基于可視化技術(shù)的軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)

束永安

（安徽大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230039）

1 引言

大規(guī)模軟件系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，具有大量的質(zhì)量需求。在此背景下，軟件體系結(jié)構(gòu)及其教學(xué)變得十分重要。但由于軟件體系結(jié)構(gòu)是從較高層次把握和理解復(fù)雜軟件的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，課程內(nèi)容抽象。另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前大都缺乏大規(guī)模軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對課程的重要性認(rèn)識不足，導(dǎo)致學(xué)生沒有學(xué)習(xí)興趣。為提高軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)的質(zhì)量，在教學(xué)過程中能夠引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)方法尤為重要。

3D虛擬世界（VWs：virtual worlds）技術(shù)提供真實(shí)的三維環(huán)境，為用戶提供參與、互動(dòng)及身臨其境的體驗(yàn)，這也為軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)工作創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。這些機(jī)會(huì)既與3D虛擬世界展現(xiàn)的教育活動(dòng)的可靠性有關(guān)，也與3D虛擬世界提供的較高的互操作性有關(guān)。由于3D虛擬世界具有視覺呈現(xiàn)上的娛樂性、直接性，是對真實(shí)世界的仿真，能夠提供在現(xiàn)實(shí)世界中不可能、不劃算甚至是危險(xiǎn)的全新的體驗(yàn)，因此，3D虛擬世界在軟件體系結(jié)構(gòu)教學(xué)中具有獨(dú)特優(yōu)勢。本文利用3D虛擬世界技術(shù)，創(chuàng)建學(xué)生感興趣的軟件體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)環(huán)境SAVS 3D，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 相關(guān)研究

3D設(shè)計(jì)吸引人，整個(gè)設(shè)計(jì)過程充滿趣味［1］。這種視覺上的魅力可用于展示的場合，比如向潛在的客戶解釋軟件設(shè)計(jì)。如果在三維空間把軟件系統(tǒng)作為圖形對象顯示，將有助學(xué)生理解復(fù)雜的軟件系統(tǒng)。以前的研究表明，使用3D進(jìn)行UML可視化非常實(shí)用。Gil和Kent［2］在綜合幾個(gè)熟悉的2D圖形的基礎(chǔ)上，描述了一組3D圖形標(biāo)記。與SAVS 3D類似，Radfelder和Gogolla［3］的工作主要運(yùn)用了靜態(tài)圖。Mcin－tosh等［4］針對UML的可視化方面進(jìn)行研究，并把它作為向觀察者傳遞信息的工具。Lange等［5］提出一種支持面向任務(wù)建模的框架，并開發(fā)視圖及可視化技術(shù)。GEF3D框架［6］建立在Eclipse Graphical Editor Framework基礎(chǔ)上，把已有的Eclipse 2DUML編輯器擴(kuò)展至3D。SAVS 3D方法的主要不同之處在于利用3D環(huán)境為理解復(fù)雜軟件體系結(jié)構(gòu)提供手段。在SAVS 3D中，基本的思想是使3D可視圖像象2D一樣熟悉，給人以直覺感。SAVS 3D方法使用圖表視圖從不同的角度對系統(tǒng)進(jìn)行可視化。

3 SAVS3D方法

目前，SAVS3D為大規(guī)模系統(tǒng)模型提供靜態(tài)視圖，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，不過將來計(jì)劃表示行為。

3.1 基本系統(tǒng)原理

Jacobson等［7］根據(jù)近期學(xué)習(xí)系統(tǒng)模型和近期教育及復(fù)雜系統(tǒng)所取得的成功及面臨的挑戰(zhàn)，描述了創(chuàng)建學(xué)習(xí)環(huán)境和工具的一組常用設(shè)計(jì)原理。SAVS3D系統(tǒng)對這些原理進(jìn)行拓展。

