基于計算思維的軟件分析與建模課程教學(xué)改革探索

張國有，白尚旺，郭銀章，黨偉超，武 妍

（1.太原科技大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 003024；2.太原科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，山西 太原 003024）

1 背 景

隨著2016年5月《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》的出臺和推進(jìn)，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)為代表的信息技術(shù)面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。可以預(yù)見，未來社會對高級信息人才的需求將越來越大，這對高等院校軟件工程專業(yè)的人才培養(yǎng)帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。如何培養(yǎng)適應(yīng)時代發(fā)展的具有大型復(fù)雜軟件系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計能力的高級信息人才，是高等教育軟件工程專業(yè)亟待解決的一個重要問題。軟件分析與建模課程作為軟件工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，在學(xué)生分析和設(shè)計大型軟件和解決實際工程問題的培養(yǎng)方面具有十分重要的作用。該課程也是高等院校軟件工程專業(yè)一門技術(shù)性、實踐性很強(qiáng)的重要課程。如何提高軟件分析與建模課程的教學(xué)水平，實現(xiàn)軟件分析與建模能力培養(yǎng)的目標(biāo)，便成為教學(xué)改革的關(guān)鍵問題之一。

軟件分析與建模課程的基本任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建復(fù)雜軟件系統(tǒng)的能力，但在實際教學(xué)過程中，存在對課程教學(xué)目標(biāo)認(rèn)識不清、教學(xué)內(nèi)容繁雜、教學(xué)方法和手段單一等問題。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中雖然掌握了大量的軟件分析與建模的概念和知識，但缺乏求解工程實際問題的科學(xué)思維能力和分析設(shè)計能力。當(dāng)前存在的問題主要有以下幾方面。

1）注重理論講授，對能力培養(yǎng)認(rèn)識不足

在傳統(tǒng)的軟件分析與建模課程教學(xué)過程中，教學(xué)內(nèi)容的選取沿用學(xué)科體系的教學(xué)模式，重視理論體系的完整性，學(xué)生的軟件分析和建模能力沒有得到較好的培養(yǎng)，缺乏相應(yīng)的培養(yǎng)過程指導(dǎo)和評價指標(biāo)，無法適應(yīng)新形勢下的高級信息人才需求。

2）教學(xué)內(nèi)容繁雜零散，知識體系有待優(yōu)化和調(diào)整。

在實際教學(xué)中，授課教師往往按照教材的章節(jié)進(jìn)行講授，只重視課程的概念和知識細(xì)節(jié)，容易使學(xué)生誤解軟件分析和建模的作用，學(xué)生無法建立軟件分析與建模的整體概念，因此需要對軟件分析與建模的知識體系進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3）考核方式單一，重考試輕過程。

當(dāng)前對軟件分析與建模課程學(xué)習(xí)的評價主要是期末考試、上課出勤、作業(yè)實驗3部分。從考核形式上看，這是可行的，但在實際操作過程中，教師更加依賴期末考試，而對于作業(yè)實驗等實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，缺少科學(xué)的過程評價，沒有合理的評價指標(biāo)和質(zhì)量監(jiān)控體系，僅僅從是否完成的角度來進(jìn)行評價。

近年來，“計算思維”概念的提出，引發(fā)了廣大科研人員和教育工作者的熱切關(guān)注，如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力成為一個日益關(guān)注的重要課題。為此，在軟件分析和建模課程的本科教學(xué)過程中，根據(jù)計算思維的主要思想和方法，探索以計算思維能力為核心的新教學(xué)模式，從而培養(yǎng)軟件工程專業(yè)的高級信息人才,具有十分重要的意義。

2 計算思維和軟件分析與建模

2006年,周以真（Jeannette M. Wing）教授提出，計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等的一系列思維活動[1]。計算思維在復(fù)雜軟件系統(tǒng)的分析建模中，主要體現(xiàn)為如何選擇合適的方式陳述軟件系統(tǒng)需求，或?qū)ο到y(tǒng)的某一側(cè)面進(jìn)行建模使其易于處理的思維方法。同時，考慮如何采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù)，其實質(zhì)是一種基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法。

