以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法實(shí)踐探索

潘理虎，解 丹，張 雷，陳立潮，趙淑芳

（太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024）

1 軟件工程課程體系中存在的問題

1.1 課堂內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用差距較大

在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的過程中，新的技術(shù)和理論被越來越多的學(xué)者及專業(yè)人員提出，這使得軟件工程課程的知識(shí)點(diǎn)也隨之增多[1]。目前，軟件工程課程的教學(xué)內(nèi)容大多還停留在傳統(tǒng)的技術(shù)和方法上，并且多年來使用同一教學(xué)大綱和評(píng)價(jià)體系。這種長(zhǎng)期不進(jìn)行更新的教學(xué)方法使得軟件工程課程在內(nèi)容的數(shù)量和質(zhì)量上均不能緊跟社會(huì)發(fā)展。由于沒有實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，學(xué)生只能是紙上談兵，很難深刻理解軟件工程課程中的一些抽象概念，且學(xué)到的知識(shí)也很容易遺忘，因而難以很好地掌握軟件工程的方法和技術(shù)。

1.2 課程教學(xué)以教師為中心

由于軟件工程課程的綜合性較強(qiáng)，教師為了讓學(xué)生充分理解知識(shí)點(diǎn)，大多采用以幻燈片為主，以板書為輔的教學(xué)方式。教師為主講者，而學(xué)生為聆聽者[2]。這種情況下，面對(duì)復(fù)雜、枯燥的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生并不能夠積極主動(dòng)的思考。教師耗費(fèi)大量精力精心備課、授課，但實(shí)際傳達(dá)給學(xué)生的知識(shí)量卻大大削減。并且，以教師為主的教學(xué)體系中，學(xué)生僅能獲得教師所教授的知識(shí)。這便限制了學(xué)生獲取知識(shí)的全面性和前沿性。此外，在以教師為中心的課程體系下，學(xué)生缺乏對(duì)新技術(shù)、理論探究的興趣和動(dòng)力，主觀能動(dòng)性得不到充分的調(diào)動(dòng)和發(fā)揮。

1.3 評(píng)價(jià)體系不夠完善

現(xiàn)有的評(píng)價(jià)體系多以考試成績(jī)?yōu)橹鳎⒅匦问缴系脑u(píng)價(jià)，考核方式單一[3]。這種評(píng)價(jià)體系會(huì)造成學(xué)生平時(shí)不認(rèn)真學(xué)習(xí)，考試的前幾天則找平時(shí)認(rèn)真學(xué)習(xí)的同學(xué)詢問重點(diǎn)進(jìn)行背誦或把固定題型的方法步驟依靠記憶記住。考試中，學(xué)生僅憑借幾天的死記硬背就可以進(jìn)行答題。由于是短期記憶，對(duì)知識(shí)點(diǎn)并沒有理解或僅僅是表層的理解，對(duì)內(nèi)在的深層意義并不知曉。因此，考完試后學(xué)生會(huì)很容易忘記之前背誦的知識(shí)點(diǎn)。這樣一來，學(xué)生在專業(yè)知識(shí)和能力并沒有得到提高的情況下，依然會(huì)因考前突擊而順利通過考試，更有甚者會(huì)取得較高的成績(jī)。而對(duì)于真正用心學(xué)習(xí)的同學(xué)而言，考試成績(jī)并不能準(zhǔn)確衡量他們的知識(shí)水平、技能掌握和能力達(dá)成。所以，以考試為主的結(jié)果性評(píng)價(jià)體系極易造成對(duì)學(xué)生知識(shí)水平和能力達(dá)成度的不合理評(píng)價(jià)。

