面向軟件系統(tǒng)設(shè)計的軟件工程專業(yè)關(guān)鍵課程建設(shè)論文

　　高端軟件設(shè)計人才不僅要有過硬的設(shè)計技能，還要有牢固的工程觀、系統(tǒng)觀和產(chǎn)品觀。本文基于南京大學軟件開發(fā)學院的教學實踐，以軟件系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)造為主線，提出了圍繞軟件設(shè)計設(shè)置和實施的軟件工程專業(yè)關(guān)鍵課程方案。該方案強調(diào)在專業(yè)入門課程就開始培養(yǎng)學生的軟件工程觀念和系統(tǒng)觀念，并一以貫之地教授學生在軟件工程思想的指導下進行軟件設(shè)計的能力。

　　一、概述

　　作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，軟件業(yè)急需一批領(lǐng)軍型軟件人才。教育部在2002年批準開辦軟件工程(以下簡稱SE)專業(yè)并設(shè)立國家示范性軟件學院，2011年批準設(shè)立軟件工程一級學科并把軟件工程師培養(yǎng)列入了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃。至2013年，我國有425所高校開設(shè)軟件工程專業(yè)，設(shè)點數(shù)、招生數(shù)及就業(yè)質(zhì)量均進入前十。因此，研究與建設(shè)軟件工程專業(yè)關(guān)鍵課程體系對于軟件人才培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義和積極的推動作用。

　　國際上，IEEE和ACM共同制定了軟件工程學科教程CCSE[1，2]，給出了軟件工程專業(yè)的教育知識體系，提出了組織和設(shè)計課程體系的若干建議，是公認的軟件人才培養(yǎng)工作基礎(chǔ)。CCSE推薦課程包括SE基礎(chǔ)課程5門、CS中級課程3門和SE高級課程6門，并提出了SE優(yōu)先的課程方案和CS過渡的課程方案。

　　但是，SE專業(yè)在教學實施中面臨以下難題[3]：(1)傳統(tǒng)計算機科學(以下簡稱CS)專業(yè)的軟件工程課程如何合理過渡到SE基礎(chǔ)課程和6門SE高級課程;(2)如何落實SE優(yōu)先的教學理念，解決關(guān)鍵課程的教學實踐與教學資源;(3)如何實施軟件工程課程與程序設(shè)計類課程的融合教學。

　　具體來說，目前國際國內(nèi)缺乏對SE關(guān)鍵課程的教學實踐，SE優(yōu)先的基礎(chǔ)課程與部分高級課程屬于全新構(gòu)造，難覓教材和成熟的教學資源，從而導致SE專業(yè)教學在實施時面臨很大困難，大多數(shù)學校只能因循計算機科學專業(yè)傳統(tǒng)課程過渡。因此，貫徹SE優(yōu)先的教育理念與落實系統(tǒng)化的SE專業(yè)教學體系成為擺在廣大SE教育者面前的一個巨大挑戰(zhàn)。針對這些問題，南京大學軟件工程專業(yè)經(jīng)過多年教學實踐，以軟件開發(fā)的核心工作——軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造為主線，提出了面向軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造的SE專業(yè)關(guān)鍵課程教學實施方案。

　　二、設(shè)置思路

　　CS傳統(tǒng)課程按照知識領(lǐng)域安排，非常適合于培養(yǎng)研究性人才。軟件產(chǎn)業(yè)則迫切需要能夠綜合運用各種工程技術(shù)知識解決具體問題的實用性人才。為此，南京大學SE專業(yè)教學體系從能力培養(yǎng)入手，強調(diào)持續(xù)培養(yǎng)學生的工程觀、系統(tǒng)觀和產(chǎn)品觀;面向“軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造”主線，規(guī)劃專業(yè)關(guān)鍵課程，實踐并求精CCSE的SE優(yōu)先課程設(shè)置方案;探索關(guān)鍵課程的教學內(nèi)容與教學方法，建設(shè)相關(guān)教材與教學案例。

　　1.提出軟件工程專業(yè)課程改革的基本策略。在專業(yè)教學早期開始培養(yǎng)學生工程觀、系統(tǒng)觀與產(chǎn)品觀，引導學生持續(xù)以軟件工程觀的角度學習與體驗軟件系統(tǒng)分析、設(shè)計與構(gòu)建的過程。在一年級開設(shè)軟件工程課程，專業(yè)入門時就樹立學生的工程觀和系統(tǒng)觀，將質(zhì)量、成本、度量、折中、決策、紀律、規(guī)范等工程理念貫穿后續(xù)課程，通過反復(fù)強化來培養(yǎng)學生牢固的工程理念以及基于工程理念解決問題和進行開發(fā)的能力。

　　2.規(guī)劃與實踐SE優(yōu)先的專業(yè)關(guān)鍵課程。遵循工程的集成與創(chuàng)新特征，面向“軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造”，按照軟件系統(tǒng)規(guī)模由小及大的次序建立專業(yè)教學主線，即以小規(guī)模系統(tǒng)、中規(guī)模系統(tǒng)、中規(guī)模產(chǎn)品、大規(guī)模系統(tǒng)技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域來部署SE專業(yè)課程的展開。在單門課程中強調(diào)構(gòu)建系統(tǒng)的全面知識融合教學，培養(yǎng)學生解決實際問題的綜合能力。

