基于CDIO理念的面向對象分析與設計課程教學改革探索

畢忠勤，周 平

（上海電力學院 計算機科學與技術學院，上海 200090）

1 背 景

隨著面向對象編程語言在編程領域統(tǒng)領性地位的樹立，面向對象方法與技術已經(jīng)成為現(xiàn)代軟件企業(yè)廣為采用的一項有效技術手段。該方面首先在編程領域取得巨大成功，進而在軟件生存周期的分析與設計階段也取得了長足的發(fā)展。20世紀90年代出現(xiàn)的統(tǒng)一建模語言（UML，unified modeling language）進一步使面向對象分析與設計方法在現(xiàn)代軟件企業(yè)成為主流的方法，即便是最新的SOA、云計算等新興概念也是建立在面向對象方法基礎之上。

面向對象分析與設計課程作為軟件工程專業(yè)的一門核心課程，其主要思想是利用面向對象的概念，結合統(tǒng)一建模語言，采用統(tǒng)一軟件開發(fā)過程（RUP，rational unified process）指導對軟件系統(tǒng)的分析和設計過程，是現(xiàn)代軟件工程人才必須掌握的基礎知識和必備能力。課程的教學大綱不僅要求學生熟練掌握UML的基本概念和基本表示方法，還要求學生熟練利用UML進行系統(tǒng)的分析與設計。雖然系統(tǒng)的分析與設計僅僅是軟件開發(fā)中的一個具體的環(huán)節(jié)，但在授課過程中必須涉及軟件開發(fā)的整個流程，這樣才能讓學生較系統(tǒng)地掌握面向對象方法的精髓，體會面向對象方法的優(yōu)勢，從而更好地利用UML進行系統(tǒng)建模。CDIO作為近年來國際工程教育改革的最新成果，系統(tǒng)地提出了12條具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實施以及檢驗測評的標準。CDIO的培養(yǎng)理念符合面向對象分析與設計課程培養(yǎng)學生系統(tǒng)工程能力、項目的構思、設計開發(fā)和實施能力的特點。

2 CDIO概述

CDIO是麻省理工學院、瑞典皇家工學院等4所大學經(jīng)過4年的探索研究而形成的工程教育理念。CDIO代表構思（conceive）、設計（design）、實現(xiàn)（implement）和運作（operate），以產品研發(fā)到產品運行的生命周期為載體，鼓勵學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式開展學習。CDIO將畢業(yè)生的工程能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力4個層面。CDIO工程教育理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，還系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實施以及檢驗測評的12條標準。這些標準對整個模式的實施和檢驗進行了全面的、系統(tǒng)的指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學生和教師都具有重要指導意義。

隨著我國高等工科教育與國際的接軌，國內專家也較系統(tǒng)地對CDIO工程教育理念開展了深入的研究并加以實施，取得了一定的成效。汕頭大學工學院在執(zhí)行校長顧佩華教授的指導下，結合我國在職業(yè)化和職業(yè)道德方面教育缺失的狀況，提出了全新的EIP-CDIO培養(yǎng)模式[1-2]，EIP（ethics、integrity、professionalism）是指道德、誠信和職業(yè)化。EIP-CDIO以培養(yǎng)高級工程專業(yè)人才為目標，強調做人與做事相結合，做人通過做事體現(xiàn)，做事通過做人保證，并在培養(yǎng)過程中注重人文精神的熏陶，從而培養(yǎng)出的工程師具備優(yōu)秀的職業(yè)道德、正值、富有責任感。同時，在教育部的統(tǒng)一領導和指導下，電氣類、化工類、機械類、土木類等專業(yè)組對CDIO開展了深入的理論研究并提出了適合專業(yè)特點的CDIO模式[3]，在專業(yè)層面上，制定了貫徹CDIO工程教育理念的培養(yǎng)方案和課程大綱，在課程層面上，借助CDIO的工程教育理念加強了對課程體系、課程內容、教學方法等方面的改革[4-5]，完善對學生能力評估和改革質量評估體制。

