張國有，白尚旺，郭銀章，黨偉超，武 妍

（1.太原科技大學 計算機科學與技術(shù)學院，山西 太原 003024；2.太原科技大學 經(jīng)濟與管理學院，山西 太原 003024）

1 背 景

隨著2016年5月《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》的出臺和推進，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)為代表的信息技術(shù)面臨著前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)?？梢灶A(yù)見，未來社會對高級信息人才的需求將越來越大，這對高等院校軟件工程專業(yè)的人才培養(yǎng)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇。如何培養(yǎng)適應(yīng)時代發(fā)展的具有大型復雜軟件系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計能力的高級信息人才，是高等教育軟件工程專業(yè)亟待解決的一個重要問題。軟件分析與建模課程作為軟件工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，在學生分析和設(shè)計大型軟件和解決實際工程問題的培養(yǎng)方面具有十分重要的作用。該課程也是高等院校軟件工程專業(yè)一門技術(shù)性、實踐性很強的重要課程。如何提高軟件分析與建模課程的教學水平，實現(xiàn)軟件分析與建模能力培養(yǎng)的目標，便成為教學改革的關(guān)鍵問題之一。

軟件分析與建模課程的基本任務(wù)是培養(yǎng)學生構(gòu)建復雜軟件系統(tǒng)的能力，但在實際教學過程中，存在對課程教學目標認識不清、教學內(nèi)容繁雜、教學方法和手段單一等問題。學生在學習過程中雖然掌握了大量的軟件分析與建模的概念和知識，但缺乏求解工程實際問題的科學思維能力和分析設(shè)計能力。當前存在的問題主要有以下幾方面。

1）注重理論講授，對能力培養(yǎng)認識不足

在傳統(tǒng)的軟件分析與建模課程教學過程中，教學內(nèi)容的選取沿用學科體系的教學模式，重視理論體系的完整性，學生的軟件分析和建模能力沒有得到較好的培養(yǎng)，缺乏相應(yīng)的培養(yǎng)過程指導和評價指標，無法適應(yīng)新形勢下的高級信息人才需求。

2）教學內(nèi)容繁雜零散，知識體系有待優(yōu)化和調(diào)整。

在實際教學中，授課教師往往按照教材的章節(jié)進行講授，只重視課程的概念和知識細節(jié)，容易使學生誤解軟件分析和建模的作用，學生無法建立軟件分析與建模的整體概念，因此需要對軟件分析與建模的知識體系進行優(yōu)化和調(diào)整。

3）考核方式單一，重考試輕過程。

當前對軟件分析與建模課程學習的評價主要是期末考試、上課出勤、作業(yè)實驗3部分。從考核形式上看，這是可行的，但在實際操作過程中，教師更加依賴期末考試，而對于作業(yè)實驗等實踐訓練環(huán)節(jié)，缺少科學的過程評價，沒有合理的評價指標和質(zhì)量監(jiān)控體系，僅僅從是否完成的角度來進行評價。

近年來，“計算思維”概念的提出，引發(fā)了廣大科研人員和教育工作者的熱切關(guān)注，如何培養(yǎng)學生的計算思維能力成為一個日益關(guān)注的重要課題。為此，在軟件分析和建模課程的本科教學過程中，根據(jù)計算思維的主要思想和方法，探索以計算思維能力為核心的新教學模式，從而培養(yǎng)軟件工程專業(yè)的高級信息人才,具有十分重要的意義。

2 計算思維和軟件分析與建模

2006年,周以真（Jeannette M. Wing）教授提出，計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等的一系列思維活動[1]。計算思維在復雜軟件系統(tǒng)的分析建模中，主要體現(xiàn)為如何選擇合適的方式陳述軟件系統(tǒng)需求，或?qū)ο到y(tǒng)的某一側(cè)面進行建模使其易于處理的思維方法。同時，考慮如何采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù)，其實質(zhì)是一種基于關(guān)注點分離的方法。

