建構主義視角下軟件體系結構課程教學改革研究

摘要：針對軟件體系結構課程教學中理論與實踐脫節的問題，文章基于建構主義學習理論，提出了一種以學生為主體的教學設計。該設計以軟件體系結構發展歷史為線索，引導學生在真實的歷史情境中建構知識，并通過實際案例分析培養學生的軟件工程思維和解決復雜問題的能力。實踐結果表明，該教學改革有效提升了學生的專業技能和學習興趣，為軟件體系結構課程教學提供了新的思路。

關鍵詞：建構主義；軟件體系結構；教學改革；案例分析；主動學習

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）16-0163-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著物聯網和人工智能技術快速發展，軟件系統規模和復雜性急劇上升，使得軟件質量和可靠性成為項目成功關鍵。軟件體系結構作為確保這些關鍵屬性的核心技術，其重要性日益凸顯，成為軟件工程研究和實踐的重點，同時也是軟件工程師必備的專業技能。

20世紀90年代，卡耐基梅隆大學率先開設了軟件體系結構課程[1]。2006年，根據教育部的指導規范，該課程被列為我國計算機科學與技術（軟件工程方向） 本科教育的核心內容之一[2]。此后，國內多所高校相繼將其納入軟件工程專業教學計劃。此課程旨在讓學生掌握軟件架構的基本概念、演化歷程、設計原則及常見風格和技術，為未來的職業生涯打下堅實基礎。

作為應用型本科院校，電子科技大學中山學院已連續多年按照規范開設軟件體系結構課程。然而，近年來的教學實踐表明，當前的授課效果未能滿足預期目標。因此，如何提高該課程的教學質量，使學生能夠更好地將理論知識轉化為實際技能，成了一個亟待解決的重要問題。

1 軟件體系結構課程特點及面臨的問題

軟件體系結構作為軟件工程專業的核心課程，具有內容抽象、理論性強及概念定義模糊等特點，這往往導致教學過程中過分強調理論而忽視實踐，同時極大削弱了學生的學習興趣。對于專業知識有限、缺乏實踐經驗的大三本科生來說，軟件體系結構的復雜和抽象概念常讓他們感到困惑，這對教學構成了挑戰。

為了提高軟件體系結構課程的教學效果，國內多所高校老師和課程組進行了教學改革的研究和實踐。針對學生很難將軟件體系結構的抽象理論和實際聯系起來的問題，典型的教學改革通過引入開源軟件等真實項目案例來輔助課程知識講解和理解[3] 。更進一步，有教師將項目案例與CDIO（Conceive、Design、Implement and Operate） 、OBE（Outcomes-Based Education） 等先進的教學理念結合，以激發學生的學習興趣，培養學生的創新思維。為了解決知識抽象的問題，一些教師精心設計了一系列小型、針對性強的實踐環節[4]。李暾、丁智國等通過在課堂教學中引入翻轉教學，以提高學生的學習積極性[5]。許多學校探索和實施了“線上+線下”混合式教學模式[6]。還有老師通過調整課程的教學內容、改變考核方式來提高課程的教學效果和教學質量[7]。這些教學改革旨在架起理論知識與實際應用之間的橋梁，有效縮小課程內容與工程實踐之間的差距。

盡管已有的教學改革取得一定成效，現有教學方式仍傾向于單向灌輸，削弱了學生在學習中的主體性和主動性，影響了他們構建知識框架和理論應用的能力。為此，本文提出基于建構主義理論的教學改革和設計，旨在促進學生的主動學習和知識內化。

2 軟件體系結構課程教學中存在問題分析

軟件體系結構一般安排在大三下學期開設，學時通常為32課時。先修課程包括程序設計基礎、面向對象程序設計等。作為軟件工程學科的重要組成部分，本課程的目標：培養學生分析和設計大型軟件系統整體結構的能力；幫助學生建立系統化理解軟件及其設計的思維框架；為學生成為優秀的軟件分析師或軟件設計師奠定堅實基礎。然而，實際情況是，真正懂得軟件體系結構的本科畢業生很少，企業很難招聘到這樣的人才。本文在最近3年對企業、畢業生以及授課教師的調查的基礎上分析發現軟件體系結構授課質量不高的原因主要有以下幾個方面。

