融合開源軟件思想與實(shí)例的軟件工程課程教學(xué)研究

黃浩煒，姚 衛(wèi)，張 錦

（長沙理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

0 引言

當(dāng)前，軟件發(fā)展的趨勢(shì)已轉(zhuǎn)變?yōu)椤败浖x一切，軟件無處不在”，軟件成為現(xiàn)代文明的新載體之一。因此，為軟件行業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才變得尤為關(guān)鍵，已然成為我國高等教育的一項(xiàng)重要任務(wù)。軟件工程是高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)教育中的一門重要學(xué)科，涉及程序設(shè)計(jì)語言、數(shù)據(jù)庫、軟件開發(fā)工具、系統(tǒng)平臺(tái)、設(shè)計(jì)模式等多個(gè)方面。學(xué)生通過軟件工程課程的學(xué)習(xí)，可以掌握軟件設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)和方法，理解軟件開發(fā)全過程，在實(shí)際軟件開發(fā)中提高開發(fā)效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)軟件工程教學(xué)主要通過課堂授課、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和項(xiàng)目作業(yè)相結(jié)合的方式進(jìn)行，幫助學(xué)生建立對(duì)軟件工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)。然而，這種傳統(tǒng)教學(xué)方法在當(dāng)前軟件研究和開發(fā)迅速變化的關(guān)鍵時(shí)期存在一定局限性，可能無法充分培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于開源軟件的理解和認(rèn)識(shí)、協(xié)同綜合能力和創(chuàng)新思維。因此，當(dāng)前軟件工程教學(xué)也應(yīng)考慮引入更多與時(shí)俱進(jìn)的教學(xué)方法和開源軟件實(shí)踐，更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)能力。

長沙理工大學(xué)軟件工程概論課程教學(xué)著重引入開源軟件思想，并將開源軟件實(shí)例貫穿于軟件工程課程教學(xué)全過程，同時(shí)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)學(xué)生軟件需求分析的真實(shí)能力。課程內(nèi)容主要包括開源軟件思想的基本概念，如開放源代碼、自由使用、自由修改、共享知識(shí)等，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)并使用一些常見的開源工具和平臺(tái)，如Git 版本控制系統(tǒng)、GitHub 等，幫助學(xué)生了解開源項(xiàng)目的管理和協(xié)作；在課程中引入由國防科技大學(xué)開發(fā)的“空巢老人看護(hù)”系統(tǒng)ElderCarer 開源項(xiàng)目并將其作為案例，將整個(gè)案例貫穿于需求分析、軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)等各階段的理論學(xué)習(xí)，讓學(xué)生從項(xiàng)目需求分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)到測(cè)試各階段都能全面深入地理解軟件工程；在軟件需求分析部分的學(xué)習(xí)過程中，引入面向互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院的真實(shí)需求分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，多方位培養(yǎng)學(xué)生需求分析能力，取得了較好的教學(xué)效果。

總體而言，通過貫穿整個(gè)軟件工程概論課程的開源軟件思想和實(shí)例，讓學(xué)生從傳統(tǒng)的理論教學(xué)中解放出來，讓他們能夠通過參與開源項(xiàng)目培養(yǎng)實(shí)踐能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新思維，為將來從事軟件工程領(lǐng)域相關(guān)實(shí)踐和研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 相關(guān)工作

