劉 波，TYSZBEROWICZ Shmuel，羅 欣

（1.西南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.阿菲卡工程學(xué)院 軟件工程系，以色列 特拉維夫 6 998812；3.重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，重慶 400016）

0 引言

大力發(fā)展信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)（“信創(chuàng)”）是當(dāng)前的國(guó)家戰(zhàn)略［1］。該戰(zhàn)略的核心在于針對(duì)當(dāng)下信息通信技術(shù)（Information and Communications Technologies，ICT）產(chǎn)業(yè)底層、架構(gòu)、產(chǎn)品、生態(tài)等要素均由國(guó)外制定和控制的整體態(tài)勢(shì)，致力于發(fā)展自主可控、安全可信的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施；培育我國(guó)ICT 產(chǎn)業(yè)的自有開(kāi)放生態(tài)，從而化解當(dāng)前我國(guó)ICT 領(lǐng)域所面臨的“卡脖子”及數(shù)字安全等風(fēng)險(xiǎn)［1］。2018年，基于國(guó)家相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略及新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新趨勢(shì)，教育部等三部委聯(lián)合發(fā)文提出了“加快建設(shè)發(fā)展新工科、實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0”的意見(jiàn)，旨在以加入國(guó)際工程教育《華盛頓協(xié)議》組織為契機(jī)，以新工科建設(shè)為重要抓手，持續(xù)深化工程教育改革；加快培養(yǎng)適應(yīng)與引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的工程科技人才；打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地，提升國(guó)家硬實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力［2］。顯然，國(guó)家的“信創(chuàng)”戰(zhàn)略和新工科建設(shè)對(duì)于ICT領(lǐng)域的卓越工程人才培育提出了更高要求。

新工科信創(chuàng)化，即新工科建設(shè)與信創(chuàng)戰(zhàn)略相結(jié)合。一方面，意味著統(tǒng)籌考慮“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，即發(fā)展新興工科專業(yè)、改造升級(jí)傳統(tǒng)工科專業(yè)，為面向未來(lái)爭(zhēng)奪科技與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略新高地而培育人才；另一方面，在人才培養(yǎng)過(guò)程中，更加注重培養(yǎng)適應(yīng)與引領(lǐng)國(guó)家自主可控、安全可信的底層架構(gòu)構(gòu)建及標(biāo)準(zhǔn)制定的“新基建”人才，以及有利于自有開(kāi)放生態(tài)發(fā)展的新型復(fù)合型工程人才?；诖吮尘?，西南大學(xué)提出了“軟件工程專業(yè)與特色學(xué)科相融合、中外合作辦學(xué)與新工科信創(chuàng)化建設(shè)相融合、高校培育與企業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐相融合”的“3+”創(chuàng)新融合培養(yǎng)架構(gòu)，打造了軟件工程專業(yè)“中外合作、校企共建、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、新工科信創(chuàng)化”4 個(gè)課程群（“4C”），構(gòu)成了西南大學(xué)軟件工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的“3+4C”體系。其中，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)是“新工科信創(chuàng)化”課程群的核心示范性課程。如何針對(duì)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程實(shí)施“新工科信創(chuàng)化”改造，以提升教學(xué)成效，本文開(kāi)展了一系列探索與實(shí)踐。

1 課程改革面臨的問(wèn)題

軟件是定義計(jì)算的邏輯制品，是面向抽象且復(fù)雜的物理世界實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的邏輯載體［3］。軟件生產(chǎn)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程，需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是軟件生產(chǎn)這一系統(tǒng)工程中最具挑戰(zhàn)性和最需創(chuàng)造力的兩個(gè)階段［12］。系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程主要圍繞軟件需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)理論、技術(shù)、過(guò)程及工具展開(kāi)探討，其改革育人成效對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型、創(chuàng)新型軟件生產(chǎn)者，以及構(gòu)建自主可控、安全可信的軟件系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)尤為重要。

從本質(zhì)上講，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程是一門(mén)系統(tǒng)研究如何通過(guò)邏輯分析與邏輯設(shè)計(jì)構(gòu)造邏輯制品的課程，具備知識(shí)抽象性、問(wèn)題復(fù)雜性、領(lǐng)域相關(guān)性、工程實(shí)踐性等特點(diǎn)。故軟件工程領(lǐng)域幾代人艱難探索與實(shí)踐所凝結(jié)出的諸多方法與啟發(fā)規(guī)則，對(duì)于幾乎不具備軟件系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的本科生而言，等同于生澀、枯燥的教條，因而決定了這是一門(mén)難教、難學(xué)、難上手的課程。不僅如此，在“信創(chuàng)”及新工科背景下，課程還肩負(fù)著圍繞自主可控、安全可信、自有生態(tài)等視角樹(shù)立正確價(jià)值觀的任務(wù)。這也決定了本課程的育人目標(biāo)除知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)外，還包含價(jià)值塑造的功能，即需要在“知識(shí)—能力—價(jià)值”三位一體的維度上構(gòu)筑并達(dá)成課程育人目標(biāo)。

