姜磊，文一憑

(湖南科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

為了應(yīng)對新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、新興產(chǎn)業(yè)蓬勃興起的迫切需要，教育部提出了培養(yǎng)新型工科人才的新工科戰(zhàn)略[1]。新工科教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)該具備團(tuán)隊協(xié)作與溝通能力，同時特別注重培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。軟件工程是一門講述如何構(gòu)建高質(zhì)量計算機(jī)軟件的一系列方法與過程的課程。它是計算機(jī)學(xué)科實現(xiàn)新工科教育任務(wù)的重要切入點(diǎn)。經(jīng)過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握軟件工程的基礎(chǔ)知識，具備應(yīng)用自然科學(xué)理論、計算機(jī)理論對工程項目進(jìn)行軟件設(shè)計與開發(fā)的專業(yè)能力。在課堂教學(xué)中，以項目驅(qū)動的形式對學(xué)生進(jìn)行上述能力的培養(yǎng)是一個行之有效的方法[2-3]。當(dāng)前以項目驅(qū)動方式進(jìn)行軟件工程教學(xué)實踐的研究文獻(xiàn)主要探討了項目如何選題、組織以及過程管理[4-5]，很少涉及項目構(gòu)建具體方式與方法的討論。這些文獻(xiàn)基本沒有闡述如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜任務(wù)、復(fù)雜工程問題，對于怎樣在軟件工程教學(xué)中培養(yǎng)符合新工科所要求的學(xué)生能力缺乏系統(tǒng)思考。此外，相當(dāng)部分軟件工程課程教師由于沒有企業(yè)經(jīng)歷而缺乏工程經(jīng)驗，難以對學(xué)生進(jìn)行規(guī)范、有效的實踐能力指導(dǎo)。因此，本文試圖以工程項目為抓手，為該課程的教師提供一套切實可行、規(guī)范的軟件構(gòu)建方法，并在此基礎(chǔ)上提出新工科人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生能夠解決復(fù)雜工程問題，提高溝通與管理能力[6]，從而進(jìn)一步推進(jìn)計算機(jī)學(xué)科的新工科教學(xué)改革研究。

1 計算機(jī)類學(xué)生軟件工程項目實踐現(xiàn)狀

通過對湖南科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院2017級計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程兩個專業(yè)302名學(xué)生的問卷調(diào)查分析以及多年的教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為當(dāng)前計算機(jī)類本科生在軟件工程方面存在以下問題。

1.1 軟件工程課程內(nèi)容過于抽象

74.8%的學(xué)生認(rèn)為軟件工程課程內(nèi)容過于抽象與理論化，難以應(yīng)用到實際的工程項目設(shè)計與開發(fā)中。大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)軟件工程前都會有一些軟件開發(fā)經(jīng)驗，但他們一般都沒有按照軟件工程規(guī)范進(jìn)行開發(fā)，學(xué)生很難將課程內(nèi)容與開發(fā)實踐有效聯(lián)系起來，于是常常會懷疑課程的實用性——認(rèn)為自己不學(xué)習(xí)軟件工程知識照樣可以進(jìn)行項目開發(fā)，從而產(chǎn)生一定抵觸心理。如果教師在教學(xué)過程中不將軟件工程設(shè)計實踐與課程內(nèi)容形象地聯(lián)系起來，學(xué)生就會覺得抽象與枯燥。

1.2 缺乏工程項目設(shè)計經(jīng)驗，難以進(jìn)行復(fù)雜問題求解與有效溝通

課程結(jié)束后，學(xué)生覺得分析問題的能力進(jìn)步小，基本上不能進(jìn)行復(fù)雜工程問題的設(shè)計與開發(fā)。對于一個新的工程問題，73.2%的學(xué)生覺得無從下手，不知如何將需求分析與軟件架構(gòu)中的建模、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和原型設(shè)計結(jié)合起來。對于將工程項目中的具體業(yè)務(wù)按照軟件工程中設(shè)計的步驟進(jìn)行分解，大部分學(xué)生沒有思路，只有少部分學(xué)生具備將具體的業(yè)務(wù)流程轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的界面邏輯和相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的能力。學(xué)生缺乏溝通技巧與實踐，在項目實踐中，由于溝通太麻煩，往往由一個或兩個高水平的學(xué)生完成，其他學(xué)生參與度很低。

