基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式研究

葉俊民+王敬華+李蓉+周偉+陳曙+楊艷

摘 要：針對軟件工程實踐教學存在的學生動手能力不強、團隊協作意識差等問題，從構思、設計、實施和運維這一橫向維度以及目標、內容、培養過程和時間基線這一縱向維度出發，提出基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式，闡述在該模式指導下開展的面向對象軟件工程實踐教學活動和實際效果。

關鍵詞：CDIO；軟件工程實踐；實踐教學模式

1 背 景

1.1 研究背景與研究現狀

軟件工程專業人才培養是一項復雜且周期很長的教育活動，面向對象軟件工程實踐教學是其中一項重要環節。如何通過研究面向對象軟件工程實踐教學模式來提升學生實踐動手能力，已成為一個亟待解決的問題。

麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所大學經過4年的探索研究，提出并踐行了一種重要的工程理念，即CDIO。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），可讓學生以主動和實踐的方式學習工程，強化學科課程之間的關聯[1]。CDIO理論最先在機械、計算機等工程領域的部分專業中應用，并取得了令人矚目的成就，如汕頭大學工學院在2005年開始學習研討CDIO工程教育模式并加以實施，讓學生的工程實踐能力得到了發展，取得明顯的效果[2]；清華大學在數據結構和數據庫技術兩門課中采用CDIO方法教學，使學生的編程實踐能力取得了突出進步[3]。

關于教學模式，文獻[4]認為，不論什么樣的教學模式，都包含了培養目標、教學內容、培養制度、培養過程4個最主要的要素，這4個要素的穩定組合構成了培養模式。因此，本文認為面向對象軟件工程實踐教育模式主要涉及目標、內容、培養過程等內容。

文獻[5-6]總結了當前軟件工程教學與實踐現狀，國內相關高校基于COID提出了自己的解決思路并落實在實踐中，取得了一定成績[7-16]，如出現了基于項目驅動的實踐教學模式、基于案例研究的實踐教學模式、基于團隊協作的實踐教學模式、基于實訓方案的實踐教學模式等。

1.2 軟件工程實踐教學中存在的問題

軟件工程專業教育經過多年的探索、研究和實踐，已取得了很多令人欣喜的研究成果和實踐經驗，但軟件工程專業目前還是面臨著嚴重形勢。第一，在教師教學方面，依然存在著重理論輕實踐、片面強調個人學術能力而忽視團隊協作精神、重視知識學習而輕視開拓創新能力培養的現象。第二，在學生專業學習方面，存在學生的系統分析與設計能力欠缺、溝通表達能力不足、團隊合作意識薄弱、軟件工程文檔寫作素養偏低等問題。第三，在創新實踐教學方面，CDIO與面向對象軟件工程實踐教學模式的深度融合有待進一步研究和實踐。因此，基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式是一個有待進一步研究的問題。

2 基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式設計

2.1 設計思路

2.1.1 教學理論研究

研究基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式，主要以提升本專業本科生的實踐動手能力為目標，重點解決面向對象軟件工程教學中的部分突出問題，主要思路包括：第一，通過研究面向對象軟件工程之需求工程實踐教學模式，解決軟件工程專業學生的溝通表達能力不足、團隊合作意識薄弱的問題以及軟件系統需求分析能力不強和軟件工程文檔寫作能力偏低的問題；第二，通過研究面向對象軟件工程之軟件架構與軟件設計實踐教學模式，解決軟件工程專業學生的系統分析與設計能力欠缺的問題；第三，研究面向對象軟件工程之軟件測試實踐教學模式，解決軟件工程專業學生的軟件測試用例設計能力與項目維護能力不強的問題。