2 以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

2.1 總體思路

軟件工程課程是一門理論性、實(shí)踐性和工程性都很強(qiáng)的課程，在新工科建設(shè)的要求下加強(qiáng)軟件工程人才的培養(yǎng)是高校教育面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)[4]。 “一個(gè)紐帶，兩個(gè)基本點(diǎn)，三個(gè)轉(zhuǎn)變，四種能力”的課程教學(xué)方法總體思路如圖1所示。其中，項(xiàng)目是紐帶，貫穿整個(gè)教學(xué)的全過程。在項(xiàng)目實(shí)施的過程中，采用CDIO模式和群體化方法進(jìn)行項(xiàng)目的推進(jìn)。當(dāng)項(xiàng)目完成后，進(jìn)行成果交付，一些好的項(xiàng)目會(huì)持續(xù)完善，直至應(yīng)用。整個(gè)教學(xué)法實(shí)現(xiàn)由以教師、課本和課堂為中心向以學(xué)生、項(xiàng)目、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為中心的轉(zhuǎn)變，從而培養(yǎng)出具有較高專業(yè)能力并達(dá)到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生。

圖1 實(shí)踐教學(xué)法的總體思路

2.2 一個(gè)紐帶

工程教育認(rèn)證[5]內(nèi)涵的一個(gè)重要的核心是OBE（outcome based education，成果導(dǎo)向教育）理念，而軟件項(xiàng)目是軟件工程課程中的一項(xiàng)重要成果，也是軟件工程教學(xué)中一種有效的實(shí)踐途徑。因此，本教學(xué)法以項(xiàng)目為紐帶。 在軟件工程教學(xué)中，只有當(dāng)學(xué)生親身參與到項(xiàng)目中或?qū)Π咐M(jìn)行實(shí)踐時(shí)，才會(huì)通過自身體驗(yàn)、思考以及探索加深對(duì)課程中知識(shí)點(diǎn)的理解。隨著項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生會(huì)考慮如何進(jìn)行需求分析；用什么樣的開發(fā)模式；用什么樣的編程語言；怎樣測(cè)試才更有效等問題，這些問題會(huì)使學(xué)生主動(dòng)思考課堂中的知識(shí)點(diǎn)，并將實(shí)際問題與課堂知識(shí)聯(lián)系起來。在實(shí)際應(yīng)用中學(xué)生獲取的不僅僅是最終結(jié)果，還有整個(gè)過程中分析問題、解決問題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力提升。并且在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下，在鞏固理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠切身體會(huì)到知識(shí)的效用，在解決問題中獲得成就感和滿足感，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力，形成一個(gè)良性循環(huán)。

以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法中的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何合理的安排教學(xué)內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的同步性。該課程共設(shè)置66個(gè)課時(shí)（表1），包括44個(gè)理論講授課時(shí)，8個(gè)校內(nèi)教師指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐課時(shí)（實(shí)驗(yàn)Ⅰ，包括對(duì)軟件項(xiàng)目進(jìn)行需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)和測(cè)試四部分），10個(gè)企業(yè)軟件工程師指導(dǎo)項(xiàng)目的實(shí)踐課時(shí)（實(shí)驗(yàn)Ⅱ，包括對(duì)軟件項(xiàng)目的原型設(shè)計(jì)、模型建立、編碼實(shí)現(xiàn)、測(cè)試和項(xiàng)目管理情景化五部分），以及4個(gè)項(xiàng)目答辯的課時(shí)。通過理論課程和實(shí)驗(yàn)的同步進(jìn)行，使得理論知識(shí)隨著項(xiàng)目的推進(jìn)而應(yīng)用，而項(xiàng)目的推進(jìn)又使得理論知識(shí)進(jìn)一步深化。考慮到美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在多年的計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展中所沉淀出的經(jīng)典教材依然有很多值得借鑒的地方，并且現(xiàn)在大多開源社區(qū)如GitHub都是英文的，而Ian Sommerville作為英國(guó)著名的軟件工程專家和軟件工程知識(shí)體系的專家委員會(huì)成員，其著作《Software Engineering》已逐漸被許多高校采用為教材。故本教學(xué)中的軟件工程教材采用Ian Sommerville的《Software Engineering》，以張海藩的《軟件工程導(dǎo)論》為主要參考教材。

