軟件工程思想在計算機專業(yè)畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

冶紅　蔣波

摘要：針對當前計算機專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計中普遍存在的問題，提出用軟件工程思想指導畢業(yè)設(shè)計的方案。探討如何通過建立軟件生存周期和畢業(yè)設(shè)計各階段的映射關(guān)系，規(guī)范畢業(yè)設(shè)計過程，提高教學質(zhì)量，為社會培養(yǎng)合格軟件人才。

關(guān)鍵詞：畢業(yè)設(shè)計；軟件工程；軟件生存周期；軟件過程；教學質(zhì)量

1、軟件工程概念

軟件工程是指導計算機軟件開發(fā)和維護的工程學科，它將工程學的概念、原理、技術(shù)和方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)和維護，結(jié)合了軟件開發(fā)技術(shù)和工程管理的成功經(jīng)驗。

軟件工程包括方法、工具和過程3個要素。軟件有一個從孕育、誕生、成長、成熟到衰亡的過程，即軟件的生存周期。通過生存周期模型直觀地表達軟件開發(fā)的全過程，明確要完成的主要活動、任務(wù)和開發(fā)策略，是軟件工程思想的具體化。根據(jù)這一思想，將軟件生存周期劃分為軟件定義、開發(fā)和運行維護3個階段，軟件定義階段包括問題定義、可行性研究和需求分析，軟件開發(fā)階段的任務(wù)包括總體設(shè)計、詳細設(shè)計、實現(xiàn)和測試。

2、畢業(yè)設(shè)計制作

畢業(yè)設(shè)計是以學生為主體，在專業(yè)教師或工程技術(shù)人員的指導下，圍繞特定的選題進行的有計劃、有步驟的學習和開發(fā)過程，是培養(yǎng)人才的重要途徑。

2.1 畢業(yè)設(shè)計的目的

畢業(yè)設(shè)計不同于一般的課程設(shè)計，系統(tǒng)性和綜合性較強，需要多方面的知識作支撐，注重實際操作。通過畢業(yè)設(shè)計，使學生在以下方面得以鍛煉和提高：①綜合運用所學知識，分析、解決實際問題的能力；②自主獲取新知識、獨立發(fā)現(xiàn)問題的能力；③計算機系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的能力；④創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作能力；⑤文獻檢索、資料查詢以及論文寫作能力。

2.2 畢設(shè)現(xiàn)狀及存在問題

近年來，計算機專業(yè)畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量出現(xiàn)滑坡。一方面是由于學生對待畢業(yè)設(shè)計態(tài)度不夠認真，投入的精力有限；另一方面，也是更主要的原因，相當一部分學生沒有按照軟件工程思想進行相應(yīng)的軟件開發(fā)，違反了軟件工程的基本原則，導致畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量較低。

目前，畢業(yè)設(shè)計中存在的問題主要表現(xiàn)在以下方面：

1）選題不當，不重視可行性研究。

選題脫離實際，不能與社會應(yīng)用接軌或缺乏創(chuàng)新。很多學生無法參與到實際科研項目中，只能選擇一些虛擬題目，為了作設(shè)計而設(shè)計，完成的系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯簡單，其結(jié)果沒有實用價值。存在不同指導教師的學生做同一題目的現(xiàn)象，內(nèi)容雷同，很多是對現(xiàn)有的成果稍加修改和變換，缺乏創(chuàng)新。

2）不重視軟件的需求分析。

需求分析階段調(diào)研不充分，沒有全面、準確地獲取用戶的需求，忽視了軟件需求的不穩(wěn)定性，沒有做到需求跟蹤；或者只關(guān)注軟件的功能性需求，忽視了性能需求，導致最終軟件的可用性差；有一些學生直接略過需求分析而進入軟件設(shè)計階段。整個軟件過程處于“設(shè)計-分析-修改-設(shè)計”這樣一個混亂的狀態(tài)。

3）不重視設(shè)計過程和軟件測試。

沒有事先對軟件進行總體規(guī)劃，目標不明確，想起來哪部分就做哪部分，甚至有些部分做了一半就又開始另外一個階段的工作，忽視軟件設(shè)計的基本原則。整個設(shè)計過程呈無序狀態(tài)，導致軟件結(jié)構(gòu)混亂、功能代碼重復(fù)、可集成性差，待到發(fā)現(xiàn)問題已為時過晚，稍作改動系統(tǒng)就會崩潰。忽視軟件測試的現(xiàn)象也非常普遍。有的只針對模塊做單元測試，認為模塊內(nèi)部的可靠性達到了一定程度，集成后也必然穩(wěn)定可靠。有的隨機地選取少數(shù)測試用例，發(fā)現(xiàn)程序運行結(jié)果與預(yù)期結(jié)果吻合后，便覺得大功告成了。

