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軟件工程多模式融合教學路徑分析論文
摘要：針對軟件工程課程的特點和軟件人才培養(yǎng)的要求，融合多種先進的教學模式和理念，開展多模式課堂教學策略研究，以Workshop&Teamwork教學法為學生開展學習活動的基礎。實行任務驅(qū)動下的案例項目主線教學，在課堂中引入情境教學方式，并借鑒翻轉課堂的做法提高課內(nèi)學時的效率，文章詳細介紹了教學的總體規(guī)劃、教學過程的實施策略和評價手段，以推動軟件工程教學改革。
關鍵詞：多模式融合；軟件工程；翻轉課堂
1本項教學改革背景
軟件技術和產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展進步，為我國經(jīng)濟注入了強大的推動力量，信息產(chǎn)業(yè)的人才需求量也在逐年擴大。據(jù)有關部門統(tǒng)計，未來五年，我國信息化人才總需求量高達1500—2000萬人，其中“軟件開發(fā)”、“網(wǎng)絡工程”等人才的缺口最為突出[1]。以軟件開發(fā)為例，職位數(shù)排名前五的職位依次是：軟件工程師，高級軟件工程師，網(wǎng)頁設計，互聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)工程師和網(wǎng)絡推廣專員。高校作為社會所需人才的培養(yǎng)基地，承擔著培養(yǎng)大批合格軟件人才的職責，滿足軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場需求。為此，很多高校開設了多門軟件技術方法課程，其中的核心課程包括軟件工程，這門課程訓練學生從工程化的角度認識軟件開發(fā)和維護，通過實踐理解和運用工程化的軟件開發(fā)原理、技術和方法，在軟件課程體系中具有重要地位。軟件工程課程的特點是知識體系龐大，內(nèi)容豐富，同時又與產(chǎn)業(yè)和應用聯(lián)系密切，實踐性很強。目前，大部分高校采用理論講授上機練習的形式開展該課程，課程結構設置傾向于教師講授，未給實踐教學以足夠的重視，學生參與軟件工程項目機會很少[2]。即便是課堂講授，有限的學時也難以展開或深入。大部分學生雖然學習過幾門程序語言和一些軟件專業(yè)課程，但基本上都沒有經(jīng)歷過軟件項目開發(fā)，普遍感到軟件工程籠統(tǒng)抽象，很難真正理解其中的精髓。因此，如何改變軟件工程課程的教學模式教學方法，提高教學水平和質(zhì)量，切實培養(yǎng)學生的工程設計開發(fā)軟件系統(tǒng)的能力，已經(jīng)成為高校軟件專業(yè)教改的重點熱點之一。在多年的教學實踐探索中，我們學習借鑒了多種新型教學方法的優(yōu)點，包括Workshop&Teamwork教學法[3]、任務驅(qū)動的項目案例教學法[4,5]、情境教學法[6]、翻轉課堂法[7]等，展開深入研究，將它們進行融合和合理改進，應用到軟件工程教學中，提出了多模式融合的軟件工程教學策略，結果表明，該教學模式收到了好的效果。
2多模式融合的軟件工程教學策略
2.1多種新型教學方法融合應用
2.1.1Workshop&TeamworkWorkshop直譯為工作坊、創(chuàng)作室、專題研討會或?qū)嶒灠�，是一種由幾個人組成小組(Teamwork)，進行密集討論的集會，運用群體壓力和有效的指導來完成復雜而具有挑戰(zhàn)性的工作[2]。Workshop&Teamwork教學法以教師引領啟發(fā)、學生分組學習和共同探討問題為核心，通過充分的溝通交流實現(xiàn)思維能力、自學能力的培養(yǎng)，對于理解、領悟軟件工程中抽象的理論及框架等概念模型具有一定的應用價值。它偏重于短期強化的專業(yè)訓練，適合軟件工程這樣的短學制理論課程部分，通過充分調(diào)動參與者的積極性，在短期內(nèi)高效率地完成教學任務。