從學(xué)情上分析，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程主要面向大二年級(jí)軟件工程專業(yè)的學(xué)生，其剛完成了一年的數(shù)學(xué)思維與計(jì)算思維訓(xùn)練，以及軟件工程領(lǐng)域?qū)д撝R(shí)的學(xué)習(xí)與初級(jí)編程技能的培訓(xùn)，因此對(duì)軟件工程相關(guān)知識(shí)、技術(shù)與技能體系等已具備了一定的自主判斷能力和自我偏好。故一旦課程讓學(xué)生認(rèn)為“所學(xué)非所用”或“所學(xué)非所愛(ài)”，便極難使學(xué)生積極參與教學(xué)活動(dòng)。另外，當(dāng)代大學(xué)生伴隨著信息與通信和智能化技術(shù)發(fā)展而成長(zhǎng)，傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)所產(chǎn)生的課堂吸引力，很難與無(wú)處不在的娛樂(lè)游戲及層出不窮的智能新奇事物相匹敵。一旦課堂乏味，學(xué)生便不再關(guān)注課堂教學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致教學(xué)互動(dòng)失效，難以達(dá)成教學(xué)目的。

如何借助“新工科信創(chuàng)化”契機(jī)，通過(guò)課程改革創(chuàng)新，使課程內(nèi)容更加實(shí)用、豐富、生動(dòng)，讓學(xué)生主動(dòng)參與線上線下教學(xué)互動(dòng)，達(dá)成“三位一體”的課程育人目標(biāo)以助力實(shí)現(xiàn)軟件工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，成為課程教學(xué)改革關(guān)注的焦點(diǎn)。其中面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括：

（1）思政元素融入難。工科類課程普遍存在課程思政案例難尋、刻意融合效果不佳等共性問(wèn)題。本課程作為一門(mén)圍繞“軟件邏輯制品”設(shè)計(jì)與構(gòu)建的工科課程，抽象度極高，專業(yè)性極強(qiáng)，思政建設(shè)無(wú)處著手。

（2）理論實(shí)踐結(jié)合難。本課程需用基礎(chǔ)理論的“不動(dòng)點(diǎn)”去對(duì)接“動(dòng)態(tài)流轉(zhuǎn)”的軟件生產(chǎn)過(guò)程，尤其在新工科信創(chuàng)化背景下，需要學(xué)生能基于國(guó)產(chǎn)自主自有的技術(shù)體系完成相關(guān)實(shí)踐活動(dòng)，并培育其創(chuàng)新和引領(lǐng)能力，產(chǎn)教脫節(jié)、理論實(shí)踐錯(cuò)配的情形也在所難免。

（3）高階能力培養(yǎng)難。學(xué)生受被動(dòng)教學(xué)范式長(zhǎng)期浸染，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)思維；在傳統(tǒng)教學(xué)組織及評(píng)價(jià)機(jī)制下，學(xué)習(xí)動(dòng)力難以激發(fā)；“內(nèi)卷式”學(xué)習(xí)使學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作思維及能力缺乏，面向復(fù)雜問(wèn)題求解時(shí)高階產(chǎn)出不足。

（4）學(xué)習(xí)過(guò)程監(jiān)管難。學(xué)生線上線下學(xué)習(xí)過(guò)程時(shí)空離散，監(jiān)管難以統(tǒng)一開(kāi)展，數(shù)據(jù)難以系統(tǒng)采集；針對(duì)數(shù)據(jù)的智能分析與反饋手段缺乏實(shí)時(shí)性，教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)與調(diào)整不及時(shí)，且事后缺乏針對(duì)性的反思與強(qiáng)化，教學(xué)成效不顯著。

2 相關(guān)研究

為破解系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程教學(xué)中所面臨的上述挑戰(zhàn)，教育界很多學(xué)者針對(duì)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)以及其他軟件工程專業(yè)相關(guān)課程開(kāi)展了教學(xué)改革研究與探索：

（1）系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革研究。羅愛(ài)民等［4］針對(duì)新工科背景下信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程中的實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題，引入構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)維（Conceive-Design-Implement-Operate，CDIO）方法，構(gòu)建了一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，提出了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)考核辦法，形成了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)、學(xué)生為主、創(chuàng)新為核、依托平臺(tái)的思維一體實(shí)踐教學(xué)模式。該研究針對(duì)理論實(shí)踐結(jié)合難問(wèn)題提供了方法參考。董悅麗等［5］在CDIO 方法基礎(chǔ)上引入成果導(dǎo)向教育（Outcome-based Education，OBE）理念，通過(guò)確定課程目標(biāo)，關(guān)聯(lián)畢業(yè)要求，反向調(diào)整課程的教學(xué)內(nèi)容、實(shí)施過(guò)程及考核辦法，并結(jié)合其自定義的TOPCARES-CDIO 能力指標(biāo)體系對(duì)教學(xué)活動(dòng)加以改進(jìn)，獲得了較好的育人效果。該研究為應(yīng)對(duì)高階能力培養(yǎng)難問(wèn)題啟發(fā)了思路。馬瑞新等［6］圍繞系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程“價(jià)值—知識(shí)—能力”三大育人目標(biāo)，采用項(xiàng)目導(dǎo)向與案例相結(jié)合的方式闡述系統(tǒng)建設(shè)的基本理論和方法，并基于華為軟件開(kāi)發(fā)云設(shè)計(jì)了“基礎(chǔ)知識(shí)→核心應(yīng)用→綜合案例→企業(yè)實(shí)踐”的教學(xué)流程，以培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力和項(xiàng)目實(shí)踐能力，同時(shí)通過(guò)引入工程倫理實(shí)現(xiàn)思政融入。該研究在解決思政元素融入、理論實(shí)踐結(jié)合、高階能力培養(yǎng)等挑戰(zhàn)性問(wèn)題方面提供了可行的方法。上述研究提出的相關(guān)教學(xué)改革思路與措施為本團(tuán)隊(duì)整體實(shí)施課程“新工科信創(chuàng)化”改革啟發(fā)了新思路，并提供了系統(tǒng)性的方法參考。

