《信息系統與抽象建模》教學案例

戴芳銘 高士娟 張紅玉 曹恒來

學習內容分析

信息系統是人們在社會活動中，以滿足信息需求為目標而建立的綜合系統。在開發信息系統前，需要運用抽象思維對系統的用戶需求進行分析。在需求定義過程中，由于開發人員、系統用戶對系統目標的考慮或表達不全面，常常會出現內容失實、遺漏、含糊不清和前后描述不一致等問題。UML（Unified Modeling Language，統一建模語言）是一種標準化語言，該語言使用統一、規范的圖形符號來描述系統模型，直觀、形象，便于學習和掌握。因此，使用UML對復雜的用戶需求進行建模分析，可以幫助開發人員更好地理解需求，提高需求規約的質量，減少二義性，提高一致性和可驗證性，有效推進信息系統的開發。

學習者分析

本課的學習對象是高一年級學生，他們在日常生活中已經接觸過多種信息系統，有較豐富的信息系統使用經驗，了解信息系統的基本組成及功能，同時，經過之前的學習，已經掌握了Python基礎知識，理解程序設計的三種基本控制結構。高一年級的學生思維活躍、求知欲旺盛，能夠針對問題展開探究，能夠運用一定的策略尋找解決問題的方案，并能使用編程的方法解決問題，但是對信息系統的開發過程、抽象建模解決問題的方法缺少認知。

學習目標

①理解抽象與建模的概念，能夠使用抽象的方法對信息系統進行需求分析。

②了解UML用例建模方法，掌握UML用例建模圖例，運用UML用例建模方法構建點餐系統功能模型。

③經歷信息系統抽象建模的過程，體會建模在信息系統開發過程中的作用。

教學過程

1.情境引入，發現問題

教師展示小帥同學在食堂排隊就餐的動畫，引導學生思考：①小帥點餐過程中遇到了哪些煩惱？（排隊隊伍長、人工計價慢、就餐效率低……）②如何幫助食堂提高點餐效率？（增加窗口、提前訂餐、自助點餐……）

教師小結：設計一個自助點餐系統可以提高食堂的就餐效率，提升用餐體驗。

設計意圖：傳統點餐、人工計價模式耗時費力，大多數學生都受過類似困擾。以生活中的真實問題作為情境引入，能夠引起學生共鳴，激發學習興趣，進而基于現有信息系統的使用經驗，思考解決問題的方案。

2.分析問題，識別系統需求

活動1：分析點餐系統需求。

①可以從哪些角度對點餐場景中的人員進行分類？（按性別、按年齡、按角色……）

②點餐系統中的兩類角色分別有哪些行為？（點餐人員：瀏覽菜單、點餐、提交訂單；出餐人員：查詢訂單、處理訂單）

教師小結：①在分析點餐系統需求時，可以忽略人員的性別、年齡等系統不需要的細節特征，將系統用戶按角色分成點餐、出餐兩類人員。②在解決問題的過程中，去除不相關特征，將問題簡化為更易于理解的內容的過程，稱為“抽象”。③通過抽象的方法，分析得出點餐系統的功能性需求包括瀏覽菜單、點餐、提交訂單及查詢訂單、處理訂單等。

設計意圖：信息系統中有不同角色的用戶，每種角色用戶的功能需求不同，因此需要識別不同用戶的需求。通過分析點餐場景中的人員特征及行為，可對現實問題進行簡化和抽象，并歸納出點餐系統的用戶分類和功能需求。在分析問題過程中，引導學生理解抽象的概念，并學會使用抽象的方法解決問題。

3.建立模型，描述系統需求

活動2：“你畫我猜”游戲。

請兩組學生參與游戲，每組3人。其中一人根據教師提供的詞卡內容在黑板上畫圖，另外兩人根據圖畫猜測詞卡內容。觀察游戲并思考：①對同一張詞卡，不同畫手繪制的圖是否一樣？②不同競猜者對同一幅畫的猜測是否一樣？③游戲者事先未經溝通，沒有使用統一的表達方式，出現了什么問題？

教師小結：①表達方式不統一、不規范會導致理解的偏差。因此，信息系統的需求需要采用規范化、結構化的方法描述。UML為開發人員提供了標準通用的設計語言，以圖形的方式描述系統模型。②在UML中，常用用例建模的方法來描述系統的功能性需求。用例建模方法使用“參與者”（系統的用戶）和“用例”（參與者和系統之間的交互序列）描述系統的功能性需求。③在點餐系統中，點餐人員和出餐人員就是參與者，“瀏覽菜單”是點餐人員和點餐系統間的交互，稱為“用例”。