計算思維的本質(zhì)在于抽象，即如何將實際問題清晰、抽象地描述出來，并將問題的解決方案表示成一個信息處理的流程[2]。軟件分析與建模，從思維的角度來講，包含軟件對抽象泛化、求精細(xì)化和分析驗證等方面的思維活動。軟件的分析與建模從軟件需求描述開始，經(jīng)過需求分析和軟件建模得到軟件開發(fā)所需要的資料和數(shù)據(jù)，需求分析需要應(yīng)用抽象和泛化等思維工具，提取軟件的主要功能和業(yè)務(wù)流程，并在建模過程中應(yīng)用求精和細(xì)化等思維工具形成圖形文檔，以便直觀地表達(dá)軟件系統(tǒng)的設(shè)計。建模完成后，還需對建立的模型和需求陳述進(jìn)行一致性的分析和驗證。為此，在軟件分析與建模的教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)注重以下幾個方面。

2.1 軟件分析與建模的能力培養(yǎng)側(cè)重于系統(tǒng)能力的培養(yǎng)

針對復(fù)雜軟件系統(tǒng)的分析與建模，計算思維的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)的總體掌控能力，即系統(tǒng)能力。系統(tǒng)能力要求研發(fā)人員能夠在構(gòu)建系統(tǒng)時，系統(tǒng)考慮問題的求解，把“設(shè)計”作為問題求解的基礎(chǔ)，首先考慮問題的數(shù)據(jù)表示和基本處理過程，而不是考慮具體的編程實現(xiàn)。

系統(tǒng)能力可以細(xì)化為認(rèn)知、設(shè)計、開發(fā)和應(yīng)用等方面的能力，軟件的分析與建模能力側(cè)重于認(rèn)知能力和設(shè)計能力。系統(tǒng)認(rèn)知能力主要體現(xiàn)在軟件的需求分析環(huán)節(jié)，包括軟件的系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)行環(huán)境、系統(tǒng)性能、建立需求模型等。系統(tǒng)的設(shè)計能力主要體現(xiàn)在軟件建模環(huán)節(jié)，包括數(shù)據(jù)建模和應(yīng)用程序建模。

2.2 軟件分析與建模的過程是一個遞進(jìn)迭代的過程

軟件分析與建模的過程需采用分層次組織和遞進(jìn)迭代的方法，并貫穿于軟件開發(fā)整個過程。面對功能繁多的復(fù)雜系統(tǒng)，學(xué)生往往對諸多的細(xì)節(jié)深感無序和困惑，這就需要引導(dǎo)學(xué)生采用抽象、約簡、嵌入和轉(zhuǎn)化等方法，從諸多的需求陳述中提取系統(tǒng)基本功能或者核心功能的特征，逐步求精細(xì)化，完善系統(tǒng)的建模，即掌握將一個復(fù)雜問題闡述為一個可求解問題的思維方法。在教學(xué)要求和目標(biāo)的定位中，以計算思維的主要思想和方法為基礎(chǔ)，對軟件分析與建模的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

3 教學(xué)要求、目標(biāo)和內(nèi)容

在《高等學(xué)校軟件工程本科專業(yè)規(guī)范(2010.1)》的“軟件工程教育知識單元”中對該課程所涉及的內(nèi)容（軟件建模與分析MAA）做出規(guī)定，主要有建?；A(chǔ)（MAA.md）、模型分類（MAA.tm）、分析基礎(chǔ)（MAA.af）、需求基礎(chǔ)（MAA.rfd）、需求獲?。∕AA.er）、需求規(guī)約與文檔（MAA.rsd）、需求確認(rèn)（MAA.rv）等7個部分。同時規(guī)定，根據(jù)該課程內(nèi)容的要求，選擇一種先進(jìn)的軟件分析建模平臺（如SAP Sybase Power Designer、Microsoft Office Visio、CA Erwin、IBM Rational等）開展教學(xué)工作。結(jié)合計算思維的特點(diǎn)和學(xué)校的實際情況，該課程的教學(xué)要求、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容修訂如下。

3.1 教學(xué)要求

要求學(xué)生掌握軟件分析與建模的基本理論，能夠正確建立軟件系統(tǒng)的需求模型、數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用程序模型。掌握軟件分析建模的工作過程，采用抽象、約簡、嵌入和轉(zhuǎn)化等方法逐步細(xì)化完善軟件分析與建模，同時采用目前流行的軟件分析與建模工具完成軟件系統(tǒng)的需求建模、業(yè)務(wù)流程建模，并繪制概念數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型和應(yīng)用程序模型（UML模型）。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

