基于CDIO 軟件的設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)研究

胡志慧

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引言

軟件設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)課程是以軟件設(shè)計(jì)思想為主線，讓學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠全面、深入理解在軟件開發(fā)階段設(shè)計(jì)軟件體系結(jié)構(gòu)的必要性，并能夠運(yùn)用其中的思想分析、解決軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的問題。眾所周知，如果要建造一座摩天大廈，首先必須給出設(shè)計(jì)藍(lán)圖，然后在其指導(dǎo)下一步步地按照工程要求進(jìn)行建造，絕不能隨意施工。與之相似，龐大、復(fù)雜的軟體系統(tǒng)也需要進(jìn)行軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣產(chǎn)生了軟件體系結(jié)構(gòu)理論。好的體系結(jié)構(gòu)是決定軟件系統(tǒng)成敗的重要因素，軟件體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為國內(nèi)外軟件研究的熱點(diǎn)。隨著當(dāng)前軟件系統(tǒng)規(guī)模變得越來越大，軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得更加重要，因而Perry和Wolf認(rèn)為，“未來的時(shí)代將是研究軟件體系結(jié)構(gòu)的時(shí)代！”

1 CDIO理念概述

CDIO是近年來國際高等工程教育的最新成果，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等方面效果顯著。CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以工程項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的整個(gè)生命周期為載體，通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)將整個(gè)課程體系系統(tǒng)地、有機(jī)地結(jié)合起來，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的方式參與到課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)課程學(xué)習(xí)要與項(xiàng)目設(shè)計(jì)相聯(lián)系，以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測評(píng)的標(biāo)準(zhǔn)。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際溝通能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。我國高等工科教育的迫切任務(wù)是盡快培養(yǎng)與國際接軌的中國工程師，然而我國工科的教育實(shí)踐中還存在不少問題，如重理論輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新的培養(yǎng)等問題。借鑒CDIO工程教育理念和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)軟件設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革進(jìn)行探索，革新傳統(tǒng)的教學(xué)思路和教學(xué)模式。

2 課程特點(diǎn)與現(xiàn)狀

我國各高校的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中，已普遍開設(shè)了軟件設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)課程，為軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)師的培養(yǎng)提供條件?！败浖O(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)”課程與其他專業(yè)課之間緊密聯(lián)系，需要的先修課程包括軟件工程、UML建模技術(shù)以及程序設(shè)計(jì)等方面知識(shí)。

目前高等院校在軟件體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，大多主要講授軟件體系結(jié)構(gòu)的基本概念和基本原理，簡單分析軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的具體應(yīng)用。軟件體系結(jié)構(gòu)中的抽象理論容易使學(xué)生感到枯燥乏味，另外作為在校學(xué)生項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)有限，學(xué)生很難在頭腦中將軟件體系結(jié)構(gòu)的抽象理論和實(shí)際聯(lián)系起來，因此較難對(duì)這門課內(nèi)容產(chǎn)生興趣。當(dāng)前，國內(nèi)已經(jīng)有許多學(xué)者編著出版了《軟件體系結(jié)構(gòu)》教材，如張友生（清華大學(xué)出版社）、齊治昌（高等教育出版社）等?？傮w來說，這些教材主要介紹了軟件體系結(jié)構(gòu)的基本原理、方法和實(shí)踐，反映了軟件體系結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的最新研究進(jìn)展。但大多數(shù)教材偏重于理論，實(shí)踐性有待于進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其是對(duì)于軟件工程本科專業(yè)的學(xué)生來說非常必要。

3 自主式開源系統(tǒng)案例教學(xué)

軟件體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容較抽象，對(duì)于缺乏軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來說難以理解，采用案例教學(xué)法可以較好地解決這個(gè)問題。本校在四年級(jí)上學(xué)期開設(shè)軟件體系結(jié)構(gòu)課程，教學(xué)大綱中共安排32學(xué)時(shí)。采用以教師布置相關(guān)案例的自主式學(xué)習(xí)作為引導(dǎo)，學(xué)生在課外通過相互討論、查閱文獻(xiàn)資料等方式完成自主學(xué)習(xí)的過程，這樣可以適當(dāng)解決學(xué)時(shí)有限的問題。另外，由于開源軟件的源代碼是可以自由訪問的，可以引導(dǎo)學(xué)生分析某個(gè)比較成熟的開源軟件的結(jié)構(gòu)，并鼓勵(lì)其閱讀源代碼，研究一些新技術(shù)背景下的軟件體系結(jié)構(gòu)。

教師選擇布置一些成熟的開源軟件系統(tǒng)案例進(jìn)行分析引導(dǎo)，如在大規(guī)模集群上的分布式并行編程框架的云計(jì)算平臺(tái)Hadoop、基于JAVA的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)Eclipse等，這樣可以讓學(xué)習(xí)與新技術(shù)、新思想接軌，了解學(xué)習(xí)最新的軟件發(fā)展前沿知識(shí)，開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣，也可能提供更廣一些的就業(yè)方向。下面以Hadoop為例介紹：

