CDIO構思環節在軟件工程課程教學中的應用

(懷化學院 計算機工程系，湖南 懷化 418008)

軟件工程(Software Engineering)課程是大學本科軟件工程專業的核心課程，在軟件工程專業課程教學中占有重要地位.該課程教學不僅在于將學生培養成為具備較好工程技術能力和深厚基礎知識的工程師，而且能為其它專業課程的學習打好基礎，對培養學生的工程實踐能力、團隊協作能力及創新能力具有重要作用，其教學效果直接影響軟件工程專業的人才培養質量.

國內很多高校都開設了軟件工程專業，為社會培養軟件人才.但是從整體上看，軟件工程專業畢業生的結構性就業矛盾依然很凸出:有很多軟件工程專業的畢業生就業困難，而軟件企業卻找不到所需人才.高校培養的畢業生質量與企業對人才的需求不符是矛盾的直接原因.但是軟件工程專業的本科生是軟件企業未來的“主力軍”，因此，如何讓學生在本科階段打下堅實的軟件工程理論基礎并具有一定的工程實踐能力，是軟件工程課程教學必須認真思考的問題.

將CDIO (Conceive，Design，Implement，Operate)理念引入軟件工程課程教學，是一種全新的工程化教學模式.它以軟件生命周期為載體，集構思(C)、設計(D)、實現(I)和應用(O)于一體，讓學生主動地、各階段緊密聯系地實踐與學習，貫穿從構思到設計、從設計到實現、從實現到應用的全過程，力求解決傳統教學中重視理論和技術、輕視實現與應用，或者過于強調實踐環節、忽視理論、輕視應用等問題.軟件工程作為一門研究如何按工程化的原則和方法組織軟件開發的學科，理應借鑒CDIO 原理，豐富軟件工程教學的內涵與外延[1]，培養學生利用工程化的原則和方法去發現問題、分析問題和解決問題的能力[2-4].CDIO 教學模式應用于我國的一些高校，已經取得了初步的成果[5-6].本文主要針對CDIO的首個環節——構思在軟件工程教學過程的運用進行了探索與實踐.

1 軟件工程課程的特殊性

軟件工程課程所包含的原理、原則與方法都是實際項目中其它專業課程具體應用的經驗總結，掌握了這些原理、原則與方法對軟件項目的研發具有重要指導作用.這完全符合“理論來源于實踐，反過來又指導實踐”的基本哲學原則.在軟件工程課程教學過程中，學生普遍反映該課程內容過于抽象，難以理解和消化，課程學完了，腦子里只殘留了一些模糊的概念，無法運用它指導軟件項目的開發，做實際項目時總感覺頭緒不清、無從著手.這種現象其實不難理解，因為軟件工程是在解決軟件危機中產生，軟件危機是大型軟件系統的建設(即開發、運行與維護)過程中所面臨的各種影響軟件產品質量及項目成敗的矛盾問題，而軟件工程課程重點關注的是抽象、建模、變更控制、過程管理、質量保證、成本與進度控制等.學生如果沒有在大型系統開發過程中體驗過該課程的關鍵領域知識，則難以理解這些內容.另外，如果授課教師也沒有大型系統開發經歷，同樣難以向學生講清楚這些內容.軟件工程課程的特殊性表現如下:

(1)課程較為抽象.軟件工程的理論是對實際項目開發經驗的提煉和總結，導致很多理論過于抽象.學生沒有實際的軟件開發經驗，更缺少大型項目的經歷，因而難以理解.

(2)知識更新頻繁.軟件工程學科至今還只有40多年歷史，產學界在不斷提出最新理論和最佳實踐，知識更新快.要有效地結合課程大綱主線和前沿知識與技術，并運用領域經驗進行授課，對主講教師提出了較高要求.