（1）SAVS3D支持學(xué)生參加開發(fā)復(fù)雜項(xiàng)目。市場上發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)通常是大的系統(tǒng)，具有高性能、高可靠性、低成本和高質(zhì)量的需求，但學(xué)生大多沒有處理復(fù)雜系統(tǒng)的經(jīng)歷。SAVS3D增強(qiáng)了很多組學(xué)生同時(shí)對系統(tǒng)建模的功能，支持學(xué)生對團(tuán)隊(duì)協(xié)作的理解，從而促進(jìn)學(xué)生對系統(tǒng)整體的理解。當(dāng)理論出現(xiàn)在具體的實(shí)例中，學(xué)生常常理解得最好。

（2）SAVS3D縮小理論與實(shí)踐的差距。與理論相聯(lián)系，支持理論的實(shí)踐給課堂帶來巨大的活力，吸引學(xué)生更有意義的參與。

（3）SAVS3D支持學(xué)生在消化知識和技巧過程中的活動(dòng)。SAVS3D有助于加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員間的交流，有助于團(tuán)隊(duì)里任務(wù)的組織和劃分。SAVS3D把單個(gè)人的結(jié)果集成為一個(gè)團(tuán)隊(duì)的活動(dòng)，從而協(xié)作完成復(fù)雜任務(wù)。文獻(xiàn)［8］對這些問題作了系統(tǒng)的綜述。

（4）SAVS3D吸引學(xué)生。SAVS3D提供一個(gè)探索的環(huán)境，這個(gè)直覺的環(huán)境既有助于學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)，也會(huì)使他們面臨挑戰(zhàn)，并對他們的交互作出響應(yīng)。

（5）最簡單最好。這個(gè)可視化工具的主要目的是簡單、易于使用和高效。由于軟件體系結(jié)構(gòu)教師和學(xué)生學(xué)習(xí)新的概念的時(shí)間有限，如果需要花費(fèi)很多時(shí)間和精力來熟悉這個(gè)工具，他們也許會(huì)失去使用這個(gè)工具的興趣。

（6）SAVS3D的目標(biāo)3D圖有一個(gè)相似的2D源圖的景象，這樣它就變成一個(gè)經(jīng)過擴(kuò)展使用的熟悉的景象。即使在不同的表示形式下，用戶也能夠輕易地辨認(rèn)出用戶自己的圖。

（7）SAVS3D用視覺增強(qiáng)來區(qū)分探索和交互的額外信息。3.3節(jié)討論使用深度和顏色表示新的視圖。

（8）SAVS3D隱藏屬性、方法、關(guān)聯(lián)名等細(xì)節(jié)以減少視覺污染。對于很大的圖，只在用戶請求的時(shí)候顯示，但顯示清晰。

3.2 系統(tǒng)概述

SAVS3D由三個(gè)主要模塊構(gòu)成：體系結(jié)構(gòu)模塊、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊和虛擬現(xiàn)實(shí)模塊。

作為一門日常課程，教師通過墻上投影等手段展示一個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)圖。在不同的抽象層次，它顯示特性、構(gòu)件、連接件等細(xì)節(jié)，可能使用不同的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格。在使用SAVS3D前，所研究的軟件體系結(jié)構(gòu)必須在一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)編輯器內(nèi)被創(chuàng)建并文檔化。在體系結(jié)構(gòu)模塊，圖必須用一個(gè)外部的UML編輯器建立并輸出到一個(gè)XMI文件中。SAVS3D能夠讀這個(gè)儲存的UML圖。

SAVS3D首先使用3D可視化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用ARToolKit庫［9］，來捕捉和辨識2D投影或打印的軟件體系結(jié)構(gòu)（教師的圖），幫助教師和學(xué)生識別并快速訪問增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊獲取的這個(gè)結(jié)構(gòu)。SAVS3D可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)把一個(gè)圖形模式捕獲進(jìn)學(xué)生的電腦。SAVS3D使用這個(gè)特性識別正在研究的體系結(jié)構(gòu)和這個(gè)體系結(jié)構(gòu)的精確視點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模塊使用戶更好地接近研究的對象，在課堂活動(dòng)中很自然地把它們集成在一起，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)。