軟件工程教學(xué)的核心是將理論授課與項(xiàng)目實(shí)踐有機(jī)統(tǒng)一起來，幫助學(xué)生建立軟件工程領(lǐng)域的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。當(dāng)前應(yīng)用得較為廣泛的教學(xué)方式是運(yùn)用分組實(shí)踐、實(shí)際項(xiàng)目支撐、開源軟件支持和智能化教學(xué)輔助等多種方式，并取了很好的教學(xué)成效。毛新軍等［1-2］聚焦軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)，以面向?qū)ο筌浖こ碳夹g(shù)為基礎(chǔ)，利用開源軟件和開源社區(qū)中的軟件開發(fā)知識(shí)著重介紹基于群智的軟件工程實(shí)踐教學(xué)理念；王靜等［3］、李保環(huán)等［4］基于新工科背景下的軟件工程案例教學(xué)模式，將學(xué)生置于實(shí)際項(xiàng)目場(chǎng)景中，采用基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)方法，促進(jìn)學(xué)生夯實(shí)理論基礎(chǔ)并提升實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)行業(yè)趨勢(shì)和學(xué)生的實(shí)際需求；張帥［5］將大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)充分融入軟件工程教學(xué)，提升學(xué)生的分析能力和工程實(shí)踐能力，著力培養(yǎng)高層次的軟件人才；楊波等［6］將軟件工程理論與人工智能實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過分析研究現(xiàn)狀并介紹實(shí)驗(yàn)案例，提高軟件工程課程的總體教學(xué)質(zhì)量；周張泉等［7］、張翼飛等［8］、張睿等［9］、崔穎安等［10］嘗試使用不同的教學(xué)方法以提升軟件工程課程教學(xué)質(zhì)量，如三階段試誤法、漸進(jìn)式PBL 教學(xué)法、“互鎖式”教學(xué)模式、基于CDIO 等新的教學(xué)探索；劉力［11］提出一種基于項(xiàng)目組和案例的軟件工程教學(xué)模式，并通過問卷調(diào)查驗(yàn)證教學(xué)效果；王方麗等［12］、白曉穎等［13］則更加關(guān)注軟件工程領(lǐng)域具體技術(shù)上的教學(xué)探索，結(jié)合具體實(shí)踐項(xiàng)目加深學(xué)生對(duì)UML 建模技術(shù)和面向?qū)ο箝_發(fā)理論的掌握，著重強(qiáng)調(diào)敏捷開發(fā)模式，基于真實(shí)項(xiàng)目持續(xù)跟蹤反饋和指導(dǎo)評(píng)估，著重夯實(shí)學(xué)生軟件工程中的項(xiàng)目開發(fā)能力。

以上方法是當(dāng)前主流的軟件工程課程教學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合的先進(jìn)教學(xué)方法，在教學(xué)中取得了較好成效。為進(jìn)一步突出新時(shí)代軟件工程教育的特點(diǎn)，順應(yīng)不斷變化的軟件開發(fā)模式和要求，本文結(jié)合學(xué)生專業(yè)背景并基于長沙理工大學(xué)教學(xué)實(shí)踐，引入融合開源軟件思想和實(shí)例的軟件工程概論課程教學(xué)方法，采用針對(duì)需求分析階段的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提升學(xué)生軟件工程領(lǐng)域綜合能力。

2 開源軟件思想

2.1 強(qiáng)化培養(yǎng)開源軟件思想

20 世紀(jì)80 年代，美國麻省理工大學(xué)的Richard Stallman 創(chuàng)建了自由軟件基金會(huì)［14］，從此在全球范圍內(nèi)掀起自由軟件運(yùn)動(dòng)。跨入21 世紀(jì)以來，開源軟件繼續(xù)蓬勃發(fā)展，越來越多大型科技公司設(shè)計(jì)的開源軟件廣泛應(yīng)用于人工智能［15］、大數(shù)據(jù)［16］、云計(jì)算［17］等領(lǐng)域，各類開源項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)。當(dāng)今，開源軟件已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)和軟件工程領(lǐng)域的主流，在全球范圍內(nèi)得到支持和貢獻(xiàn)。同時(shí)，開源軟件的生態(tài)系統(tǒng)不斷壯大，吸引了更多開發(fā)者參與其中。長沙理工大學(xué)軟件工程概論課程教學(xué)著重引導(dǎo)學(xué)生深刻理解開源軟件思想并注重開源軟件能力培養(yǎng)，增設(shè)“群體化軟件開發(fā)”專題講授，為學(xué)生深入講解當(dāng)前主流的開源軟件，如Ubuntu、Eclipse、Kubernetes、MySQL 等，幫助學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)“幾乎你想到的重要軟件都可以找到開源軟件的對(duì)應(yīng)物”，將開源軟件思想貫穿于軟件工程概論課程教學(xué)過程并根植于學(xué)生心中。