1.3 學(xué)生掌握的軟件工程設(shè)計工具少

在掌握軟件工程設(shè)計工具方面，85.8%的學(xué)生了解UML，而掌握UML并能繪制正確圖件的僅31.7%；數(shù)據(jù)建模工具PowerDesigner僅有35.1%的學(xué)生知道，利用其進(jìn)行過數(shù)據(jù)建模和繪制數(shù)據(jù)流圖的則不到8.3%；原型設(shè)計工具Axure的掌握率為72.2%；Apifox或Postman等接口設(shè)計工具僅10.9%的學(xué)生掌握；Git協(xié)同開發(fā)工具則有51.7%的學(xué)生使用過。

1.4 課程雖然以案例與項目驅(qū)動，但教學(xué)效果不明顯

在以前的教學(xué)過程中，我們雖然主要以案例與項目兩種方式組織教學(xué)，但存在如下問題：對于案例的方式，學(xué)生只知道大概流程沒有親自動手，在真正實施時感覺難以下手；對于項目的方式，學(xué)生主要追求的是前后端拉通、項目能夠運(yùn)行，這樣實現(xiàn)的軟件功能簡單，最終產(chǎn)出的是一個demo版本，離上線運(yùn)行的要求很遠(yuǎn)。這兩種方式難以實現(xiàn)新工科要求的培養(yǎng)學(xué)生求解復(fù)雜工程問題以及團(tuán)隊協(xié)作與溝通能力的目標(biāo)。

2 工程項目驅(qū)動的軟件工程教學(xué)具體實施流程

為了幫助學(xué)生掌握解決復(fù)雜工程問題的軟件設(shè)計與開發(fā)能力，根據(jù)新工科人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合學(xué)生的現(xiàn)狀以及原有項目驅(qū)動方式教學(xué)的不足，筆者為復(fù)雜工程項目的設(shè)計與開發(fā)制定了詳細(xì)且行之有效的規(guī)范化流程。

2.1 工程項目驅(qū)動的軟件工程教學(xué)組織

分析上述調(diào)查后，筆者在2018級采用了新的工程項目驅(qū)動方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行軟件工程課程學(xué)習(xí)。首先將學(xué)生分組，每組3～10人。然后要求他們在碼云中創(chuàng)建項目小組，按規(guī)范化的流程進(jìn)行軟件項目的設(shè)計與開發(fā)。項目的來源分三種：一是學(xué)生根據(jù)日常遇到的問題進(jìn)行設(shè)計與開發(fā)，二是學(xué)校各部門根據(jù)自身的業(yè)務(wù)提出需求，三是教師根據(jù)自己的項目或朋友的一些需求進(jìn)行項目題目設(shè)計。每一階段的工作由學(xué)生制作PPT在課堂上進(jìn)行匯報與講解。

2.2 軟件工程項目設(shè)計流程

2.2.1 需求分析與建模

需求分析與建模主要是從項目業(yè)主方的角度進(jìn)行構(gòu)建，用于幫助業(yè)主從軟件開發(fā)的角度厘清思路，整理出所要開發(fā)項目的功能與業(yè)務(wù)全貌。

(1)需求采集。一般而言，由業(yè)務(wù)部門或教師提出的題目都具有一定復(fù)雜工程項目的特征，需要對業(yè)務(wù)部門進(jìn)行需求采集。采集目標(biāo)主要是：①搜集項目具體有哪些角色；②每一個角色有哪些業(yè)務(wù)及其業(yè)務(wù)流程；③相關(guān)的數(shù)據(jù)。然后根據(jù)目標(biāo)，要求學(xué)生制定需求采集計劃。一般來說，業(yè)務(wù)人員在訪談時通常會講述其工作的重要性與意義，對于具體的流程則描述得非常簡略。因此，需要訓(xùn)練學(xué)生在與相關(guān)人員進(jìn)行訪談時要注意將話題圍繞需求采集的目標(biāo)展開。

(2)用例設(shè)計。在需求采集后，就可以進(jìn)行用例設(shè)計。首先，從需求中知悉該項目使用者的種類，然后將這些使用者設(shè)計為若干種角色。其次，根據(jù)每個角色期望項目為之完成的任務(wù)設(shè)計用例。這些工作任務(wù)還可以細(xì)分為子用例。用例圖繪制完成后就得到了各角色對項目的期望與需要項目完成工作的全貌。最后，每一個用例需要用文字進(jìn)行詳細(xì)說明。