（2）軟件工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)改革研究。李竹林等［7］在軟件工程專業(yè)課程教學(xué)改革實(shí)踐中融入CDIO 方法，并將“問(wèn)題與案例驅(qū)動(dòng)（Problem and Case-based Learning）”教學(xué)法引入理論課教學(xué)過(guò)程中，同時(shí)利用“做中學(xué)（Learning by Doing）”的理念改造實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，取得了良好的教學(xué)效果。車海燕等［8］借助OBE 方法打造新工科背景下軟件工程課程設(shè)計(jì)的教學(xué)新模式，并通過(guò)產(chǎn)學(xué)合作，引入工業(yè)界的主流開(kāi)發(fā)流程和企業(yè)實(shí)際軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)施基于項(xiàng)目的教學(xué)與實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的問(wèn)題解決能力。此外，楊志斌等［9］面向航空航天特色領(lǐng)域的新工科建設(shè)需求，探索軟件工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)體系，并結(jié)合編譯原理課程，探討“將科研引入課堂、將學(xué)生帶出課堂”的教學(xué)科研相互促進(jìn)機(jī)制，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。這些相關(guān)課程的教改研究工作展現(xiàn)了對(duì)多種教學(xué)法的綜合運(yùn)用及其與新工科建設(shè)需求的融合，為本課程開(kāi)展相關(guān)教改工作提供了新視角。

總之，既往的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)及軟件工程專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)改革實(shí)踐，為破解本課程教學(xué)改革中所面臨的4項(xiàng)挑戰(zhàn)提供了新視角，啟發(fā)了新思路，使本文得以結(jié)合自身特色和學(xué)情，打造出融新案例、新流程、新模式、新技術(shù)于一體的“四新課堂”。

3 課程改革思路與舉措

課程改革的總體思路為：以“新工科信創(chuàng)化”為指導(dǎo)，以工程教育認(rèn)證為抓手，圍繞“價(jià)值—知識(shí)—能力”三位一體的育人目標(biāo)實(shí)施課程教學(xué)改革。具體工作從以下兩方面展開(kāi)：

（1）確定新教學(xué)目標(biāo)。為適應(yīng)總體改革思路，秉承OBE 理念，緊扣國(guó)家、地方及產(chǎn)業(yè)需求，從學(xué)校育人定位、培養(yǎng)目標(biāo)及畢業(yè)目標(biāo)出發(fā)，確定課程教學(xué)需達(dá)成目標(biāo)的基本架構(gòu)；在“新工科信創(chuàng)化”背景下，根據(jù)課程自身的知識(shí)體系和教學(xué)規(guī)律進(jìn)行針對(duì)性的改革。

（2）打造四新課堂。針對(duì)“新工科信創(chuàng)化”背景下課程教學(xué)存在的問(wèn)題，凝練新案例，實(shí)現(xiàn)思政元素的自然融入；打造新流程，將課程理論與基于信創(chuàng)云的實(shí)踐相融合；創(chuàng)設(shè)新模式，激發(fā)學(xué)生的高階學(xué)習(xí)動(dòng)力；自研新技術(shù)，對(duì)教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并予以強(qiáng)化。

3.1 教學(xué)目標(biāo)

基于“信創(chuàng)”戰(zhàn)略及新工科建設(shè)需要，學(xué)校對(duì)軟件工程專業(yè)新型工程型人才的育人定位是：培育適應(yīng)國(guó)家地方戰(zhàn)略及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求，德、智、體、美、勞全面發(fā)展，具有良好科學(xué)素質(zhì)、人文素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感和職業(yè)道德，具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基礎(chǔ)理論、工程基礎(chǔ)、專業(yè)理論知識(shí)和專業(yè)技能，具有良好的團(tuán)隊(duì)合作和組織管理能力，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新能力、終身學(xué)習(xí)能力以及國(guó)際化視野，能夠勝任信息技術(shù)項(xiàng)目（或產(chǎn)品）研發(fā)、管理、運(yùn)維、服務(wù)的國(guó)際化應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