在識別了用2D顯示的軟件體系結(jié)構(gòu)后，虛擬現(xiàn)實(shí)模塊據(jù)此自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)等價(jià)的3DUML圖。這個(gè)結(jié)果圖應(yīng)與2D圖等價(jià)，在沒有限制的空間顯示，同時(shí)具有一點(diǎn)深度。

3.3 SAVS3D功能

作為一個(gè)虛擬環(huán)境，SAVS3D支持學(xué)生用鼠標(biāo)進(jìn)行環(huán)境開發(fā)，鼠標(biāo)可以在空間左右上下移動(dòng)，遠(yuǎn)離或靠近平面，并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在圖標(biāo)和色彩的幫助下，學(xué)生能從不同的角度和距離觀看3D體系結(jié)構(gòu)。SAVS3D也必須允許學(xué)生接近觀察，領(lǐng)會(huì)更多上下文信息的存在。這一特性允許從一個(gè)新的角度分析軟件體系結(jié)構(gòu)，這樣就有可能發(fā)現(xiàn)該圖各個(gè)部分間的相似性，理解更復(fù)雜的關(guān)系、不同的技術(shù)和不同的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格。在3D可視化環(huán)境中，數(shù)據(jù)探索的巨大空間促進(jìn)了在不同抽象層次或在不同人設(shè)計(jì)的版本上對圖的理解。

一個(gè)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的形成常常產(chǎn)生大量的文檔以及項(xiàng)目不同風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)者進(jìn)行協(xié)商而形成的初始決策的記錄。這些信息對于軟件架構(gòu)師，特別是對于象學(xué)生這類新手理解體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)建及軟件開發(fā)的整個(gè)過程非常重要。通過使用SAVS3D，可以從2D自動(dòng)產(chǎn)生3D體系結(jié)構(gòu)并與上下文信息一起顯示，包含聲音、影像和視頻形式的多媒體文檔。當(dāng)學(xué)生瀏覽體系結(jié)構(gòu)時(shí)，他們在模型空間移動(dòng)，能夠訪問這些疊加信息。

視點(diǎn)的功能促進(jìn)了學(xué)生在預(yù)定義興趣點(diǎn)上的移動(dòng)。教師或?qū)W生能在體系結(jié)構(gòu)中選擇（定義）一個(gè)位置作為一個(gè)新的視點(diǎn)，用戶能在這些視點(diǎn)之間快速移動(dòng)，即使它們在體系結(jié)構(gòu)中相距很遠(yuǎn)。

SAVS3D提供的另一個(gè)功能是查找代理，即允許通過關(guān)鍵詞或過濾器查找文件。查找結(jié)果可以是鏈接表，也可以是通過顏色或標(biāo)志形成的可視化圖形。這個(gè)子系統(tǒng)允許快速而容易地訪問與所研究的體系結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的各種信息。系統(tǒng)還支持變焦技術(shù)，為特定視圖上的數(shù)據(jù)提供更多的細(xì)節(jié)。

除了允許在所有的圖之間遍歷，SAVS3D還可以定義視圖表示不同形式的可視化，目的是改善課程質(zhì)量，與文獻(xiàn)［10］討論的內(nèi)容保持一致。SAVS3D利用圖的視圖從不同的角度對軟件系統(tǒng)進(jìn)行可視化處理。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)不可能僅從一個(gè)角度達(dá)到全面理解。主要思想是可以通過選擇正確的一組視圖獨(dú)立地聚焦系統(tǒng)的不同方面。這些視圖包括以下內(nèi)容。

一個(gè)類圖視圖（One class diagram View）：要全面理解模型中的一個(gè)類元素，有必要探索這個(gè)體系結(jié)構(gòu)元素在不同圖中的屬性、方法和關(guān)聯(lián)。在這種可視化中，當(dāng)用戶從一個(gè)圖變化到另一個(gè)圖中，選擇的類元素位于屏幕的中央。