活動3：創建點餐系統用例圖。

①分析點餐和出餐過程，識別點餐系統參與者和用例，填寫表1。

②教師介紹StarUML軟件，演示使用StarUML軟件創建點餐部分用例圖。

③學生模仿點餐用例圖的創建過程，自主創建出餐部分用例圖（如表2）。

④使用UML用例圖將之前抽象出的用戶及功能需求建立關聯，形成了點餐系統的功能模型（如圖1）。

教師小結：為了某種特定目的（如問題求解），將系統某一部分信息進行抽象而構成的系統的替代物稱為“系統模型”或“模型”。以形成模型為目的的抽象過程就是建模。

設計意圖：借助StarUML工具對點餐系統的功能需求進行建模分析，讓學生經歷信息系統建模的過程，引導學生體會建模在信息系統開發過程中的作用。

4.構建原型，驗證系統需求

活動4：完善原型，實現系統功能。

①完善點餐系統原型的點餐功能和處理訂單功能部分代碼。

②運行“自助點餐系統.py”，分析系統功能能否滿足用戶需求。

教師小結：通過編寫點餐和出餐的功能代碼，獲得了可運行的、最小化的點餐系統模型，即系統的原型。用戶可以試用原型，并評價原型是否滿足需求。

設計意圖：通過對原型點餐功能的體驗，評價原型是否滿足用戶需求，學生能夠了解快速原型模型開發信息系統的過程。

5.課堂總結

本節課在對點餐系統功能需求抽象建模的基礎上，完善了點餐系統的核心代碼，快速構建了一個點餐系統原型，并提供給用戶試用。由于種種原因，在需求分析階段得到完整、準確、合理的需求模型是很困難的，用戶要通過試用并評價原型，逐步明確各種需求。開發人員根據用戶反饋，修改系統原型直至用戶滿意，然后再開發真實系統。這就是信息系統開發的一種方法——快速原型模型（如上頁圖2）。

教學反思

本節課以“發現問題—分析需求—建立模型—構建原型”為主線，圍繞點餐系統功能需求的抽象建模展開教學。首先，從食堂就餐效率低的現實問題出發，引導學生提出提高就餐效率的可行性方案，通過討論和對比不同方案的優缺點引出自助點餐系統；其次，通過分析餐廳中人員及其行為特征，歸納出系統用戶類型及功能需求，幫助學生理解抽象解決問題的方法?！白詈?，完成點菜功能和處理訂單功能的代碼，快速構建點餐系統的原型。

需要注意的是，在活動3中，由于學生初次使用StarUML軟件，對軟件功能的不熟悉、對“用例”概念的陌生，牽制了教學邏輯向學習邏輯的轉化，導致了活動4系統原型核心代碼的完善環節時間略顯不足。

點? 評

模型是信息系統開發過程中的一個不可或缺的工具，模型并不是實體系統本身，而是根據信息系統建設的需要尋找的系統約簡物，有助于人們抓住系統核心內容。實現模型化的過程稱為建模，其主要工作就是通過抽象的方法，忽略問題的次要方面，抓取問題的主要特征，并采用適當的表現形式把它描繪出來。

抽象既是實現模型化的重要手段，也是計算學科中設計自動化工程實現的重要步驟，還是計算思維的重要組成部分。在本課教學過程中，執教教師從食堂點餐這一生活實例切入，引導學生討論點餐系統中的人員分類，發現對于點餐系統而言，人員的年齡和性別都屬于可以忽略的不相關細節，按角色將用戶分成點餐、出餐兩類人員，則是點餐系統的核心元素。這樣不僅把抽象的概念闡述得十分清楚，而且將抽象的過程展現了出來，使得學生對抽象的認知從一個較膚淺的識記層次過渡到較深入的理解層次。

建模的第二個關鍵環節則是選擇合適的工具建立模型，以描述待開發系統的功能需求。為幫助學生理解采用規范方式描述系統需求的必要性和重要性，執教教師設計了學生喜聞樂見的“你畫我猜”游戲，通過觀察和分析不同學生對同一個詞卡所作圖畫和不同競猜者對同一幅畫的猜測結果，發現由于事先沒有約定統一的描述方法，導致對同一幅圖畫的理解存在不一樣的結果。游戲活動引出統一建模語言UML，教師演示使用StarUML工具創建點餐部分用例，對學生獨立創建出餐部分用例起到了較好的范例作用。

在本節課中，學生通過解決點餐系統這個現實問題，經歷了從抽象特征到建立模型、構建原型的過程，這正是快速原型法開發信息系統的過程。以問題解決的過程構建教學邏輯主線，抽象與建模、模型與原型等知識就不是孤立的，而是通過邏輯主線前后聯系起來，互相蘊含、自然推演、逐步建構，并深深地銘刻于學生大腦之中，較好地體現了“用中學”“做中學”的課程理念。

（點評人：江蘇省鹽城市教育科學研究院信息技術教研員 曹恒來）