2.1 學情分析

1） 有限的項目經驗。盡管學生在學習軟件體系結構之前已經學習程序設計相關的專業課程，并完成相應的課程設計，具備一定編程能力。但在軟件體系結構的課程教學中，絕大多數學生僅能按功能實現簡單軟件的開發，缺乏大型軟件項目的開發經驗；對軟件質量屬性的認識不足，沒有形成架構設計思維。這導致學生很難理解深入理解軟件體系結構中的基本概念和各種體系結構設計思想。

2） 顛倒的學習主體。軟件體系結構課程涵蓋了大量的抽象概念和理論等知識，具有高度的復雜性和綜合性。一方面，學生往往依賴老師的講解來掌握這些知識；另外一方面，學生感覺抽象知識難以理解，在學習過程中出現畏難情緒，不愿意主動探索和思考問題。在這種授課模式中，教師而不是學生成了學習的主體，學生呈現出自主性低、缺乏參與感的被動狀態，對課程內容不夠重視，也不愿意投入必要的時間和精力進行深入探究。這種學習過程中主體角色的顛倒，使得學生難以真正掌握課程的核心知識點。

3） 薄弱的核心能力。軟件體系結構的演進本質上是一個不斷應對和解決復雜性問題的過程。這個過程不僅要求對現有的軟件體系結構進行深入的分析和理解，還需要對現行的解決方案進行批判性的審視，并在此基礎上提出創新的改進措施，以形成新的軟件體系結構。由于學生在創新能力、批判性思維以及解決復雜問題等方面還有待提高，這不僅會影響學生對軟件體系結構發展歷史的內在邏輯與軌跡的理解，也會妨礙他們識別和掌握不同體系結構之間的本質差異及內在聯系。

4） 缺乏團隊協作。學生在團隊協作方面的經驗和技能尚顯不足，這在大學教育階段尚未得到充分的重視和發展。這種不足不僅影響了他們對軟件體系結構中關鍵概念的理解，如構件間的協作機制、相互關聯以及約束條件，而且也限制了他們在實際工作中有效溝通和協同工作的能力。

2.2 教情分析

1） 快速發展的學科領域。軟件體系結構作為一門動態發展的學科，它隨著技術的演進和用戶需求的演變而不斷進化，新的體系結構也不斷被提出。這一領域內，許多問題的解決方案往往不是唯一的，缺乏一套固定不變、普遍適用的方法論或范式。軟件質量屬性與體系結構之間的確切關系尚未明確。這將導致軟件體系結構課程教學面臨以下問題：教學內容可能很快變得過時，無法反映最新的學科進展；需要教授的知識點不斷增多；理論教學無法及時與業界工程實踐相結合；軟件體系結構教材內容不全面、適用性不強、內容更新滯后、信息量有限。

2） 繁雜抽象的課程內容。軟件體系結構是一門結合理論基礎與實踐應用的綜合學科，涵蓋了從基本概念、建模技術到“4+1”視圖模型、設計原則、體系結構風格、演化機制、評估框架、支持工具，乃至特定領域軟件體系結構等多個方面的內容。其涉及大量的概念和定義，它們之間緊密相連，多數處于較高的抽象層級。面對復雜抽象且不斷擴展的知識點，教師面臨的挑戰在于兩個方面：如何精準篩選并整合教學內容，使之既符合學科前沿發展，又能貼近實際應用需求，促進學生的學以致用；二是如何以生動、直觀的方式傳授這些高度抽象的理論知識，確保學生能夠理解和吸收并激發學習興趣。