表1 學(xué)時(shí)分配表學(xué)時(shí) 學(xué)時(shí)

2.3 兩個(gè)基本點(diǎn)

軟件項(xiàng)目的開發(fā)過程是一個(gè)繁瑣復(fù)雜的過程，在軟件項(xiàng)目開發(fā)中我們引入了CDIO模式和群體化方法，并將好的項(xiàng)目與企業(yè)對(duì)接。通過這種模式和方法，學(xué)生不僅僅是達(dá)到課程基本要求，更多的是提高自身能力，為就職之路奠定良好的基礎(chǔ)。

CDIO是近年來國(guó)際教育改革中的重要成果[6]。其在本質(zhì)上區(qū)別于傳統(tǒng)的知識(shí)本位的培養(yǎng)模式，是一種能力本位的培養(yǎng)模式。借助CDIO倡導(dǎo)的“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的理念，在講授中以“心理健康治療病人信息系統(tǒng)”和“野外氣象站”兩個(gè)工程實(shí)例貫穿于課程全過程。教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)這兩個(gè)實(shí)例的各階段，之后啟發(fā)學(xué)生在課后對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行逐步的推進(jìn)，使學(xué)生在構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的4個(gè)層面上得到訓(xùn)練。

實(shí)踐中學(xué)生經(jīng)常會(huì)遇到各種不同的問題，這些問題出現(xiàn)的不確定性和不統(tǒng)一性導(dǎo)致教師難以及時(shí)地針對(duì)每個(gè)學(xué)生一一解答。學(xué)生遇到的問題長(zhǎng)期不能及時(shí)得到解答，就會(huì)逐漸降低對(duì)課程的興趣。針對(duì)課程實(shí)踐中存在的問題，一種有效的解決途徑是運(yùn)用群體化開發(fā)方法，即利用互聯(lián)網(wǎng)的群體智慧、資源和支撐平臺(tái)解決軟件工程課程在實(shí)踐中遇到的問題[7]。一方面，學(xué)生可以借助互聯(lián)網(wǎng)的群體智慧，通過類似CSDN這類互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)來即時(shí)解決在實(shí)際開發(fā)中遇到的問題；另一方面，學(xué)生可以在GitHub這類軟件項(xiàng)目平臺(tái)上下載軟件系統(tǒng)的源碼，并基于這些開源的代碼和方法快速開發(fā)，縮短軟件的開發(fā)周期。總之，通過群體化方法不僅可以認(rèn)識(shí)更多軟件開發(fā)人員，還可以借助互聯(lián)網(wǎng)群體的智慧解答問題、提供資源、反饋經(jīng)驗(yàn)，而且能夠及時(shí)掌握先進(jìn)的軟件開發(fā)等方面的技術(shù)，突破在知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等方面的局限性。

2.4 三個(gè)轉(zhuǎn)變

在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下，課程和項(xiàng)目相繼展開，整個(gè)過程中運(yùn)用群體化的軟件開發(fā)方法和CDIO模式對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合能力的培養(yǎng)。采用分組的形式開展項(xiàng)目和課程，5～6位同學(xué)為一組共同完成項(xiàng)目。課后的小組作業(yè)也是由小組團(tuán)體共同完成。在整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)過程中需要配置負(fù)責(zé)前端、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、后端、文檔撰寫和測(cè)試各一人，還需配置一位負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目安排的整體實(shí)力較強(qiáng)的人員。每個(gè)人能力的側(cè)重點(diǎn)不同，這樣能夠在項(xiàng)目開發(fā)的過程中最大化地發(fā)揮個(gè)人能力。在小組的分工協(xié)調(diào)下，學(xué)生之間交流經(jīng)驗(yàn)，共同促進(jìn)，從單純地依賴教師逐步向依靠團(tuán)體能力轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)地接收教師的思想向主動(dòng)思考轉(zhuǎn)變。

