摘要：針對軟件工程課程實踐性強(qiáng)、涉及知識面廣和知識更新快等特點(diǎn)，闡述高級軟件工程課程中，面向培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)化建模能力和工程分析與設(shè)計能力的互動式教學(xué)模式，及其在課程項目實踐中的應(yīng)用，同時介紹互動式教學(xué)模式理念和相應(yīng)設(shè)計以及教學(xué)輔助平臺和工程實驗環(huán)境，并通過3種評價方式展現(xiàn)該教學(xué)模式對提高學(xué)生工程能力的作用。

關(guān)鍵詞：軟件工程；互動式教學(xué)模式；工程能力

文章編號：1672-5913（2013）01-0069-04

中圖分類號：G642

軟件工程是計算機(jī)軟件課程體系中非常重要的一門核心課程，其實踐性強(qiáng)、源于實踐、用于實踐；涉及知識面廣，多學(xué)科交叉；新思想和新方法不斷涌現(xiàn)，發(fā)展更新快。因此，該課程教學(xué)難度大。在課堂教學(xué)中，教師多采用“講座式”教學(xué)方法，主要介紹基本概念和主要方法；在項目實踐中，教師則基本采取“放任式”教學(xué)法，以“結(jié)果論英雄”，缺乏對過程和方法運(yùn)用的指導(dǎo)、研討和評價，造成學(xué)生“理論與實踐脫節(jié)”。教學(xué)方法單一、師生缺少交流和互動是導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)乏味、教學(xué)效果收效不佳的直接原因，最主要的是不同教師在教學(xué)理念上存在差異。軟件工程這類個人與團(tuán)隊實踐性皆很強(qiáng)的課程，應(yīng)該以教師為主角“講授知識”，還是以學(xué)生為主體“培養(yǎng)能力”？不同的教學(xué)理念必然導(dǎo)致教學(xué)方法和效果的差異。依據(jù)北京航空航天大學(xué)設(shè)定的“兩領(lǐng)人才”培養(yǎng)目標(biāo)，軟件工程學(xué)科確定以培養(yǎng)軟件工程技術(shù)及管理復(fù)合型高端人才作為研究生培養(yǎng)的主要目標(biāo)。

因此，高級軟件工程作為研究生的學(xué)位課，明確提出以學(xué)生為主體，培養(yǎng)軟件工程能力的教學(xué)理念，即指導(dǎo)研究生自覺學(xué)習(xí)并掌握軟件工程的本質(zhì)和精髓，培養(yǎng)其參與和承擔(dān)大型軟件工程實踐的基礎(chǔ)能力。為此，我們提出以學(xué)生為主體、面向軟件工程能力培養(yǎng)的互動式教學(xué)模式，在教學(xué)實踐中收到良好效果。所謂軟件工程能力，就是能夠以團(tuán)隊協(xié)作方式，按照規(guī)定的時間節(jié)點(diǎn)、進(jìn)度和質(zhì)量要求，應(yīng)用相應(yīng)的技術(shù)及方法完成軟件工程任務(wù)的能力。針對北京航空航天大學(xué)計算機(jī)學(xué)院研究生的特點(diǎn)和學(xué)校規(guī)定的教學(xué)目標(biāo)，在高級軟件工程課程中，我們將軟件工程能力細(xì)化為“嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ袒芾砟芰途?xì)化的軟件建模以及模型分析與驗證能力”。

1 互動式教學(xué)模式

互動式教學(xué)模式以培養(yǎng)軟件工程能力為核心目標(biāo)，以大型軟件過程管理和建模方法與技術(shù)為兩條主線，突出以規(guī)范靈活的過程管理和質(zhì)量控制、嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確的模型與元模型分析和理解、簡明精細(xì)的建模方法這3個核心知識域，并以4種交互式教學(xué)措施貫穿整個教學(xué)過程。該教學(xué)模式簡稱“1-2-3-4互動式教學(xué)模式”，如圖1所示。

該模式的突出特點(diǎn)是通過多種交互方式激發(fā)學(xué)生主動參與對軟件工程核心問題和關(guān)鍵技術(shù)與方法的深入探討與實踐，從而培養(yǎng)學(xué)生掌握相應(yīng)的軟件工程能力。貫穿其中的交互式教學(xué)措施，不僅包括傳統(tǒng)的課堂師生互動，而且包括課后學(xué)生對教師教學(xué)效果的反饋和教師對實踐項目的指導(dǎo)。更具特色的是，學(xué)生之間也基于作業(yè)的評價產(chǎn)生交互。