3.1 云計(jì)算及Hadoop簡介

云計(jì)算是一種新型的計(jì)算范型，其核心思想是將大量用網(wǎng)絡(luò)連接的計(jì)算資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)成一個(gè)計(jì)算資源池。它是基于互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)服務(wù)的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯(lián)網(wǎng)來提供動(dòng)態(tài)易擴(kuò)展且經(jīng)常是虛擬化的資源。云計(jì)算是一種方便、低成本的IT服務(wù)能力的實(shí)現(xiàn)方法，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

云計(jì)算的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)密集型的計(jì)算方式，同時(shí)還具有移動(dòng)計(jì)算的特點(diǎn)，即移動(dòng)計(jì)算到數(shù)據(jù)，而不是移動(dòng)數(shù)據(jù)到計(jì)算，因?yàn)镃PU計(jì)算移動(dòng)到數(shù)據(jù)的代價(jià)更小。Hadoop就是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了google云計(jì)算系統(tǒng)的開源系統(tǒng)，包括并行計(jì)算模型Map－Reduce，分布式文件系統(tǒng)HDFS，以及分布式數(shù)據(jù)庫Hbase。同時(shí)Hadoop的 相 關(guān) 項(xiàng) 目 也 很 豐 富 ， 包 括 ZooKeeper，Pig，Chukwa，Hbase，Mahout等，這些項(xiàng)目都使得Hadoop成為一個(gè)很大的家族系統(tǒng)。Hadoop是一個(gè)分布式計(jì)算基礎(chǔ)框架下的相關(guān)子項(xiàng)目的集合。其中，眾所周知的HDFS和Map－Reduce屬于中心成員，其他子項(xiàng)目為它們提供了配套的服務(wù)。

3.2 自主學(xué)習(xí)Hadoop平臺(tái)下的軟件設(shè)計(jì)

通過對(duì)Hadoop框架的講解，演示Hadoop自帶的簡單實(shí)例（如統(tǒng)計(jì)文本文件中單詞個(gè)數(shù)的程序Wordcount），剖析基于Hadoop框架的軟件設(shè)計(jì)過程，使學(xué)生能理解抽象的軟件設(shè)計(jì)理論知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)如何使用在該框架基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)工作感興趣。

學(xué)生分組學(xué)習(xí)討論有利于集思廣益、取長補(bǔ)短。一般將學(xué)生分成人數(shù)為5人左右的小組，并確定一名組長，便于組織交流。首先組內(nèi)討論構(gòu)建Hadoop框架中使用的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、設(shè)計(jì)模式，以及遵循的設(shè)計(jì)原則等軟件設(shè)計(jì)理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過查閱基于Hadoop應(yīng)用的相關(guān)文檔資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，開始完成Hadoop云平臺(tái)的搭建，經(jīng)過組內(nèi)討論，選定一個(gè)規(guī)模合適的相關(guān)實(shí)踐項(xiàng)目，給出其需求規(guī)格說明書，并討論確定該項(xiàng)目需求；然后根據(jù)項(xiàng)目需求，分割各個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)成員分配確定任務(wù)，任務(wù)分配完成后，小組成員間討論，修訂完成軟件設(shè)計(jì)計(jì)劃；最后就是項(xiàng)目的實(shí)施，按照項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)劃書開展完成相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

對(duì)于考核評(píng)價(jià)，按組進(jìn)行項(xiàng)目答辯的形式匯報(bào)自己的設(shè)計(jì)工作完成情況，采取學(xué)生小組之間、小組內(nèi)部互評(píng)，教師在學(xué)生匯報(bào)結(jié)束后作細(xì)致點(diǎn)評(píng)。教師根據(jù)提交的工作計(jì)劃書、設(shè)計(jì)說明文檔、軟件程序和答辯情況以及互評(píng)情況等，綜合給出最終成績?cè)u(píng)定。

4 結(jié)語

隨著信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國已成為信息產(chǎn)業(yè)大國，越來越需要大批的高級(jí)軟件設(shè)計(jì)人才。軟件設(shè)計(jì)與體系結(jié)構(gòu)課程，是當(dāng)前軟件工程專業(yè)學(xué)習(xí)軟件設(shè)計(jì)的重要專業(yè)課程，為適應(yīng)新時(shí)期的教學(xué)要求，本文提出了一種基于CDIO的自主式開源系統(tǒng)案例教學(xué)方法，讓學(xué)生了解軟件發(fā)展的前沿知識(shí)，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生掌握了軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法及案例分析能力，學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)解決實(shí)踐問題的能力。

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