計算思維的本質(zhì)在于抽象，即如何將實際問題清晰、抽象地描述出來，并將問題的解決方案表示成一個信息處理的流程[2]。軟件分析與建模，從思維的角度來講，包含軟件對抽象泛化、求精細化和分析驗證等方面的思維活動。軟件的分析與建模從軟件需求描述開始，經(jīng)過需求分析和軟件建模得到軟件開發(fā)所需要的資料和數(shù)據(jù)，需求分析需要應(yīng)用抽象和泛化等思維工具，提取軟件的主要功能和業(yè)務(wù)流程，并在建模過程中應(yīng)用求精和細化等思維工具形成圖形文檔，以便直觀地表達軟件系統(tǒng)的設(shè)計。建模完成后，還需對建立的模型和需求陳述進行一致性的分析和驗證。為此，在軟件分析與建模的教學過程中應(yīng)當注重以下幾個方面。

2.1 軟件分析與建模的能力培養(yǎng)側(cè)重于系統(tǒng)能力的培養(yǎng)

針對復雜軟件系統(tǒng)的分析與建模，計算思維的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)的總體掌控能力，即系統(tǒng)能力。系統(tǒng)能力要求研發(fā)人員能夠在構(gòu)建系統(tǒng)時，系統(tǒng)考慮問題的求解，把“設(shè)計”作為問題求解的基礎(chǔ)，首先考慮問題的數(shù)據(jù)表示和基本處理過程，而不是考慮具體的編程實現(xiàn)。

系統(tǒng)能力可以細化為認知、設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用等方面的能力，軟件的分析與建模能力側(cè)重于認知能力和設(shè)計能力。系統(tǒng)認知能力主要體現(xiàn)在軟件的需求分析環(huán)節(jié)，包括軟件的系統(tǒng)構(gòu)成、運行環(huán)境、系統(tǒng)性能、建立需求模型等。系統(tǒng)的設(shè)計能力主要體現(xiàn)在軟件建模環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)建模和應(yīng)用程序建模。

2.2 軟件分析與建模的過程是一個遞進迭代的過程

軟件分析與建模的過程需采用分層次組織和遞進迭代的方法，并貫穿于軟件開發(fā)整個過程。面對功能繁多的復雜系統(tǒng)，學生往往對諸多的細節(jié)深感無序和困惑，這就需要引導學生采用抽象、約簡、嵌入和轉(zhuǎn)化等方法，從諸多的需求陳述中提取系統(tǒng)基本功能或者核心功能的特征，逐步求精細化，完善系統(tǒng)的建模，即掌握將一個復雜問題闡述為一個可求解問題的思維方法。在教學要求和目標的定位中，以計算思維的主要思想和方法為基礎(chǔ)，對軟件分析與建模的教學內(nèi)容進行優(yōu)化和調(diào)整。

3 教學要求、目標和內(nèi)容

在《高等學校軟件工程本科專業(yè)規(guī)范(2010.1)》的“軟件工程教育知識單元”中對該課程所涉及的內(nèi)容（軟件建模與分析MAA）做出規(guī)定，主要有建?；A(chǔ)（MAA.md）、模型分類（MAA.tm）、分析基礎(chǔ)（MAA.af）、需求基礎(chǔ)（MAA.rfd）、需求獲?。∕AA.er）、需求規(guī)約與文檔（MAA.rsd）、需求確認（MAA.rv）等7個部分。同時規(guī)定，根據(jù)該課程內(nèi)容的要求，選擇一種先進的軟件分析建模平臺（如SAP Sybase Power Designer、Microsoft Office Visio、CA Erwin、IBM Rational等）開展教學工作。結(jié)合計算思維的特點和學校的實際情況，該課程的教學要求、教學目標和教學內(nèi)容修訂如下。

3.1 教學要求

要求學生掌握軟件分析與建模的基本理論，能夠正確建立軟件系統(tǒng)的需求模型、數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用程序模型。掌握軟件分析建模的工作過程，采用抽象、約簡、嵌入和轉(zhuǎn)化等方法逐步細化完善軟件分析與建模，同時采用目前流行的軟件分析與建模工具完成軟件系統(tǒng)的需求建模、業(yè)務(wù)流程建模，并繪制概念數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用程序模型（UML模型）。