4）不重視軟件文檔的編制和畢業(yè)論文的撰寫。

很多開發(fā)人員認為編寫軟件文檔是在浪費時間，他們更愿意將精力花費在如何調(diào)通一個程序上。在畢業(yè)設(shè)計的特定環(huán)境下，一些虛擬性的項目無需進行后期維護，輕視文檔的現(xiàn)象尤為嚴重。畢業(yè)設(shè)計的同時還應(yīng)在導師的指導下撰寫畢業(yè)論文，可很多學生直至畢設(shè)最后階段才開始撰寫論文，投入的時間和精力不足，文章質(zhì)量低下且抄襲現(xiàn)象嚴重。

3、用軟件工程思想指導計算機專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計

為了提高畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，培養(yǎng)出適應(yīng)社會需求的軟件人才，將軟件工程思想引入畢業(yè)設(shè)計，用軟件工程方法指導和規(guī)范畢業(yè)設(shè)計過程，是十分必要和迫切的[5]。

將畢業(yè)設(shè)計視為一個大型項目，整個畢業(yè)設(shè)計過程就是一個完整的軟件生存周期。以軟件工程思想為線索驅(qū)動畢業(yè)設(shè)計進展，遵守軟件過程的基本原則，引導學生分階段地完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，并按要求提交可運行的軟件產(chǎn)品和完整規(guī)范的文檔。軟件生存周期和畢業(yè)設(shè)計各階段的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

3.1 以可行性研究為指導，嚴把選題關(guān)

可行性研究不是解決問題，而是確定問題是否值得去解，是否有可行的解決辦法。畢業(yè)設(shè)計的選題應(yīng)有益于學生綜合運用多學科的知識與技能，有一定的理論和現(xiàn)實意義，難易適度，大小適中。

為了更好地進行可行性分析，我們對選題方式進行了改革。選題時，指導教師不給出具體的題目，只給出研究方向和計劃指導的學生人數(shù)，讓學生自行確定題目，給學生更多的自主權(quán)，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。由指導教師引導學生從經(jīng)濟、技術(shù)、法律等方面對選題進行綜合評價，分析選題有無違反國家相關(guān)法律和社會道德規(guī)范，現(xiàn)有的技術(shù)手段和工具能否提供必要的支持，最終得到的收益是否大于投入的成本，能否帶來一定的經(jīng)濟效益。為了提高選題的可行性，題目的形式和內(nèi)容也要力爭創(chuàng)新。在校外作畢業(yè)設(shè)計的學生，建議選擇與實習內(nèi)容相關(guān)的課題，立足于工程實際。在校內(nèi)做畢業(yè)設(shè)計的學生，鼓勵其參加科研團隊、科技競賽和各類創(chuàng)新實驗項目等，開放校內(nèi)實驗室，為學生提供創(chuàng)新平臺。經(jīng)過可行性分析，明確選題的意義和范圍，以便更好地制定畢業(yè)設(shè)計階段的工作計劃。

3.2 以需求分析為基礎(chǔ)，明確系統(tǒng)目標和任務(wù)

畢業(yè)設(shè)計選題完成以后，應(yīng)以需求分析的思想為指導，對選題需承擔的工作及實現(xiàn)目標進一步闡述和分析，收集和整理資料，明確用戶要求。確定待開發(fā)軟件的功能需求、性能需求和運行環(huán)境約束，運用科學的研究方法對軟件需求建模，在建模過程中了解系統(tǒng)。有時還要對復(fù)雜系統(tǒng)的接口、人機界面等進行模擬或構(gòu)造原型。目前在畢業(yè)設(shè)計中廣泛使用的有傳統(tǒng)方法學和面向?qū)ο蠓椒▽W，通過抽象和概括，導出用圖形方法表示的、經(jīng)用戶確認的目標系統(tǒng)邏輯模型，用這些模型來描述和設(shè)計系統(tǒng)。模型既是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，也是編寫軟件規(guī)格說明的基礎(chǔ)。軟件需求規(guī)格說明是用戶與開發(fā)人員對軟件需求取得共同理解的基礎(chǔ)上達成的協(xié)議，是軟件項目成敗的關(guān)鍵。endprint

3.3 以軟件設(shè)計為指導進行實踐，規(guī)范畢業(yè)設(shè)計過程

軟件設(shè)計決定軟件系統(tǒng)“怎么做”，在軟件工程過程中處于技術(shù)核心地位，是后續(xù)開發(fā)和維護的基礎(chǔ)。軟件設(shè)計主要集中于軟件體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、用戶界面和實現(xiàn)算法等方面，同樣需要文檔化，撰寫相應(yīng)的設(shè)計說明書并組織評審。傳統(tǒng)方法學把軟件設(shè)計劃分成總體設(shè)計和詳細設(shè)計2個階段?？傮w設(shè)計概括提出解決問題的辦法，建立軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和模塊間的關(guān)系，設(shè)計全局數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，規(guī)定設(shè)計約束，制定集成測試計劃。詳細設(shè)計階段將解法具體化，設(shè)計模塊內(nèi)部細節(jié)，擬定單元測試計劃。類似地，面向?qū)ο蠓椒▽W將軟件設(shè)計分為系統(tǒng)設(shè)計和對象設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計確定實現(xiàn)策略和系統(tǒng)的高層結(jié)構(gòu)，對象設(shè)計確定解空間中的類、關(guān)聯(lián)、接口形式和實現(xiàn)服務(wù)的算法。