2.1.2任務驅(qū)動的案例項目任務驅(qū)動教學法將以往以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學理念，轉變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務為主的多維互動式的教學理念；將再現(xiàn)式教學轉變?yōu)樘骄渴綄W習，使學生處于積極的學習狀態(tài)[3]。任務驅(qū)動法中的任務可以表現(xiàn)為案例（Case）或項目（Project）的形式。案例通常是能夠突出體現(xiàn)一個或多個知識點、技能點的范例，在例子中設置問題或困難的情境，沒有特定的解決之道，教師扮演設計者和激勵者的角色，鼓勵學生積極參與討論，以求得解決方案。項目往往是綜合性的案例，涉及本課程的大量知識技能點甚至融合了多門課程的知識。學生在老師的指導下獨立處理項目，自我組織信息收集、方案的設計、項目實施、過程管理和最終評價，了解并把握整個過程。
2.1.3情境教學情境教學法的主要理論依據(jù)是情感和認知相互作用和認識的直觀原理，通過在教學過程中引起學生積極的、健康的情感體驗，直接提高學生對學習的積極性，使學習活動成為學生主動進行的、快樂的事情[6]。在教學過程中，教師有目的地引入或創(chuàng)設具有一定情緒色彩的、以形象為主體的生動具體的場景，以引起學生一定的態(tài)度體驗，幫助學生理解學習內(nèi)容，并使學生的心理機能得到發(fā)展。
2.1.4翻轉課堂法翻轉課堂是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。教師不再占用課堂的時間來講授信息，這些信息學生在課后通過觀看課程視頻、電子書、與他人討論、查閱參考資料等自主學習活動來掌握。課堂內(nèi)的寶貴時間，學生能夠更專注于主動的基于項目的學習，共同研究解決面臨的問題，從而獲得更深層次的理解。教師也能有更多的時間與每個學生交流，掌握學生的進度和缺欠，以便更有針對性地對學生指導和輔導[7]。
2.2課程規(guī)劃
軟件工程課程系統(tǒng)地介紹軟件開發(fā)的過程、方法和工具的基本概念及需求分析、軟件設計、編碼風格、軟件測試的工程化方法，涉及計算機科學、數(shù)學、經(jīng)濟學、法學、管理學、心理學等多學科，具有理論深、涉及面廣、實踐性強的特點。針對這些特點，我們設計了以Workshop&Teamwork為基本組織形式，采取翻轉課堂的部分做法，將學習內(nèi)容分解為課外自學部分和課內(nèi)學習部分，課前由學生獨立或以小組為單位進行知識的自我獲取和掌握，課堂上開展任務驅(qū)動下的案例/項目的互動分析討論，經(jīng)常引入模擬工作場景的情境學習，課后學生在教師的指導下進行總結歸納提高，答疑解惑，并開展綜合實驗。在課程開始時即規(guī)定考核方式，最終成績由四部分組成：課前自學+練習占20%，課堂學習占30%，綜合項目（含開展過程和最終答辯）占20%，期末筆試占30%。前三項均為過程性評價，占最終成績的70%，體現(xiàn)了對實踐環(huán)節(jié)和參與度的重視。在過程性評價中采取個人自評（20%）、小組互評（20%）和教師評分（60%），含多個評估項目如學習態(tài)度、參與積極度、任務完成程度、創(chuàng)新性等，能夠較為全面和充分地反映學生的個體能力、合作能力和整體表現(xiàn)情況，激勵和督促學生平時積極學習，避免了以往僅考筆試的臨時沖刺，或者團隊中的平均主義現(xiàn)象，真正達到了學習過程就是學習結果的目的。
2.3小組活動的組織和實施