包視圖（Package View）：包視圖把體系結(jié)構(gòu)元素匯集在一個(gè)包中。

度量視圖（Metric View）：SAVS3D把已有的UML類圖的設(shè)計(jì)與可視化度量相結(jié)合，使用顏色、體積和形狀對值進(jìn)行可視化。

屬性視圖（Properties View）：用戶把光標(biāo)移到體系結(jié)構(gòu)元素上，它的屬性、方法和關(guān)系名在被請求時(shí)以可讀的大小顯示在一個(gè)窗口中。

作者視圖（Author View）：在遠(yuǎn)處，彩色圖標(biāo)指示體系結(jié)構(gòu)元素的作者。

文檔化視圖（Documentation View）：當(dāng)遍歷體系結(jié)構(gòu)時(shí)，學(xué)生在模型空間移動(dòng)，他們能夠訪問這個(gè)疊加的信息。文檔中圖標(biāo)、色彩或標(biāo)志表示的意義應(yīng)容易理解。當(dāng)用戶選擇閱讀一個(gè)文檔，與此相關(guān)聯(lián)的一個(gè)以上的體系結(jié)構(gòu)元素將被標(biāo)記出來。

注釋視圖（Annotation View）：通過自發(fā)、有時(shí)甚至是游戲場景，學(xué)生能夠探索、創(chuàng)建、特別是能同其他同學(xué)或老師交流以獲得新的信息，通過使用注釋共享發(fā)現(xiàn)、疑問或簡單信息來建立自己的學(xué)習(xí)過程。

練習(xí)視圖（Exercise View）：這個(gè)視圖允許教師和學(xué)生通過練習(xí)進(jìn)行互動(dòng)，提高學(xué)生的理論知識。

4 結(jié)論

本文提出SAVS3D方法。本文主要描述如何利用3D空間的優(yōu)點(diǎn)通過用戶有吸引力的體驗(yàn)來支持理解復(fù)雜系統(tǒng)。

SAVS 3D使用3D可視化技術(shù)，如虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，它是一個(gè)可視化并理解一個(gè)復(fù)雜軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的新穎方法。使用該方法，教師和學(xué)生有很多機(jī)會(huì)去探索一個(gè)3D環(huán)境，該環(huán)境強(qiáng)調(diào)在說教背景下的直覺理解。由于學(xué)生有巨大動(dòng)力去看操作的實(shí)際結(jié)果，SAVS 3D針對實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的需要，橋接理論與實(shí)踐間的差距，同時(shí)重點(diǎn)構(gòu)建集體推理以理解具體的場景。SAVS 3D也注重在圖形接口應(yīng)用和文檔化上的開發(fā)以鼓勵(lì)學(xué)生并產(chǎn)生較優(yōu)的學(xué)習(xí)曲線。

該方法讓用戶探索不同的場景，無需強(qiáng)迫他們遵循指定的路線。這考慮到更多的創(chuàng)造性，由此產(chǎn)生有趣的觀察。在探索過程中，用戶能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，檢查錯(cuò)誤并從錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)。

為使軟件體系結(jié)構(gòu)課程更有趣和鼓勵(lì)人，SAVS3D目標(biāo)是學(xué)生重獲通過愉快的方式掌握知識的體會(huì)。其思想是給課堂注入巨大的活力，導(dǎo)致學(xué)生更有意義的參加。

然而，該工作仍在進(jìn)行中，目前還沒有進(jìn)行評價(jià)。下一步是完成原型的實(shí)現(xiàn)，包括在我們團(tuán)隊(duì)的環(huán)境下與其它研究成果的集成，制定計(jì)劃并進(jìn)行評價(jià)以便在具體的場景中檢查SAVS3D的優(yōu)缺點(diǎn)，如它的效率和吸引力的等級等。

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