3） 寥寥可數的經典案例。如前所述，為了提高教學效果，已有教師嘗試引入真實項目案例作為教學輔助。然而，這一創新實踐在實施過程中面臨著三個主要挑戰。首先，軟件體系結構的發展歷程相對較短，其教學案例庫還不夠成熟。現有的案例往往存在兩個極端：一些案例，比如KWIC，過于簡化，無法展示軟件體系結構在軟件開發實踐中的意義和作用；而另一些案例則過于復雜或與當前行業實踐脫節，使得學生難以在課堂學習中掌握。其次，與數據結構和算法等成熟課程相比，軟件體系結構課程在高校中的設置還處于初步探索階段，缺乏廣泛認可且具有影響力的經典教學案例和標準化的教學素材。這在一定程度上限制了教學內容的豐富性和教學的有效性。最后，軟件體系結構領域的案例時效性不足。快速發展的學科意味著，從工業界提取的案例可能很快就會過時，難以反映最新的實踐和技術趨勢。提煉具有代表性和教育價值的典型案例變得尤為困難。缺乏典型和時效的教學案例，使得學生難以形成對軟件體系結構深刻而直觀的理解。這不僅難以糾正學生對軟件體系結構形成的一些錯誤觀念或模糊認識，還影響了他們對軟件體系結構重要理論與方法的深入理解和掌握。

4） 單一的教學設計。目前的教學設計在激發學生學習興趣和促進知識應用方面存在不足。在軟件體系結構教學中，由于教學內容繁多而課時有限，教師需要高效地安排教學進度，通常過分側重理論教學。在這種情況下，教師可能會過于依賴教材和講義，課堂教學更多地采取單向講授的教學方式，向學生\"灌輸\"知識；采用以“教”為主，以“學”為輔的教學方法。這種“填鴨式”的單一教學缺乏學生參與和互動，使課堂變得枯燥，限制了學生自主探究的機會。此外，教學設計可能未能充分考慮實踐環節的重要性，導致學生難以將理論知識與實際操作相結合，影響了他們對知識的深入理解和應用能力。更重要的是，當前的教學評價體系過于依賴考試成績，而忽視了學生的綜合素質和、創新能力和實際操作能力的培養。這種單一的評價導向可能促使學生僅僅追求分數，而忽視了個人潛能的挖掘和實際應用能力的培養，進而限制了學生的全面發展。這些問題不僅阻礙了學生對軟件架構分析與設計方法形成深刻而理性的認識，還間接導致了學生學習興趣的減弱、創新能力的不足、實踐操作技能的欠缺以及團隊協作能力的不佳。長遠來看，這將對培養具備創新精神、實踐能力和團隊協作能力的軟件人才構成嚴峻挑戰。

3 基于建構主義的教學改革

通過精選項目案例融合理論與實踐可以顯著提升教學效果，但軟件體系結構課程往往因案例不足或未能充分結合知識構建與系統設計而面臨挑戰。盡管在線平臺為自主學習提供了新機會，如何有效利用這些資源解決復雜工程問題仍需進一步探索。建構主義學習理論（Constructivist Learning） 為此提供了一種解決方案，與傳統基于行為主義的單向知識灌輸教學模式不同，它強調學生在社會歷史情境中通過已有經驗和環境互動主動構建新知識，而不是被動接受信息[8]。這種理論有助于應對課程內容復雜和抽象所帶來的教學挑戰。

在建構主義指導下進行的教學改革，通過精心設計的教學活動促進學生的積極參與和互動，激發他們的好奇心和求知欲。這種方法鼓勵學生通過探索和自主發現來構建知識體系，從而提高他們的學習熱情和興趣。當新知識被有效地整合到學生的現有認知結構中時，學生能夠在實際應用中更加自如，并持續發展出新知識、創新思維和獨特見解。

在建構主義視角下，知識教學不是客觀知識符號直接灌輸到大腦的機械傳遞，而是強調個體經驗的主動建構，注重課堂教學的情境性和文化互動，倡導知識的“再合法化”作為教學評價的標準和依據[9-10]。近年來，建構主義學習理論在高等教育中受到了越來越多的關注和研究。例如，石敏等人利用知識圖譜導學工具，基于建構主義提出了一種“從應用場景深入建構知識、將知識轉化為實踐應用”的雙向推動數據結構實踐教學模式[11]。李桂萍等人也嘗試基于建構主義聯盟教學理論對軟件體系結構課程進行教學改革[12]。這些前期工作為本文提供了有益的參考。