2.2 助力形成開源軟件能力

開源軟件開發(fā)是依托互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)吸引、匯聚、組織和管理互聯(lián)網(wǎng)上的大規(guī)模軟件開發(fā)人員，通過競(jìng)爭(zhēng)、合作、協(xié)商等多種自主協(xié)同方式，讓他們參與軟件開發(fā)、分享軟件開發(fā)知識(shí)和成果、貢獻(xiàn)智慧和力量的一種新穎軟件開發(fā)方法。在課程實(shí)踐過程中，從自主選擇目標(biāo)軟件、閱讀文檔和獲取源代碼、編譯安裝與運(yùn)行、參與社區(qū)交流并貢獻(xiàn)代碼和持續(xù)學(xué)習(xí)與經(jīng)驗(yàn)分享等多個(gè)方面幫助學(xué)生了解開源項(xiàng)目的管理和協(xié)作方式，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行開源軟件實(shí)踐從而逐步形成開源軟件能力。

（1）自主選擇目標(biāo)軟件。該課程指導(dǎo)學(xué)生從知名的代碼托管平臺(tái)如GitHub、GitLab、Bitbucket 或開源社區(qū)Apache、Mozilla、GNU 中瀏覽項(xiàng)目列表，學(xué)生根據(jù)知識(shí)背景和自身興趣選擇合適的開源軟件項(xiàng)目。

（2）閱讀文檔和獲取源代碼。選擇目標(biāo)開源軟件項(xiàng)目后，學(xué)生需要通過閱讀項(xiàng)目的描述、安裝說明、下載說明、使用方法等文檔，學(xué)會(huì)如何獲取該項(xiàng)目的源代碼，例如，可以通過代碼托管平臺(tái)上的“Clone”或“Download”按鈕獲取代碼。

（3）編譯安裝與運(yùn)行。學(xué)生需要按照項(xiàng)目文檔中提供的指引進(jìn)行編譯和安裝，使開源軟件能夠在本地環(huán)境中正常運(yùn)行，通過運(yùn)行在本地的示例代碼，學(xué)生可以進(jìn)一步了解軟件的基本用法。

（4）參與社區(qū)交流并貢獻(xiàn)代碼。開源軟件社區(qū)對(duì)于學(xué)習(xí)和提高技能至關(guān)重要。學(xué)生通過課程實(shí)踐學(xué)會(huì)如何加入郵件列表、論壇或聊天室，與其他開發(fā)者交流經(jīng)驗(yàn)、提出問題并學(xué)習(xí)其他人的見解。如果對(duì)該項(xiàng)目有深入理解還可以貢獻(xiàn)代碼，加入分支嘗試解決已知問題或增加新功能。

（5）持續(xù)學(xué)習(xí)與經(jīng)驗(yàn)分享。開源軟件是不斷演化的，學(xué)生需要持續(xù)學(xué)習(xí)并跟蹤項(xiàng)目更新，有能力的學(xué)生可以在一定范圍內(nèi)維護(hù)開源軟件并在開源社區(qū)分享解決問題的經(jīng)驗(yàn)。

學(xué)生通過以上幾個(gè)方面的實(shí)踐學(xué)習(xí)，初步了解主流開源代碼托管平臺(tái)和開源社區(qū)；掌握一定規(guī)模軟件的下載、編譯、安裝和測(cè)試等多個(gè)流程；具備一定能力的學(xué)生可以主動(dòng)參與開源社區(qū)討論并作出一定量的代碼貢獻(xiàn)，總體上幫助學(xué)生強(qiáng)化了開源軟件思想，培養(yǎng)學(xué)生開源軟件使用及開發(fā)能力。

3 開源軟件實(shí)例貫穿軟件工程教學(xué)

在軟件工程概論課程教學(xué)中引入由國防科技大學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的“空巢老人看護(hù)”軟件ElderCarer，將其實(shí)例貫穿于軟件工程教學(xué)各部分，包括需求分析、軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)和軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段。在需求分析階段的學(xué)習(xí)中引入面向互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生置身真實(shí)軟件需求分析場(chǎng)景，充分提升學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)效果。

3.1 引入開源軟件實(shí)例

“空巢老人看護(hù)”系統(tǒng)是一款將計(jì)算機(jī)軟件、自主機(jī)器人、智能手機(jī)等設(shè)備緊密結(jié)合的綜合軟件。它借助機(jī)器人對(duì)獨(dú)居老人進(jìn)行監(jiān)護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)老人出現(xiàn)的異常狀況，通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)時(shí)信息傳送到家屬或者醫(yī)生的智能手機(jī)端，同時(shí)支持老人與遠(yuǎn)端家屬進(jìn)行語音和視頻交互。這是一款具備良好結(jié)構(gòu)的開源軟件，無論從應(yīng)用背景還是實(shí)現(xiàn)方式上都比較容易理解，非常適用于軟件工程教學(xué)。通過將該實(shí)例貫穿于軟件工程課程教學(xué)全過程，有利于幫助學(xué)生更加直觀深入地理解軟件工程各階段。