(3)行為設(shè)計。大部分的項目都有自己的行業(yè)領(lǐng)域，軟件設(shè)計與開發(fā)人員不一定對其熟悉，因此需要對其業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行梳理。同時，一些業(yè)務(wù)邏輯存在多個運(yùn)行線路，也需要對其進(jìn)行描述，以便于后續(xù)各工作模塊的銜接與異常的處理。這些業(yè)務(wù)邏輯需要通過繪制順序圖、泳道圖、協(xié)作圖的方式與業(yè)務(wù)方進(jìn)行確認(rèn)，務(wù)必將各個業(yè)務(wù)處理分支描述完整清晰，方便軟件開發(fā)人員理解。

2.2.2 構(gòu)建設(shè)計模型

構(gòu)建設(shè)計模型的任務(wù)就是將需求建模的輸出轉(zhuǎn)換成軟件開發(fā)人員對項目的認(rèn)識以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型、原型設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)與類圖等。

(1)數(shù)據(jù)建模。首先根據(jù)需求采集與建模中的輸出，使用PowerDesigner繪制數(shù)據(jù)流圖，得到整個系統(tǒng)中需要存儲與轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)表，然后以此為基礎(chǔ)在PowerDesigner中進(jìn)行項目的數(shù)據(jù)庫設(shè)計。這里需要注意的是，數(shù)據(jù)流圖中的數(shù)據(jù)表需要進(jìn)行拆分，拆分的原則是：動靜分離、存儲空間大的數(shù)據(jù)需要與空間小的數(shù)據(jù)分離；部分經(jīng)常使用但散布在各個數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以設(shè)計成視圖；最后，再進(jìn)行范式分析進(jìn)一步分解，使每個表滿足3NF或BCNF。

(2)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。①部署結(jié)構(gòu)設(shè)計：當(dāng)前的項目一般采用B/S結(jié)構(gòu)。如果訪問量大就要采用高并發(fā)設(shè)計，此時設(shè)計者需要估算應(yīng)用服務(wù)器的個數(shù)、數(shù)據(jù)服務(wù)器的個數(shù)以及考慮是否需要部署Redis數(shù)據(jù)庫用來放置高頻訪問數(shù)據(jù)等。②開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計：一般采用前后端完全分離的形式。前端需要考慮UI框架的選擇，后端則可以從SSH、SSM或微服務(wù)等框架選取一種做進(jìn)一步設(shè)計。③系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)：首先針對需求建模中的用例設(shè)計對各角色的用例與子用例進(jìn)行分析與合并，得到初步的層次結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)系統(tǒng)是否完整再進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充。對于不好劃分的模塊，則可以在數(shù)據(jù)流圖中相應(yīng)區(qū)域，根據(jù)事物流與變換流的方式進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)的映射，最終得到完整的系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)。

(3)原型設(shè)計與接口設(shè)計。原型設(shè)計一般采用Axure工具根據(jù)需求建模中的用例設(shè)計與行為設(shè)計進(jìn)行前端頁面的UI設(shè)計。UI界面主要由數(shù)據(jù)輸入、表格與圖形組成。但是很多學(xué)生由于缺乏經(jīng)驗，難以將業(yè)務(wù)邏輯中的行為轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頁面元素。每個學(xué)校都有教務(wù)系統(tǒng)和一些面向?qū)W生的財務(wù)、圖書管理、學(xué)生管理等系統(tǒng)。因此，我們建議學(xué)生根據(jù)自身使用經(jīng)驗去體會業(yè)務(wù)邏輯是怎樣向具體頁面轉(zhuǎn)換的，然后再進(jìn)行模仿。接口設(shè)計則主要根據(jù)原型設(shè)計的頁面進(jìn)行，即把頁面要錄入的數(shù)據(jù)作為接口函數(shù)的輸入，頁面上要顯示的數(shù)據(jù)作為接口函數(shù)的輸出。這樣，設(shè)計者就可以在每個頁面上得到一個粗糙的接口函數(shù)。所有頁面上的接口函數(shù)經(jīng)過消岐、組合、分解后，前端所需要的接口設(shè)計部分就完成了。設(shè)計者再根據(jù)后端數(shù)據(jù)處理情況做進(jìn)一步優(yōu)化就能得到整個系統(tǒng)的接口設(shè)計。

(4)類與工作包設(shè)計。首先，設(shè)計者根據(jù)需求建模文檔得到部分類，然后再從接口設(shè)計文檔確定接口類，最后從配合上述類工作以及后端必須要進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換等方面做進(jìn)一步設(shè)計得到初步的完整類圖。隨后，設(shè)計者根據(jù)設(shè)計模式對類圖進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，使之更加合理。工作包的設(shè)計是將類按功能模塊、公用工具、前端接口、數(shù)據(jù)庫交互、登錄鑒權(quán)等方式對類進(jìn)行組合放入工作包得到包圖。