本文基于建構主義理念，通過合理安排教學內容，并根據知識產生的歷史情境和客觀規律進行逆向設計教與學過程。教學評價將以學生知識的生成作為依據，旨在針對性地解決軟件體系結構教學中的問題。通過這些措施，本文旨在實現學科知識的系統整合、全面提升學生的綜合素質，并增強其工程實踐能力。

4 基于建構主義的教學設計和實踐

4.1 基于建構主義的軟件體系結構教學改革的實現路徑

本文針對軟件體系結構課程的特性，依托建構主義理論，提出了一套建構主義視角下的軟件體系結構教學改革方案。在這一理論框架下，軟件體系結構的教學重點在于教師角色的轉變，從知識的灌輸者轉變為引導者和促進者，引導學生主動建構知識。通過激發、引導和幫助學生在持續的學習過程中積累、構建知識，并推動這些知識的連貫性和動態演化。

在該教學改革方案的具體實施上，教學活動以客觀知識為基礎，根據知識的生成邏輯和應用場景設計教學活動，并最終以學生思維能力的提升和知識內化為評價標準。

4.1.1 合理安排教學內容

調整后的教學內容旨在讓學生深入理解軟件體系結構的基本概念，并熟練掌握業界主流的軟件體系結構，包括其在實際項目中的具體應用場景、解決方案、實施機制以及各自的優缺點。對于理論性較強且與實踐操作關聯度較低的內容，如軟件體系結構建模、描述、分析和評估等，將這些內容從課堂講授中移除，轉為課外選學模塊。同時，保留了歷史發展脈絡清晰、內在邏輯自洽的常見軟件體系結構風格，但減少了那些應用場景較少的風格（如數據流風格、事件系統） 的教學課時。此外，新增了近年來在軟件工業界流行且常用的軟件體系結構，例如RESTful架構、微服務和無服務器架構等。具體的教學內容調整前后對照見表1。

調整后的教學內容從軟件體系結構的基礎概念入手，涵蓋其定義、核心構成要素以及對軟件開發的重要意義。課程隨后分析軟件體系結構的發展趨勢和實際應用情況，并闡明其與軟件質量屬性之間的典型聯系。課程的核心部分詳細介紹了業界廣泛采用的八種軟件體系結構，包括每種體系結構的發展歷史、設計初衷、解決的問題、提供的解決方案，以及它們的優勢、局限性和面臨的挑戰。

對軟件體系結構建模、描述、分析和評估等課外選學模塊，通過在線學習平臺提供豐富的學習資料和視頻教程，鼓勵學生根據自身興趣和發展需求進行自主學習。這些內容不納入課程考核要求。

4.1.2 基于知識發展脈絡設計教學

為了避免建構主義教學模式中潛在的經驗主義陷阱——即學生僅依賴個人經驗和現有知識進行隨意的知識構建，授課教師要做好教學設計。教師不應僅僅是旁觀者，而是知識的導航者與學習過程的精心設計者，通過科學合理的規劃與引導，確保學生的學習活動既富有意義又導向明確。

例如，在講授微服務架構時，可以圍繞其起源、解決的問題、核心特點以及實際設計方法來構建知識生成過程。教學過程可以分為以下幾個階段。

1） 傳統架構局限性：首先回顧單體架構的優點和局限性，如開發簡單但擴展困難、靈活性差等。通過小組討論或個人思考，總結單體架構在大型系統中的缺陷。

2） 微服務架構背景：通過案例分析（如Netflix或Amazon） ，探討微服務如何解決傳統架構中的具體問題，并討論這些問題為何隨著系統規模擴大而加劇。

3） 核心概念與原則：講解微服務的核心特點，如獨立部署、自治性、標準接口通信等。通過小組合作設計一個簡單的微服務應用，讓學生定義服務邊界、接口和數據存儲，反思如何避免過度耦合。

