摘要：現(xiàn)代社會的每一方面都需要依賴軟件，構(gòu)造高質(zhì)量軟件需要設(shè)計良好的架構(gòu)和專業(yè)的實現(xiàn)過程。因此，軟件體系架構(gòu)被選作軟件工程方面的主修課程。文章結(jié)合軟件體系架構(gòu)本身及學(xué)生知識結(jié)構(gòu)特點，介紹如何選擇本科階段軟件體系架構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容、以及教授方面的經(jīng)驗。文章設(shè)計了教學(xué)內(nèi)容的體系架構(gòu)，涵蓋課堂教學(xué)及實驗環(huán)節(jié)，并進(jìn)行詳細(xì)闡述。
　　關(guān)鍵詞：軟件體系架構(gòu)；本科課程；軟件工程
　　
　　軟件體系架構(gòu) (Software Architecture，以下簡稱SA)學(xué)科涉及內(nèi)容紛繁龐雜，至今一直處于發(fā)展演進(jìn)階段，選取什么樣的內(nèi)容進(jìn)行本科階段教學(xué)工作，是一個值得深入研究的問題。
　　國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)針對此問題提出了指導(dǎo)性意見，如在IEEE-CS和ACM聯(lián)合工作組制定的SEEK (Software Engineering Education Knowledge)[1]中，軟件工程本科生獲得學(xué)位所需要掌握的相關(guān)知識包括：體系架構(gòu)的視圖與表示、權(quán)衡問題、硬件問題、需求的可追蹤性、特定領(lǐng)域的SA和軟件產(chǎn)品線、風(fēng)格和設(shè)計模式。我國教育部門于2006年制定高校“計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)規(guī)范”[2]，以IEEE-CS和ACM制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本，對2003年以來的相關(guān)工作進(jìn)行了總結(jié)和改進(jìn)。這些指導(dǎo)性文件為SA教學(xué)提供了參考框架，但并沒有規(guī)范具體教學(xué)內(nèi)容。下面結(jié)合我校計算機(jī)學(xué)院的教學(xué)實踐，對這個問題進(jìn)行討論。
　　1學(xué)生知識結(jié)構(gòu)及課程特點分析
　　1.1學(xué)生知識結(jié)構(gòu)分析
　　由于大四階段學(xué)生面臨實習(xí)、找工作或考研等任務(wù)，軟件體系架構(gòu)課程通常于大學(xué)三年級開設(shè)。此前學(xué)生學(xué)過的專業(yè)課程包括高級語言程序設(shè)計(C語言)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)組成原理、單片機(jī)及其應(yīng)用、操作系統(tǒng)、軟件工程、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、可視化程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(C++、Java)，同期開始的課程包括數(shù)據(jù)庫、編譯原理、應(yīng)用服務(wù)器開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)工程、構(gòu)件技術(shù)、UML建模等。盡管已有不少專業(yè)基礎(chǔ)知識，但學(xué)生普遍缺乏大型軟件項目的實戰(zhàn)經(jīng)驗，許多學(xué)生甚至是第一次接觸SA概念。因此，從自身經(jīng)歷出發(fā)，學(xué)生難以自發(fā)體會到SA對軟件系統(tǒng)的重要性。這就造成教師要把許多SA概念“推”給學(xué)生，盡管不能說是拔苗助長，顯然不及學(xué)生主動去“拉”知識的效果好。
　　1.2SA課程的特點