1）基于知識點(diǎn)設(shè)計的互動式課堂教學(xué)。課堂教學(xué)不再是教師的“一言堂”，教師除了傳授基礎(chǔ)理論知識外，更多的是通過引導(dǎo)和討論激發(fā)學(xué)生對關(guān)鍵知識點(diǎn)的深入探究，促進(jìn)交流和相互學(xué)習(xí)，加深學(xué)生對軟件工程本質(zhì)的理解，達(dá)到讓學(xué)生掌握軟件工程主要方法的目的。

2）隨堂教學(xué)反饋機(jī)制。教師針對課程的核心內(nèi)容設(shè)計了課堂反饋表，在每部分內(nèi)容講授結(jié)束時發(fā)給學(xué)生，隨堂獲取學(xué)生對核心內(nèi)容和難點(diǎn)問題理解程度的反饋，了解學(xué)生關(guān)心的問題。這種互動幫助老師及時知悉并分析學(xué)生的情況，有針對性地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和方法；同時也幫助學(xué)生梳理核心內(nèi)容知識，解決難點(diǎn)問題。

3）教師指導(dǎo)下的項目組自主協(xié)作。教師設(shè)計出多種不同類型和特點(diǎn)的軟件項目，并提出協(xié)同工作要求，讓學(xué)生自由組合成多個項目組，自主選擇項目。各項目組在教師指導(dǎo)下，按計劃推進(jìn)工作，并每周提交進(jìn)展報告；另外，按照課程的安排和項目進(jìn)展，教師確定需求模型和設(shè)計模型等階段成果提交的時間點(diǎn)，組織學(xué)生按期提交階段成果，并讓教師和同學(xué)進(jìn)行評判。在此過程中，教師會引導(dǎo)學(xué)生自主選擇項目和分析項目目標(biāo)及特點(diǎn)，應(yīng)用課程中所講授的工程方法和技術(shù)以完成項目；項目組自主安排計劃、分工和合作方式；教師和助教評閱階段成果，并在課上點(diǎn)評和交流。

4）基于透明互評和貢獻(xiàn)率的評價體系。在網(wǎng)絡(luò)化的互動式教學(xué)平臺上，每個學(xué)生需對其他組提交的軟件模型進(jìn)行獨(dú)立（即不署名的）評審，并給出具體評價意見和評分，項目組需對評審意見做出回應(yīng)并進(jìn)行改進(jìn)；項目結(jié)束后，各項目組需作項目總結(jié)報告和產(chǎn)品演示，并對每位成員的個人貢獻(xiàn)率給出評價；教師對學(xué)生平時作業(yè)和課堂交流情況的評分作為平時成績。另外，教師還通過開卷考試考查學(xué)生對知識和方法的理解與運(yùn)用能力。這種由師生共同參與的評價過程，激發(fā)了學(xué)生的主動性和協(xié)作精神，并保證評價的公開、公平和公正。教師根據(jù)項目組提交的各階段成果及“被評價”結(jié)果、驗收演示效果等綜合評定項目組成績；根據(jù)項目組成績及成員的個人貢獻(xiàn)率綜合評定學(xué)生的項目成績；根據(jù)學(xué)生的平時成績、項目成績和考試成績給出總評成績。

上述互動式模式的教學(xué)內(nèi)容和考核方式如圖2所示，主要包括3個方面的內(nèi)容，分別是理論教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)內(nèi)容和課程考核。

2 教學(xué)平臺及工程實驗環(huán)境

教學(xué)平臺和實驗環(huán)境的建設(shè)對互動式教學(xué)具有重要的支撐作用。高級軟件工程課程完成了網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)支持平臺和軟件工程實驗環(huán)境的建設(shè)，綜合使用2個教學(xué)輔助平臺，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，為課程教學(xué)提供了良好的支持作用。