在此定位基礎(chǔ)上，根據(jù)工程教育認(rèn)證要求，軟件工程專業(yè)確立了12 項(xiàng)畢業(yè)要求。本課程則從“知識(shí)傳授—能力培養(yǎng)—價(jià)值塑造”三大育人維度出發(fā)，確立了對(duì)工程知識(shí)、問(wèn)題分析、設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案、工程與社會(huì)4 個(gè)目標(biāo)下的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，繼而圍繞各指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)制定與課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，并在“新工科信創(chuàng)化”背景下進(jìn)一步細(xì)化為如表1所示的課程教學(xué)目標(biāo)。

Table 1 New curriculum teaching objectives表1 新的課程教學(xué)目標(biāo)

3.2 四新課堂

為破解思政元素融入難、理論實(shí)踐結(jié)合難、高階能力培養(yǎng)難、學(xué)習(xí)過(guò)程監(jiān)管難等問(wèn)題，本課程改革打造了融合新案例、新流程、新模式、新技術(shù)的“四新課堂”。

3.2.1 凝練新案例，實(shí)現(xiàn)思政元素的自然融入

基本思路：根據(jù)課程的“知識(shí)—能力—價(jià)值”的育人目標(biāo)，篩選與之相關(guān)的切身事件與時(shí)事熱點(diǎn)；通過(guò)“軟件定義”的視角來(lái)剖析事件，并引入到軟件工程專業(yè)領(lǐng)域；基于信創(chuàng)的“自主可控”與“安全可信”視角抽取凝練新案例，結(jié)合知識(shí)要點(diǎn)傳授，實(shí)現(xiàn)思政自然融入。具體流程如下：

（1）事件選取。選取時(shí)應(yīng)綜合考慮三方面因素：首先，該事件與軟件工程領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)體系、技能結(jié)構(gòu)、價(jià)值導(dǎo)向之間存在映射，否則無(wú)法合理、自然地導(dǎo)入到本課程中，該因素是必備因素。其次，該事件與老百姓的日常生活密切相關(guān)，且為學(xué)生所熟知（如超市購(gòu)物）。因越熟悉的事件，將其作為驅(qū)動(dòng)案例時(shí)，才能更好地彌補(bǔ)本課程理論知識(shí)的抽象性，并增強(qiáng)其可理解性，該因素是可選因素。再次，該事件是近年來(lái)發(fā)生的熱點(diǎn)事件并引起過(guò)民眾的高度關(guān)注（如新冠爆發(fā)），針對(duì)此類事件，學(xué)生才有興趣從不同視角（尤其是軟件工程領(lǐng)域視角）對(duì)其重新進(jìn)行審視，該因素也是可選因素。其中，必備因素是事件選取時(shí)必須考慮的條件，備選事件對(duì)上述因素覆蓋越多、耦合越強(qiáng)，就越適合選取并凝練作為思政新案例。

（2）領(lǐng)域?qū)?。深刻理解人們正進(jìn)入一個(gè)“軟件定義一切”的時(shí)代：軟件正以計(jì)算為核心手段，構(gòu)造越來(lái)越多現(xiàn)實(shí)世界應(yīng)用問(wèn)題的解決方案。透過(guò)備選事件紛繁復(fù)雜的外部表現(xiàn)，將視線集中在支持其運(yùn)作的底層信息基礎(chǔ)設(shè)施上，便可定位到其軟件系統(tǒng)內(nèi)核，繼而基于軟件工程專業(yè)視角剖析其中可能存在的問(wèn)題。

（3）案例凝練。從信創(chuàng)視角出發(fā)，在備選事件所蘊(yùn)含的軟件工程領(lǐng)域問(wèn)題中，基于“自主可控”與“安全可信”兩個(gè)維度進(jìn)行審視，并進(jìn)行案例重構(gòu)。在尊重備選事件原有事實(shí)基礎(chǔ)上，凝練出該事件在軟件工程領(lǐng)域信創(chuàng)化視角下的新案例。凝練的新案例需重點(diǎn)覆蓋課程目標(biāo)4，同時(shí)可為其他3個(gè)課程目標(biāo)的達(dá)成提供案例支持。

