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基于CDIO工程教育理念的軟件工程實踐教學(xué)改革
基于CDIO工程教育理念的軟件工程實踐教學(xué)改革
盧瑩，莊麗華
（常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164）
摘要：本文分析了軟件工程實踐教學(xué)的現(xiàn)狀及亟待解決的問題，介紹了基于CDIO工程教育理念的軟件工程實踐教學(xué)體系的改進(jìn)思路，提出了從基礎(chǔ)實驗到綜合實踐逐步過渡的軟件工程實踐教學(xué)二級模型。學(xué)生通過軟件工程綜合實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，鞏固了軟件開發(fā)技能，提高了綜合分析問題能力，獲得了軟件開發(fā)經(jīng)歷，培養(yǎng)了團(tuán)隊協(xié)作意識。
關(guān)鍵詞：CDIO工程教育；軟件工程；綜合實踐教學(xué)；二級模型
基金項目：常州大學(xué)教育教學(xué)研究基金項目（GJY11020019）
作者簡介：盧瑩（1962-），女，河南焦作人，碩士研究生，副研究員，研究方向：軟件工程與數(shù)據(jù)庫技術(shù)；莊麗華（1972-），女，江蘇常州人，碩士研究生，講師，研究方向：信息處理與數(shù)據(jù)庫技術(shù)。
軟件工程是一門伴隨軟件危機(jī)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的課程，軟件工程課程的主旨在于學(xué)生能夠運(yùn)用軟件工程的原理、方法和工具開發(fā)計算機(jī)應(yīng)用軟件。理論與實踐并重是軟件工程教學(xué)的基本特點，軟件工程實踐教學(xué)更直接影響學(xué)生的軟件開發(fā)能力。
軟件工程課程內(nèi)容覆蓋面較寬，與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理、程序設(shè)計語言、算法設(shè)計與分析等課程內(nèi)容交織，為了實現(xiàn)相關(guān)課程之間內(nèi)容的貫通、拓展學(xué)生的學(xué)科知識、提高學(xué)生綜合分析和解決問題的能力，我們將專題學(xué)習(xí)（Project-Based Learning）[1]、任務(wù)學(xué)習(xí)（Task-Based Learning）[2] 和基于問題的學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning）[3，4] 等教學(xué)方法引入課程教學(xué)中，突出軟件工程課程的綜合性、實踐性特色。
在軟件工程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，我們從CDIO工程教育模式得到啟發(fā)，結(jié)合軟件工程課程特點，對軟件工程實踐教學(xué)體系進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)，實現(xiàn)了從基礎(chǔ)實驗到綜合實踐的逐步過渡和合理銜接。
本文針對軟件工程實踐教學(xué)中存在的問題，給出了實踐教學(xué)體系和內(nèi)容的改進(jìn)思路，討論了綜合實踐教學(xué)的實施細(xì)節(jié)。
一、軟件工程實踐教學(xué)體系的改進(jìn)思路
我校軟件工程課程組從CDIO工程教育模式出發(fā)，根據(jù)軟件工程課程特點和教學(xué)內(nèi)容，對軟件工程實踐教學(xué)體系進(jìn)行了改進(jìn)，采取分層次、分步驟的方式安排實踐教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生在軟件開發(fā)技能、綜合分析問題能力、軟件系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)歷、團(tuán)隊協(xié)作意識等方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練。
CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的成果，包括構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四個環(huán)節(jié)[5]。CDIO提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)教學(xué)大綱，內(nèi)容涵蓋了學(xué)生對理論知識的掌握程度、個人素質(zhì)和發(fā)展能力、與人協(xié)作交流能力以及大系統(tǒng)適應(yīng)和調(diào)控能力等多個方面；強(qiáng)調(diào)以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[6]。CDIO認(rèn)為工科學(xué)生的能力應(yīng)該體現(xiàn)在工程基礎(chǔ)知識能力、個人職業(yè)技能、團(tuán)隊協(xié)作能力和工程系統(tǒng)開發(fā)能力四個層面[7]。軟件工程課程的培養(yǎng)目標(biāo)是，學(xué)生掌握現(xiàn)代軟件開發(fā)理論和準(zhǔn)則，具備對軟件行業(yè)和軟件項目的理解與掌控能力，擁有根據(jù)軟件需求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的能力，并且在軟件開發(fā)團(tuán)隊中能夠進(jìn)行良好的團(tuán)隊協(xié)作和人際溝通[8]。軟件工程課程的特點和培養(yǎng)目標(biāo)與CDIO工程教育理念不謀而合。CDIO的12條標(biāo)準(zhǔn)為工程教育改革提供了具體化的、可操作、可測量的模板[9]。我們以此為依據(jù)并結(jié)合軟件工程課程的教學(xué)特點，對軟件工程實踐教學(xué)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、實施細(xì)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)。CDIO倡導(dǎo)主動學(xué)習(xí)，即教學(xué)活動中學(xué)生能夠基于自己的思考和實踐解決問題。我們提出了一種主動式、知識探究型的教學(xué)模式———問題式教學(xué)模式。問題式教學(xué)模式關(guān)注實踐教學(xué)活動中的問題設(shè)計，教師根據(jù)課程特點、設(shè)計富有挑戰(zhàn)性的非良構(gòu)問題；學(xué)生以學(xué)習(xí)團(tuán)隊的形式參與問題式教學(xué)活動，通過解決緊密聯(lián)系實際的非良構(gòu)問題來探究問題背后隱含的學(xué)科概念和原理，拓展專業(yè)知識，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作意識[10]。
CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)在教學(xué)活動中將學(xué)科概念和學(xué)生能力逐步整合，學(xué)生在工程實踐過程中掌握知識、提高工程項目分析設(shè)計和實施能力。據(jù)此，我們將軟件工程實踐教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實驗和綜合實踐兩個相對獨(dú)立的環(huán)節(jié)�；A(chǔ)實驗與軟件工程理論教學(xué)同步進(jìn)行，重點訓(xùn)練學(xué)生對軟件生命周期組成階段的理解、對系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計工具的掌握。綜合實踐部分以實訓(xùn)課程的形式單獨(dú)開課，教學(xué)內(nèi)容涵蓋軟件工程、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理等多門軟件類課程，重點培養(yǎng)學(xué)生的軟件開發(fā)能力和團(tuán)隊協(xié)作意識。
二、軟件工程實踐教學(xué)二級模型
從學(xué)生運(yùn)用軟件工程基礎(chǔ)知識的能力、系統(tǒng)化的個人職業(yè)技能訓(xùn)練、軟件項目的開發(fā)能力和團(tuán)隊協(xié)作能力四個層面出發(fā)，將軟件工程實踐教學(xué)劃分為基礎(chǔ)實驗和綜合實踐兩級，圖1所示的軟件工程實踐教學(xué)二級模型概括了軟件工程實踐教學(xué)體系的框架和內(nèi)容。
基礎(chǔ)實驗?zāi)K融合在軟件工程課程教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生對軟件工程原理的理解、軟件開發(fā)技能和工具的掌握。
軟件工程綜合實踐模塊內(nèi)容涵蓋軟件項目開發(fā)的完整過程，以軟件實訓(xùn)課程的形式獨(dú)立開設(shè)，側(cè)重學(xué)生軟件項目開發(fā)能力和團(tuán)隊協(xié)作意識的培養(yǎng)。綜合實踐模塊依托軟件工程基礎(chǔ)實驗和其他相關(guān)的軟硬件支撐資源，是軟件工程基礎(chǔ)實驗的延伸和擴(kuò)展。
