軟件工程實(shí)踐化教學(xué)新探
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摘要：實(shí)踐化教學(xué)已成為軟件工程教學(xué)的一個(gè)基本要求，但如何按照實(shí)踐化教學(xué)要求設(shè)計(jì)課程教學(xué)及實(shí)踐內(nèi)容仍然是一個(gè)難題。在多年摸索以及與企業(yè)交流的基礎(chǔ)上，確定了以軟件構(gòu)造活動(dòng)為中心、突出實(shí)踐化培養(yǎng)特色、體現(xiàn)軟件工程師成長(zhǎng)路徑的軟件工程教學(xué)指導(dǎo)思想，同時(shí)依托基于云的軟件開發(fā)平臺(tái)，以迭代化的方式開展課程教學(xué)實(shí)踐。結(jié)果表明，這種實(shí)踐化教學(xué)方式能夠幫助學(xué)生更好地理解與掌握軟件工程思想和方法。
關(guān)鍵詞：軟件工程；實(shí)踐化教學(xué)；軟件構(gòu)造；教學(xué)方法
0引言
軟件工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，課程實(shí)踐對(duì)于鞏固課堂教學(xué)成果、培養(yǎng)學(xué)生軟件工程能力具有重要作用，因此實(shí)踐化教學(xué)已成為軟件工程課程建設(shè)的一個(gè)基本方向［1-4］。本文所討論的軟件工程課程是指軟件工程概論課程，一般會(huì)作為軟件工程或計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生基礎(chǔ)課在大學(xué)二年級(jí)或三年級(jí)開設(shè)，從而為軟件需求、軟件設(shè)計(jì)、軟件測(cè)試等后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。例如，復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院的軟件工程課程在大二下學(xué)期開設(shè)，后續(xù)還開設(shè)了多門軟件工程專業(yè)課程以及軟件實(shí)踐課程。因此，這類概論性質(zhì)的軟件工程課程實(shí)踐教學(xué)的主要目的是通過(guò)實(shí)踐鞏固與加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，同時(shí)初步培養(yǎng)學(xué)生的軟件工程能力。在此基礎(chǔ)上，可在高年級(jí)專門開設(shè)綜合性的軟件實(shí)踐課程，并突出規(guī)模性、綜合性、集成性、創(chuàng)新性等方面的實(shí)踐要求［2］。軟件工程課程實(shí)踐應(yīng)當(dāng)貼近工業(yè)界的軟件開發(fā)實(shí)踐，以一種迭代化的方式開展。通過(guò)多次迭代的系統(tǒng)理解、分析、糾錯(cuò)、改進(jìn)等演化式的開發(fā)活動(dòng)，不僅可增強(qiáng)學(xué)生的代碼理解、修改等軟件開發(fā)實(shí)踐能力，還可強(qiáng)化對(duì)其軟件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、編碼和文檔習(xí)慣以及軟件測(cè)試能力的培養(yǎng)［5］。考慮到授課對(duì)象的專業(yè)基礎(chǔ)及可接受性，本文在軟件工程課程教學(xué)與實(shí)踐中采用以軟件構(gòu)造活動(dòng)為中心的思想。軟件構(gòu)造是指通過(guò)將編碼、驗(yàn)證、單元測(cè)試、集成測(cè)試及調(diào)試相結(jié)合，具體創(chuàng)建可運(yùn)行的軟件的過(guò)程［6］。作為剛經(jīng)過(guò)2年專業(yè)學(xué)習(xí)、初步掌握編程能力的本科生而言，軟件構(gòu)造活動(dòng)所覆蓋的軟件工程專業(yè)知識(shí)及能力是其最容易理解與接受的學(xué)習(xí)內(nèi)容。以軟件設(shè)計(jì)為例，其中包含兩個(gè)層次［6］：體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注軟件頂層結(jié)構(gòu)和組織，以及識(shí)別各種可用組件；詳細(xì)設(shè)計(jì)關(guān)注為每個(gè)組件（或模塊）提供足夠的細(xì)節(jié)以支持軟件構(gòu)造。在這兩個(gè)層次中，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常在大規(guī)模、分布式軟件系統(tǒng)開發(fā)中有較多考慮，但在此階段的學(xué)生由于缺乏所需專業(yè)知識(shí)和軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，一般很難理解體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。