軟件分析與建模課程主要培養(yǎng)學(xué)生的軟件需求分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件模型抽象等能力，使學(xué)生能夠根據(jù)計算思維的主要原則和方法，針對用戶需求建立相應(yīng)的模型，設(shè)計出軟件的邏輯結(jié)構(gòu)，采用專業(yè)的需求分析和描述工具完成軟件設(shè)計的工作，進(jìn)而培養(yǎng)求解復(fù)雜科學(xué)問題的計算思維能力和解決工程實際問題的軟件分析與建模能力。

3.3 教學(xué)內(nèi)容

在軟件工程專業(yè)開設(shè)軟件分析與建模，主要講述構(gòu)造軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及程序結(jié)構(gòu)的重要理論和方法，是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用可視化方法建立軟件系統(tǒng)模型的課程，也是從事軟件設(shè)計、開發(fā)的工程技術(shù)人員必須掌握的一門專業(yè)課程。課程選擇Sybase PowerDesigner為實踐平臺，主要開展的教學(xué)內(nèi)容包括需求建模、業(yè)務(wù)建模、數(shù)據(jù)建模和應(yīng)用程序建模。業(yè)務(wù)建模以業(yè)務(wù)流程語言為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)建模以實體聯(lián)系模型理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用程序建模以UML語言為基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)建模包括需求模型、業(yè)務(wù)流程模型和信息流模型；數(shù)據(jù)建模包括概念數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型、維模型、XML模型；應(yīng)用程序建模包括用例圖、對象圖、類圖、組件圖、組合結(jié)構(gòu)圖、部署圖、時序圖、通信圖、活動圖、狀態(tài)圖、包圖等12種圖形。

4 面向計算思維的軟件分析與建模課堂教學(xué)

軟件分析與建模的教學(xué)以計算思維能力培養(yǎng)為中心點(diǎn)著手教學(xué)改革,在課程教學(xué)中高度融合計算思維的思想和方法,使學(xué)習(xí)者掌握計算機(jī)方法論,提升計算思維能力,運(yùn)用計算機(jī)的相關(guān)原理、方法和技術(shù)去求解問題,設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。

4.1 抽象和自動化

抽象是精確表達(dá)問題和建模的方法，也是計算思維的本質(zhì)特征之一。軟件分析與建模的很多概念和方法都體現(xiàn)了抽象的思想，例如數(shù)據(jù)模型中的概念數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型，以需求規(guī)格說明為依據(jù)，從信息的角度抽象表達(dá)了現(xiàn)實世界，形成現(xiàn)實世界與信息世界的映射。在具體知識的講授教學(xué)過程中，將計算思維的思想和方法融入具體知識的講授中，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)和蘊(yùn)含的規(guī)律，是切實可行的，并能有效促進(jìn)學(xué)生計算思維能力的提升。如在案例教學(xué)中，學(xué)生熟知的教務(wù)管理系統(tǒng)，在建立數(shù)據(jù)模型時，應(yīng)從系統(tǒng)提取基本實體（學(xué)生、教師和課程）理解課程編排、學(xué)生成績與這幾個實體之間的依賴關(guān)系。在建立初步的模型之后，逐步審查需求中具體功能要求和處理流程，逐步完善系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。采用這種遞進(jìn)迭代的分析方法，使學(xué)生能夠盡快熟悉軟件分析與建模的一般原理和方法。

軟件分析與建模的結(jié)果通常是以圖形的方式表示，軟件建模的工具（如PowerDesigner）等不僅能圖形化地表示模型，而且能夠建立多種模型之間的聯(lián)系，實現(xiàn)模型的自動轉(zhuǎn)化，并進(jìn)行一致性檢查，這本身體現(xiàn)了計算思維的自動化本質(zhì)。例如，在講述概念數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型等相關(guān)概念時，以現(xiàn)實世界的需求描述出發(fā)，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫的原理和知識，結(jié)合分層次的抽象方法和自動化工具，從而形成多種數(shù)據(jù)模型，既清楚說明數(shù)據(jù)模型的相關(guān)概念，又逐步引導(dǎo)學(xué)生理解、掌握抽象和自動化的計算思維本質(zhì)。