3.2 教學目標

軟件分析與建模課程主要培養(yǎng)學生的軟件需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件模型抽象等能力，使學生能夠根據(jù)計算思維的主要原則和方法，針對用戶需求建立相應(yīng)的模型，設(shè)計出軟件的邏輯結(jié)構(gòu)，采用專業(yè)的需求分析和描述工具完成軟件設(shè)計的工作，進而培養(yǎng)求解復雜科學問題的計算思維能力和解決工程實際問題的軟件分析與建模能力。

3.3 教學內(nèi)容

在軟件工程專業(yè)開設(shè)軟件分析與建模，主要講述構(gòu)造軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及程序結(jié)構(gòu)的重要理論和方法，是重點培養(yǎng)學生應(yīng)用可視化方法建立軟件系統(tǒng)模型的課程，也是從事軟件設(shè)計、開發(fā)的工程技術(shù)人員必須掌握的一門專業(yè)課程。課程選擇Sybase PowerDesigner為實踐平臺，主要開展的教學內(nèi)容包括需求建模、業(yè)務(wù)建模、數(shù)據(jù)建模和應(yīng)用程序建模。業(yè)務(wù)建模以業(yè)務(wù)流程語言為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)建模以實體聯(lián)系模型理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用程序建模以UML語言為基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)建模包括需求模型、業(yè)務(wù)流程模型和信息流模型；數(shù)據(jù)建模包括概念數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型、維模型、XML模型；應(yīng)用程序建模包括用例圖、對象圖、類圖、組件圖、組合結(jié)構(gòu)圖、部署圖、時序圖、通信圖、活動圖、狀態(tài)圖、包圖等12種圖形。

4 面向計算思維的軟件分析與建模課堂教學

軟件分析與建模的教學以計算思維能力培養(yǎng)為中心點著手教學改革,在課程教學中高度融合計算思維的思想和方法,使學習者掌握計算機方法論,提升計算思維能力,運用計算機的相關(guān)原理、方法和技術(shù)去求解問題,設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。

4.1 抽象和自動化

抽象是精確表達問題和建模的方法，也是計算思維的本質(zhì)特征之一。軟件分析與建模的很多概念和方法都體現(xiàn)了抽象的思想，例如數(shù)據(jù)模型中的概念數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型，以需求規(guī)格說明為依據(jù)，從信息的角度抽象表達了現(xiàn)實世界，形成現(xiàn)實世界與信息世界的映射。在具體知識的講授教學過程中，將計算思維的思想和方法融入具體知識的講授中，引導學生發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)和蘊含的規(guī)律，是切實可行的，并能有效促進學生計算思維能力的提升。如在案例教學中，學生熟知的教務(wù)管理系統(tǒng)，在建立數(shù)據(jù)模型時，應(yīng)從系統(tǒng)提取基本實體（學生、教師和課程）理解課程編排、學生成績與這幾個實體之間的依賴關(guān)系。在建立初步的模型之后，逐步審查需求中具體功能要求和處理流程，逐步完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。采用這種遞進迭代的分析方法，使學生能夠盡快熟悉軟件分析與建模的一般原理和方法。

軟件分析與建模的結(jié)果通常是以圖形的方式表示，軟件建模的工具（如PowerDesigner）等不僅能圖形化地表示模型，而且能夠建立多種模型之間的聯(lián)系，實現(xiàn)模型的自動轉(zhuǎn)化，并進行一致性檢查，這本身體現(xiàn)了計算思維的自動化本質(zhì)。例如，在講述概念數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型等相關(guān)概念時，以現(xiàn)實世界的需求描述出發(fā)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的原理和知識，結(jié)合分層次的抽象方法和自動化工具，從而形成多種數(shù)據(jù)模型，既清楚說明數(shù)據(jù)模型的相關(guān)概念，又逐步引導學生理解、掌握抽象和自動化的計算思維本質(zhì)。