(3)內容廣、信息量大、知識體系復雜.軟件工程發展至今，提出了許多過程、方法和工具，它的傳統理論與現代業界主流方法以及學術界提出的最新工程理論相互交織，涉及范圍廣、內容比較龐雜.在有限的課時內，能選擇主流的、適用的、適合本科生的內容來組織教學，也是專業教師面臨的一個很大挑戰.

因此，如果教師缺乏相關領域知識，授課案例陳舊、缺少真實性、創新性不足，則難以激發學生的學習興趣、達到理想的教學效果，從而導致用人單位對高校培養的軟件人才不滿意.所以，探索軟件工程課程教學模式、教學方法、教學內容的改革已然刻不容緩.

2 教學過程中構思環節的設計

2.1 訪談調研，查明原因

現在學生普遍存在的困惑是:學校開設的某些課程到底有什么用，或者學它用來干什么?針對學生上述疑惑，筆者分別對我校2010～2012級計算機科學與技術專業、軟件工程專業的3屆學生進行了專題訪談調查.整理、匯總了學生反饋的部分問題，如表1所示.

表1 軟件工程課程教學情況學生訪談部分問題反饋表

通過對表1中問題的認真分析，發現癥結在于學生“沒想過要用所學技術去做些什么”，不能夠學以致用.既沒有動腦去思考過，又沒有動手去實踐過，當然難以理解學習這門課程的重要作用.因此，必須首先解決“想做什么”的問題，即想辦法引導學生去思考自己感興趣的東西，明確“做”的目標，即在頭腦中構思出要完成的項目.如果很好地解決了CDIO 教學模式的構思環節，其后續的設計、實現、應用各環節的實施自然就能水到渠成，CDIO 工程化教育模式就可以很好地貫徹到軟件工程的教學過程中以激發學生學習興趣、提高課程教學質量.

2.2 針對問題，設計方案

軟件工程課程的內容廣，而且相對抽象，該課程教學的課時安排只有48～52課時，內容多課時少的矛盾非常凸出.所以，為了緩解這一矛盾，我們將CDIO構思環節安排在課外完成，主要采用以下兩種形式:

(1)在課程開始階段，以課外作業的形式要求學生獨立思考，每人完成8～10個點子.

(2)以3～5人自由組合成小團隊，通過課外集體交流、討論共同完成25～40個點子.

所有點子主要來源于學生所熟悉的、利用計算機軟件能夠為人們提供便捷服務的各個領域，如人們日常的生產、生活、學習、工作、娛樂、健康等方面.要求學生將自己思考的點子形成文檔在規定的時間內提交，根據點子質量的高低進行評分，計入平時作業成績.全部點子最后匯總形成點子庫，供所有學生共享.

接下來，再讓興趣相同或相近的學生自由組隊，2～3人一組，從點子庫中去整合與發掘創意，孵化出各組的自主創新項目，為后續的設計、實現及應用環節的順利實施提供基礎，以解決“學生不知道為什么要學習這門課程”的問題.

2.3 設立目標，保障效果

針對學生創新思維與能力素質的培養，教學過程中構思環節設計的目標如下:

(1)有效地調動學生的思維，想自己喜歡的事情，從而調動起學生的學習興趣和熱情，克服教師布置的題目學生不能完全理解或者沒有興趣的問題.

(2)以2～3人組隊完成項目需求分析的全過程，有效鍛煉學生的團隊意識以及團隊協作的能力.

(3)在項目需求分析過程中，提高學生主動探索、尋找新的知識和技術解決遇到的實際問題的能力.

(4)通過項目實施過程中所需各種技術的運用，帶動學生對其它專業課程的學習.

(5)通過“做中學”鍛煉能力，彌補學生項目經驗的不足，在實踐中加深對軟件工程課程內容的理解和掌握，為今后的發展奠定堅實的基礎.

(6)在實踐中培養學生的綜合能力與素質，提升未來就業的核心競爭力.

(7)通過課外反哺課內，解決課時安排嚴重不足的問題.