以“超市購(gòu)物”案例的凝練及思政融入過(guò)程為例。選擇該案例首先是基于講解用例知識(shí)中關(guān)于“直接參與者”與“間接參與者”之間差異的需要（課程目標(biāo)2），同時(shí)培育學(xué)生在構(gòu)建用例模型（用例圖）方面的技能（課程目標(biāo)2），以及使學(xué)生意識(shí)到自己在需求分析中所作的決策可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響（課程目標(biāo)4）。其次是事件面向軟工領(lǐng)域的導(dǎo)入：考慮顧客在超市購(gòu)物時(shí)進(jìn)行商品掃碼結(jié)算這一基本事件過(guò)程。切入該事件的軟工角度則是“顧客”（參與者）在“掃碼結(jié)算”（用例）時(shí)是作為“直接參與者”還是“間接參與者”。最后基于“可信”視角（即邏輯系統(tǒng)應(yīng)正確刻畫(huà)目標(biāo)物理系統(tǒng)）重構(gòu)該案例：知識(shí)上表現(xiàn)為通過(guò)構(gòu)造案例中業(yè)務(wù)場(chǎng)景的變化，螺旋式加深對(duì)兩種不同類型參與者的認(rèn)知。即最初有極大概率會(huì)有學(xué)生誤認(rèn)為顧客是掃碼結(jié)算用例的直接參與者，但回顧顧客在收銀臺(tái)買(mǎi)單的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)實(shí)際與收銀系統(tǒng)進(jìn)行交互并完成掃碼結(jié)算的是收銀員，故收銀員才是掃碼結(jié)算用例的直接參與者，而顧客是間接參與者。之后，提示學(xué)生們考慮當(dāng)下超市提供的自助收銀服務(wù)流程，此時(shí)顧客作為掃碼結(jié)算用例的直接參與者便是合理的。技能上表現(xiàn)為考察學(xué)生在繪制用例圖時(shí)，顧客作為參與者與掃碼結(jié)算用例之間是否存在關(guān)系（即是否應(yīng)加上關(guān)系連線）。此外，還需特別提醒學(xué)生：作為系統(tǒng)分析師，建模中要深思熟慮，謹(jǐn)慎抉擇，以構(gòu)造可信的模型。例如在顧客與掃碼結(jié)算用例之間多加一條關(guān)系線，讓顧客成為掃碼結(jié)算用例的直接參與者，完成系統(tǒng)研發(fā)與運(yùn)維所付出的經(jīng)濟(jì)社會(huì)代價(jià)為：系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)需付出額外的人力、時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本；超市需額外提供一個(gè)專門(mén)的自助收銀區(qū)，購(gòu)置并維護(hù)一定數(shù)量的自助收銀機(jī)，雇傭并培訓(xùn)若干管理機(jī)器及輔助實(shí)施自助收銀的店員。由此可見(jiàn)，系統(tǒng)分析師（學(xué)生）構(gòu)建的需求模型是否可信，影響巨大。

3.2.2 打造新流程，將課程理論學(xué)習(xí)與基于信創(chuàng)云的實(shí)踐相融合

基本思路：首先，分別將基于MOOC［13］和SPOC［14］的教學(xué)環(huán)節(jié)連接到課堂教學(xué)，構(gòu)造線上線下一體化（Online-offline Blended，OOB）［15］的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程。其次，將該教學(xué)流程對(duì)接到華為CodeArts（原DevCloud）平臺(tái)［10］：將課程的教學(xué)活動(dòng)對(duì)應(yīng)到真實(shí)軟件系統(tǒng)工程中的構(gòu)建活動(dòng)及管理活動(dòng)，將線上線下教學(xué)流程中的預(yù)期產(chǎn)出（Outputs），映射到軟件系統(tǒng)構(gòu)建及交付周期中需要生產(chǎn)并通過(guò)CodeArts 管控的各類軟件制品（Artefacts）中，以實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)與軟件生產(chǎn)的一體化。主要措施包括：

（1）線上線下教學(xué)一體化。從表1 的課程目標(biāo)中不難發(fā)現(xiàn)，本課程教學(xué)內(nèi)容具備體量大、涉及廣、理論深、實(shí)踐難的典型特征。受物理時(shí)空限制，采用單一的課堂教學(xué)幾乎無(wú)法達(dá)成既定的教學(xué)目標(biāo)，更不可能充分實(shí)現(xiàn)從低層思維到高層思維的躍進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高水平的認(rèn)知學(xué)習(xí)。故本文引入MOOC 和SPOC 來(lái)破除傳統(tǒng)單一課堂時(shí)空的信息物理局限，豐富了傳統(tǒng)線下課堂的課前和課后教學(xué)環(huán)節(jié)，給予學(xué)生充分的學(xué)習(xí)時(shí)間。讓每個(gè)學(xué)生在課前的線上學(xué)習(xí)中打下較好的知識(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)而走進(jìn)線下課堂進(jìn)行體系補(bǔ)全、弱點(diǎn)強(qiáng)化、重難點(diǎn)突破，最后通過(guò)課后的線上學(xué)習(xí)進(jìn)一步提升相關(guān)能力，實(shí)現(xiàn)更高層次的認(rèn)知學(xué)習(xí)。為此，課程團(tuán)隊(duì)累計(jì)開(kāi)發(fā)線上授課視頻100 個(gè)，總時(shí)長(zhǎng)119 學(xué)時(shí)，測(cè)驗(yàn)和作業(yè)33 個(gè)，習(xí)題198 道，并同國(guó)內(nèi)多家著名的軟件企業(yè)開(kāi)展合作，引進(jìn)真實(shí)的項(xiàng)目案例（經(jīng)商業(yè)脫敏），打造本課程豐富的案例庫(kù)用于課前預(yù)習(xí)和課后提升。