　　SA不是一門成熟學(xué)科，主要表現(xiàn)在：1) 缺乏明確的定義。2) 問題的解決方案不唯一，尋找解決方案沒有固定統(tǒng)一的途徑可遵循。3) 如何維持SA與具體軟件質(zhì)量屬性之間的關(guān)系，沒有明確答案。良好的架構(gòu)是成功軟件開發(fā)的基礎(chǔ)和必要條件，但不是充分條件，還有許多因素如編碼技術(shù)等，都會影響軟件質(zhì)量。4) SA涉及不僅僅計算機(jī)學(xué)科內(nèi)容，還包括商業(yè)、政治、心理、藝術(shù)、社會經(jīng)驗等諸多方面因素。5) 缺少成熟、經(jīng)典的教材及教學(xué)案例。國內(nèi)很多高校也是在最近幾年內(nèi)，才陸續(xù)開設(shè)了這門課程，很多地方還待改善，例如就課程名稱來說，用“軟件體系架構(gòu)” 就比“軟件體系結(jié)構(gòu)”更準(zhǔn)確[3]，因為英文“結(jié)構(gòu)”一詞應(yīng)該用structure，而architecture則表達(dá)更宏觀的含義，更貼近SA實質(zhì)內(nèi)容。
　　1.3SA教學(xué)策略和教學(xué)內(nèi)容的體系架構(gòu)
　　基于以上特點，我們在學(xué)期一開始就給學(xué)生布置了軟件開發(fā)任務(wù)，讓他們變被動為主動，有目的地接受課堂內(nèi)容，主動去搜集相關(guān)知識。教學(xué)中對一些理論性、抽象性較高的內(nèi)容做了適當(dāng)取舍和調(diào)整，增強(qiáng)實例演示。針對于SA中某些不確定內(nèi)容，教師提出幾種可能解決途徑，讓學(xué)生思考討論其優(yōu)缺點。學(xué)生在開發(fā)軟件時，將親身體會SA對軟件開發(fā)的決定性影響。
　　2SA教學(xué)內(nèi)容討論
　　2.1軟件開發(fā)流程介紹
　　軟件開發(fā)流程包括：調(diào)研、立項、需求分析、總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、編碼、測試、產(chǎn)品化、結(jié)項、維護(hù)。同時教學(xué)中還概要介紹了開發(fā)工具、開發(fā)語言和開發(fā)方法學(xué)(瀑布、RUP、極限編程)，展示一個軟件開發(fā)實例。上述內(nèi)容共計4學(xué)時。
　　盡管前期軟件工程課程中會介紹這方面的部分內(nèi)容，仍有必要向?qū)W生指出SA設(shè)計在軟件開發(fā)中所處位置，為后面介紹SA對軟件開發(fā)各階段的影響奠定基礎(chǔ)，并通過實例演示，引起學(xué)生的興趣。
　　2.2SA概論
　　主要是關(guān)于SA的宏觀介紹，包括：編程語言的進(jìn)化歷史、SA發(fā)展歷史、SA各種定義(含IEEE 14784MQYynKzSJup61h6TAiU9D1pCqFg/BaoGJrZbEPlZU=1-2000標(biāo)準(zhǔn))及其存在問題、哪些因素會影響到SA及SA對其的反作用。共計4學(xué)時。
　　歷史介紹使學(xué)生了解SA學(xué)科發(fā)展的來龍去脈；定義、影響因素的介紹使學(xué)生意識到SA設(shè)計會受商業(yè)、架構(gòu)師技能、前期產(chǎn)品架構(gòu)等多因素影響，具有相當(dāng)大的復(fù)雜性和不確定性。這個階段可以開始給學(xué)生布置軟件開發(fā)任務(wù)，讓他們自己先思考如何完成工作，逐漸從被動接受過渡到主動獲取知識。
　　2.3常見SA風(fēng)格及應(yīng)用實例
　　SA風(fēng)格包括分層風(fēng)格、管道—過濾器風(fēng)格、黑板風(fēng)格、代理風(fēng)格、視圖—表示—控制器(MVC)風(fēng)格、表示—抽象—控制(PAC)風(fēng)格、微內(nèi)核風(fēng)格、反射風(fēng)格、C/S 和B/S風(fēng)格、P2P風(fēng)格、面向?qū)ο箫L(fēng)格、解釋器風(fēng)格等，另外對應(yīng)每一種SA風(fēng)格都有應(yīng)用案例。約12學(xué)時。