　　3.探索適應(yīng)培養(yǎng)卓越軟件人才的教學方法。軟件人才培養(yǎng)必須重視學生的工程實踐能力、設(shè)計能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，重視實驗、實訓、實習等培養(yǎng)過程，特別是理論教學與實踐教學的完美融合。主要的教學方法包括：面向具體的軟件系統(tǒng)構(gòu)造項目開展綜合性知識教學;加強課程教學案例與實踐用例建設(shè)，實施理論、案例、實踐相輔相成的教學;探索校企合作教學、面向問題教學、體驗式教學、面向?qū)嶋H教學、研討式教學、軟件創(chuàng)新設(shè)計競賽教學等適合卓越人才培養(yǎng)的新型教學方法。

　　三、課程體系框架

　　下圖給出了南京大學SE專業(yè)的課程體系框架[4，5]，其中左側(cè)為重點建設(shè)的SE專業(yè)關(guān)鍵性基礎(chǔ)課程，右側(cè)為其他SE專業(yè)基礎(chǔ)課程和高級課程，后者在教學上較為成熟，故不贅述。

　　面向“軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造”的SE專業(yè)關(guān)鍵課程共7門，分別為計算系統(tǒng)基礎(chǔ)、軟件工程與計算Ⅰ、軟件工程與計算Ⅱ、軟件工程與計算Ⅲ、軟件需求工程、軟件系統(tǒng)設(shè)計與體系結(jié)構(gòu)、人機交互的軟件工程方法，分別重點解決學生計算系統(tǒng)分層構(gòu)建、個人級小規(guī)模軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造、小組級中小規(guī)模軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造、模擬團隊級中規(guī)模軟件產(chǎn)品設(shè)計與構(gòu)建、大規(guī)模軟件系統(tǒng)的需求技術(shù)、大規(guī)模軟件系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)、交互式軟件系統(tǒng)設(shè)計與評估技術(shù)等關(guān)鍵性能力培養(yǎng)。

　　南京大學軟件工程專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)圖

　　這7門關(guān)鍵課程均圍繞一個具體的軟件系統(tǒng)教學案例，融合構(gòu)建系統(tǒng)所需的多方面知識展開每門課程的教學。各課程都精心設(shè)計了一個教學講解用的軟件系統(tǒng)構(gòu)建案例，并同步設(shè)計了一個培養(yǎng)學生工程能力的實踐用例。課程圍繞教學案例和實踐用例的構(gòu)建活動組織課程教學和實踐教學。課程同時力圖打破傳統(tǒng)課程的技術(shù)藩籬，將程序設(shè)計、軟件工程、交流與溝通、團隊動力學、職業(yè)素質(zhì)、過程管理、工程經(jīng)濟學等知識進行融合教學，在案例中引導學生使用軟件工程的觀念來觀察、體驗和實踐計算系統(tǒng)軟件的設(shè)計與構(gòu)建過程，訓練其軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造的綜合能力。

　　四、課程描述

　　“計算系統(tǒng)基礎(chǔ)”，以一個經(jīng)典計算機指令集MIPS的簡化版本DLX為線索，以C語言為載體，使初學者可以建立起完整的計算概念，了解經(jīng)典計算系統(tǒng)的工作原理，理解計算系統(tǒng)自底向上、逐次構(gòu)造的過程;理解結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，能夠利用自頂向下、逐步求精的方法完成小規(guī)模的結(jié)構(gòu)化程序。具體教學內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)的機器級表示、數(shù)字邏輯、馮·諾伊曼模型、機器語言、匯編語言、輸入和輸出、Trap 機制和子例程、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計和語言處理。

　　“軟件工程與計算Ⅰ”，在軟件工程理念指導下，側(cè)重于程序設(shè)計教學。以一個計算示例和實踐用例的迭代式增量開發(fā)實踐為線索，全面培養(yǎng)學生在個人開發(fā)級別的小規(guī)模軟件系統(tǒng)構(gòu)建能力，讓學生初步體驗軟件工程方法與技術(shù)在系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵作用。具體教學內(nèi)容包括：程序設(shè)計基礎(chǔ)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言;OOA、OOD、調(diào)試與測試等軟件工程知識;個人級別的軟件開發(fā)活動管理、個人級別的軟件職業(yè)知識。

　　“軟件工程與計算Ⅱ”，以經(jīng)典軟件工程方法與技術(shù)為主線，軟件設(shè)計與構(gòu)造知識為教學重點，軟件系統(tǒng)構(gòu)建實例(計算系統(tǒng)示例與學生實踐用例)為切入點，培養(yǎng)學生基于瀑布模型的、簡單小組開發(fā)級別的、中小規(guī)模軟件系統(tǒng)構(gòu)建能力。具體教學內(nèi)容包括：軟件工程歷史、軟件職業(yè)知識;適用于中小規(guī)模軟件產(chǎn)品開發(fā)的軟件工程方法、原則與實踐;軟件工程方法指導下的程序設(shè)計原則與實踐;小組級別的簡單軟件開發(fā)活動管理;包括代碼和重要文檔在內(nèi)的關(guān)鍵軟件開發(fā)制品。