每個(gè)課時(shí)的教學(xué)流程圍繞一個(gè)話題展開(kāi)，一般包括三個(gè)環(huán)節(jié)：導(dǎo)入環(huán)節(jié)、視聽(tīng)環(huán)節(jié)、輸出環(huán)節(jié)。在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師將展示該話題相關(guān)的詞匯，增加學(xué)生的詞匯儲(chǔ)備，為接下來(lái)的聽(tīng)力和口語(yǔ)任務(wù)做準(zhǔn)備。在視聽(tīng)環(huán)節(jié)，筆者首先會(huì)根據(jù)話題選擇相關(guān)的視頻或音頻。在選擇視頻或音頻的過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)：視頻或音頻的語(yǔ)速要適中；生詞、難詞不宜過(guò)多；長(zhǎng)度需要控制在一定范圍內(nèi)。選擇好視頻或音頻材料后，需要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)，任務(wù)的類型盡量多樣化，包括選擇、填空、排序、判斷正誤、復(fù)述等。在輸出環(huán)節(jié)，筆者通常會(huì)設(shè)計(jì)個(gè)人發(fā)言、角色扮演、小組討論、辯論等口語(yǔ)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生鞏固本課所學(xué)，進(jìn)行語(yǔ)言輸出。

（2）課程教學(xué)與軟件生產(chǎn)一體化。表1 的各項(xiàng)課程目標(biāo)均蘊(yùn)含著踐行信創(chuàng)戰(zhàn)略的意圖，即面向國(guó)產(chǎn)自主自有ICT 底層架構(gòu)及產(chǎn)業(yè)生態(tài)的發(fā)展需求，培養(yǎng)創(chuàng)新型軟件工程人才。在信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)中，信創(chuàng)云處于信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)承上啟下的關(guān)鍵位置，發(fā)揮著重要作用；華為云則是信創(chuàng)云產(chǎn)業(yè)格局中的重要支柱之一；華為開(kāi)發(fā)云（DevCloud）及其后續(xù)產(chǎn)品CodeArts 作為軟件系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)與項(xiàng)目管理的重要云底座，是國(guó)產(chǎn)自有/自主的代表性ICT 底層架構(gòu)。基于與華為的產(chǎn)教合作，教學(xué)團(tuán)隊(duì)選擇面向CodeArts 進(jìn)行對(duì)接：首先打破課程章節(jié)，基于CodeArts 所管控的軟件交付全生命周期及軟件工程領(lǐng)域主流的過(guò)程模型，重新組織教學(xué)過(guò)程與內(nèi)容，包括需求下發(fā)、需求描述與建模（CodeArts 暫不支持需求建模與模型管理）、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與建模（CodeArts 暫不支持）、代碼提交與編譯、軟件系統(tǒng)驗(yàn)證、部署與運(yùn)維等階段，并開(kāi)發(fā)出與上述各階段一一對(duì)應(yīng)的課程資源包（Package），每個(gè)課程資源包有1～3 個(gè)課程報(bào)告（Lectures），每個(gè)課程報(bào)告即一個(gè)理論及實(shí)驗(yàn)授課單元。然后將軟件系統(tǒng)各階段需要交付的軟件制品（Artefacts）及CodeArts需要管控的文檔，和預(yù)習(xí)作業(yè)及測(cè)驗(yàn)、課堂練習(xí)或演講、復(fù)習(xí)作業(yè)及測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)報(bào)告、課程論文等課程任務(wù)的設(shè)計(jì)與產(chǎn)出對(duì)應(yīng)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“學(xué)中做”（Practice-in-learning）與“做中學(xué)”（Learning-by-doing），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

3.2.3 創(chuàng)設(shè)新模式，激發(fā)學(xué)生高階學(xué)習(xí)動(dòng)力

基本思路：新工科要求培育引領(lǐng)性的工程科技人才，達(dá)成該目標(biāo)需通過(guò)高階思維與高水平認(rèn)知學(xué)習(xí)來(lái)完成。要讓一門(mén)難教、難學(xué)、難上手的課程，吸引學(xué)生通過(guò)主動(dòng)、深入地思考與實(shí)踐去破解挑戰(zhàn)性問(wèn)題，需創(chuàng)設(shè)一個(gè)能激發(fā)學(xué)生高階學(xué)習(xí)動(dòng)力的課堂氛圍。為此，教學(xué)團(tuán)隊(duì)從課堂打造和機(jī)制革新入手，創(chuàng)設(shè)了趣味課堂活動(dòng)與多維評(píng)價(jià)機(jī)制相融合的新模式：

（1）打造趣味課堂。在教學(xué)活動(dòng)中結(jié)合案例/項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法（Case/Project-driven Learning，CDL/PDL）與基于問(wèn)題的教學(xué)法（Problem-based Learning，PBL）［16］兩種教學(xué)范式：一方面通過(guò)凝練的新案例進(jìn)行一些知識(shí)與技術(shù)的傳授，并將課程知識(shí)體系與技能架構(gòu)整體置于一個(gè)產(chǎn)業(yè)界項(xiàng)目（如華為案例項(xiàng)目“鳳凰商城”）中；另一方面，在每次授課前或授課中，教師會(huì)圍繞當(dāng)期課程報(bào)告（Lecture）的專題，提前設(shè)計(jì)若干個(gè)由淺入深、由易到難的開(kāi)放性、挑戰(zhàn)性問(wèn)題，供學(xué)生分組討論、協(xié)作求解。此外，為增加課程的趣味性，本團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)設(shè)了“挑戰(zhàn)者游戲”和“勇敢者游戲”兩種課堂教學(xué)活動(dòng)（見(jiàn)下文關(guān)于新模型運(yùn)行機(jī)制的探討）。