2.1.2 實踐教學模式的實證研究

針對上述教學模式理論研究開展實證活動，一方面通過實踐活動檢驗相關理論成果的正確性，同時為實踐活動提供指導；另一方面分析和評估實踐活動獲得的數據，作為進一步改進理論研究的依據。實證研究的主要內容是：第一，提出基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式的實踐教學計劃，反映出軟件工程創新人才培養的需求；第二，制訂針對學生實踐能力要求的考核指標體系及其實證研究；第三，針對實證研究過程中所采集的數據，開展學習分析研究，以更好地預測軟件工程專業本科生的學習過程和其未來學習發展趨勢。

2.2 面向對象軟件工程實踐教學模式

依據CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式的運行指標見表1。具體做法是劃分階段完成面向對象軟件工程實踐教學模式的構思、設計、實施和運維活動。為此，對應各個階段，教學目標分別是：①構思課程教學目標與需求；②設計課程任務、教學過程和評價驗收標準；③分步驟實施課程任務、教學過程和評價驗收標準；④評價課程教學效果。在此基礎上定義了實施做法和具體的時間基線。

第一，在開課前完成構思階段的具體目標，具體做法是結合IT企業用人反饋，全面分析面向對象軟件工程實踐教學的目標和本專業人才培養需求。第二，在開課前完成設計階段的具體目標，具體做法是在開課前設計滿足課程目標和人才培養需求的教學計劃和可行的教學活動。第三，在開課前完成實施階段的具體目標，具體做法是在實際教學過程中開展滿足教學設計要求的各項教學活動，并重視收集教學活動中產生的數據，這些步驟貫穿整個教學活動。第四，在開課后完成運維階段的具體目標，具體做法是依據數據開展教學效果評價活動，為進一步改進該課程實踐教學提供依據，使該課程教學形成一個良性循環的生態鏈。

3 基于面向對象軟件工程之設計模式實踐教學的實踐活動

3.1 教師方面需做的實證準備

3.1.1 設計基于CDIO面向對象軟件工程實踐的各個教學環節

開課前，完成教學目標與需求的構思和課程教學任務、教學過程和評估標準的設計工作。

第一，教學內容設計包括面向對象技術基礎、UML、需求工程導論、軟件體系結構設計、面向對象的設計基礎、設計模式導論、軟件測試技術基礎。

第二，實踐內容設計包括：①項目實踐內容設計、項目組組成規則（組長的責任、組員的責任、小組人數）、項目選擇環節設計、自己感興趣或自己能理解的內容；②設計模式實踐內容設計，每人選擇一個設計模式，23個設計模式必須均有人選擇。需解決的問題包括該設計模式的工作原理、設計模式代碼結構、測試代碼結構，結合本組項目中的應用場景設計具體說明選擇某一設計模式的理由和具體的應用方式，給出核心代碼片段，并演示系統。

3.1.2 設計各個環節的實施細則

驗收規則設計：①項目驗收規則為每組安排講座人員1～2人，講座時間15分鐘，回答問題10分鐘；②設計模式驗收規則為每人講座時間10分鐘，回答問題5分鐘；③提交書面心得。

3.1.3 設計驗收標準

驗收標準的設計分為4檔。優秀標準為演示及驗收環節全面、提交文檔完備，各個環節得分在4～5分；良好標準為演示及驗收環節全面、提交文檔較完備，各個環節得分在3.5～4分；及格標準為演示及驗收環節全面、提交文檔較完備，各個環節得分在3～3.5分；不及格標準為演示及驗收環節不夠全面、提交文檔不完備，各個環節得分在3分以下。

3.1.4發布任務和要求

在正式上課第2周發布任務和要求，選擇組長并進行團隊/小組組建，各小組選擇自己小組愿意完成的項目，并制訂本小組活動規則。

3.1.5 驗收與評價

組織該教學活動的實施和驗收，判定本課程學生的各項成績，采集并分析教學實踐活動中產生的數據，提出整改建議。

3.2 學生方面需做的實證準備

（1）問題定義環節，包括初步查詢資料，并確定將要選擇的設計模式。

（2）規劃環節，包括時間安排、小組內活動規則制訂。

（3）自學環節，包括定向查找資料環節（參考書、維基百科、百度百科、論文、源代碼）、理解內容環節（閱讀各類資料、編程實現算法、初步數據的測試）、應用實現環節（結合具體設計模式，找到可以應用該模式的實際需求，構造一個完整的應用系統）、擴展環節（學習更多的設計模式，將之應用到該應用系統之中，并分析各個設計模式之間的關系，找到使用這些設計模式的規律和心得）、書面總結環節（總結自學環節的全部工作，并制作展示文檔）。