在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生可以動(dòng)手實(shí)踐軟件系統(tǒng)，不再只是停留在課本上的理論知識(shí)，而是逐漸向理論應(yīng)用過渡。實(shí)踐過程中學(xué)生在問題得不到解決時(shí)會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)尋求解決方案，通過對(duì)實(shí)際問題的解決，學(xué)生在項(xiàng)目開發(fā)的各個(gè)階段獲得了成就感和滿足感。此外，在分組的團(tuán)體中，既培養(yǎng)了學(xué)生的管理能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的溝通能力和職業(yè)素養(yǎng)。

在實(shí)踐中引入校外企業(yè)工程師對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目進(jìn)行指導(dǎo)，給學(xué)生提供系統(tǒng)連貫的實(shí)踐機(jī)會(huì)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練機(jī)會(huì)。使學(xué)生更早了解實(shí)際工作中項(xiàng)目開發(fā)的一些關(guān)鍵技術(shù)和重要理論。加快了由理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)變，且學(xué)生能夠提早向?qū)I(yè)的軟件開發(fā)人員轉(zhuǎn)變。

通過采用群體化方法和CDIO模式，學(xué)生逐步將課本的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的項(xiàng)目成果，在思考、探索和交流中逐漸取得進(jìn)步，并獲得大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。最終從根本上改變傳統(tǒng)的軟件工程課程體系，實(shí)現(xiàn)以教師為中心向以學(xué)生為中心、以課本為中心向以項(xiàng)目為中心、以課堂為中心向以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為中心的三個(gè)轉(zhuǎn)變。

2.5 四種能力

軟件工程課程改革的主要落腳點(diǎn)在于學(xué)生，只有學(xué)生自身的能力得到提高，才能說改革是較為成功的。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生在軟件工程項(xiàng)目的可行性研究、需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編碼測(cè)試、系統(tǒng)維護(hù)等各階段的工程能力。通過整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，要求學(xué)生能夠獨(dú)立撰寫各類軟件開發(fā)文檔；能夠設(shè)計(jì)中小型軟件系統(tǒng)及大型系統(tǒng)的獨(dú)立子系統(tǒng)；能夠在多學(xué)科環(huán)境中組織和管理軟件項(xiàng)目，合理調(diào)配資源，提升工作質(zhì)量和效率。通過以能力產(chǎn)出為目標(biāo)，反向設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，又通過對(duì)已設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，進(jìn)而評(píng)價(jià)教學(xué)法是否可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生的能力達(dá)成目標(biāo)。

根據(jù)能力的復(fù)雜性和側(cè)重性不同，把軟件工程課程培養(yǎng)的能力與該專業(yè)對(duì)應(yīng)的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。包括G2.3、G3.1、G10.1、G11.2四種能力，各項(xiàng)能力在畢業(yè)要求中所占權(quán)重見表2。其中，G2.3側(cè)重于問題的分析分解能力；G3.1側(cè)重于問題的解決能力；G10.1側(cè)重于書面表達(dá)和口語表達(dá)能力；G11.2側(cè)重于溝通、管理能力。

3 軟件工程課程評(píng)價(jià)體系

能力產(chǎn)出是開設(shè)課程的最終目的，而學(xué)生的能力達(dá)成度如何量化就在于所設(shè)計(jì)的課程評(píng)價(jià)體系。一個(gè)良好的課程評(píng)價(jià)體系應(yīng)該能夠評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合能力。評(píng)價(jià)的關(guān)注點(diǎn)不能只是結(jié)果，還應(yīng)該有過程，在形成性考核中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)積極地參與到每一階段的知識(shí)學(xué)習(xí)和技能鍛煉中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)。