（2）革新評(píng)價(jià)機(jī)制。與“試卷定總分”的評(píng)估機(jī)制不同，本文確立了“知識(shí)/技能并重”“線上/線下并行”“平時(shí)/期末成績(jī)并舉”“團(tuán)隊(duì)/個(gè)人貢獻(xiàn)并重”的多維評(píng)估體系：E1—以考核知識(shí)為主的個(gè)人線下期末成績(jī)占40%；E2—同時(shí)考核知識(shí)與實(shí)踐技能的個(gè)人線上平時(shí)成績(jī)（理論課前與課后）占20%，E3—同時(shí)考核知識(shí)與實(shí)踐技能的團(tuán)隊(duì)及個(gè)人線下平時(shí)成績(jī)（理論課中）占20%，E4—以考核面向產(chǎn)業(yè)界實(shí)訓(xùn)技能為主的團(tuán)隊(duì)線下實(shí)驗(yàn)成績(jī)（實(shí)驗(yàn)課中）占20%。

新模式運(yùn)行機(jī)制為：

（1）勇敢者游戲。即勇敢者搶占講臺(tái)，為本人及團(tuán)隊(duì)贏得E3 加分。本課程期末授課的大部分課程將隨機(jī)發(fā)布15min 以內(nèi)的課堂練習(xí)，這些練習(xí)一般是針對(duì)重難點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的高階開(kāi)放式問(wèn)題，需團(tuán)隊(duì)協(xié)作求解。講臺(tái)上每次預(yù)留3～5 個(gè)板書(shū)位置，問(wèn)題一經(jīng)發(fā)布，學(xué)生即討論并設(shè)計(jì)解決方案。先破解問(wèn)題的小組可推舉一人搶占板書(shū)位置，直至所有位置被搶占完畢。余下小組自動(dòng)轉(zhuǎn)換為同行評(píng)審組，針對(duì)“勇敢者”小組的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)秀的同行評(píng)審也可為本人及團(tuán)隊(duì)獲得E3加分。

Fig.1 Scoring criteria for challenger-defender game圖1 挑戰(zhàn)者游戲打分標(biāo)準(zhǔn)

新的教學(xué)活動(dòng)及對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)機(jī)制讓教學(xué)在協(xié)作與競(jìng)爭(zhēng)、批判式學(xué)習(xí)中變得非常有趣，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，使其在課堂上保持高度專注，促進(jìn)了高階學(xué)習(xí)成果的穩(wěn)定輸出。

3.2.4 自研新技術(shù)，針對(duì)教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并予以強(qiáng)化

基本思路：采用線上線下一體化（OOB）教學(xué)模式，在線下環(huán)節(jié)，當(dāng)面對(duì)數(shù)量較多的學(xué)生群體進(jìn)行授課時(shí)，教師無(wú)法全面、精準(zhǔn)、及時(shí)地兼顧教室內(nèi)的全部或大部分學(xué)生；在在線授課環(huán)節(jié)，授課教師在講授課件、傳授知識(shí)、展示操作的同時(shí)，無(wú)法通過(guò)小尺寸視頻窗口觀察眾多學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以便適時(shí)調(diào)整講課節(jié)奏，使學(xué)生始終保持專注。此外，對(duì)于課前、課后學(xué)生的線下自學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)同樣無(wú)法掌握。鑒于此，本文研發(fā)了基于面部表情分析的情感計(jì)算智慧教學(xué)輔助系統(tǒng)（iTAS），并將其應(yīng)用于OOB 教學(xué)過(guò)程中。

iTAS 實(shí)現(xiàn)了：①基于移動(dòng)端和桌面端的音視頻采集服務(wù)；②基于音視頻大數(shù)據(jù)的情感計(jì)算深度學(xué)習(xí)服務(wù)；③基于宏表情與微表情分析的群體情感計(jì)算模型及開(kāi)放應(yīng)用程序服務(wù)；④基于多模態(tài)證據(jù)融合的學(xué)習(xí)狀態(tài)綜合評(píng)估服務(wù)。

iTAS 既可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)采集視頻群像及環(huán)境音頻，追蹤各學(xué)生的表情變化，識(shí)別學(xué)生個(gè)體及群體情感，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)實(shí)施精確判定、自動(dòng)標(biāo)注、綜合評(píng)估，并向授課教師提供實(shí)時(shí)的課堂預(yù)警，幫助教師適時(shí)調(diào)整授課方法（見(jiàn)圖2），又可以在學(xué)生本人知情的情況下，調(diào)用學(xué)生屏幕前的攝像頭追蹤其疲倦、失神、困惑等情感，進(jìn)而定位到當(dāng)時(shí)的知識(shí)點(diǎn)，向?qū)W生本人提出學(xué)習(xí)建議。