　　“軟件工程與計算Ⅲ”，以螺旋模型和團隊實踐為特征，通過開發(fā)一個中等規(guī)模軟件產(chǎn)品的方式，培養(yǎng)學生對程序設(shè)計和軟件工程方法的實際運用能力，同時強化學生的職業(yè)技能和項目管理能力。將學生組織成8人左右的團隊，按照6個階段(即項目啟動階段、第一循環(huán)、第二循環(huán)、第三循環(huán)、第四循環(huán)、項目部署階段)合作完成一個具有一定復(fù)雜度的具體項目。在項目完成過程中，涉及需求、設(shè)計、實現(xiàn)和質(zhì)量保障，強調(diào)團隊協(xié)作、文檔寫作、工具使用、陳述等能力，并在軟件團隊中對軟件開發(fā)進行管理。

　　“軟件需求工程”，以需求工程技術(shù)、軟件經(jīng)濟學和迭代過程為特征，結(jié)合工業(yè)界實例綜合分析，培養(yǎng)學生構(gòu)建大規(guī)模軟件系統(tǒng)所需要的需求獲取、分析與建模能力，試圖讓學生把握需求工程工作給后繼軟件項目工作帶來的影響。具體教學內(nèi)容包括：需求工程基礎(chǔ)、需求獲取方法與技術(shù)、需求分析方法、需求分析模型與建模技術(shù)、需求管理與需求工程過程知識、軟件工程經(jīng)濟學等。

　　“軟件系統(tǒng)設(shè)計與體系結(jié)構(gòu)”，以軟件設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)、可復(fù)用軟件過程為特征，結(jié)合復(fù)雜工程案例及其重構(gòu)，培養(yǎng)學生構(gòu)建大規(guī)模軟件系統(tǒng)所需要的綜合設(shè)計技術(shù)能力。具體教學內(nèi)容包括：軟件設(shè)計的要素、軟件設(shè)計的支持與評價、軟件設(shè)計方法、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計、基于中間件的設(shè)計、基于復(fù)用的設(shè)計和設(shè)計演化。

　　“人機交互的軟件工程方法”，以用戶為中心的設(shè)計與軟件再工程為特征，培養(yǎng)學生交互式產(chǎn)品開發(fā)的軟件分析、設(shè)計和評估技術(shù)。具體教學內(nèi)容包括：可用性工程、人機交互界面的經(jīng)典模型、人機交互的需求工程方法、人機交互的設(shè)計方法以及基于行為觀測與眼動分析的交互評估技術(shù)等。

　　五、教學方法

　　軟件人才培養(yǎng)需要重視教學方法改革，面向軟件系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)造的SE專業(yè)采用了一系列新型教學方法。

　　面向問題教學要求各課程都以工程問題開始，并依照工程問題的解決過程和活動來組織教學，這既體現(xiàn)了多種知識的融合運用，又培養(yǎng)了學生的問題解決能力。體驗式教學要求各課程在實驗設(shè)計時必須考慮模擬現(xiàn)實環(huán)境的不確定性因素，讓學生體驗真實的開發(fā)氛圍，這既能培養(yǎng)他們綜合運用各種知識與方法解決問題的能力，又能重點訓練他們的折中、決策、溝通等非技術(shù)能力。面向?qū)嶋H教學要求各課程在講授軟件開發(fā)方法與技術(shù)時，要結(jié)合實踐調(diào)查數(shù)據(jù)說明企業(yè)對不同方法、技術(shù)的選擇與權(quán)衡情況以及應(yīng)用效果，要突出企業(yè)界的主流方法與技術(shù)，遵循企業(yè)界的行業(yè)標準與規(guī)范，這既能讓學生更深入地理解方法與技術(shù)，又能開拓他們的視野。研討式教學要求各課程針對教學難點和重點，給出啟發(fā)式問題，讓學生自行收集資料，研討解決，這既培養(yǎng)了學生的問題解決能力，又培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力�；�礎(chǔ)課程結(jié)合軟件創(chuàng)新設(shè)計競賽教學鼓勵低年級學生在導師指導下，結(jié)合課程教學內(nèi)容，自由選題，參加軟件創(chuàng)新設(shè)計競賽，鼓勵學生創(chuàng)新。部分高級課程采取實訓實習后回顧教學，通過理論教學考試和實訓實習后再回顧總結(jié)報告綜合評定分數(shù)，促使學生學習理論、實踐體驗、再總結(jié)提高，以提高他們的工程認知能力與創(chuàng)新能力。還有部分高級課程采取校企聯(lián)合設(shè)計課程、聯(lián)合實施教學的校企合作教學。