3.1.1 軟件需求分析階段

通過空巢老人看護(hù)系統(tǒng)“用戶登錄”用例幫助學(xué)生理解在軟件需求分析階段如何分析和建立對(duì)象和類以及對(duì)象類之間的相互關(guān)系。一般而言，軟件需求用例描述了特定的業(yè)務(wù)邏輯，主要涉及邊界類、控制類和實(shí)體類以及它們之間的交互協(xié)同。在教學(xué)過程中引入圖1，用順序圖表示“用戶登錄”用例的交互模型，其中邊界類LoginUI 負(fù)責(zé)用戶身份驗(yàn)證，控制類LoginManager 負(fù)責(zé)處理用戶登錄請(qǐng)求，實(shí)體類UserLibrary 負(fù)責(zé)保存系統(tǒng)中所有用戶的賬號(hào)密碼信息。學(xué)生可以很好地將抽象的類與具體應(yīng)用建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，加深理解。

Fig.1 The interactive model of use case “user login”圖1 “用戶登錄”用例交互模型

3.1.2 軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)階段

通過介紹“空巢老人看護(hù)系統(tǒng)”包含的兩個(gè)子系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)包含的構(gòu)件和設(shè)計(jì)類，幫助學(xué)生理解需要確定的軟件設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)元素。通常而言，軟件設(shè)計(jì)元素按照不同粒度可劃分為構(gòu)件、子系統(tǒng)、類、屬性和方法等。“空巢老人看護(hù)系統(tǒng)”主要包含兩個(gè)子系統(tǒng)即部署在手機(jī)端的老人狀況監(jiān)控終端子系統(tǒng)和與機(jī)器人相連接的“機(jī)器人感知和控制”子系統(tǒng)。通過實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景舉例可以進(jìn)一步幫助學(xué)生理解軟件不同粒度的設(shè)計(jì)元素和各個(gè)元素的相互關(guān)系，使學(xué)生對(duì)于抽象的概念有更深刻的認(rèn)識(shí)。

3.1.3 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段

軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)要求學(xué)生根據(jù)軟件需求給出宏觀的解決方案，教學(xué)難點(diǎn)在于體系結(jié)構(gòu)的宏觀性容易使得學(xué)生的理解產(chǎn)生偏差。在這部分的學(xué)習(xí)中，該課程引入“空巢老人看護(hù)系統(tǒng)”體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2 所示。將整個(gè)軟件劃分為3 個(gè)層次，即用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和基礎(chǔ)服務(wù)層，各層次既有清晰的定義和邊界，也有對(duì)應(yīng)具體的功能，學(xué)生可以直觀地將宏觀的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)映射到具體應(yīng)用之上，學(xué)習(xí)效果優(yōu)于傳統(tǒng)的理論講授方式。

Fig.2 Software architecture of elder care system圖2 “空巢老人看護(hù)系統(tǒng)”軟件體系結(jié)構(gòu)

3.1.4 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

在軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)一步應(yīng)用上文所使用的實(shí)例即“用戶登錄”用例的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，將設(shè)計(jì)元素中的邊界類、控制類和實(shí)體類加以細(xì)化和精化，形成邏輯更為完整的順序圖，如圖3 所示。基于該過程可以幫助學(xué)生更加深刻地理解基于軟件需求到形成類圖的全過程，而且每一個(gè)階段都有具體實(shí)例和應(yīng)用場(chǎng)景幫助理解，取得較好的教學(xué)效果。

Fig.3 Sequence diagram of use case “user login”圖3 “用戶登錄”用例實(shí)現(xiàn)順序圖

在軟件工程概論課程教學(xué)實(shí)踐中，將一個(gè)開源軟件實(shí)例貫穿于整個(gè)教學(xué)實(shí)踐中，一方面突出了開源軟件的基本思想，另一方面將開源軟件開發(fā)的整個(gè)過程呈現(xiàn)在學(xué)生面前，極大加深了學(xué)生對(duì)于軟件工程實(shí)踐的全面認(rèn)識(shí)。