本教學(xué)法建立了一種多樣化的評(píng)價(jià)體系（表3）， 以對(duì)學(xué)生的交流與合作能力、自學(xué)與思考能力、創(chuàng)新與管理能力進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)。本教學(xué)法的評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)分為形成性考核和總結(jié)性考核兩大部分，各占總成績(jī)的50%。每種考核形式按2.5節(jié)的內(nèi)容分為四種能力進(jìn)行考核。總結(jié)性考核采用閉卷考試形式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。由于大學(xué)教育尊重學(xué)生自由發(fā)展，因此，考勤不同于其他形式的考核，缺勤一次在總成績(jī)上減去1分，一節(jié)課兩個(gè)課時(shí)，66個(gè)課時(shí)中全部缺勤，累計(jì)計(jì)算應(yīng)減去33分。這樣若學(xué)生自己能力足夠強(qiáng)，那么即使不上課也還是有通過考試的希望。各項(xiàng)考核的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表2 各項(xiàng)能力的權(quán)重分配

表3 評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)及目標(biāo)分值 分

表4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 改革成果

本學(xué)期在我學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)16級(jí)本科生中開展了此次改革，分為兩個(gè)班級(jí)，共計(jì)82名同學(xué)，17個(gè)小組，每個(gè)小組對(duì)應(yīng)一個(gè)項(xiàng)目。這17個(gè)項(xiàng)目形式多樣，有“人機(jī)交互式圖形開發(fā)系統(tǒng)”“微愛——情侶互動(dòng)聊天APP”“基于聲紋的音樂檢索系統(tǒng)”“XX校園3D建模系統(tǒng)”“零食速遞”等。

圖2 兩類考核成績(jī)分布圖

圖3 總成績(jī)頻率分布直方圖

本課程通過第三章的評(píng)價(jià)體系對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。最終情況見圖2、圖3和表5。圖2是形成性考核、總結(jié)性考核兩類考核成績(jī)區(qū)間分布的統(tǒng)計(jì)，形成性考核的成績(jī)有一半多都在[80，90）區(qū)間內(nèi)，可見，大多數(shù)學(xué)生都在認(rèn)真學(xué)習(xí)軟件工程課程，并積極進(jìn)行實(shí)踐，較好地實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)。而總結(jié)性考核成績(jī)集中在[60，70）和[70，80）區(qū)間，出現(xiàn)這種情況的原因一方面是本次總結(jié)性考核采用了純英文試題，一些學(xué)生的英文水平達(dá)不到要求；另一方面是一些學(xué)生在實(shí)踐中對(duì)理論的總結(jié)稍有不足。圖3是總成績(jī)的頻率分布直方圖。可以看出總成績(jī)基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，學(xué)生成績(jī)基本集中在[70，80）區(qū)間，學(xué)生成績(jī)小于60的和大于等于90的都較少。表5是82名學(xué)生目標(biāo)的平均達(dá)成度。實(shí)踐結(jié)果表明，之前設(shè)計(jì)的目標(biāo)在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)法下較好地實(shí)現(xiàn)。今后可在課堂中更多地闡述理論和案例；對(duì)UML等各種圖更多地進(jìn)行講解和實(shí)操，適時(shí)讓學(xué)生進(jìn)行演示；掌握好項(xiàng)目工作量，及時(shí)督促學(xué)生反饋以達(dá)到更好提升學(xué)生能力的目的。

表5 課程目標(biāo)及平均達(dá)成度

5 結(jié) 語

我們?cè)谶@一年的探索研究中率先將以項(xiàng)目為紐帶、以CDIO模式和群體化方法為兩個(gè)基本點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)變和產(chǎn)出四種能力的軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)法在我學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)16級(jí)本科生中開展。此次課程改革無論從教材的選擇，還是從過程實(shí)施以及評(píng)價(jià)體系，較之前都有進(jìn)步，作為一門考試課程，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和能力給予了客觀的評(píng)價(jià)，對(duì)軟件工程課程教學(xué)有著示范作用。目前只進(jìn)行了一個(gè)學(xué)期的改革實(shí)施，項(xiàng)目實(shí)踐時(shí)間較短，后續(xù)將擴(kuò)大項(xiàng)目的實(shí)施范圍，進(jìn)一步提升學(xué)生的專業(yè)技能。