4.2 關(guān)注點(diǎn)分離

關(guān)注點(diǎn)分離作為計算思維的核心思想，是控制和解決復(fù)雜問題的一種思維方法，其實質(zhì)是采用抽象和分離的方法分析復(fù)雜問題[3]。關(guān)注點(diǎn)分離原則在軟件開發(fā)的多個方面都有所體現(xiàn)[4]：將問題領(lǐng)域和實現(xiàn)領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)分離；對軟件開發(fā)時間關(guān)注點(diǎn)的分離；通過系統(tǒng)組件的分離；通過對軟件功能特性與軟件質(zhì)量特性的分離與綜合等。Jacobson提出的基于用例的面向方面軟件開發(fā)方法（AOSD, Aspect-Oriented Software Development）[5],就是一種關(guān)注點(diǎn)分離的方法。

在軟件分析與建模過程中，采用的就是分而治之的思想，體現(xiàn)為過程分離、相互銜接。在分析過程中，采用軟件工程的思想，將軟件功能分解為相對獨(dú)立的子任務(wù)，對子任務(wù)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程建模和UML建模，設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些子任務(wù)相對獨(dú)立而又相互聯(lián)系。在進(jìn)行課堂教學(xué)時，將這些思想和方法貫穿于分析與建模的知識講授中，使學(xué)生逐步理解關(guān)注點(diǎn)分離的思想和方法，從而掌握從不同視圖進(jìn)行分析與建模并綜合反映全貌的方法。

4.3 通過教學(xué)案例，提高學(xué)生計算思維的能力

在課堂講授中，結(jié)合學(xué)生所熟知的案例說明相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，可以使學(xué)生更容易理解和體會所學(xué)內(nèi)容，為此，選擇學(xué)生上機(jī)系統(tǒng)和圖書借閱管理系統(tǒng)進(jìn)行案例說明。在上述案例的分析與建模過程中，結(jié)合計算思維的抽象、自動化、關(guān)注點(diǎn)分離等思想和方法，先總后分的將任務(wù)劃分為相對獨(dú)立的子任務(wù)，從不同的側(cè)面和角度完成系統(tǒng)的分析和建模，最后建立完整的模型。在概念數(shù)據(jù)模型中，關(guān)注于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建模，可從需求中提取所需的實體及其聯(lián)系，包含“用戶”“存款”“操作員”“上下機(jī)”“參數(shù)表”和“上機(jī)標(biāo)準(zhǔn)”等6個實體，這些實體中存儲的信息之間存在一定的聯(lián)系，概念數(shù)據(jù)模型如圖1所示。根據(jù)該系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)模型生成的MS SQL Server 2000的物理數(shù)據(jù)模型如圖2所示。

在業(yè)務(wù)流程分析階段，關(guān)注于業(yè)務(wù)流程的處理過程，如在該系統(tǒng)中，卡注冊是學(xué)生上機(jī)管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)之一，它的業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

通過這些教學(xué)案例，使學(xué)生切實體驗到軟件分析與建模在軟件開發(fā)中的作用，提高了軟件分析與建模的實際應(yīng)用能力，加深了對計算思維的理解。

4.4 形成思維模式，掌握建模的具體方法和步驟

通過對軟件分析與建模知識的學(xué)習(xí)和對實際應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的理解，使學(xué)生逐步掌握和理解分析建模的具體方法和步驟，做到心中有數(shù)、有條不紊?？傮w來講，主要有以下方面：從需求出發(fā)，總體上把握系統(tǒng)的功能，提取所需要管理（處理）的數(shù)據(jù)；建立數(shù)據(jù)模型，提取實體，明確屬性、實體之間的聯(lián)系，逐步細(xì)化添加相關(guān)的約束條件；建立應(yīng)用程序模型。劃分系統(tǒng)的組成、明確處理流程，采用UML建立相應(yīng)的模型；深入理解系統(tǒng)的需求，所設(shè)計的方案是否符合要求，是否有更好的設(shè)計方案，方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