(8)通過引導和指導學生課外完成項目，促進教師工程能力的提高，改善教學質量.

3 構思環節的實施效果

按照構思環節的上述設計方案與目標，結合軟件工程課程教學計劃，在最近2 輪的教學過程中貫徹實施，取得了初步效果.在匯總的點子庫中共收集196名學生1640個點子，通過對點子的歸類統計形成如圖1所示的思維導圖，涉及醫療、電子、語音、圖像、軟件、物聯網等眾多領域的主題，每個主題又細分為子主題，對各級主題涉及的學生人數進行統計，統計結果如表2所示.從圖1與表2中可以看出:

(1)學生課外構思出的100 多個相關子主題，表明已有效調動起了學生的主動思維，為引導他們實現自己的目標奠定了基礎.另外，對于這些主題涉及的領域內容，教師在有限課時內難以完成講授，甚至還不完全具備所有這些主題的領域知識.

(2)各個領域被關注的主題數與學生人數反映出軟件工程方向的學生跟蹤當前主流技術的現狀，符合學生實際情況.比如，“軟件”領域三個主題中，編譯技術確實難度很大，只有2個子主題被2人關注;移動APP是當前熱門技術，有21名學生關注;Web 應用受到32人關注，是因為互聯網應用的廣泛使用，同時它們也是移動APP的數據源.另外，關注“物聯網”、“語音”領域的學生人數明顯多于關注“電子”、“圖像”領域的人數，這也符合軟件專業學生能力層次的實際情況.

圖1 由點子形成的思維導圖

表2 主題-學生統計表

(3)軟件工程課程教學中CDIO構思環節的實施產生了明顯效果，學生能主動思考各領域中可能面臨的實際問題，選擇自己感興趣的內容去實踐，充分調動起了學生學習的積極性.

此外，CDIO的后續環節產生的效果也很明顯.通過共享點子庫，由2～3個興趣相同或相近的學生自由組成團隊，整合多個小點子形成小組創意，孵化出團隊自主創新項目40余項，參與的學生100余人.其中被立項的項目有Google 大學生創新項目1項，湖南省大學生創新性項目1項，懷化學院大學生創新性項目10項，計算機系大學生創新性項目6項.從部分已完成項目情況來看，學生作品參加各種課外科技競賽活動獲省級以上獎項20余項，其中國家級2、3 等獎3項，省級1、2、3 等獎17項，獲獎學生50余人.

實踐表明，CDIO構思環節的實施在軟件工程課程教學中收到了預期效果，學生對軟件工程課程內容的掌握與運用效果較理想，軟件開發與組織能力顯著提高.

4 結束語

通過2年多的實踐探索，對軟件工程課程的教學改革積累了一些經驗和體會，尤其在CDIO 工程化教學模式、教學方法與運用的探索方面，提出了融通課內與課外教學、強化了課外實踐，通過“做中學”培養創新能力的立體化方法.在軟件工程課程教學過程中引入CDIO 方法具有重要意義，通過構思環節引導學生主動思考，明確學習目標，提升學生在軟件工程方面的學習興趣和積極性，為培養學生實踐創新能力、提升學生未來就業競爭力打下了較好的基礎.

[1]李彤，趙娜.軟件工程國家精品課程建設的思考與實踐[J].計算機教育，2010 (24):29-32.

[2]查建中.面向經濟全球化的工程教育改革戰略[J].高等教育研究，2008 (1):21-27.

[3]王麗芳.對軟件工程教學改革的探究[J].計算機教育，2009 (10):26-27.

[4]Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，et al.Rethinking Engineering Education:The CDIO Approach[M].New York，USA:Springer，2007:8-22，29.

[5]查建中.論“做中學”戰略下的CDIO 模式[J].高等工程教育研究，2008 (3):1-9.

[6]和薇.CDIO 模式在數據結構課程中的運用[J].計算機教育，2009 (20):122-123.