　　這部分是SA多年發(fā)展成果的一個總結(jié)，也是課程的一個重點。講解時，教師指出這些風(fēng)格所適用的軟件系統(tǒng)類型，給出每種風(fēng)格的應(yīng)用實例，并用UML表示該風(fēng)格(其中一些可布置為課后作業(yè))。同時提醒學(xué)生注意：1)這些風(fēng)格屬于宏觀級別；2)風(fēng)格之間不是嚴(yán)格獨立的；3)實際系統(tǒng)可能包含多種風(fēng)格；4)開發(fā)軟件系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)首先考慮這些成熟的風(fēng)格，再根據(jù)具體情況加以修正和細(xì)化。
　　2.4SA描述及編檔
　　內(nèi)容包括基于UML的SA描述、SA編檔和“4+1”SA視圖。4～6學(xué)時。
　　這部分涉及體系結(jié)構(gòu)描述語言(ADLs)，但考察后發(fā)現(xiàn)，一方面，ADLs較枯燥，很難引起學(xué)生的興趣；另一方面，SA本身有著眾多不確定性，尤其是開發(fā)的初期階段，此時精確描述的SA會被修改多次，事實反倒是一些粗線條、不精確、不一致的SA內(nèi)容真正在引導(dǎo)軟件開發(fā)前進(jìn)；最后，當(dāng)前ADLs自身存在很多不足，對實際軟件開發(fā)幾乎沒有影響。因此，本部分重點集中在怎樣用UML描述SA和SA文檔編檔上，對ADLs及用途僅做簡短介紹。從實用角度看，UML已經(jīng)發(fā)展了十多年，因方便與外界交流，被業(yè)界廣泛接受，學(xué)有所用。但是，僅用圖形符號來表述SA會帶來一些不確定性，因此還要補(bǔ)充適當(dāng)符號、術(shù)語和原理等的文字說明，并從涉眾的不同視角出發(fā)，去關(guān)注SA。
　　
　　2.5質(zhì)量屬性驅(qū)動的SA設(shè)計
　　內(nèi)容包括：常見的質(zhì)量屬性(可用性、可修改性、性能、安全性、易用性、可測試性等)及實現(xiàn)方法；理解屬性之間的權(quán)衡；列舉質(zhì)量屬性應(yīng)用案例；從質(zhì)量屬性分析入手，設(shè)計SA并進(jìn)一步求精。約8學(xué)時。
　　這部分除過讓學(xué)生了解實現(xiàn)質(zhì)量屬性的基本戰(zhàn)術(shù)外，還要使其意識到尋找各種屬性之間的平衡，是架構(gòu)師的重要責(zé)任。如何設(shè)計SA方法眾多，沒有統(tǒng)一途徑可循，介紹過多的設(shè)計方法，反而會讓學(xué)生感覺難以適從，因此重點講解基于質(zhì)量屬性的設(shè)計方法。
　　2.6SA評估
　　內(nèi)容包括架構(gòu)權(quán)衡分析方法ATAM及案例。4學(xué)時。
　　評估方法還有許多，如軟件架構(gòu)分析方法SAAM、成本收益分析方法CBAM等，各有所長。為集中注意力避免盲目學(xué)習(xí)，除ATAM外，我們對其余評估方法均只做概要介紹。
　　2.7SA設(shè)計及實現(xiàn)實例
　　
　　講授一個人工智能軟件的SA設(shè)計、評估、實現(xiàn)和編檔。約4學(xué)時。
　　本軟件在開學(xué)第一堂課就已經(jīng)向?qū)W生展示，在課程接近結(jié)尾時把其SA設(shè)計及實現(xiàn)過程講解給學(xué)生，前后呼應(yīng)。好的實例勝過千言萬語，讓學(xué)生觀察體驗如何運用所學(xué)知識解決具體問題。
　　2.8SA前沿講座
　　邀請大公司軟件開發(fā)人員作講座，約4～6學(xué)時。講座內(nèi)容包括：面向服務(wù)的體系架構(gòu)SOA及Web Service；多核并行計算→集群→網(wǎng)格計算→物聯(lián)網(wǎng)→云計算；國外SA教學(xué)課程；國際知名專家關(guān)于SA的最新論文等。
　　這部分主要用于開闊學(xué)生視野。例如，學(xué)生看過微軟、谷歌、IBM等的“云”架構(gòu)后，體會到盡管應(yīng)用領(lǐng)域日新月異，SA的一些基本原理和方法仍然有效。專家論文中的觀點和方法對理解SA有很好的啟發(fā)效果，使學(xué)生把握到學(xué)科前沿動態(tài)，了解自己所處位置及努力方向。公司開發(fā)人員的講座是對課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充，使學(xué)生了解實際軟件開發(fā)中問題，有針對性地進(jìn)行學(xué)習(xí)。