4.2 關(guān)注點分離

關(guān)注點分離作為計算思維的核心思想，是控制和解決復雜問題的一種思維方法，其實質(zhì)是采用抽象和分離的方法分析復雜問題[3]。關(guān)注點分離原則在軟件開發(fā)的多個方面都有所體現(xiàn)[4]：將問題領(lǐng)域和實現(xiàn)領(lǐng)域的關(guān)注點分離；對軟件開發(fā)時間關(guān)注點的分離；通過系統(tǒng)組件的分離；通過對軟件功能特性與軟件質(zhì)量特性的分離與綜合等。Jacobson提出的基于用例的面向方面軟件開發(fā)方法（AOSD, Aspect-Oriented Software Development）[5],就是一種關(guān)注點分離的方法。

在軟件分析與建模過程中，采用的就是分而治之的思想，體現(xiàn)為過程分離、相互銜接。在分析過程中，采用軟件工程的思想，將軟件功能分解為相對獨立的子任務(wù)，對子任務(wù)進行業(yè)務(wù)流程建模和UML建模，設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些子任務(wù)相對獨立而又相互聯(lián)系。在進行課堂教學時，將這些思想和方法貫穿于分析與建模的知識講授中，使學生逐步理解關(guān)注點分離的思想和方法，從而掌握從不同視圖進行分析與建模并綜合反映全貌的方法。

4.3 通過教學案例，提高學生計算思維的能力

在課堂講授中，結(jié)合學生所熟知的案例說明相關(guān)的教學內(nèi)容，可以使學生更容易理解和體會所學內(nèi)容，為此，選擇學生上機系統(tǒng)和圖書借閱管理系統(tǒng)進行案例說明。在上述案例的分析與建模過程中，結(jié)合計算思維的抽象、自動化、關(guān)注點分離等思想和方法，先總后分的將任務(wù)劃分為相對獨立的子任務(wù)，從不同的側(cè)面和角度完成系統(tǒng)的分析和建模，最后建立完整的模型。在概念數(shù)據(jù)模型中，關(guān)注于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模，可從需求中提取所需的實體及其聯(lián)系，包含“用戶”“存款”“操作員”“上下機”“參數(shù)表”和“上機標準”等6個實體，這些實體中存儲的信息之間存在一定的聯(lián)系，概念數(shù)據(jù)模型如圖1所示。根據(jù)該系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)模型生成的MS SQL Server 2000的物理數(shù)據(jù)模型如圖2所示。

在業(yè)務(wù)流程分析階段，關(guān)注于業(yè)務(wù)流程的處理過程，如在該系統(tǒng)中，卡注冊是學生上機管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)之一，它的業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

通過這些教學案例，使學生切實體驗到軟件分析與建模在軟件開發(fā)中的作用，提高了軟件分析與建模的實際應(yīng)用能力，加深了對計算思維的理解。

4.4 形成思維模式，掌握建模的具體方法和步驟

通過對軟件分析與建模知識的學習和對實際應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的理解，使學生逐步掌握和理解分析建模的具體方法和步驟，做到心中有數(shù)、有條不紊?？傮w來講，主要有以下方面：從需求出發(fā)，總體上把握系統(tǒng)的功能，提取所需要管理（處理）的數(shù)據(jù)；建立數(shù)據(jù)模型，提取實體，明確屬性、實體之間的聯(lián)系，逐步細化添加相關(guān)的約束條件；建立應(yīng)用程序模型。劃分系統(tǒng)的組成、明確處理流程，采用UML建立相應(yīng)的模型；深入理解系統(tǒng)的需求，所設(shè)計的方案是否符合要求，是否有更好的設(shè)計方案，方案的優(yōu)點和缺點。

圖 1 學生上機管理系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)模型

圖 2 學生上機管理系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)模型

圖 3 學生上機管理系統(tǒng)的卡注冊業(yè)務(wù)流程

通過上述建模過程的講解和實踐。使學生做到從整體到局部，遞進迭代、有序進行軟件的分析建模，從多個維度分析軟件需求，并建立相應(yīng)的模型。

5 面向計算思維的軟件分析與建模課程實踐教學

計算思維的能力培養(yǎng)，需要針對以上的內(nèi)容進行有針對性的強化和訓練，從傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)向面向具體問題，運用所學知識解決實際問題，使學生掌握解決問題的方法和步驟。

