借鑒軟件工程方法來推進教學改革的探索

朱曉宏

（武漢科技大學汽車與交通工程學院 武漢 430081）

教育工作和軟件產業都是智力密集型。軟件是人的智力形式化、機械化的表示，人們對計算機進行編碼，運行計算機以達成用戶目標。教學中，課程知識體系等也是人的智力的表示，學生學習中的“同化”、“順應”過程相當于對自我心智的某種“編碼”，通過實踐應用體現出教學（“編碼”）而來的能力提升。教學與軟件的相似性啟發我們可以從軟件工程中尋求教學改進的靈感。

一、軟件產業與教育

統計表明，2019年全國軟件業務收入7.2萬億元，從業人數673萬人，人均實現業務收入106.6萬元；從2007年到2019年，軟件業務收入年均復合增長率達23.4%[1]。軟件是經濟轉型之擎、數字社會之基，是引領新一輪科技創新的源動力。

教育越來越成為提高一個國家創新能力的基礎。只有把教育搞上去，才能化人口壓力為人才優勢，才能在激烈的國際競爭中取得戰略主動地位。長期以來，我國一直堅持把教育放在優先發展的戰略地位。

二、從軟件工程到教學工程

（一）軟件工程的產生

1965-1970年時期，一方面，計算機硬件成本持續快速下降，另一方面，所用的軟件卻很少能在成本、時間、功能、維護能力等方面達到要求，特別是在可靠性方面。針對“軟件危機”，1968年提出“軟件工程”的術語，目的是想借助傳統工程設計的一些基本思想，用系統工程學的原理和方法來管理軟件的生產過程，提高軟件生產率和軟件的質量。

關于軟件工程的定義。IEEE在軟件工程術語匯編中的定義：1）將系統化的、嚴格約束的、可量化的方法應用于軟件的開發、運行和維護，即將工程化應用于軟件；2）在1）中所述方法的研究。

（二）教學工程的提出

教學改革歷來倡導以學生為中心，采用探究式學習、小組合作學習等方式。但傳統的系統知識傳授模式在高校講壇上仍然根深蒂固，形成這種教學模式的原因，除了受教師行為習慣模式和該方式的高效便利性影響之外，還需要進行更深入地分析。

以小組合作學習為例，可以分為“合作學習前、合作學習中、合作學習后”三個階段，每個階段的每一個環節都至關重要。當前的課堂教學中，小組合作學習存在小組組織不力、合作準備不足，合作動力欠缺、差生難以有效參與、過程調控失當，學習深度不夠、結束虎頭蛇尾，再次合作學習受阻，過程評價難、教師難以有效指導多個小組等問題[2]。探究式學習等教學方式，也往往存在很多困難因素。

種種問題（或誤區）的存在，恰恰表明合作學習等教學模式有著較高的實施門檻，這制約了推廣普及。而僅依靠教師的主觀能動性去克服以上難題，就好比軟件生產中復雜問題的解決試圖依賴原有的手工小作坊生產方式。

時代的發展和現實需求，呼喚我們提出“教學工程”理念。類似于軟件工程的出發點，用系統工程的方法優化教學方式和教學過程。

“教學工程”的定義：以教師為主導，以學生為中心，注重提高學生分析問題、解決問題等能力；教學過程采用合作學習等方式；針對教學過程的需求分析、設計、實現與測試、運行與維護等階段，建立并使用完善的工程化原則，以較經濟的手段、較高效率獲得可靠教學質量的一系列方法。

三、基于教學工程的教學

（一）教學過程的階段劃分

軟件工程是設計人員把現實世界的復雜問題，由問題空間向解空間進行映射，經設計、編碼實現和測試得到軟件產品，并在計算機上部署和運行。教學工程有著類似的工作流程。以高校的工程教育為例，來說明教學工程各階段的任務。

