實(shí)現(xiàn)階段

實(shí)現(xiàn)（Implement）階段是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的模型。首先，團(tuán)隊(duì)成員要統(tǒng)一使用統(tǒng)一的代碼規(guī)范和數(shù)據(jù)庫。這是軟件工程遵循CDIO理念的一個(gè)基礎(chǔ)，也更能體現(xiàn)工程性思維。阿里巴巴B2B事業(yè)群CTO李純說過：“好的軟件產(chǎn)品離不開工程師高質(zhì)量的代碼及相互間順暢的溝通與合作。簡單，適用的代碼規(guī)約背后所傳遞的是技術(shù)上的追求卓越、協(xié)同合作的精神，是每個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)不可缺失的重要利器?！钡诙瑘F(tuán)隊(duì)可以按照模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，比如選擇具體的編程語言和框架，編寫各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的前后端頁面、業(yè)務(wù)邏輯和功能代碼等，選擇某個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫和表的實(shí)現(xiàn)。第三，要求各團(tuán)隊(duì)要采用Git或其他版本控制軟件對(duì)源代碼進(jìn)行版本管理，以免版本丟失的情況發(fā)生。Git作為一個(gè)開源的分布式版本控制系統(tǒng)，可以有效、高速地處理從很小到非常大的項(xiàng)目版本管理，方便團(tuán)隊(duì)協(xié)作，并且會(huì)記錄實(shí)現(xiàn)過程中所有文件的增刪改等記錄，離線工作，速度快、靈活，任意兩個(gè)開發(fā)者之間可以很容易的解決沖突。版本控制系統(tǒng)也是業(yè)界常用的工具，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中了解使用，以后去企業(yè)就業(yè)就可以更快上手。

2.4 運(yùn)行階段

運(yùn)行階段通常采用答辯的方式，每個(gè)團(tuán)隊(duì)需演示系統(tǒng)，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行四個(gè)階段的工作匯報(bào)，接受教師和同學(xué)的提問，總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)的收獲和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)?？己顺煽儼ㄏ到y(tǒng)演示1/3，講解匯報(bào)與回答問題1/3，文檔1/3。最終團(tuán)隊(duì)需要提交一份課程設(shè)計(jì)的完整文檔（包括各階段），系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的源碼和配置文件、數(shù)據(jù)文件等。

3 結(jié)束

課程教學(xué)改革后，主要有3個(gè)方面的變化：增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)于項(xiàng)目管理和工程思想的意識(shí)。團(tuán)隊(duì)協(xié)作的方式，既讓學(xué)校保持了良好的實(shí)踐作風(fēng)，又增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和精神。通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和工程的貫穿，將課程知識(shí)點(diǎn)形成有機(jī)整體。

總之，CDIO工程教育符合我國教育行業(yè)信息化發(fā)展的大趨勢(shì)，為教育行業(yè)信息化革新注入了新活力。為了培養(yǎng)適應(yīng)軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，我們要不斷的踐行以CDIO理念為核心的教育教學(xué)改革。