實踐教學環(huán)節(jié)包括課后練習、分組討論和上機實驗等多種形式，使學生在學習相關(guān)知識之后不斷地思考和練習。在課堂講授相關(guān)的知識點和計算思維方法后，布置難度適當?shù)牧曨}和思考題，學生獨立運用計算思維的思想和方法完成；同時適當布置較為復雜的思考題，供學生討論協(xié)作，分小組討論共同完成；隨后教師進行總結(jié)和歸納，促進學生加深理解。

在上機實驗的設(shè)計中，我們的目標不僅僅局限于分析與建模平臺的操作使用，更側(cè)重于分析與建模能力的培養(yǎng)，讓學生正確認識軟件分析與建模在開發(fā)中的指導作用。使學生從代碼的實現(xiàn)細節(jié)中解脫出來，關(guān)注于軟件的模型和體系結(jié)構(gòu)。這一目標的實現(xiàn)需要學生理解并認識計算思維的主要原理和方法，使學生在獨立面對一個現(xiàn)實具體的應(yīng)用案例時，能夠用抽象、約簡、轉(zhuǎn)化等軟件分析與建模的思想和方法去建立問題的模型，并從不同的側(cè)面建立軟件的模型。教師還要引導學生從軟件的可擴充性、移植性、可維護性等方面來衡量軟件建模的優(yōu)劣。

上機實驗內(nèi)容的設(shè)計采用以軟件項目為驅(qū)動，通過案例分析加強對分析與建模內(nèi)容的理解，然后以小組分工完成類型和規(guī)模相似的項目，并說明相應(yīng)的考核要求。將學生所學的專業(yè)知識與具體實踐技能有機結(jié)合，從而鍛煉學生對計算思維方法的運用，探索解決實際問題的過程，有效避免了重考試輕過程的弊端。

6 結(jié) 語

經(jīng)過多年的教學探索和實踐，太原科技大學的軟件分析與建模課程教學取得了一系列的成果：編寫了《軟件分析建模與PowerDesigner實現(xiàn)》等教材，建設(shè)精品網(wǎng)站并榮獲山西省精品課程的稱號等。2014年在教學方法上引入計算思維導向的教學方法研究，開展了基于案例教學的教學改革，對軟件分析課程體系進行改革探索，并取得較好的成效。學生在需求分析和軟件建模能力、數(shù)據(jù)建模能力、綜合分析問題和解決問題的能力以及團隊協(xié)作意識方面都得到了很大的提高。藍橋杯競賽獲獎的同學在課程體會中的感言或許是有力的例證：“軟件分析與建模不僅僅是一門課程，更重要的是它是一種解決問題、分析問題的重要方法。采用所學的方法，能夠使我們在面對復雜的系統(tǒng)時把握問題的關(guān)鍵和要點，不再是一種茫然無頭緒的狀態(tài)，讓我們獲益匪淺”。筆者接下來將進一步探索軟件分析與建模中對計算思維的培養(yǎng)；結(jié)合實際，逐步完善實訓選題；在課堂教學中引入當前軟件分析與建模的發(fā)展趨勢等。

[1]Wing J M. Computational Thinking[J]. Communications of ACM, 2006, 49(3): 33-35.

[2]陳國良, 董榮勝. 計算思維與大學計算機基礎(chǔ)教育[J]. 中國大學教學, 2011(1): 7-12.

[3]朱亞宗. 論計算思維: 計算思維的科學定位、基本原理及創(chuàng)新路徑[J]. 計算機科學, 2009, 36(4): 53-55.

[4]何明昕. 關(guān)注點分離在計算思維和軟件工程中的方法論意義[J]. 計算機科學, 2009, 36(4): 60-63.

[5]Jacobson I, Ng P W. Aspect-oriented software development with use cases[M]. BeiJing: China Machine Press, 2006.