圖 1 學(xué)生上機(jī)管理系統(tǒng)的概念數(shù)據(jù)模型

圖 2 學(xué)生上機(jī)管理系統(tǒng)的物理數(shù)據(jù)模型

圖 3 學(xué)生上機(jī)管理系統(tǒng)的卡注冊業(yè)務(wù)流程

通過上述建模過程的講解和實踐。使學(xué)生做到從整體到局部，遞進(jìn)迭代、有序進(jìn)行軟件的分析建模，從多個維度分析軟件需求，并建立相應(yīng)的模型。

5 面向計算思維的軟件分析與建模課程實踐教學(xué)

計算思維的能力培養(yǎng)，需要針對以上的內(nèi)容進(jìn)行有針對性的強(qiáng)化和訓(xùn)練，從傳統(tǒng)的知識傳授轉(zhuǎn)向面向具體問題，運(yùn)用所學(xué)知識解決實際問題，使學(xué)生掌握解決問題的方法和步驟。

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)包括課后練習(xí)、分組討論和上機(jī)實驗等多種形式，使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識之后不斷地思考和練習(xí)。在課堂講授相關(guān)的知識點(diǎn)和計算思維方法后，布置難度適當(dāng)?shù)牧?xí)題和思考題，學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用計算思維的思想和方法完成；同時適當(dāng)布置較為復(fù)雜的思考題，供學(xué)生討論協(xié)作，分小組討論共同完成；隨后教師進(jìn)行總結(jié)和歸納，促進(jìn)學(xué)生加深理解。

在上機(jī)實驗的設(shè)計中，我們的目標(biāo)不僅僅局限于分析與建模平臺的操作使用，更側(cè)重于分析與建模能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生正確認(rèn)識軟件分析與建模在開發(fā)中的指導(dǎo)作用。使學(xué)生從代碼的實現(xiàn)細(xì)節(jié)中解脫出來，關(guān)注于軟件的模型和體系結(jié)構(gòu)。這一目標(biāo)的實現(xiàn)需要學(xué)生理解并認(rèn)識計算思維的主要原理和方法，使學(xué)生在獨(dú)立面對一個現(xiàn)實具體的應(yīng)用案例時，能夠用抽象、約簡、轉(zhuǎn)化等軟件分析與建模的思想和方法去建立問題的模型，并從不同的側(cè)面建立軟件的模型。教師還要引導(dǎo)學(xué)生從軟件的可擴(kuò)充性、移植性、可維護(hù)性等方面來衡量軟件建模的優(yōu)劣。

上機(jī)實驗內(nèi)容的設(shè)計采用以軟件項目為驅(qū)動，通過案例分析加強(qiáng)對分析與建模內(nèi)容的理解，然后以小組分工完成類型和規(guī)模相似的項目，并說明相應(yīng)的考核要求。將學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識與具體實踐技能有機(jī)結(jié)合，從而鍛煉學(xué)生對計算思維方法的運(yùn)用，探索解決實際問題的過程，有效避免了重考試輕過程的弊端。

6 結(jié) 語

經(jīng)過多年的教學(xué)探索和實踐，太原科技大學(xué)的軟件分析與建模課程教學(xué)取得了一系列的成果：編寫了《軟件分析建模與PowerDesigner實現(xiàn)》等教材，建設(shè)精品網(wǎng)站并榮獲山西省精品課程的稱號等。2014年在教學(xué)方法上引入計算思維導(dǎo)向的教學(xué)方法研究，開展了基于案例教學(xué)的教學(xué)改革，對軟件分析課程體系進(jìn)行改革探索，并取得較好的成效。學(xué)生在需求分析和軟件建模能力、數(shù)據(jù)建模能力、綜合分析問題和解決問題的能力以及團(tuán)隊協(xié)作意識方面都得到了很大的提高。藍(lán)橋杯競賽獲獎的同學(xué)在課程體會中的感言或許是有力的例證：“軟件分析與建模不僅僅是一門課程，更重要的是它是一種解決問題、分析問題的重要方法。采用所學(xué)的方法，能夠使我們在面對復(fù)雜的系統(tǒng)時把握問題的關(guān)鍵和要點(diǎn)，不再是一種茫然無頭緒的狀態(tài)，讓我們獲益匪淺”。筆者接下來將進(jìn)一步探索軟件分析與建模中對計算思維的培養(yǎng)；結(jié)合實際，逐步完善實訓(xùn)選題；在課堂教學(xué)中引入當(dāng)前軟件分析與建模的發(fā)展趨勢等。

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