基于i-BPMN的翻轉課堂教學系統業務流程建模

陳蕾 倪楓

摘 要：針對目前主流的BPMN建模方法對翻轉課堂業務架構描述能力上的不足，基于TOGAF中ACF元模型提出一種完整覆蓋系統業務架構本體的i-BPMN建模方法。集合目前應用較廣的if-else語句以及IDEF建模方法，通過其與BPMN模型在ACF元架構描述上的契合點建立元模型映射關系，對BPMN模型中具有數據復雜性、功能層次性等特點的特殊任務進行建模補充，并通過迭代建模過程實現各描述模型之間語義、粒度的對齊。實驗結果表明，采用i-BPMN建模方法能有效增強業務活動內部流程、邏輯、規則以及數據關系的描述，提供流程的完整理解，為后期系統開發明確要求。

關鍵詞：業務流程建模;翻轉課堂;BPMN2.0;模型集成;元模型

文章編號：2095-2163（2019）04-0180-08 中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A

0 引 言

近30年來，國內的信息化建設逐步加強，系統業務架構在國內企業中發展迅速[1]。目前針對架構描述存在很多流程定義語言，BPMN2.0（Business Process Model and Notation 2.0，）[2]不僅融合了UML[3]的面向對象的設計思想、圖像化設計思想以及Petri網思想[3]，而且又可以方便地映射到業務流程執行語言BPEL[4-5]，廣泛應用于業務流程中面向場景建模。實踐過程表明，BPMN模型存在固有視角缺陷，無法準確描述功能、規則等事件的信息。雖然目前國內外學者提出了通過將附加屬性和元素附加到現有BPMN元素的方法優化BPMN模型，比如BPMN-E2[6]、對醫院流程的BPMN符號改進方法[7]、uBPMN[8]等。但各類拓展均特定于某個行業或業務，局限于行業本身的特異性，無法將補充的符號通用化，且改進后的BPMN模型對翻轉課堂系統這類具有流程性和結構性的業務流程建模仍過于復雜。

翻轉課堂教學模式[9]源于美國，隨著國內互聯網發展和普及，優勢凸顯，引發國內各大高校借鑒和探索熱潮。翻轉課堂系統具有多流程和復雜性，系統主要業務流程分為課前學習、線上互動和課后反饋三個過程，每個主業務流程又可以進一步細分為多個子流程，比如課前學習階段包括學生登錄、觀看視頻、選擇老師、習題練習等一系列子流程[10];同時翻轉課堂系統總體架構分為3層，即：表示層、功能層和數據層[10]。平臺大量功能服務均聚集于功能層中，與表示層中涉及的移動終端進行信息交互，執行過程中同時存在一系列條件篩選，因此良好的流程模型需要對流程中某些任務規則性、功能性等特點進行表現;數據層提供整個系統的數據支撐，所有線上活動如題庫搜索、學習記錄、學生信息等產生的數據集中于數據層進行處理，繁冗的運行數據需要清晰準確的模型予以規范化，為后期數據庫開發創造條件。

因此，本文運用組合建模的思想，在BPMN模型基礎上，集合IDEF （Integrated Computer-Aided Manufacturing Definition）[11]建模方法以及if-else語句，將各模型進行視角優勢互補，建立一組多視角、易操作的i-BPMN模型組，達到對翻轉課堂的有效建模且對后期系統開發提供條件，并且通過建模過程說明新型模型組具有一般性，能通用于類似翻轉課堂系統存在復雜性和流程性的業務流程。

1 業務流程建模

1.1 BPMN建模方法

2011年1月，對象管理組織（The Object Management Group，OMG）頒布了業務過程模型和符號BPMN2.0[2]，作為一種標準符號應用于業務流程管理領域。目前，BPMN2.0已成為描述業務流程間交互事實的標準[12]，能有效支持建模中控制流、數據流以及功能塊的設計，真正消除了業務流程建模與流程實現之間的隔閡，為系統開發人員后期制定相應行為視圖創造條件。

元模型是基于特定建模語言的某種描述模型表達空間的陳述集，用以描述模型各方面遵從的規則與底層約束，即元模型是模型的模型[13]。TOGAF9.1版本[14]中ACF定義的業務視角架構元模型包括OMG建議的業務架構中的6個基本元類（組織單元、業務執行節點、業務協作角色、業務功能、業務服務、業務流程）、2個擴展元類（觸發事件、業務規則）以及數據架構中的1個基本元類（數據實體），并以此規范了業務流程中需要獲取的元數據和界定概念，是指導數據存儲和交換的規范[15] 。