1.基礎(chǔ)實驗?zāi)K。軟件工程基礎(chǔ)實驗?zāi)K涉及軟件生命周期的四個主要階段，內(nèi)容包括需求分析模型及建模工具、軟件結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)過程中所需的算法邏輯設(shè)計、與軟件單元測試和集成測試相關(guān)的測試用例設(shè)計等。基礎(chǔ)實驗的主要目的在于學(xué)生領(lǐng)會軟件工程基本理論和準(zhǔn)則、掌握軟件工程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)習(xí)使用軟件開發(fā)工具�；A(chǔ)實驗內(nèi)容偏重于設(shè)計型，具備一定的靈活性；但實驗形式屬于驗證型，是課堂教學(xué)中案例教學(xué)法的延伸和應(yīng)用。教師通過教學(xué)案例闡述如何運(yùn)用軟件工程理論、技能和工具，學(xué)生在實驗過程中模擬解決與教學(xué)案例類似的軟件問題，以實踐的方式體會和鞏固軟件工程知識。
2.綜合實踐模塊。軟件工程綜合實踐環(huán)節(jié)主要從培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作環(huán)境下的軟件項目研發(fā)能力出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生使用主流的軟件開發(fā)技能和工具，獲得較真實的軟件項目開發(fā)經(jīng)驗。學(xué)生在軟件工程基礎(chǔ)實驗階段所掌握的軟件開發(fā)技能和工具應(yīng)用能力以及其他相關(guān)軟件類課程的知識，是完成綜合實踐任務(wù)的前提。
3.綜合實踐模塊包括五部分內(nèi)容。軟件定義階段，要求學(xué)生通過一系列調(diào)研活動對系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，根據(jù)個人特長和軟件項目開發(fā)的需要合理組織項目開發(fā)團(tuán)隊并進(jìn)行工作分工，按照軟件工程規(guī)范制訂項目開發(fā)計劃。
具體的軟件項目開發(fā)工作集中在系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)三個階段完成。系統(tǒng)分析階段主要解決軟件項目“做什么”的問題，并以功能模型、數(shù)據(jù)模型和動態(tài)模型的形式表達(dá)分析結(jié)果�！叭绾巫觥钡膯栴}將在系統(tǒng)設(shè)計階段解決，包括實現(xiàn)系統(tǒng)功能的物理方案、數(shù)據(jù)庫實施方案等內(nèi)容。系統(tǒng)實現(xiàn)就是通常意義上的編程階段，包括編程環(huán)境的配置、編寫代碼、進(jìn)行軟件測試和系統(tǒng)集成等工作。
評價考核階段既是對學(xué)生綜合實踐成果的檢驗，也是對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的反思，是一個再提高的過程。
三、軟件工程綜合實踐教學(xué)的實施細(xì)節(jié)
軟件工程基礎(chǔ)實驗的內(nèi)容和形式已經(jīng)非常成熟，我們對軟件工程實踐教學(xué)體系進(jìn)行改革的重點是綜合實踐教學(xué)。
軟件工程綜合實踐教學(xué)融合了計算機(jī)專業(yè)多門軟件類課程的內(nèi)容，并與軟件開發(fā)的新技術(shù)新工具緊密結(jié)合，是一項系統(tǒng)化的教學(xué)實踐活動。在具體的實踐教學(xué)實施過程中，教師提供的綜合實踐題目、學(xué)生組成的項目開發(fā)團(tuán)隊以及實踐教學(xué)的評價考核方式都是影響實踐教學(xué)質(zhì)量的重要因素。
1.綜合實踐題目的特點。在軟件工程綜合實踐環(huán)節(jié)，教師要為學(xué)生提供實踐題目，即需要學(xué)生完成的軟件開發(fā)項目。實踐題目要兼顧普適性與創(chuàng)新性兩個方面。所謂普適性即實踐題目要具備明確的可操作性，學(xué)生通過綜合實踐活動能夠體驗軟件項目開發(fā)的基本規(guī)范，經(jīng)歷軟件開發(fā)的完整過程。因此，教師提供的綜合實踐題目應(yīng)該與現(xiàn)實環(huán)境中的實際需求緊密相連，便于學(xué)生建立感性認(rèn)識。普適性還體現(xiàn)在不同實踐題目的核心知識需求基本相同，但要保證應(yīng)用背景不同，以保證學(xué)生獲得軟件開發(fā)基本技能方面的完整訓(xùn)練。綜合實踐題目的創(chuàng)新性是指，對已經(jīng)滿足普適性要求的實踐題目進(jìn)行適當(dāng)?shù)男枨髷U(kuò)展和功能延伸，并保留一定的不確定性和疑點，即保持適度的非良構(gòu)性，留給學(xué)生思考的空間。這樣可以在軟件開發(fā)技能方面引導(dǎo)學(xué)生溫故知新、舉一反三，也就是說，學(xué)生需要在問題的牽引下去適當(dāng)學(xué)習(xí)專業(yè)以外的知識、搜集提煉信息、補(bǔ)充項目本身缺失的條件，最終制訂可行的軟件項目實現(xiàn)方案并解決軟件實施問題。