3 新工科背景下工程項目驅(qū)動的軟件工程教學(xué)中學(xué)生能力培養(yǎng)初步思考

通過工程項目驅(qū)動的方式，軟件工程課程可以進(jìn)行計算思維能力和新工科軟件人才能力的培養(yǎng)。這兩種能力的培養(yǎng)著眼于學(xué)生畢業(yè)后的發(fā)展，與新工科教育考查學(xué)生畢業(yè)后五年的發(fā)展?fàn)顩r的理念非常契合。

3.1 計算思維培養(yǎng)

計算思維以設(shè)計和構(gòu)造為基本特征，它是計算機(jī)學(xué)科學(xué)生在哲學(xué)層面必須要培養(yǎng)和具備的素質(zhì)。但是學(xué)生通過長期的數(shù)學(xué)教育，主要得到的是理論思維培養(yǎng)。他們在面對問題時首先習(xí)慣考慮怎樣通過直接運(yùn)算與推理得到精確的答案。在這種慣性思維下進(jìn)行項目設(shè)計與開發(fā)時，學(xué)生常常會從問題涉及的直接原理出發(fā)進(jìn)行求解，并因此陷入相關(guān)理論的深入思考中，而忽略了要解決的工程問題本身。特別是對于那些直接設(shè)計、開發(fā)難度大的問題，他們常常陷入相關(guān)理論與技術(shù)的學(xué)習(xí)中，而忘記了采用近似的方法將會大大降低求解難度。其次，學(xué)生一味采用高精尖的技術(shù)而忽略時間與成本的約束。再次，他們還經(jīng)常忽略項目本身的特點(diǎn)而采用不合理的復(fù)雜方案，從而帶來了不必要的難度與時間消耗。例如，在一個派工管理項目中，各任務(wù)承擔(dān)單位需經(jīng)甲方認(rèn)證資質(zhì)后才能獲準(zhǔn)進(jìn)入，費(fèi)用結(jié)算另有系統(tǒng)。學(xué)生開始設(shè)計時采用了非常復(fù)雜的登錄鑒權(quán)方案。但該系統(tǒng)實際是封閉運(yùn)行，工作任務(wù)不涉密，系統(tǒng)攻破后黑客也不能獲利。黑客即使更改任務(wù)分派，在實際工作運(yùn)行時也能及時糾正。因此，教師發(fā)現(xiàn)后就更改為普通方案。最后，學(xué)生非常容易扎入細(xì)節(jié)中去，缺乏整體視角。

基于以上問題，我們通過以下方式進(jìn)行處理，收到了較好的效果。(1)列出當(dāng)前項目任務(wù)，并劃分出優(yōu)先級，要求學(xué)生按優(yōu)先級進(jìn)行解決，避免進(jìn)入細(xì)節(jié)。(2)列舉出當(dāng)前項目的約束與允許范圍，培養(yǎng)學(xué)生按照約束條件與誤差范圍尋找適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案的習(xí)慣。(3)碰到難題時，要求學(xué)生首先考慮簡便的替代方案。

3.2 新工科軟件人才能力培養(yǎng)

3.2.1 培養(yǎng)學(xué)生對項目全過程的整體觀與發(fā)掘技術(shù)深度的能力

本科生畢業(yè)時入職的工作會偏重于一個方面，比如前端、后端、測試或小程序等。但對項目全過程的掌握與理解非常重要，這是決定他們發(fā)展高度的一個重要因素，同時也是跟新工科配套的工程認(rèn)證的一個重要視角——學(xué)生畢業(yè)五年內(nèi)的發(fā)展情況息息相關(guān)。因此，在我們的項目中每一個過程都盡量讓不同的學(xué)生負(fù)責(zé)，讓更多的學(xué)生能夠得到鍛煉。同時，教師需要提醒學(xué)生注意兩件事情：一是完成本過程的工作并充分認(rèn)識本部分工作承前啟后的作用或意義；二是每位學(xué)生需要注意觀察負(fù)責(zé)的同學(xué)是如何進(jìn)行工作組織與前后過程銜接的，并對過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行反思及如何改進(jìn)。在整個項目完成后，每一位學(xué)生都要進(jìn)行一次項目全過程的復(fù)盤思考與心得體會的描述。每一個項目的選擇及其技術(shù)選型都是根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)主流而定，但大部分學(xué)生在表述時往往只是基本工作的描述，看不出技術(shù)亮點(diǎn)與深度。例如，他們會對一個采用了目前主流技術(shù)的項目描述如下：本項目前端完成了XX功能，后端采用Java編寫。所以，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行正確的描述、發(fā)掘所做工作的技術(shù)含量。例如，上述的描述可以更改為本項目根據(jù)前后端完全分離的理念，前端采用Vue+ElementUI、后端采用SSM框架，使用Spring Security進(jìn)行鑒權(quán)。