4） 挑戰與設計權衡：分析具體案例中的微服務實施挑戰，如數據一致性、服務間通信等。討論微服務架構的實踐挑戰，包括通信延遲、分布式事務復雜性和運維管理困難。

5） 總結與反思：回顧微服務架構的歷史發展，總結其適用場景，如大規模分布式系統。討論未來技術進展（如服務網格、無服務器架構） 對微服務架構的影響。

在學習過程中，教師鼓勵學生以個體經驗和已有知識，積極參與學習活動；模擬并體驗知識的生成過程，包括邏輯推演、方法選擇和思維挑戰。并通過反省，與知識進行深度的互動和對話，從而實現知識的抽象、內化和理解。

通過這種教學設計，教師實際上是從知識的原點出發，向下延伸，搭建起知識與學生之間的橋梁；而學生則從自身的經驗和認知出發，向上探索，與知識進行深度的互動和對話。這種雙向的、互動的教學過程，有效地促進了學生個體經驗和知識的累積、轉化和發展，使得新知識得以在學生原有認知結構中生根發芽，實現知識與個人經驗的深度融合與雙向建構。

4.1.3 以學生知識產生作為教學評價依據

在建構主義中，“知識產生”意味著學習者在學習過程中通過主動思考、反思和與他人互動，結合自身經驗與情境來逐步建構新的知識框架。這一過程是持續的、動態的，并且總是伴隨著個人對問題的不斷探索和調整。通過這一過程，知識不僅僅是記憶的結果，而是學習者在互動、合作、實踐和反思中不斷重構和深化的個人理解。

評估學生的知識產生（即其主動建構知識的過程） 是一個多維度的過程，應該關注學生在知識獲取、理解、應用、反思以及合作中的表現。為了更清晰和具體地評估學生的知識產生過程，可以根據以下幾個關鍵指標進行評價。

上述的權重可以進行調整。不同評價指標的評價方法，可以通過定期反饋和自我評估；課堂表現、作業成績、團隊項目課堂展示等完成。除了老師的評估，也可以讓同學互評。通過該評價體系，可以全面、客觀地評估學生在知識產生過程中的表現，既能關注學生的主動性與獨立思考能力，又能評估其在合作、反思、應用中的能力。

4.2 基于建構主義的軟件體系結構教學改革的實踐

本小節將依據之前提到的實施路徑和教學策略，以分層軟件體系結構為案例，詳盡闡述基于建構主義理念的軟件體系結構教學改革的具體實施過程。

分層軟件體系結構的教學目標是培養學生具備分析與解決復雜問題、模塊化與解耦合、系統設計與架構、邏輯思維與抽象以及團隊協作與溝通等關鍵素養。這些素養的培養需要通過對分層軟件體系結構的定義、特點、優勢和應用場景等知識的學習。分層軟件體系結構并非孤立產生，而是在特定的歷史背景下，為解決軟件開發過程中的問題而逐漸形成的。本文提出的教學改革可以分為以下幾個步驟。

1） 歷史情境重建：在層次體系結構課堂教學的前兩周，為學生提供關于層次結構歷史情境構建的資料。根據學生的意愿和教師的協調，學生將被分組，每組不超過6人，分別負責資料收集、編碼、制作報告等任務。分組完成后，將通知小組閱讀資料，并通過項目實例的維護和擴展工作來構建層次軟件體系結構出現的歷史情境。在這個過程中，學生將根據在線教學平臺上的資料，閱讀背景材料、查閱文獻，并通過組內討論和匯報的形式，理解并掌握層次軟件體系結構出現的大型機歷史背景。

2） 提出問題：為不同的小組設置不同的桌面版學生信息管理系統維護或擴展任務，讓學生在一周內完成這些任務。指導學生撰寫遇到的問題分析報告，并提出“為什么單一程序結構在大型軟件開發中會遭遇難以維護和擴展的困境？”的問題。

3） 討論問題的解決方案：組織小組對第2步提出的問題進行思考和討論。在教師的指導下，基于學生已學的編程基礎、網絡協議等知識，特別是已有的解決復雜問題的分而治之的思維，根據項目實例的維護和擴展中產生的問題的根源，討論可能的解決方案。