屬于軟件構(gòu)造活動(dòng)一部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)則建立在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)等更貼近編碼開發(fā)能力的基礎(chǔ)上，比較適合在軟件工程課程中進(jìn)行介紹與實(shí)踐。此外，課程設(shè)計(jì)還充分考慮了軟件工程師成長(zhǎng)路徑，按照局部編碼、詳細(xì)設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、需求分析與測(cè)試的順序逐步開展課程教學(xué)與實(shí)踐。按照以上指導(dǎo)思想，本文設(shè)計(jì)了軟件工程課程教學(xué)及配套實(shí)踐內(nèi)容，在復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院開展課程教學(xué)，并依托華為軟件開發(fā)云DevCloud平臺(tái)［7］開展實(shí)踐教學(xué)，取得了良好效果。
1課程教學(xué)及實(shí)踐安排
根據(jù)軟件工程實(shí)踐化教學(xué)的需要，同時(shí)考慮修讀本課程學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)及可接受度，本文確定了以下3條課程教學(xué)內(nèi)容安排基本原則：（1）以軟件構(gòu)造活動(dòng)為中心。以詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼、單元測(cè)試等軟件構(gòu)造活動(dòng)以及與之密切相關(guān)的版本管理等協(xié)作支持能力為中心，強(qiáng)調(diào)本科生可深入理解并切實(shí)掌握的軟件工程能力。（2）突出實(shí)踐化培養(yǎng)特色。通過(guò)課程實(shí)踐項(xiàng)目加強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解、鍛煉對(duì)應(yīng)的軟件工程能力，課程教學(xué)內(nèi)容及進(jìn)度安排配合實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程。（3）體現(xiàn)軟件工程師成長(zhǎng)路徑。課程教學(xué)內(nèi)容安排體現(xiàn)企業(yè)中軟件工程師的成長(zhǎng)路徑，按照局部編碼、詳細(xì)設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、需求分析與測(cè)試的順序逐步培養(yǎng)學(xué)生的軟件工程能力，同時(shí)穿插版本管理和配置管理等團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力培養(yǎng)。根據(jù)以上原則，本文設(shè)計(jì)了課程相關(guān)教學(xué)模塊及實(shí)踐內(nèi)容。
1.1課程教學(xué)模塊設(shè)計(jì)
課程教學(xué)內(nèi)容模塊及其教學(xué)順序如表1所示。軟件工程概述部分為學(xué)生提供了一個(gè)關(guān)于軟件工程思想及其基本內(nèi)容的概覽，為其理解后續(xù)學(xué)習(xí)內(nèi)容提供一個(gè)基本的上下文知識(shí)背景。后續(xù)學(xué)習(xí)過(guò)程從個(gè)人開發(fā)技能和必要的軟件過(guò)程與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力開始，逐步展開軟件設(shè)計(jì)、軟件需求、軟件測(cè)試等教學(xué)內(nèi)容。其中，個(gè)人開發(fā)技能和軟件設(shè)計(jì)兩部分中與軟件構(gòu)造密切相關(guān)的內(nèi)容是教學(xué)重點(diǎn)，屬于學(xué)生較容易接受并掌握的基礎(chǔ)開發(fā)能力。各個(gè)課程教學(xué)模塊都需要與課程實(shí)踐及相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境和工具相結(jié)合，突出各部分的實(shí)踐要點(diǎn)。
1.2課程實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)