網(wǎng)絡(luò)化的課程管理平臺是在自主研制的計算機(jī)類課程教學(xué)輔助系統(tǒng)（CG）上構(gòu)建的本課程教學(xué)管理子平臺，支持課件和學(xué)習(xí)資料的發(fā)放、學(xué)生答疑、作業(yè)的提交和評判等。由于本課程在項目實踐環(huán)節(jié)引入了透明的互評機(jī)制以及個人貢獻(xiàn)率的概念，而現(xiàn)有的課程管理平臺難以提供本課程所需的特色功能。因此，從2010年開始，依托助教（博士生）和實驗室研究生，我們設(shè)計和開發(fā)了一個網(wǎng)絡(luò)化的支持項目組進(jìn)行模型互評的組間互評價平臺，該平臺不僅可以支持項目組提交工作成果，如需求模型、設(shè)計模型等；還可以支持學(xué)生獨(dú)立評審其他組成果，并給出評分和評審意見；另外，還能對其他同學(xué)的評審意見給出回復(fù)，并根據(jù)評審意見進(jìn)行修改完善。

本課程還利用北航軟件工程研究所自主研發(fā)的一組軟件工具，并精選多個開源軟件作為軟件工程實驗環(huán)境，為學(xué)生學(xué)習(xí)并實踐精細(xì)化建模、量化的過程管理、項目組的緊密協(xié)同等提供必要支持。建立工程實驗環(huán)境的軟件工具如表1所示。

3 效果分析

課程不但通過項目的實施和推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和組織實施能力，而且力圖通過課程項目，提高學(xué)生模型化抽象思維能力及分析驗證能力，使學(xué)生能夠?qū)⒃谡n程實踐中獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)以及在課程訓(xùn)練中獲得的能力，直接付諸于科研項目或今后工作中的實際項目。下面通過3種評價方式對課程效果進(jìn)行分析。

3.1基于課堂教學(xué)反饋表的教學(xué)效果分析

本課程針對重點(diǎn)內(nèi)容設(shè)計教學(xué)反饋表，既促使學(xué)生認(rèn)真聽講，積極參與課堂討論，又使教師及時了解學(xué)生對重要內(nèi)容的興趣和理解程度，以及對講授方法的接受程度，從而提高教學(xué)效果。

本課程共16次課，累計48學(xué)時。表2所示為針對2011年秋季課程中“設(shè)計建?！边@部分內(nèi)容的隨堂教學(xué)反饋表分析結(jié)果，結(jié)果表明70%～80%的學(xué)生準(zhǔn)確地理解了教師在課堂上講授和強(qiáng)調(diào)的核心內(nèi)容，同時表明學(xué)生對設(shè)計方法的理解相對困難較大。由此可以預(yù)想到在課程項目中，設(shè)計建模會面臨比較多的問題。我們一方面放寬設(shè)計建模時間，另一方面加強(qiáng)對設(shè)計建模的指導(dǎo)和分析，為學(xué)生更好地理解后續(xù)知識奠定基礎(chǔ)。我們針對學(xué)生關(guān)注的11講教學(xué)內(nèi)容共進(jìn)行了7次教學(xué)反饋調(diào)查，總體情況表明80%以上的學(xué)生能夠準(zhǔn)確理解和掌握每一講的主要內(nèi)容，難點(diǎn)大多集中于1～2個較抽象的概念和方法上，但學(xué)生對主要內(nèi)容都表現(xiàn)出較大興趣，并對講授方式給予了肯定。

3.2基于課程報告的教學(xué)效果分析

我們要求學(xué)生在課程結(jié)束后寫一份簡短的報告，反饋自己所理解的關(guān)于課程的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題，便于教師對下一年的教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。2011年，學(xué)生對本課程的教學(xué)方法和效果均作出充分肯定，特別對以下方面給予認(rèn)可。

1）既有“面”，又有“點(diǎn)”。劉超老師先從大的方面講解軟件工程背景知識，再由吳際老師深入講解UML建模思想、精細(xì)化建模和模型分析方法；每堂課都有不少實際案例分析和講解。

2）項目實踐。教師將理論部分放到實踐過程中穿插講解，以使學(xué)生了解規(guī)范的軟件開發(fā)流程，特別是熟悉建模過程；最有意思的地方就在于學(xué)生互評。

3）教學(xué)方法十分巧妙。問卷方法既達(dá)到了點(diǎn)名的目的，又讓每個學(xué)生能夠在課上認(rèn)真聽講，集中精神吸收課程內(nèi)容的精髓；教師很仔細(xì)地審閱作業(yè)，批閱后的反饋，讓學(xué)生學(xué)到了更多令人印象深刻的東西；反饋表上面的問題能夠起到引導(dǎo)作用；小組互評的評分方式非常新穎，能讓每位學(xué)生得到更多練習(xí)。