3.2 面向需求分析的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

在軟件開發(fā)過程中，需求分析通常是一個(gè)非常關(guān)鍵的部分，是軟件開發(fā)成功的關(guān)鍵，只有通過全面完善的軟件需求分析，才能將軟件功能和性能的總體概念描述為具體的軟件需求規(guī)格說明，奠定軟件開發(fā)基礎(chǔ)。在軟件工程課程教學(xué)過程中，學(xué)生通常缺乏大規(guī)模軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從而難以理解需求分析的重要性。因此，軟件工程概論課程引入需求分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，多方位培養(yǎng)學(xué)生需求分析能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的主要包括以下幾個(gè)方面：①在知識(shí)方面，掌握與用戶溝通獲取需求的方法及工具，通過虛仿實(shí)驗(yàn)，學(xué)生要掌握訪談等與用戶溝通獲取需求的基本方法，以及主流需求分析工具的使用；②在能力方面，能整體掌握需求分析的規(guī)范流程，通過虛仿實(shí)驗(yàn)對(duì)需求分析規(guī)范流程的模擬，引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、業(yè)務(wù)和用戶等多個(gè)視角深入理解需求分析的規(guī)范流程，包括項(xiàng)目背景調(diào)研、領(lǐng)域知識(shí)獲取、用戶溝通、需求確認(rèn)等；③在素養(yǎng)方面，鍛煉迅速獲取領(lǐng)域本質(zhì)需求的素養(yǎng)，針對(duì)特定領(lǐng)域，通過給定項(xiàng)目資料及檢索迅速熟悉該領(lǐng)域，鍛煉快速獲取該領(lǐng)域的本質(zhì)需求。

實(shí)驗(yàn)以互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院業(yè)務(wù)平臺(tái)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了完整體現(xiàn)需求分析標(biāo)準(zhǔn)流程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者逐步完成需求分析各個(gè)環(huán)節(jié)，最終完成互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院業(yè)務(wù)平臺(tái)的需求分析說明書；虛仿系統(tǒng)通過需求分析的過程質(zhì)量和結(jié)果質(zhì)量這兩個(gè)維度對(duì)實(shí)驗(yàn)者的需求分析能力進(jìn)行綜合評(píng)估，給出有針對(duì)性的需求分析能力分析報(bào)告，幫助學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)不斷提高需求分析能力。如圖4 所示，面向互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院業(yè)務(wù)平臺(tái)的需求分析，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括通用服務(wù)層、仿真層、數(shù)據(jù)層和支撐層。通用服務(wù)層主要面向用途提供各項(xiàng)管理和交流等功能；仿真層主要包括可視化模塊和仿真軟件等以提供仿真支持；數(shù)據(jù)層主要存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)、規(guī)則庫和元數(shù)據(jù)等；支撐層主要負(fù)責(zé)用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)管理、域管理等底層服務(wù)。

Fig.4 Architecture of virtual simulation experiment system圖4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)語

本文將開源軟件思想和開源實(shí)例貫穿于軟件工程概論課程教學(xué)：在理論課程中，突出開源軟件思想和群體化開發(fā)方法；在實(shí)踐教學(xué)中，引入開源軟件課程實(shí)踐，幫助學(xué)生深入理解軟件需求分析這一重要階段；同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生在開源代碼倉庫下載、編譯和測(cè)試開源軟件，幫助學(xué)生參與開源社區(qū)的貢獻(xiàn)。這樣的教學(xué)方式符合當(dāng)前軟件工程教學(xué)發(fā)展方向，相較于傳統(tǒng)軟件工程課程教學(xué)，更全面地培養(yǎng)了學(xué)生在軟件開發(fā)各階段的綜合能力，提升了軟件工程課程教學(xué)效果。

下一步，將以解決復(fù)雜工程問題能力為目標(biāo)，根據(jù)軟件工程的發(fā)展不斷挖掘適合學(xué)生學(xué)習(xí)的開源軟件項(xiàng)目，以進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。同時(shí)，嘗試引入小組討論式學(xué)習(xí)，通過對(duì)開源項(xiàng)目的貢獻(xiàn)度評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果，持續(xù)改善學(xué)生學(xué)習(xí)行為，提升課程教學(xué)效果。