課程的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容需要通過(guò)課程實(shí)踐讓學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)與鞏固。為此，本文設(shè)計(jì)了配套的課程實(shí)踐項(xiàng)目。除第一次的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)外，整個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目都是圍繞一個(gè)開發(fā)項(xiàng)目（如“在線論文投稿系統(tǒng)”）要求，以一種小組協(xié)作和迭代化的方式開展。教學(xué)側(cè)重點(diǎn)從編碼能力、設(shè)計(jì)能力到分析能力逐步進(jìn)階，同時(shí)伴隨著軟件需求逐步增加與變更。實(shí)踐項(xiàng)目依托華為軟件開發(fā)云DevCloud平臺(tái)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)軟件開發(fā)與協(xié)作過(guò)程全程留痕，幫助學(xué)生更完整與系統(tǒng)地理解工程化軟件開發(fā)，同時(shí)為課程項(xiàng)目評(píng)分提供依據(jù)。課程實(shí)踐項(xiàng)目以4人為一組，設(shè)置組長(zhǎng)1名，根據(jù)交付及完成情況進(jìn)行整體評(píng)估打分，期末再通過(guò)組內(nèi)協(xié)商或互評(píng)將實(shí)踐項(xiàng)目評(píng)分分解到人。整個(gè)課程實(shí)踐項(xiàng)目分階段安排如下，其中針對(duì)卓越工程師班的特殊要求需單獨(dú)注明。階段1（個(gè)人任務(wù)）：熟悉DevCloud及Git版本庫(kù)，在事先準(zhǔn)備好的Web項(xiàng)目?jī)?nèi)容基礎(chǔ)上通過(guò)fork操作建立自己的代碼倉(cāng)庫(kù)，利用Maven完成項(xiàng)目構(gòu)建，并在華為云上進(jìn)行在線部署。階段2（小組任務(wù)—初始項(xiàng)目開發(fā)）：利用SpringBoot+Vue實(shí)現(xiàn)一個(gè)在線論文投稿系統(tǒng)的注冊(cè)、登錄以及會(huì)議申請(qǐng)等基本功能，并在華為云上進(jìn)行部署；要求使用Dev⁃Cloud的需求規(guī)劃、工作分配以及代碼質(zhì)量檢查功能，確保功能實(shí)現(xiàn)的正確性和完整性，同時(shí)注重版本提交等開發(fā)過(guò)程的規(guī)范性。階段3（小組任務(wù)—代碼質(zhì)量）：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的會(huì)議申請(qǐng)與管理等相關(guān)功能；實(shí)踐單元測(cè)試，要求項(xiàng)目中的代碼測(cè)試覆蓋率不低于80%；提升代碼質(zhì)量，要求使用DevCloud代碼質(zhì)量檢查工具進(jìn)行代碼質(zhì)量檢查，并解決檢查中暴露出來(lái)的代碼質(zhì)量問(wèn)題。階段4（小組任務(wù)—設(shè)計(jì)與持續(xù)集成）：完成系統(tǒng)的稿件分配與審稿功能，回顧并檢視軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量，進(jìn)行必要的重構(gòu)與改進(jìn)；為提交的代碼打標(biāo)簽（如按照每次迭代后實(shí)現(xiàn)的功能打標(biāo)簽），根據(jù)標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)選擇性地編譯構(gòu)建；利用華為云平臺(tái)構(gòu)建CI/CD流水線，嘗試持續(xù)集成、持續(xù)交付與持續(xù)部署（卓越班要求）。階段5（小組任務(wù)—需求分析與測(cè)試）：完成系統(tǒng)中的會(huì)議評(píng)審意見答復(fù)（rebuttal）與論文錄用相關(guān)功能；開展需求分析，檢視此前軟件實(shí)現(xiàn)中的需求完備性和準(zhǔn)確性；在單元測(cè)試的基礎(chǔ)上實(shí)踐集成測(cè)試；結(jié)合DevCloud和Sonar⁃Qube的代碼檢測(cè)能力進(jìn)一步改善代碼質(zhì)量；進(jìn)一步完善CI/CD流水線，使每個(gè)任務(wù)的健康度都達(dá)到四星及以上（卓越班要求）。以上課程實(shí)踐項(xiàng)目安排通過(guò)迭代化的方式逐步完善項(xiàng)目各項(xiàng)功能，每個(gè)階段結(jié)束后都有可交付、可運(yùn)行的軟件版本。這種演化式的開發(fā)過(guò)程更有利于學(xué)生理解真實(shí)的軟件開發(fā)過(guò)程，同時(shí)對(duì)軟件代碼和設(shè)計(jì)質(zhì)量等方面要求有更深刻的理解與體會(huì)。