面向對象分析與設計課程的特性是“工程性”，因此，在教學過程中，在注重理論教學的同時，必須把實踐教學放在首要位置。實踐教學效果如何直接關系到畢業(yè)生的培養(yǎng)質量和效果。本課程團隊成員結合CDIO工程教育理念，建立了理論與實踐相結合、跨課程的立體化課程內容體系，為培養(yǎng)學生系統(tǒng)工程能力奠定了堅實的基礎。

3 CDIO驅動的面向對象分析與設計教學改革

3.1 課程定位

面向對象分析與設計課程作為軟件工程本科專業(yè)的專業(yè)核心課程，全面貫徹實施CDIO工程教育理念，通過強化實踐環(huán)節(jié)，使學生系統(tǒng)掌握面向對象分析與設計的基本原理、方法、技術和建模工具，并熟練地與本專業(yè)其他核心課程形成有效銜接和整合，全面提高學生的系統(tǒng)工程能力，為高級應用型軟件人才的培養(yǎng)奠定堅實的理論和實踐基礎。

3.2 課程目標

通過學習，熟練掌握統(tǒng)一建模語言的基本理論，熟練利用統(tǒng)一建模語言和面向對象方法進行軟件系統(tǒng)的分析、設計，著力培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析能力、系統(tǒng)設計能力、文檔撰寫能力、團隊合作能力以及組織能力等，為后續(xù)進行軟件全生命周期的系統(tǒng)、流程化軟件開發(fā)奠定良好的基礎。

3.3 課程理論架構

根據(jù)面向對象分析與設計在軟件工程專業(yè)核心課程群中的地位，結合軟件工程專業(yè)的特點，課程教學團隊經(jīng)過多次研討，在介紹面向對象分析與設計方法之前，利用6～8課時對統(tǒng)一建模語言UML進行比較深入的介紹。同時在面向對象分析、面向對象設計講授完后，增加了4～6課時進行統(tǒng)一軟件開發(fā)過程RUP的介紹。RUP是一種軟件工程過程方法，它涵蓋了將一個用戶需求轉化為軟件系統(tǒng)所需要的活動的集合，提供了開發(fā)組織中分配任務和責任的紀律化方法，以保證工程項目在可預見的日程和預算前提下，確保滿足最終用戶需求的高質量產品。理論課程的整體架構如圖1所示。

圖1 理論課程整體架構

其中，虛線框內的部分為面向對象分析介紹的主要內容，面向對象設計部分主要在面向對象分析模型的基礎上，進行人機交互、數(shù)據(jù)管理、控制驅動以及構件部署4個方面的介紹，在面向對象分析與面向設計的講授過程中，始終貫穿RUP的面向對象方法工程思路。

3.4 課程實踐體系

面向對象分析與設計課程實踐體系包括章節(jié)實驗以及課程設計部分。章節(jié)實驗以驗證性實驗內容為主，重點驗證理論課時的講授內容，依托案例開展教學，同時還包括少量設計型實驗內容。課程設計則要求學生以一個自選的軟件課題完成面向對象分析與設計的全過程。