　　2.9SA課程自學(xué)內(nèi)容
　　自學(xué)內(nèi)容有設(shè)計模式、軟件產(chǎn)品線、特定領(lǐng)域軟件體系結(jié)構(gòu)(J2EE，WWW等)、SA重構(gòu)等。
　　設(shè)計模式屬于軟件開發(fā)過程中的詳細(xì)設(shè)計部分，如果放在SA課程中會使內(nèi)容過于龐大、流于形式，我們考慮將來開設(shè)單獨的課程。自學(xué)內(nèi)容這塊我們要求學(xué)生查閱相關(guān)參考書，就其感興趣領(lǐng)域撰寫閱讀報告，深度上要求知曉主旨大義，略過細(xì)節(jié)。
　　2.10SA教材選取
　　到目前為止，SA課程沒有集大成的教材，國內(nèi)外教材各有長處和不足。正因如此，我們決定不固定教材，要求學(xué)生遇到相關(guān)問題后，就同一問題查閱相應(yīng)的中外參考資料[3-10]。
　　3實驗環(huán)節(jié)
　　實驗內(nèi)容包括軟件可修改性實驗；動態(tài)人機(jī)交互界面實驗；管道—過濾器模式軟件的設(shè)計及實現(xiàn)；MVC風(fēng)格軟件的設(shè)計與實現(xiàn)；主要SA風(fēng)格的(UML)描述；人工智能軟件SA的設(shè)計(實現(xiàn))、評估、編檔。約20學(xué)時。
　　教師在對學(xué)生分組時候應(yīng)注意人員搭配，根據(jù)情況及時調(diào)整，避免某些工作有的組進(jìn)行不下去。學(xué)生分組后，按指定內(nèi)容完成實驗，通過實驗使學(xué)生體會如何將理論轉(zhuǎn)換為實際軟件產(chǎn)品，掌握知識要點。根據(jù)學(xué)生特點，我們選取了難度和復(fù)雜度適中、包含人機(jī)交互的項目。每次實驗后組織課堂討論，交流經(jīng)驗體會。部分實驗內(nèi)容如圖2～圖4所示。
　　圖2中顯示一個可修改軟件質(zhì)量屬性場景，主要讓學(xué)生掌握如何利用軟件工程基本知識，靈活適應(yīng)需求變化。這些知識包括信息隱藏原則、最小權(quán)限原則、基于函數(shù)的過程設(shè)計、面向?qū)ο笤O(shè)計等，它們不僅是計算機(jī)專業(yè)學(xué)生應(yīng)當(dāng)掌握的基礎(chǔ)知識，而且也貫穿SA設(shè)計實現(xiàn)、發(fā)展演化的全部過程。圖3顯示管道—過濾器SA風(fēng)格有著眾多實際應(yīng)用，如編譯器、示波器等數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)?；诋?dāng)今多核處理器的普及，我們讓學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)一個多線程環(huán)境下的管道—過濾器風(fēng)格軟件。圖4的MVC實驗?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握人機(jī)交互軟件的SA設(shè)計和實現(xiàn)。實驗開始前教師將一些基礎(chǔ)的算法程序交給學(xué)生，然后讓他們按照MVC風(fēng)格將這些程序組織起來，形成一個容易拓展的軟件架構(gòu)。其他實驗還包括SA的設(shè)計、UML描述、評估、文檔制作，等等，內(nèi)容涵蓋SA教學(xué)環(huán)節(jié)的各主要方面，有效配合課堂教學(xué)。
　　4結(jié)語
　　SA課程建設(shè)涉及內(nèi)容繁多，今后我們還需在以下方面加強(qiáng)努力：1)教學(xué)、實驗案例及教材建設(shè)；2)從
　　
　　 SA到軟件實現(xiàn)，如何保證質(zhì)量屬性一致性；3)如何使SA教學(xué)適應(yīng)工業(yè)軟件產(chǎn)品開發(fā)的實戰(zhàn)需求等。SA正向成熟期過渡，課程建設(shè)將緊緊圍繞學(xué)科發(fā)展方向和社會需求而進(jìn)行。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] Bourque