BPMN2.0元模型描述5個基本元素類別，分別是：流對象（Flow objects）、數據（Data）、連接對象（Connecting objects）、泳道（Swim lanes）以及人工制品（Artifacts），每個基本元素類別同時包含一系列元素，將BPMN模型元素定義為一個五元組，對此可表述如下。

以上元素中，流對象、順序流以及消息流體現動態描述，泳池和泳道進行靜態描述。流對象根據不同特點又可分為活動、網關以及事件。總地來說，活動可能是一個任務，也可能是一個子流程;網關為一種路由結構，包括排他事件網關、排他數據網關等等;事件也可能作為流程的開始、結束或者中間事件。由此對每個元素類別下的元素展開進一步劃分，元模型完整化表示如圖1所示。

1.2 IDEF建模方法

IDEF[11]建模方法面向流程結構進行建模，包括IDEF0 （Icam DEFinition for Function Modeling）、IDEF1x（Icam DEFinition for Data Modeling）、IDEF2、IDEF3、IDEF4和IDEF5等[14]，其中IDEF0和IDEF1x側重于流程的功能和信息建模。對此可得探討分述如下。

（1）IDEF0。是一種重要的面向功能的建模分析方法[11]，能夠清晰表現任務執行過程中的控制、輸入、輸出以及運行機制，元模型如圖2所示。圖形化表示分為活動框和箭頭兩部分。活動框代表系統的一種功能（Function），可以是一種作業，也可能是一種過程等，通過A0、A1、A11等分層進行描繪;箭頭結構被稱為ICOM結構，可將其定義為一個四元組。

定義2 ICOM ={ Input， Control， Output， Mechanism }

根據活動使用、產生或需要的信息和對象來表示輸入、輸出、控制以及機制之間的關系，各部分的特點及類別見圖2。

IDEF0模型雖然能夠有效地對活動流程進行分解、分層描述，但同時存在一些不足，比如無法體現流程過程、信息表達不足以及不準確等等。

（2）IDEF1x。作為在E-R方法基礎上引入語義的一種數據庫概念建模方法[16]，IDEF1x具有豐富、精細的模型語義特點，能夠在充分保證數據的一致性和完整性的同時，將流程中各相對獨立的數據進行交互，避免數據重復處理，將系統的信息結構、實體集合以及視圖進行有機結合。但在實際操作中，IDEF1x的符號往往無法準確地表達流程中的概念意義，偏離了前期模型的需求分析[17]。

2 翻轉課堂建模分析

翻轉課堂是以信息技術和網絡為基礎，實現線上與線下課堂信息化結合的一種新型教學模式[9]。21世紀，社會信息化進程不斷加快，對教育相關行業也提出更高要求。翻轉課堂具有顛覆性和改革性，一定程度上解決了目前傳統教學模式的被動性、效率低等弊端，受到國內廣泛關注。主要業務流程任務包括課前練習、社群管理、線下教學、評價反饋等等。

在目前主流的建模方法中，BPMN建模方法最適用于翻轉課堂業務流程的面向場景建模，但在實際建模過程中存在較多流程描述的問題，比如，對任務控制流、“用戶信息”等數據流以及輸入、輸出的描述過于繁瑣，無法體現內在控制和機制;管理員登錄、學生登錄、教師登錄三種情況下，用戶、平臺以及課程端會產生大量類似的信息存儲及更新， BPMN模型本身不提供用于描述數據結構的內置模型，無法保證數據的統一性和完整性;“成績輸出”任務中模型還需對后續操作進行條件篩選和授權等等。因此翻轉課堂完整建模需要對BPMN模型進行模型補充優化，結合各模型優缺點，引入IDEF建模方法和if-else條件語句[18]，通過元模型映射建立其與BPMN模型的語義和圖形聯系，保證模型建立過程中流程的統一和信息互通，最后通過IDEF1x配合建立數據流通和共享。同一用戶在不同任務執行過程中產生的數據及數據更新通過統一定義的活動數據庫進行處理和輸出，有效節約存儲空間，提高數據處理效率。

3 元模型映射

基于各元模型在模型建立上的共性，對BPMN元模型到IDEF0元模型以及條件語句的語義映射方法進行研究，并給出圖形化表示。這部分內容可詳述如下。

3.1 BPMN到IDEF0映射

經由探討研究后，即可推出元模型的映射執行過程如圖3所示。由圖3可以看到，圖3（a）代表組成BPMN模型的單元，根據映射規則，對BPMN中的數據流、泳道等元素信息通過IDEF0的箭頭結構進行轉換。在此過程中，元素轉換呈“一對一”或“一對多”的關系，保證了在映射過程中，模型語義的一致和完整。