（4）研討與交流環節，包括陳述自己的工作、說明要解決的問題、所用設計模式、該設計模式的工作原理、如何結合應用選擇設計模式、展示自己完成的應用系統、說明自己學習和使用某一設計模式時的疑惑或問題、接受老師和同學的質詢并記錄和回答相關問題（陳述自己的觀點，進行辯論）。

（5）論文寫作環節，包括總結本節的第3、第4相關內容，改進本人的應用系統設計和實現，寫出課程論文。

4 總結與分析

4.1 實踐過程中出現的問題

學生在實施面向對象軟件工程實踐教學環節中出現了各種問題。第一，UML記號使用方面的問題。主要表現在學生對UML符號的語義理解不深，比如在畫序列圖時對生命線長度的含義理解不到位，以至于畫圖錯誤。第二，不能靈活應用面向對象技術中的核心定義，如繼承關系在需求分析中可以用于抽象相關實體。第三，對面向對象技術聚集關系理解不到位，以至于用菱形符號表示聚集關系時經常用反。第四，前期基礎課程學習不到位，知識結構有偏差，實踐環節沒有養成好的設計風格，以至于在采用面向對象軟件工程方法學構建應用系統時出現了基本的設計問題，如很多學生在設計數據庫結構時，常常采用一個表單概括整個系統的數據特征。第五，數學知識的應用能力薄弱，以至于學生在構造系統過程中遇見一些關鍵問題時，即便有教師指出方向，也不知所措。

4.2 解決問題的主要措施

針對學生在實施面向對象軟件工程實踐教學環節中出現的各種問題，筆者主要采取了如下措施。第一，從細節入手，遇到實際問題馬上討論并解決。第二，要求學生回頭查閱各種課程教材或參考書，重溫相關章節的內容，結合實際問題的解決過程，做到相關知識應用的融會貫通。第三，對于學生不太熟悉的內容，教師指導學生在網上搜索恰當的資料進行學習或討論。第四，通過案例讓學生快速上手，由指導教師通過簡單有效的案例（包括數據和計算過程），讓學生快速掌握其中的方法和原理。第五，給出相關應用系統的框架和部分代碼，讓學生構造一個較為完整的應用系統解決方案，深刻體會軟件重用的思路和項目開發過程的完整環節。第六，注重角色扮演，讓小組中的學生輪流扮演不同角色，體會項目活動中各利益相關者的觀點，養成換位思考的習慣。第七，堅持在項目開發中結合軟件工程理論課程的重要觀點。第八，通過總結和項目開發討論會形式讓不同小組的學生交流項目開發過程中的經驗。

5 結 語

通過分析與研究軟件工程實踐教學中存在的學生動手能力不強、團隊協作意識差等問題，本研究從橫向（構思、設計、實施和運維階段）和縱向（目標、內容、培養過程和時間基線）兩個維度出發，提出了基于CDIO的面向對象軟件工程實踐教學模式，并在該實踐教學模式指導下，開展了面向對象軟件工程實踐教學活動。實際效果表明，該模式下的實施方案能與面向對象軟件工程實踐教學中的教與學、學中做等解決方案有機融合，使學生的實踐動手能力得到提升，同時加強學生的團隊協作意識。未來將引入線上學習平臺，通過該平臺實現數據采集，并在學習分析技術的幫助下實現對學生動手能力的檢測、預測與推薦，使面向對象軟件工程實踐教學向個性化方向發展。

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（編輯：孫怡銘）