根據(jù)Workshop&Teamwork教學法中對案例及情境的需要，我們對軟件工程課程教學計劃進行總體規(guī)劃和任務分解。通過收集整理具有代表性軟件工程實例，創(chuàng)建若干對應課程相關章節(jié)內(nèi)容的相應工程教學項目及工作情境，內(nèi)容包括任務的名稱、目的、需要解決的問題、項目需求的背景等相關資料。這些工作資料的收集和準備，是實現(xiàn)小組學習的關鍵。課堂任務的設計與選取強調(diào)以下幾點：任務的相對獨立性和開放性；任務是某項知識的學習和應用；將各子任務的完成貫穿到教學的各個階段；每個具體任務既要覆蓋一定范圍的相關知識的運用，題目又不應過大，應相對獨立，便于項目學習的實施。將學生分成小組，每個團隊5-7人，選出一名團隊負責人，教學活動將以小組形式，在負責人的主持下，在課內(nèi)外展開和完成。每名學生在團隊中有明確分工，不再是一個旁觀者，而是分別擔任客戶、項目經(jīng)理、系統(tǒng)分析員、程序員、測試員和評審人員角色等不同角色，完成特定任務，在不同的任務中，實行角色輪換，保證每個成員對所有角色有所體驗。小組學習的基本流程是：呈現(xiàn)任務→分析任務→完成任務→總結評價，四個步驟所包含的具體環(huán)節(jié)如下：呈現(xiàn)任務：創(chuàng)設情節(jié)、引起注意、提出任務；分析任務：針對問題、明確思路、提示重點；完成任務：自主探索、領會意圖、解決任務；總結評價：檢查結果、發(fā)現(xiàn)不足、總結經(jīng)驗。在課堂上，教師提出一個待解決的案例問題，每個團隊獨立提出問題解決方案，各團隊對多種解決途徑進行討論，改進不足。在課外，每個團隊自由選擇或由教師給出一個要開發(fā)的實際項目作為案例。團隊成員分別扮演各種角色分工，討論問題解決方案。以案例為核心，圍繞需解決的問題展開討論及工作。小組中的每個人都應當暢所欲言，充分交流，團隊負責人負責活動的開展，人員的組織和激勵，要求每個成員認真努力，主動參與，及時糾正和避免“南郭先生”現(xiàn)象。教師對學員的實際表現(xiàn)進行考察、點評以便有針對性地提供咨詢意見。
2.4案例項目的開展
近年來，軟件工程學科發(fā)生了巨大變化，從傳統(tǒng)的結構化技術到面向?qū)ο蠹夹g，繼而發(fā)展到基于構件和面向服務的技術；出現(xiàn)了平臺網(wǎng)絡化、方法對象化、系統(tǒng)構件化、開發(fā)工程化、過程規(guī)范化、生產(chǎn)規(guī)�；膽B(tài)勢；軟件開發(fā)過程、工具和方法等方面有了重要的發(fā)展。為了及時反映技術和理論的進展，在案例和項目的來源方面，我們改變了以往主要由教師設計的做法，通過學院與廣州、深圳、佛山等多家技術企業(yè)和技術機構的校企合作機制，從企業(yè)引入了大量的實際產(chǎn)品和項目，根據(jù)課程內(nèi)容和進度，分解和改變成多個小案例和小、中、大型實訓項目。為順應移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展潮流，我們精選了移動互聯(lián)網(wǎng)和游戲開發(fā)技術中的軟件工程實踐案例，在課程中介紹這些項目的設計和開發(fā)經(jīng)驗，鼓勵學生探索；精準醫(yī)療是目前醫(yī)療發(fā)展的新方向，精準軟件的設計和開發(fā)與云計算、大數(shù)據(jù)分析等新興技術密切相關，我們就把紛繁的資源整理成較為系統(tǒng)的格式，提供給學生課外學習，從而使得課程內(nèi)容緊緊貼合蓬勃發(fā)展的醫(yī)療應用實際。這些做法不僅解決了案例項目來源單一、數(shù)量不足的問題，而且避免了閉門造車，使得學生能夠接觸到一手的軟件產(chǎn)品的分析、設計中的問題，具有很強的實用價值和崗位情境價值，激發(fā)了學生的探索欲和表現(xiàn)欲。