問題定義：教師選擇符合教學要求與學生狀況的待探究問題；學生明確要解決的問題是什么。

可行性研究：針對待解決問題從經濟、技術等方面進行可行性分析。

需求分析：明確解決問題必須做什么。

總體設計：怎樣實現問題的解決，探究或梳理概要設計。

詳細設計：該怎樣具體實現解決方案，探究或梳理詳細設計。

實現和單元測試：根據團隊總體設計與詳細設計的文檔、涉及知識，進行知識模塊的學習，學習者利用自己原有認知結構中的有關經驗“同化”或“順應”當前新知識，從而達到對新知識的意義建構；對知識模塊進行測試以優化完善。

綜合測試：對整體解決方案進行測試，使之完善；通過練習以更深入地學習。

運行和維護：使用已掌握的解決方案解決相關問題；通過迭代教學過程，更新升級知識、解決方案。

（二）借鑒軟件工程方法，推進教學工程

軟件產業正在加快向數字化、網絡化、平臺化、服務化、云端化、智能化、生態化演進。具備知識密集型、勞動密集型特點的軟件工程，可以為教學工程的推進提供大量的方法源泉。以下舉例說明軟件工程相關方法對教學工程的借鑒價值。

瀑布模型：教學過程按規定順序而連接的若干階段進行工作，自頂向下地結構化分析和逐步求精。通過工序將問題化簡，便于學生分工協作，降低學習門檻，便于進行合作學習、探究學習。

快速原型模型：傳統教學一般未脫離學科型教學方式。教材也是按先后順序對學科理論知識進行編排，一般不是面向探究式學習，容易形成平鋪直敘的“灌輸式”教學，難以引起學習興趣。針對合適的待解決問題，快速原型模型要求學習小組在教師啟發下、學習骨干的示范帶領下，依托原有知識迅速構建一個初步的解決方案原型，激發探究學習的主動性、積極性。方案原型的持續演化和優化，提綱挈領地帶動課程知識的全面學習。

項目協作管理：以管理學為依托，對教學中計劃、資源、質量、成本、文檔等加強管理，對教學過程進行控制。類似于軟件工程項目管理，云端平臺可以提供組織管理、項目管理、需求管理、任務管理、測試管理、版本、檔案、日程等功能，并以手機端App支持移動化協作式教學。教學工程項目管理面向復雜問題的求解，可以順暢銜接不同課程、課內課外、線上線下、理論實踐。

教學工程的中心課題是控制教學的復雜性，和諧地合作是教學成功的關鍵。教學工程化可以獲得以下好處：

落實成果導向理念。因為教學工程的基因是面向問題分析和問題解決的。

教學方式優化。自然地實施以學生為中心的學習，合作學習、探究式學習等。采用“做中學”，從生產（或梳理）知識中學習知識。

降低學習門檻。把“大”問題進行工序劃分，在邏輯空間、時間、人員組織分配的展開中控制學習復雜度。

正相互依賴效應。發揮學習骨干的帶動作用，激發個人責任感和榮譽感，激活后進學生；學習骨干的示范、輔導和文檔共享，使后進學生可提升自信心。

協作溝通。各知識模塊的責任人在演示交流、互幫互學中，獲得進步，培養了合作精神。文檔撰寫和演示可提升學生邏輯思維能力，溝通交流以及清晰表達能力。

降低教學組織難度。運用系統工程方法，減輕教師負擔，教師更容易實施。過程評價更為透明，可以指導更多的學習小組。降低成本，提高效率。

迭代優化，以點線帶動面。快速原型模式迅速構建解決方案原型，學生對解決方案初步設計有概念后，對后續知識模塊的學習減少了盲目性。敏捷教學方式，可以先結構化地學習框架知識，再發散式、滴灌式學習。因此，可以和傳統教學相結合，也可以和慕課、混合式教學等結合，從而使學生形成完整的知識體系。

四、結束語

分析表明，借鑒軟件工程成功經驗，引入系統工程方法，教學工程具有低成本、高效率、可靠質量的優勢。培養造就創新型人才，亟須教學模式的變革。教學工程汲取軟件工程豐富營養，借數字文明大勢，定能助力教學改進工作。