3.2.2 培養(yǎng)學(xué)生的復(fù)雜問題任務(wù)求解能力

新工科非常強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。但目前學(xué)生日常學(xué)習(xí)中較少碰到復(fù)雜問題，非常缺乏解決復(fù)雜問題的經(jīng)驗。因此，我們在開展項目設(shè)計與開發(fā)時要注意各角色的功能要求，杜絕學(xué)生簡化功能只滿足于拉通前后端技術(shù)，而忽略了詳細(xì)的業(yè)務(wù)邏輯分析、異常處理等工作。這些工作是解決復(fù)雜項目的基礎(chǔ)性方法，也是保證項目質(zhì)量的重要手段。對于復(fù)雜問題以及難點(diǎn)技術(shù)，教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題分析和任務(wù)分解，找出當(dāng)前能夠解決以及難以解決的部分。對于難解決部分，教師需要組織優(yōu)秀學(xué)生攻關(guān)或者尋求外援。

3.2.3 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊溝通與協(xié)調(diào)能力

在小型項目中，學(xué)生主要以宿舍或關(guān)系親近的2～3人作為小組，以一個技術(shù)能力強(qiáng)的學(xué)生為核心展開，這樣的團(tuán)隊日常溝通比較方便。但是，學(xué)生在畢業(yè)初期進(jìn)入一個較為陌生甚至并不和諧的團(tuán)隊的可能性較大，如何在這樣的團(tuán)隊中生存并有所發(fā)展，協(xié)調(diào)與溝通能力尤為重要。因此，我們采取了以下措施：(1)有意識地打破班級界限組建6～10人的大團(tuán)隊，這樣就有可能是相互之間并不熟悉的學(xué)生，甚至有部分關(guān)系較為惡劣的同學(xué)被分到一組。學(xué)生在這樣一種氛圍中，能獲得重要的心態(tài)調(diào)適經(jīng)驗，并在有善意的教師監(jiān)督與協(xié)調(diào)下收獲關(guān)系的磨合經(jīng)驗與溝通經(jīng)驗。(2)進(jìn)行有效溝通的訓(xùn)練，要求學(xué)生記錄進(jìn)行技術(shù)溝通的語句，然后討論這些語句包含的信息是否足夠，應(yīng)該怎樣改進(jìn)才能包含充分的信息，降低溝通的次數(shù)。(3)在工作任務(wù)的更新與改變時記錄協(xié)調(diào)工作時各方的反應(yīng)，并探討在哪些情況下協(xié)調(diào)是成功并恰當(dāng)?shù)?、哪些地方需要改進(jìn)。

4 結(jié)語

以新工科對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求為指導(dǎo)，筆者在湖南科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院18級網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)組織了以工程項目設(shè)計與開發(fā)為特色的軟件工程課程的教學(xué)實踐，取得了較好的成績。全專業(yè)總共分為10個小組，按企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)衡量，其中5個小組可以達(dá)到優(yōu)秀、4個小組良好、1個小組合格。學(xué)生以此開發(fā)的結(jié)果申請了3個軟件著作權(quán)，設(shè)計與開發(fā)的科技處合同審批系統(tǒng)得到了學(xué)校的應(yīng)用。教學(xué)中，我們發(fā)現(xiàn)本文介紹的流程與能力培養(yǎng)方法在四個方面取得了成果：(1)學(xué)生設(shè)計與開發(fā)的項目業(yè)務(wù)邏輯合理、異常處理恰當(dāng)，能適應(yīng)項目運(yùn)行時的各種復(fù)雜狀態(tài)；(2)通過數(shù)據(jù)建模與業(yè)務(wù)邏輯的迭代分析得到的數(shù)據(jù)庫質(zhì)量高，能夠適應(yīng)后期的各種異常與功能的調(diào)整，說明數(shù)據(jù)建模的成果能夠應(yīng)對復(fù)雜工況與復(fù)雜流程；(3)類圖根據(jù)設(shè)計模式的要求進(jìn)行優(yōu)化后能提升整體項目的設(shè)計與開發(fā)質(zhì)量；(4)學(xué)生能夠在團(tuán)隊中進(jìn)行有效溝通與完成一些比較復(fù)雜的工作。