軟件工程中的案例為小例子，較容易為學生接受和理解，能夠在15分鐘左右的時段內(nèi)獲得結果，不僅在流程上相對完整，而且在課時上便于掌控。項目則更加復雜，綜合性更強，往往在學習完軟件工程的一個獨立階段之后提出，檢驗學生綜合運用原理和方法的能力，涉及的時間段也比較長，教師在課堂出提出項目要求，學生開展分析，獲得初步的需求規(guī)格說明，而項目的設計、分工實現(xiàn)和測試、維護等主要放在課外展開，以獲得充分的時間保證。在課程結束時，學生課內(nèi)外產(chǎn)生的設計和分析成果就構成一個完整的項目工程，利于總結、比較和提高。隨著軟件工程的案例項目數(shù)量不斷增加，內(nèi)容不斷豐富，為了便于管理、檢索和更新，目前已經(jīng)建立了教學案例項目庫，包括課堂案例50多個，各類實踐項目30多個，使得課堂內(nèi)容和訓練內(nèi)容得到大大充實，訓練素材和學習過程的質(zhì)量也明顯提高。
2.5真實情境的教學運用
在軟件工程課堂上，我們組織學生以小組（Teamwork）形式討論案例和項目中的疑難，提出案例和項目的解決之道并加以迭代修正，獲得最終解決方案，組織軟件開發(fā)和實施過程，就是對軟件工程崗位的情境模擬，在其中引入了討論情境、辯論情境、商議情境、多種媒體表現(xiàn)情境等，給學生以耳目一新的感受，活躍的課堂氣氛，競爭與合作并存，使得學生全力投入，有效地促進學生思維的活動。例如，在開展學校醫(yī)藥費管理系統(tǒng)項目的需求分析時，教師提出問題：哪些干系人參與該項目的需求獲取？學生小組經(jīng)過討論，給出了各自的結果。大多數(shù)小組認為，編程人員應當作為干系人參加需求分析活動，只有編寫程序的人才知道某些功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。而實際情況則是，技術團隊在前面的可行性分析中就已經(jīng)證實了技術可行性，不必重復可行性分析。經(jīng)過比較討論，同學們強化了需求分析重要性的意識。又如，在軟件測試環(huán)節(jié)，很多學生認為單元測試是編程者個人的事情，無需其他技術人員測試。為了驗證同學們的想法，我們設置了如下情境：編寫一個方法A，輸入任意日期，輸出該日期所對應的星期幾，然后分別由編寫團隊和其他團隊來測試代碼有無bug；在學生已經(jīng)完成的學校醫(yī)藥費管理系統(tǒng)1.0版本中隨機選出了幾個模塊（編號為B1-B4），分別由編寫團隊和其他團隊來進行測試。經(jīng)過20分鐘的測試，所獲得結果如下表。雖然以上只是小樣本實驗結果，但學生已經(jīng)在情境學習中深刻認識到了單元測試中其他技術人員介入的必要性，同時還驗證了一個測試原理：檢出錯誤的代碼段比其他代碼段更容易發(fā)現(xiàn)新的錯誤。學生對相關內(nèi)容有了更深的領悟。
2.6翻轉課堂向課外延伸
軟件工程教學要想充分利用課內(nèi)時間，使得學生在有限的學時中消化案例，理解項目，很有必要借用翻轉課堂的課前自學普及型知識、課上討論關鍵性要點、課后自我訓練升華提高的策略。
2.6.1課前布置任務：教師鋪路學生自學要實現(xiàn)學生的課前自學，前提是教師充分重視課前準備工作。教師首先根據(jù)課程總體教學目標劃分一系列的單元子目標，再根據(jù)子目標細化成具體任務。具體任務要適應學習者的水平，符合其課外自主學習的特點，任務難度適中，學生能夠獨立完成，或以小組形式自學完成。教師根據(jù)細化的任務和學習者的實際情況，制作相應的學習資料，以滿足學習者的基礎知識儲備。例如，在總體設計環(huán)節(jié)，我們將學習內(nèi)容分解為5個小單元，包括軟件總體設計的概念和目標、軟件體系結構與風格、總體設計的原則、總體設計的方法和工具、總體設計的應用，每個小單元里包括PPT、案例、思考題、閱讀鏈接。學生在完成了這5個小單元的自學后，初步掌握了總體設計的基原理方法，未能解決的疑問將作為上課時集中討論的主題。
