面向學生主體的高級軟件工程互動式教學模式

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

關鍵詞：軟件工程；互動式教學模式；工程能力

文章編號：1672-5913（2013）01-0069-04

中圖分類號：G642

軟件工程是計算機軟件課程體系中非常重要的一門核心課程，其實踐性強、源于實踐、用于實踐；涉及知識面廣，多學科交叉；新思想和新方法不斷涌現，發展更新快。因此，該課程教學難度大。在課堂教學中，教師多采用“講座式”教學方法，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”教學法，以“結果論英雄”，缺乏對過程和方法運用的指導、研討和評價，造成學生“理論與實踐脫節”。教學方法單一、師生缺少交流和互動是導致學生學習乏味、教學效果收效不佳的直接原因，最主要的是不同教師在教學理念上存在差異。軟件工程這類個人與團隊實踐性皆很強的課程，應該以教師為主角“講授知識”，還是以學生為主體“培養能力”？不同的教學理念必然導致教學方法和效果的差異。依據北京航空航天大學設定的“兩領人才”培養目標，軟件工程學科確定以培養軟件工程技術及管理復合型高端人才作為研究生培養的主要目標。

因此，高級軟件工程作為研究生的學位課，明確提出以學生為主體，培養軟件工程能力的教學理念，即指導研究生自覺學習并掌握軟件工程的本質和精髓，培養其參與和承擔大型軟件工程實踐的基礎能力。為此，我們提出以學生為主體、面向軟件工程能力培養的互動式教學模式，在教學實踐中收到良好效果。所謂軟件工程能力，就是能夠以團隊協作方式，按照規定的時間節點、進度和質量要求，應用相應的技術及方法完成軟件工程任務的能力。針對北京航空航天大學計算機學院研究生的特點和學校規定的教學目標，在高級軟件工程課程中，我們將軟件工程能力細化為“嚴謹的工程化管理能力和精細化的軟件建模以及模型分析與驗證能力”。

1 互動式教學模式

互動式教學模式以培養軟件工程能力為核心目標，以大型軟件過程管理和建模方法與技術為兩條主線，突出以規范靈活的過程管理和質量控制、嚴謹準確的模型與元模型分析和理解、簡明精細的建模方法這3個核心知識域，并以4種交互式教學措施貫穿整個教學過程。該教學模式簡稱“1-2-3-4互動式教學模式”，如圖1所示。

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

1）基于知識點設計的互動式課堂教學。課堂教學不再是教師的“一言堂”，教師除了傳授基礎理論知識外，更多的是通過引導和討論激發學生對關鍵知識點的深入探究，促進交流和相互學習，加深學生對軟件工程本質的理解，達到讓學生掌握軟件工程主要方法的目的。

2）隨堂教學反饋機制。教師針對課程的核心內容設計了課堂反饋表，在每部分內容講授結束時發給學生，隨堂獲取學生對核心內容和難點問題理解程度的反饋，了解學生關心的問題。這種互動幫助老師及時知悉并分析學生的情況，有針對性地調整教學內容和方法；同時也幫助學生梳理核心內容知識，解決難點問題。

3）教師指導下的項目組自主協作。教師設計出多種不同類型和特點的軟件項目，并提出協同工作要求，讓學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下，按計劃推進工作，并每周提交進展報告；另外，按照課程的安排和項目進展，教師確定需求模型和設計模型等階段成果提交的時間點，組織學生按期提交階段成果，并讓教師和同學進行評判。在此過程中，教師會引導學生自主選擇項目和分析項目目標及特點，應用課程中所講授的工程方法和技術以完成項目；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，并在課上點評和交流。

4）基于透明互評和貢獻率的評價體系。在網絡化的互動式教學平臺上，每個學生需對其他組提交的軟件模型進行獨立（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并進行改進；項目結束后，各項目組需作項目總結報告和產品演示，并對每位成員的個人貢獻率給出評價；教師對學生平時作業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生對知識和方法的理解與運用能力。這種由師生共同參與的評價過程，激發了學生的主動性和協作精神，并保證評價的公開、公平和公正。教師根據項目組提交的各階段成果及“被評價”結果、驗收演示效果等綜合評定項目組成績；根據項目組成績及成員的個人貢獻率綜合評定學生的項目成績；根據學生的平時成績、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內容和考核方式如圖2所示，主要包括3個方面的內容，分別是理論教學內容、實踐教學內容和課程考核。