在畢業(yè)設(shè)計過程中，應(yīng)嚴格遵守軟件工程學原則，規(guī)范設(shè)計過程。對于大型軟件系統(tǒng)，首先對軟件需求進行分解，將其劃分為若干個子系統(tǒng)，為每個子系統(tǒng)定義功能模塊，給出各子系統(tǒng)接口的定義，再以增量方式集成到軟件系統(tǒng)中，增量開發(fā)法如圖2所示。軟件系統(tǒng)應(yīng)具有良好且穩(wěn)定的總體結(jié)構(gòu)，模塊內(nèi)部保持高內(nèi)聚，模塊之間保持松散的耦合。模塊劃分時，一個模塊的直接下屬模塊不宜太多。設(shè)計當前模塊時，把該模塊的所有下層模塊看作“黑盒”，一個模塊的全部直接下屬模塊設(shè)計完成后，再轉(zhuǎn)向另一個模塊的下層模塊設(shè)計。

3.4 重視測試，保證畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量

軟件測試的目的是以最少的時間和人力，系統(tǒng)地找出軟件中潛在的各種錯誤和缺陷。當把詳細設(shè)計結(jié)果翻譯為源代碼后，應(yīng)及早開始測試。建議先考慮靜態(tài)測試，采用人工檢測和計算機輔助靜態(tài)分析方法，仔細地審查軟件設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)和源代碼，接下來再通過運行程序進行動態(tài)測試。

從過程的觀點考慮，畢業(yè)設(shè)計期間一般經(jīng)過單元測試、集成測試和確認測試。單元測試發(fā)現(xiàn)模塊控制結(jié)構(gòu)、算法處理和編碼中的錯誤，以白盒測試為主。集成測試主要檢查與設(shè)計相關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)的問題，以黑盒測試為主。確認測試主要檢查軟件是否滿足需求規(guī)格說明中確定的功能、性能等需求，使用黑盒測試技術(shù)。測試時，需要為被測程序精心設(shè)計測試用例，選取系統(tǒng)需求所需的測試數(shù)據(jù)、設(shè)計文檔所需的測試數(shù)據(jù)、程序代碼所需的測試數(shù)據(jù)、邊界數(shù)據(jù)和一些隨機數(shù)據(jù)，同時考慮合理輸入和不合理輸入。測試時注意錯誤的群集現(xiàn)象，重點測試發(fā)現(xiàn)錯誤多的模塊，并盡可能使用一些自動測試的軟件工具。如果測試沒能發(fā)現(xiàn)錯誤，應(yīng)考慮重新制定測試方案并設(shè)計測試用例。測試后，分析比較實測結(jié)果和預(yù)期結(jié)果，出現(xiàn)的錯誤要調(diào)試，同時修改相應(yīng)的文檔。修改后的程序要再次測試，直至滿意為止。

3.5 重視文檔寫作，提升畢業(yè)設(shè)計論文的質(zhì)量

很多學生認為畢業(yè)設(shè)計就是編寫代碼，這種理解是錯誤的。軟件文檔是軟件開發(fā)規(guī)范的體現(xiàn)和指南，按要求生成一整套文檔的過程，就是按照開發(fā)規(guī)范完成軟件開發(fā)的過程。軟件文檔是軟件生存周期各階段的設(shè)計思想和研究成果的體現(xiàn)，是軟件產(chǎn)品的一部分，是后續(xù)維護的基礎(chǔ)。畢業(yè)論文是畢業(yè)設(shè)計工作的總結(jié)和提高，讓讀者對課題的設(shè)計原理、解決方法及關(guān)鍵技術(shù)等有一個全面的了解。論文寫作首先是確定選題，查閱相關(guān)資料后撰寫開題報告，進行項目設(shè)計，完成論文初稿，最后修改定稿。在畢業(yè)設(shè)計過程中，指導學生分階段地撰寫規(guī)范的軟件文檔，一方面可以科學地計劃、組織軟件開發(fā)過程，另一方面可以從中提取精華部分放在畢業(yè)設(shè)計論文相關(guān)章節(jié)中。軟件文檔與畢業(yè)設(shè)計論文各章節(jié)的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

4、結(jié)語

以軟件工程思想為指導規(guī)范學生進行軟件開發(fā)活動，在以往的畢業(yè)設(shè)計中取得了良好的效果，不僅保障了畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，更提高了學生解決實際問題的能力、溝通協(xié)作能力，以及書寫和表達能力，積累了一定的項目開發(fā)經(jīng)驗。軟件工程教學與畢業(yè)設(shè)計實踐相互促進、相輔相成。一方面，以軟件工程推進畢業(yè)設(shè)計進程，加強畢業(yè)設(shè)計各環(huán)節(jié)的指導；另一方面，可以畢業(yè)設(shè)計為任務(wù)驅(qū)動軟件工程教學，‘將畢業(yè)設(shè)計作為項目引入到今后的軟件工程課堂教學中，讓學生盡早參與實際軟件項目中，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新精神。endprint