同時，為了更好貫徹CDIO的工程教育理念，本課題組建立了面向對象技術實踐課程群，很好地利用課程間的關系以及課程的關注點，形成了相互補充、互相滲透的實踐體系。在章節(jié)實驗和課程設計實踐教學過程中，充分考慮到面向對象分析與設計課程與其他課程（如軟件工程、數(shù)據(jù)庫原理、J2EE、現(xiàn)代編程技術、軟件測試等）的緊密聯(lián)系，采用了項目貫穿制的課程群實踐體系，根據(jù)課程內容要求，完成各自課程的實踐教學大綱。一方面，避免學生在其他課程中重復進行系統(tǒng)需求分析、概要設計等問題；另一方面，利用同一課題，可以讓學生對課題需求理解更透徹，課程實踐環(huán)節(jié)要求可以更高。通過近兩年的具體實施，學生的作品有了很大的提升，不僅完成了課程教學大綱的基本要求，還實現(xiàn)了部分諸如統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)報表、大數(shù)據(jù)分析等方面等額外功能要求。根據(jù)課程特性以及項目特點，在本校2014級軟件工程專業(yè)教學過程中，統(tǒng)一采用“超市收銀系統(tǒng)”作為實踐案例，軟件工程課程要求學生用工程化思想和方法，對超市收銀系統(tǒng)進行軟件計劃、需求分析、設計以及測試文檔的撰寫，側重用結構化方法進行系統(tǒng)的分析與設計。數(shù)據(jù)庫原理課程要求學生根據(jù)軟件工程課程的文檔實現(xiàn)超市收銀系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設計，并要求根據(jù)系統(tǒng)需求設計觸發(fā)器和存儲過程，同時，要求學生進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)化與改進，主要側重學生數(shù)據(jù)庫技術水平的培養(yǎng)。面向對象分析與設計課程要求學生在熟練掌握UML的基礎上，利用用況圖實現(xiàn)超市收銀系統(tǒng)的需求分析，利用類圖實現(xiàn)超市收銀系統(tǒng)的基本框架，同時借助交互圖、活動圖以及狀態(tài)機圖等對系統(tǒng)進行有益補充，主要考核學生利用面向對象方法進行系統(tǒng)分析與設計的能力?，F(xiàn)代編程技術課程要求學生利用一些開源程序實現(xiàn)超市收銀系統(tǒng)的軟件編碼部分，同時要求學生對系統(tǒng)中的一些核心算法進行深入研究，如超市收銀系統(tǒng)的促銷產品收銀算法、數(shù)據(jù)分析算法等，主要考核學生利用現(xiàn)代編程技術實現(xiàn)系統(tǒng)的能力。軟件測試課程主要考核學生借助軟件工程以及面向對象分析與設計產生文檔的能力和對超市收銀系統(tǒng)進行單元測試和系統(tǒng)測試的能力。這樣整個課程群就成為一個整體，貫穿CDIO的4個過程，符合工程化的思想理念。

4 教學改革特色與創(chuàng)新

（1）以CDIO工程教育理念為指導，強化項目驅動教學方法的實施。根據(jù)面向對象分析與設計的課程特點，系統(tǒng)地設計了課程內容，并且在課程教學過程中，強調項目驅動的教學方法，使學生在“學中做、做中學”，有效解決了面向對象分析與設計課程內容枯燥、學生缺乏工程經(jīng)驗等現(xiàn)實問題。

（2）根據(jù)CDIO工程化思想，形成了項目貫穿制的課程群實踐體系。面向對象分析與設計課程內容作為CDIO工程化中的一個環(huán)節(jié)，需要有效地與其他課程構成課程群。本課題組教師在長期教學的基礎上，提出了項目貫穿制的課程群實踐體系，利用一個統(tǒng)一的項目案例，貫穿課程群中的所有課程，達到相互滲透、各有側重的教學目的。

5 結 語

計算機學科是一個工程性很強的學科，其中的很多課程符合CDIO工程教育理念。基于CDIO工程教育理念的課程教學改革能夠有效激發(fā)學生的學習熱情，開闊學生的視野，鍛煉學生解決問題的專業(yè)水平。然而，課程特點和實踐結果表明，孤立于單門課程的CDIO教學改革還具有一定的缺陷，需要將CDIO工程教育理念滲透到課程群的建設過程中，形成一個符合CDIO工程化思想的課程群體系，這也將是本課程組下一步的研究內容。

[1]顧佩華, 包能勝, 康全禮, 等. CDIO在中國(上)[J]. 高等工程教育研究, 2012(3): 24-40.

[2]顧佩華, 包能勝, 康全禮, 等. CDIO在中國(下)[J]. 高等工程教育研究, 2012(5): 34-45.

[3]查建中. 面向經(jīng)濟全球化的工程教育改革戰(zhàn)略[J]. 高等工程教育研究, 2008(1): 21-27.

[4]王向輝, 崔巍, 徐俊麗.基于CDIO的數(shù)據(jù)庫課程教學改革方案研究[J]. 計算機教育, 2011(2): 38-41.

[5]韓智, 張振虹, 李興娟. 基于CDIO理念的軟件工程課程教學改革[J]. 計算機教育, 2010(11): 56-59.