2.6.2課堂教學活動：解決疑難重點問題教師在課堂上組織學生進行任務完成情況的匯報、測評以及后續(xù)任務的布置等教學活動。通過組內(nèi)交流和組間答疑，盡量使更多的問題由學生自行解決。例如，在總體設計學習中，A小組提出，設計軟件時沒有必要先確定體系結構風格，應當順其自然。B小組發(fā)表了反對的意見，認為很多項目開發(fā)符合特定類型，事先設計好體系風格，有助于采用成熟的方案進行設計，少走彎路。通過討論大家認識到：復雜系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠓绞皆O計比傳統(tǒng)結構能夠更準備地表示數(shù)據(jù)之間的關系，提高重用性和可維護性；過濾器類型的軟件不必考慮交互性，可以采用管道風格設計；如果業(yè)務處理以數(shù)據(jù)為中心，則可以采用倉庫體系結構，等等。教師對學生課堂表現(xiàn)進行考評，綜合前期任務的實施情況，制定后續(xù)任務。
2.6.3課后自我訓練：鞏固歸納升華提高教師根據(jù)本堂課的學習目標和知識要點，設計課后小練習，交給學生個人獨立完成，設計課后綜合性練習，交給學生以小組形式獨立完成。學生可以將自己的練習結果和思路發(fā)布到網(wǎng)絡群組中共享，分享經(jīng)驗，共享發(fā)現(xiàn)的新工具、新技術，互相幫助攻克困難。需要教師及時關注跟進，了解學生的練習情況，并及時進行輔導、提示和解答，從而保證學生在課后能夠及時進行鞏固練習，復習歸納。另一方面，學生中涌現(xiàn)的新點子、新材料，產(chǎn)出的優(yōu)秀作品，教師可以及時收入素材庫，作為今后教學的輔助材料。
3結語
近幾年來，我們不斷摸索嘗試以小組為單位的任務驅(qū)動下的案例/項目教學新模式，在合適的環(huán)節(jié)開展情境教學，吸收翻轉課堂的優(yōu)點做法，以實際案例和項目為主題，以實現(xiàn)任務為模塊學習目標，學生課外自學、開展小組活動、探索解決問題的方案、團隊合作與競爭等，完全改變了傳統(tǒng)的以教師為主體的講授方式，使抽象的概念和工程原理經(jīng)過學生的主動學習和實踐而變得實際起來，取得了很好的教學效果，主要表現(xiàn)在：充分調(diào)動了學生的主動性和積極性，課程由原來干癟無味變得鮮活生動，學生們戲稱“軟工課堂熱，發(fā)言搶答忙”，學習觀念得以改變，學生的自學能力、查閱文獻的能力、分析軟件系統(tǒng)和設計系統(tǒng)的能力、編程和測試的實戰(zhàn)能力都得到了較大提高。學生通過大量案例和項目的實踐學習，感受到了軟件工程課程的指導意義和實用價值，提高了運用軟件工程先進思想和方法設計開發(fā)軟件項目的信心和愿望。對于教師來說，開發(fā)具有新技術、新思想的教學案例，才可能教好學生，因此，新的教學模式既給予了教師適度的壓力，又提高了教師學習運用軟件工程思想方法和技術的動力。運用新教學模式時我們也看到了存在的一些問題：隨著軟件工程技術和思想的發(fā)展，學習內(nèi)容越來越龐大，如何在保留經(jīng)典和引入新潮之間做好平衡，如何有效地過濾相對過時的內(nèi)容，尚未有一個明確的原則和解決思路；軟件類部分課程具有一定的重疊性，相關的課程是否可以合并，減少重復環(huán)節(jié)？我們將不斷學習，不斷實踐，改進和完善軟件工程教學模式，切實培養(yǎng)學生的思考能力、動手能力，為社會培養(yǎng)更多合格的軟件工程人才。
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