3.3基于課程項目的教學(xué)效果分析

為了更客觀地反映互動式教學(xué)模式在建模能力培養(yǎng)上的促進(jìn)作用，我們使用由Bansiya Jagdish等人在2002年提出的面向?qū)ο笤O(shè)計模型質(zhì)量評估方法，對課程項目中各小組的模型進(jìn)行評估。該評估方法以分層模型為基礎(chǔ)，如圖3所示，分為4個不同的抽象層：L1為抽象級別最高的層次，表示最終期望得到的模型質(zhì)量屬性（Quality Attribute）；L2層為面向?qū)ο笤O(shè)計模型中的屬性（Design Property）；L3和L4包含低抽象層次的模型度量數(shù)據(jù)。其中，L1層包括可重用性（Reusability）、靈活性（Flexibility）、可理解性（Understandability）、功能性（Functionality）、可擴(kuò)展性（Extendibility）、有效性（Effectiveness）5個質(zhì)量屬性。

在上述分層模型的基礎(chǔ)上，北京大學(xué)的研究人員曾在2004年使用此評估方法，對UML元模型的多個歷史版本進(jìn)行評估。該研究發(fā)現(xiàn)UML2.0的元模型相對之前的1.2、1.3、1.4、1.5幾個版本，質(zhì)量有顯著提高，模型的可重用性、可擴(kuò)展性等質(zhì)量屬性都提升不少。

我們參考上述兩項研究的具體方法，對各小組所建立的需求和設(shè)計模型進(jìn)行評估。選取如表3所示的度量指標(biāo)，通過由L3、L4到L2的映射，以及由L2到L1的映射關(guān)系，計算出項目各個歷史版本的評估結(jié)果。

某項目組所建模型的4個歷史版本的質(zhì)量屬性如表4所示。

v1是小組完成需求分析后形成的第一個模型版本；v2是小組在v1的基礎(chǔ)上自行修改完善形成的版本；在經(jīng)過課程討論、小組評價等環(huán)節(jié)后，小組按修改意見完成了v3版本；v4版本是在v3的基礎(chǔ)上加以完善形成的。4個歷史版本反映了隨著課程互動環(huán)節(jié)的推進(jìn)，學(xué)生作業(yè)的進(jìn)展情況。從表4的數(shù)據(jù)可以看出，可重用性、靈活性、功能性三個質(zhì)量屬性總體呈明顯上升趨勢；有效性呈恒定趨勢；可擴(kuò)展性呈現(xiàn)下降趨勢。

可理解性較為特殊，其基準(zhǔn)為-1，表示模型的可理解性是從“理解有多困難”角度表示的。隨著模型規(guī)模的增大，模型越來越不易被理解。此外，模型的可擴(kuò)展性在模型改進(jìn)后反而下降約20%，我們認(rèn)為原因是該項目主要是實現(xiàn)一個工具，而不是一個用于擴(kuò)展的開發(fā)包，因此隨著模型的完善，模型會趨向于具體的實現(xiàn)層面，可擴(kuò)展性隨之下降。從表中數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生通過課程的互動環(huán)節(jié)提高了面向?qū)ο蠼Ｄ芰Α?/p>

4 結(jié)語

軟件工程是一門實踐性和知識系統(tǒng)性很強(qiáng)的學(xué)科，內(nèi)容多，發(fā)展更新快；其知識點(diǎn)分散，原理性和概念性內(nèi)容比重高。在一年級研究生普遍缺乏真實項目經(jīng)歷的情況下，教師如何把課程內(nèi)容、課程項目和反饋指導(dǎo)等有機(jī)結(jié)合，已經(jīng)成為決定課程教學(xué)效果好壞的關(guān)鍵因素。本文總結(jié)了課程組針對北京航空航天大學(xué)的“兩領(lǐng)”人才培養(yǎng)目標(biāo)，以培養(yǎng)研究生的模型化抽象思維及分析與驗證能力、團(tuán)隊協(xié)同管理和組織實施能力作為核心目標(biāo)，提出的以學(xué)生為主體的教學(xué)理念以及采用多種互動教學(xué)方法的教學(xué)模式。實踐表明，該教學(xué)模式對于提高學(xué)生的主動參與性和自我認(rèn)同感，培養(yǎng)學(xué)生的科研與實踐能力具有較大作用。

（編輯：宋文婷）