Fig.2 iTAS main page for overall classroom performance evaluation and early-warning圖2 iTAS課堂教學(xué)狀態(tài)評(píng)估及實(shí)時(shí)預(yù)警界面

嵌入iTAS 的OOB 教學(xué)框架如圖3 所示。通過(guò)對(duì)學(xué)生課前—課中—課后的線上線下學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控與智能分析，可輔助查漏補(bǔ)缺、弱點(diǎn)強(qiáng)化、重難點(diǎn)突破等教學(xué)活動(dòng)。

Fig.3 iTAS-integrated framework for OOB teaching圖3 嵌入iTAS的OOB教學(xué)框架

4 課程改革成效

近三年來(lái)，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)在西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院軟件工程（中外合作辦學(xué)）專業(yè)的部分班級(jí)進(jìn)行了課程改革教學(xué)試點(diǎn)。相應(yīng)班級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效（Outcomes）及問(wèn)卷反饋結(jié)果表明，本課程改革很好地提升了教學(xué)質(zhì)量。以最近一次（2022-2023 學(xué)年第一學(xué)期）的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程為例，其OBE 課程目標(biāo)達(dá)成度較好，如表2所示。

Table 2 Achieved degree analysis for system analysis and design course表2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程達(dá)成度分析

在達(dá)成度計(jì)算公式中，i表示第3.3 節(jié)評(píng)估體系中的E1-E4 4 個(gè)評(píng)估維度（分別代表期末、線上、線下、實(shí)驗(yàn)），j表示課程目標(biāo)1～4，Eij表示針對(duì)課程目標(biāo)j，在第i個(gè)維度上的班級(jí)評(píng)估均分。相似地，Tij表示針對(duì)課程目標(biāo)j，在第i個(gè)維度上的考核滿分。任一課程的目標(biāo)達(dá)成度的計(jì)算過(guò)程為：首先求得該課程目標(biāo)在E1-E4 上各自獲得的班級(jí)評(píng)估均分占該目標(biāo)對(duì)應(yīng)的4 個(gè)維度考核滿分的百分比，然后求得4 項(xiàng)百分比的加權(quán)和——即該課程目標(biāo)的達(dá)成度。其中，求加權(quán)和時(shí)用到的各權(quán)重，分別為該課程目標(biāo)在E1～E4 維度上的考核滿分占該課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)4 個(gè)維度考核總分（即4個(gè)考核滿分之和）的比例。

同時(shí)，本課程還發(fā)放了在線調(diào)查問(wèn)卷，從當(dāng)期42 名學(xué)生中收回了29 份問(wèn)卷。問(wèn)卷結(jié)果顯示：學(xué)生高度認(rèn)可本課程教學(xué)內(nèi)容、方式及具體實(shí)施過(guò)程，同時(shí)認(rèn)可本課程在知識(shí)—能力—價(jià)值3 個(gè)維度及4 個(gè)課程目標(biāo)上的培養(yǎng)成效，各方面的滿意度均超過(guò)90%。

此外，本課程的后繼課程為大三年級(jí)的“學(xué)年設(shè)計(jì)”與大四年級(jí)的“畢業(yè)設(shè)計(jì)”。本課程所培養(yǎng)的問(wèn)題分析能力（課程目標(biāo)2）及設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案的能力（課程目標(biāo)3）為培養(yǎng)相關(guān)后繼課程中的軟件工程復(fù)雜問(wèn)題求解能力及軟件系統(tǒng)構(gòu)建綜合能力打下了良好基礎(chǔ)。以大四年級(jí)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課程為例，通過(guò)分別隨機(jī)抽取19 名曾參與本課程改革試點(diǎn)班學(xué)習(xí)和未參與改革試點(diǎn)班學(xué)習(xí)的2022 屆及2023 屆本科畢業(yè)生，其畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)對(duì)比如表3 所示。由表3 可知，參與過(guò)試點(diǎn)班學(xué)習(xí)的學(xué)生相較于未參與學(xué)習(xí)的學(xué)生，畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成情況更佳，并展現(xiàn)出更強(qiáng)的復(fù)雜問(wèn)題求解能力及系統(tǒng)綜合構(gòu)建能力。

Table 3 Comparison of student graduation design scores表3 學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文探討了面向“新工科信創(chuàng)化”的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程改革，特別針對(duì)課程教學(xué)中存在的思政元素融入難、理論實(shí)踐結(jié)合難、高階能力培養(yǎng)難、學(xué)習(xí)過(guò)程監(jiān)管難問(wèn)題，修改了課程目標(biāo)以適應(yīng)“新工科信創(chuàng)化”的要求，打造了融合新案例、新流程、新模式、新技術(shù)的“四新課堂”。實(shí)踐結(jié)果表明，該課程的OBE 課程目標(biāo)達(dá)成度較好，學(xué)生的復(fù)雜問(wèn)題求解能力及系統(tǒng)構(gòu)建綜合能力明顯提升。此外，本課程研發(fā)的新技術(shù)iTAS 及其嵌入到OOB 教學(xué)過(guò)程應(yīng)用實(shí)施的新范式，已經(jīng)推廣到重慶醫(yī)科大學(xué)的部分其他課程。