3.2 BPMN到條件語句映射

將事件規則轉換為數學表達式，由此可得如下數學定義。

（1）內層是屬性運算，由關鍵字where引出，表述事件約束條件，例如e（where b=w）表示事件e的屬性b的值為w，其中w是常量。

（2）外層是事件運算，事件間決策的基本操作符包括and、or、not邏輯運算符，序列運算符以及時間運算符[19]。為方便描繪，事件規則用基本流程圖圖形化表示。

針對2種類型的條件語句，網關的觸發事件轉化為事件r（e01，e02，…，e0m），執行框中由where引出網關決策，并通過e， e01， e02， …， e0m等事件來執行BPMN模型中的一系列任務。在此過程中，BPMN模型中的條件判斷、任務執行、數據流以及數據更新等在規則模型中加以具體化，明確表明系統執行的觸發事件及結果，在保證語義一致的前提下提供流程的完整理解，并且形成的一系列代碼段有利于模型的更改以及后期迭代。

BPMN模型元素與IDEF0、條件語句的映射為模型轉換奠定了基礎。下面即給合翻轉課堂建模分析以及映射規則建立，提出i-BPMN建模方法，系統闡述BPMN優化過程。

4 i-BPMN建模方法

基于前述的研究分析，可得i-BPMN建模方法及集成概念過程如圖4所示。其中，i意為“iteration”，代表迭代建模過程。在基于以業務數據、流程任務為中心的業務流程開發設計思想的指導下，嚴格使用ACF元模型進行M0層翻轉課堂業務流程底層的數據和對象的收集、組織和處理，由此構建M3頂層業務架構的元模型，為M2層BPMN、IDEF1x元模型的建立以及IDEF0、if-else元模型的映射過程明確需求。M2層首先建立BPMN元模型，針對BPMN模型功能、規則等視角描述的不足通過映射規則生成相應的IDEF0、if-else元模型，同時對整個流程建立IDEF1x數據元模型。最終在元模型數據規范下靈活定制元模型對應的M1層描述模型，即場景過程模型（Scenario）、活動模型（Activity）、規則模型（Rule）以及數據實體模型（Entity），形成一個清晰的集成場景、規則、功能以及數據視角的i-BPMN模型組，準確描述流程中存在和流通的數據和對象，完成對業務流程描述的完整閉環。對i-BPMN模型組各模型的定義和描述具體如下。

（1）場景過程模型（Scenario）。場景過程模型基于BPMN2.0建模方法，進行面向場景建模，主要涉及到業務流程的觸發事件、組織單元、業務執行節點、業務協作角色、業務服務以及業務流程，充分運用細粒度約束，描述復雜業務流程的頂層概念化結構。

（2）活動模型（Activity）。活動模型基于IDEF0模型，描繪與特定業務任務相匹配的業務執行節點、業務功能、業務協作角色以及彼此之間的聯系，通過圖像模型說明這些功能是由誰控制、執行者是誰、如何實現功能、流程的效果是什么以及該流程與其它功能間的關系，突出功能性和層次性。

（3）規則模型（Rule）。規則模型基于if-else語句，研究業務流程中的觸發事件、業務規則以及兩者之間存在的聯系，其定義并展現了特定業務發生所需要的觸發條件及其結果，用于描述業務流程底層的業務規則，完善模型建模。

（4）數據實體模型（Entity）。數據實體模型使用IDEF1x數據庫表示方法，描述業務流程中的數據主體和業務服務。該模型定義了信息系統中數據的邏輯結構和物理結構，包括數據類別、數據屬性以及數據塊之間的關系。各任務塊的交互信息由相同節點進行傳遞和共享。數據模型使數據實體和業務服務反作用于業務規則，解決業務流程中業務數據的變化以及業務功能可能無法滿足服務的局限性。

5 i-BPMN迭代建模過程

i-BPMN模型組的4個描述模型之間相互存在映射關系，并不是相互獨立存在、獨立建模的，迭代建模過程也應以此作為粒度、語義對齊的準則。粒度（granularity）均衡是業務流程各描述模型是否統一的關鍵因素[20]。粒度過細的業務流程往往需要映射以及編排大量業務活動，建立與這種細粒度服務的關聯，增加了集成的復雜性。因此，完善的流程設計必須在建模過程中逐級細化迭代以達到平衡粒度，并在每一輪迭代過程中保持模型組在粒度維度的對齊。i-BPMN模型組的迭代建模基于一個二維迭代矩陣，旨在形成一個多視角、多維度的BIT架構模型組[21]，圖5描述了i-BPMN的迭代建模過程，每一輪迭代都由4個階段組成。每一階段的功能設計可做重點闡述如下。