2 教學平臺及工程實驗環境

教學平臺和實驗環境的建設對互動式教學具有重要的支撐作用。高級軟件工程課程完成了網絡化教學支持平臺和軟件工程實驗環境的建設，綜合使用2個教學輔助平臺，充分發揮各自優勢，為課程教學提供了良好的支持作用。

網絡化的課程管理平臺是在自主研制的計算機類課程教學輔助系統（CG）上構建的本課程教學管理子平臺，支持課件和學習資料的發放、學生答疑、作業的提交和評判等。由于本課程在項目實踐環節引入了透明的互評機制以及個人貢獻率的概念，而現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，我們設計和開發了一個網絡化的支持項目組進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、設計模型等；還可以支持學生獨立評審其他組成果，并給出評分和評審意見；另外，還能對其他同學的評審意見給出回復，并根據評審意見進行修改完善。

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

3 效果分析

課程不但通過項目的實施和推進，培養學生的團隊協作和組織實施能力，而且力圖通過課程項目，提高學生模型化抽象思維能力及分析驗證能力，使學生能夠將在課程實踐中獲得的經驗教訓以及在課程訓練中獲得的能力，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行分析。

3.1基于課堂教學反饋表的教學效果分析

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

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

3.2基于課程報告的教學效果分析

我們要求學生在課程結束后寫一份簡短的報告，反饋自己所理解的關于課程的優點和存在的問題，便于教師對下一年的教學進行改進。2011年，學生對本課程的教學方法和效果均作出充分肯定，特別對以下方面給予認可。

1）既有“面”，又有“點”。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，以使學生了解規范的軟件開發流程，特別是熟悉建模過程；最有意思的地方就在于學生互評。

3）教學方法十分巧妙。問卷方法既達到了點名的目的，又讓每個學生能夠在課上認真聽講，集中精神吸收課程內容的精髓；教師很仔細地審閱作業，批閱后的反饋，讓學生學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作用；小組互評的評分方式非常新穎，能讓每位學生得到更多練習。

3.3基于課程項目的教學效果分析

為了更客觀地反映互動式教學模式在建模能力培養上的促進作用，我們使用由Bansiya Jagdish等人在2002年提出的面向對象設計模型質量評估方法，對課程項目中各小組的模型進行評估。該評估方法以分層模型為基礎，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量屬性（Quality Attribute）；L2層為面向對象設計模型中的屬性（Design Property）；L3和L4包含低抽象層次的模型度量數據。其中，L1層包括可重用性（Reusability）、靈活性（Flexibility）、可理解性（Understandability）、功能性（Functionality）、可擴展性（Extendibility）、有效性（Effectiveness）5個質量屬性。

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

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計模型進行評估。選取如表3所示的度量指標，通過由L3、L4到L2的映射，以及由L2到L1的映射關系，計算出項目各個歷史版本的評估結果。

某項目組所建模型的4個歷史版本的質量屬性如表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的基礎上自行修改完善形成的版本；在經過課程討論、小組評價等環節后，小組按修改意見完成了v3版本；v4版本是在v3的基礎上加以完善形成的。4個歷史版本反映了隨著課程互動環節的推進，學生作業的進展情況。從表4的數據可以看出，可重用性、靈活性、功能性三個質量屬性總體呈明顯上升趨勢；有效性呈恒定趨勢；可擴展性呈現下降趨勢。

可理解性較為特殊，其基準為-1，表示模型的可理解性是從“理解有多困難”角度表示的。隨著模型規模的增大，模型越來越不易被理解。此外，模型的可擴展性在模型改進后反而下降約20%，我們認為原因是該項目主要是實現一個工具，而不是一個用于擴展的開發包，因此隨著模型的完善，模型會趨向于具體的實現層面，可擴展性隨之下降。從表中數據可以看出，學生通過課程的互動環節提高了面向對象建模能力。

4 結語

軟件工程是一門實踐性和知識系統性很強的學科，內容多，發展更新快；其知識點分散，原理性和概念性內容比重高。在一年級研究生普遍缺乏真實項目經歷的情況下，教師如何把課程內容、課程項目和反饋指導等有機結合，已經成為決定課程教學效果好壞的關鍵因素。本文總結了課程組針對北京航空航天大學的“兩領”人才培養目標，以培養研究生的模型化抽象思維及分析與驗證能力、團隊協同管理和組織實施能力作為核心目標，提出的以學生為主體的教學理念以及采用多種互動教學方法的教學模式。實踐表明，該教學模式對于提高學生的主動參與性和自我認同感，培養學生的科研與實踐能力具有較大作用。

（編輯：宋文婷）