4） 對解決問題的可能方案進行分析和討論：對可能的解決方案進行分析和對比，確定每種解決方案的優缺點，并最終確定解決第二步提出問題的解決方案。然后，引導學生進一步思考該解決方案可能帶來的新問題。例如，為了解決難以維護和擴展的問題，一般的合理解決方案是將復雜的軟件系統劃分成不同的構件。但是，構件劃分后，應以何種形式進行組織？或者在圖形化界面的情況下，信息管理系統應該如何劃分和組織？這是新的問題，需要學生回到第二步，對新出現的問題進行進一步的研究。

5） 課堂教學：基于分組討論的成果進行課堂討論和交流，這是建構主義教學方法的核心環節。每個小組將在課堂上展示他們在歷史情境中如何解決軟件開發遇到的問題，并提出相應的解決方案，以及他們最終形成的層次軟件體系結構知識。所有小組發言結束后，在教師的主持和引導下，學生們將對其他小組的所有成員進行提問、交流，并對小組和組內成員打分，投票選出表現最佳的小組。

6） 反思總結：教師將引導各小組進行深入的反思。反思的內容包括對所學層次軟件體系結構知識的歸納和抽象，并通過引入新的歷史背景和問題，激發學生進一步設計和創新軟件體系結構的熱情。例如，在層次軟件體系結構出現之后，計算機網絡技術的進步使得軟件不再局限于單一計算機運行，而是可以部署在多臺機器上。基于典型的三層架構，教師可以指導學生思考如何對軟件進行合理拆分，以便在性能強但數量少的服務器與性能相對較弱但數量多的PC機上運行，從而引出客戶機-服務器軟件體系結構，以及胖客戶機、胖服務器等不同的實現策略。根據知識點的不同，教學設計是一個動態調整的過程。例如，對于客戶機-服務器軟件體系結構，課程教學可以采用不同于層次軟件體系結構中的翻轉課堂，而可以設計成采用探究式學習和合作學習的方式來完成。

隨后，隨著萬維網（World Wide Web） 的興起，教師可以探討如何將靜態網頁轉變為更受歡迎的動態網頁。在動態網頁的發展過程中，教師應當探討各種技術實現方式，并分析它們的優缺點。特別是在頁面與業務邏輯混合編碼所帶來的問題方面，只有通過分離才能解決這些問題，這時就可以引入MVC（Model-View-Controller） 軟件體系結構作為解決方案。因此，在基于建構主義的軟件體系結構教學中，反思環節至關重要，它能幫助學生構建和鞏固已學的知識，并引導學生進一步學習新知識。

對層次軟件體系結構知識生成的評價，依據4.1.3小節提出關鍵評價指標及權重，主要涵蓋以下幾個方面：問題分析與討論階段，各小組對項目實例進行的維護和擴展的完成情況；在“主題討論”“群聊”中形成的記錄，屬于主動學習與探索，占比15%。在知識構建過程中形成的文檔，在課堂教學中的答辯投票和打分情況；從在線教學平臺習題庫中隨機抽取針對層次軟件體系結構的小測驗的評分以及期末考試相應部分，屬于知識點的掌握，占比30%。反思總結階段形成的文檔，占比10%。團隊中協作完成項目、報告的情況，占比15%。有關層次軟件體系結構的綜合大作業，屬于應用知識能力，占比30%。由此，最終形成小組學生在該知識點上的成績。

5 結束語

本文針對軟件體系結構課程教學中存在的問題，基于建構主義理論，提出并實踐了一種以學生為主體的教學改革方案。該方案通過重建歷史情境、引導學生主動探究和合作學習，旨在提升學生的學習興趣、專業技能和解決問題的能力." 初步實踐結果顯示，學生的學習主動性、知識理解程度和團隊協作能力均有所提升。根據學期末的調查問卷顯示：有78.3%的學生覺得軟件體系結構的知識是具體且有用的，愿意投入時間和精力參與教學中。期末考試成績也顯示，與往屆學生相比，平均成績提高了14.7%。

然而，由于本次教學改革的實踐時間和樣本數量有限，其長期有效性仍需進一步驗證。未來研究將擴大實踐范圍，追蹤學生學習的長期效果，并探索更精細化的教學設計和評價方法，以期不斷完善基于建構主義的軟件體系結構課程教學模式。

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【通聯編輯：王 力】