（1）頂層架構階段。根據業務流程以及架構活動的整體范圍，建模初期先實現核心架構的需求，構建一個頂層框架，即場景過程模型。在此基礎上，對復雜業務流程補充建立其他視角模型，通過累加開發進行多次迭代，并在完善系統時，對系統的瑕疵或不足，不斷地做出重構和改進。

（2）環形建模階段。每一次迭代都包括了需求分析、設計、實現與測試四個階段，增加新視角描述，變更需求，產生新的模型，依次為活動模型、規則模型以及數據實體模型。在此過程中，下層的業務規則和數據設計補充并完善上層的流程模型，同時場景過程模型支持可視化規則設計以及描述完整性的上下文驗證，形成映射建模的完整“閉環”。每創建一個模型即進入第三階段，進行粒度對齊，直至最后一個模型完成。迭代可能涉及多個活動，需要對活動進行重新設計;也可能出現多次，有些串行執行，有些也存在并行執行[22]。尤其在建模早期，可能會產生小范圍多次迭代，當上游設計在本階段中有沖突，則需返回上游修改。

（3）“粒度”對齊階段。在同一輪迭代中，i-BPMN各視角相應的描述模型在同一抽象層次、均衡的粒度水平上對業務流程進行描述。例如，場景過程模型與活動模型基于“業務執行節點”、“業務流程”等元模型契合部分獲得建模語義和粒度對齊的標準，在對齊過程中需適當細化復雜任務的粒度，不斷調整修正，直至找到最佳粒度平衡點。

（4）迭代調整階段。重復前3個步驟，不斷調整迭代，每一輪迭代完成后，i-BPMN各模型同步提高一級粒度，開始在新的層次與粒度上優化，直至達到預設的架構粒度需求。

通過以上4個階段，最終建成一個多視角、粒度對齊、且能夠滿足不同業務需求的業務流程模型組—i-BPMN模型組，下文以“翻轉課堂”進行實驗驗證，說明該建模方法的可操作性。

6 實驗驗證與結果

將翻轉課堂業務架構劃分為四大板塊—“翻轉課堂業務流程”、“業務活動”、“數據服務”以及“活動規則”，元模型如圖6所示。圖6中，各元素之間的關系代表各業務流程任務之間的關系，“業務流程”與“業務活動”的ACF元素契合點為業務執行節點和業務協作角色;“業務流程”與“業務規則”的契合點為觸發事件;“業務流程”與“數據服務”的契合點為業務服務。

據此建立翻轉課堂系統的單一BPMN模型如圖7所示，i-BPMN模型組如圖8～10所示，同時參見表1可知，多個方面對比分析說明i-BPMN模型組的優勢。文中擬給出如下研究論述。

（1）功能性、規則性、數據性。對于翻轉課堂中存在的較復雜活動，單純的BPMN模型模糊了功能性定義，無法準確獲取涉及活動的所有功能信息，而i-BPMN中的活動模型可以有效解決上述缺陷。類似功能性，i-BPMN通過規則模型和數據實體模型完成了用戶對建模過程規則性和數據控制的需求。

（2）完整性。根據翻轉課堂建模過程，分析相應的描述模型對ACF業務架構的描述劃分如圖10所示，場景過程模型和活動模型通過“業務執行節點”建立聯系，和規則模型通過“觸發事件”建立聯系，和數據實體模型通過“數據實體”建立聯系。實驗表明，整個i-BPMN模型組能夠覆蓋所有ACF元類，例證本文提出的i-BPMN模型組符合ACF對業務流程架構完整性的要求，能夠達到對BPMN模型的補充優化效果。

（3）通用性。具有多流程且功能及數據處理需求較大的業務系統，均可以基于上文提出的映射規則以及建模過程進行適用于自身業務特點的i-BPMN模型組構建，操作簡單、易于推廣，且利于系統的后期改進。

7 結束語

業務架構設計的核心在于流程建模，完整有效的業務流程能夠支持后期信息架構的搭建，指導各個業務領域解決復雜任務中業務統一、組織再造、流程優化等問題，增加業務模型的靈活性。本文對翻轉課堂的業務建模分析例證了新型i-BPMN模型組建模方法的可行性和優越性，綜合前述分析可知，這一優勢主要表現在：一方面，基于ACF的統一規范，通過活動、規則以及數據實體模型的形式化映射，對于復雜、多流程業務系統進行最佳視角補充，統一控制業務底層的功能、規則和邏輯;另一方面，i-BPMN模型組構建是一個粒度對齊、層層迭代的過程，能為系統的應用架構及信息系統架構的有效開發做出明確需求，減少后期系統開發過程中由于任務描述不清造成的損失，具有推廣意義。

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