2.軟件項目開發(fā)團(tuán)隊的組建。軟件工程綜合實踐環(huán)節(jié)是學(xué)生對軟件開發(fā)過程的模擬體驗，現(xiàn)代軟件開發(fā)工作多以團(tuán)隊協(xié)作方式進(jìn)行。所以對學(xué)生而言，綜合實踐環(huán)節(jié)的第一步工作就是組建軟件項目開發(fā)團(tuán)隊并進(jìn)行合理分工。
軟件開發(fā)團(tuán)隊成員的角色分為項目經(jīng)理、軟件工程師、程序員、軟件測試工程師四類。為了使學(xué)生能夠模擬較真實的軟件開發(fā)過程及開發(fā)團(tuán)隊成員的角色，一般建議5~6個學(xué)生組成一個項目開發(fā)團(tuán)隊。組建項目團(tuán)隊時要考慮學(xué)生的認(rèn)知優(yōu)勢、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)興趣、動手能力、邏輯思維能力、性格特點等因素，引導(dǎo)學(xué)生按照既發(fā)揮個人特長，又優(yōu)勢互補(bǔ)的原則組織項目開發(fā)團(tuán)隊并進(jìn)行角色分配。
3.綜合實踐教學(xué)的評價。成績評定是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重要工作之一，評價標(biāo)準(zhǔn)和考核方式會影響學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方向。我們采用實踐過程監(jiān)控和結(jié)業(yè)考核相結(jié)合的綜合評價形式。學(xué)生通過綜合實踐活動體驗軟件項目開發(fā)規(guī)范，經(jīng)歷軟件開發(fā)的完整過程，是軟件工程綜合實踐教學(xué)的基本目標(biāo)，所以要將軟件開發(fā)過程的規(guī)范性、開發(fā)文檔的完整性、程序代碼的可理解性、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性作為基本的評價標(biāo)準(zhǔn)。軟件工程綜合實踐題目兼具普適性與創(chuàng)新性兩方面特征，要求學(xué)生完成的軟件項目與特定應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)，題目本身具有一定的開放性和不確定性。同一軟件項目，往往會有若干技術(shù)實現(xiàn)方案，這些方案可能各有優(yōu)劣，因此應(yīng)該遵循沒有最好、只有更好的評價標(biāo)準(zhǔn)，對學(xué)生進(jìn)行的實際調(diào)研、提出的合理假設(shè)、創(chuàng)造性改進(jìn)等工作予以肯定。
結(jié)業(yè)考核方式采用答辯會形式，每個參加考核的項目團(tuán)隊都要進(jìn)行工作陳述和系統(tǒng)演示，接受教師同學(xué)的提問并進(jìn)行答辯。通過辯論和提問，引發(fā)了學(xué)生對相關(guān)問題更深層次的思考和探究欲望，這種開放性的交互辯論方式可以促使學(xué)生接觸更廣泛的實用性軟件項目，以換位思考的形式領(lǐng)略其他軟件開發(fā)團(tuán)隊的工作成果。
四、結(jié)語
軟件工程課程的基本出發(fā)點是用工程化原理和手段指導(dǎo)軟件開發(fā)，軟件工程原理和準(zhǔn)則只有通過軟件開發(fā)實踐才能充分體現(xiàn)。為了解決軟件工程教學(xué)中實踐環(huán)節(jié)薄弱的問題，我們將先進(jìn)的CDIO工程教育理念應(yīng)用在軟件工程教學(xué)改革中，提出了一種可行的軟件工程實踐教學(xué)框架———軟件工程實踐教學(xué)二級模型，實現(xiàn)了軟件工程基礎(chǔ)實驗到綜合實踐的平穩(wěn)過渡和合理銜接。學(xué)生通過軟件工程實踐教學(xué)活動，掌握了軟件開發(fā)基本技能，可以在軟件開發(fā)工具使用、軟件開發(fā)經(jīng)歷體驗、團(tuán)隊協(xié)作意識培養(yǎng)等方面得到系統(tǒng)訓(xùn)練。
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