與此同時(shí)，在每個(gè)課程項(xiàng)目階段中都加入與課程教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的實(shí)踐要求。例如，第2階段在完成初始項(xiàng)目功能開發(fā)的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生利用DevCloud的代碼質(zhì)量檢查功能發(fā)現(xiàn)代碼質(zhì)量問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)建立基本的版本提交規(guī)范；第3階段在增量需求開發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步要求學(xué)生實(shí)踐單元測(cè)試并解決大部分代碼質(zhì)量問(wèn)題。此外，整個(gè)課程實(shí)踐項(xiàng)目過(guò)程都貫穿了對(duì)軟件設(shè)計(jì)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的要求：通過(guò)迭代化和演化式的開發(fā)過(guò)程讓學(xué)生體驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)（特別是模塊化設(shè)計(jì)）質(zhì)量對(duì)軟件持續(xù)演化與擴(kuò)展能力的支持；持續(xù)的小組任務(wù)要求學(xué)生在項(xiàng)目中考慮前后端分離、模塊劃分、接口定義等設(shè)計(jì)問(wèn)題，同時(shí)建立有效的分工協(xié)調(diào)、進(jìn)度管理、交流討論、版本分支與合并、集成與測(cè)試、構(gòu)建與部署等團(tuán)隊(duì)協(xié)作機(jī)制。
2實(shí)踐教學(xué)效果
采用上述實(shí)踐化教學(xué)方式在復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院開展本科軟件工程教學(xué)取得了良好效果。學(xué)生普遍反饋課程實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)其有一定壓力，但對(duì)于理解軟件工程理論及培養(yǎng)工程化開發(fā)能力有很大幫助。
2.1實(shí)踐中存在的問(wèn)題
在課程實(shí)踐項(xiàng)目的每個(gè)階段，都會(huì)對(duì)各小組交付情況進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)課堂交流的方式邀請(qǐng)一些小組進(jìn)行分享。通過(guò)該過(guò)程也發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在課程實(shí)踐中的一些問(wèn)題，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）邏輯不嚴(yán)密、測(cè)試不充分。對(duì)輸入的合法性檢查不夠，例如密碼長(zhǎng)度限制檢查、必填數(shù)據(jù)項(xiàng)的非空檢查等；未使用登錄攔截器，可在未登錄狀態(tài)下直接使用URL訪問(wèn)特定頁(yè)面。（2）代碼提交不規(guī)范。一些小組提交頻率過(guò)低，僅在項(xiàng)目開始和結(jié)束時(shí)各進(jìn)行了一次提交；一些版本提交的粒度過(guò)大或邏輯不完整，對(duì)提交消息的描述也不夠準(zhǔn)確；有些小組的代碼提交說(shuō)明內(nèi)容非常隨意，缺乏可讀性（如圖1所示，其中第一列和第二列分別是代碼提交ID和提交說(shuō)明）。（3）缺少必要的分支管理。一些小組成員在各自分支上進(jìn)行開發(fā)，主分支合并較晚，因而導(dǎo)致較多沖突，修復(fù)負(fù)擔(dān)較重。（4）代碼質(zhì)量存在問(wèn)題。典型的代碼質(zhì)量問(wèn)題包括代碼重復(fù)率和圈復(fù)雜度過(guò)高、標(biāo)識(shí)符命名不規(guī)范、方法參數(shù)過(guò)多、在版本中包含alert語(yǔ)句、不合理的代碼重復(fù)等。（5）用戶界面不友好。界面上存在一些對(duì)用戶不友好的情況，例如點(diǎn)擊按鈕后系統(tǒng)沒有任何提示、執(zhí)行操作后無(wú)法看到操作結(jié)果、一些重要信息無(wú)處查看等。（6）前后端分離及模塊劃分不佳。一些小組沒有意識(shí)到在前后端分離及模塊化開發(fā)過(guò)程中建立接口契約的重要性，出現(xiàn)了模塊實(shí)現(xiàn)未按照契約編寫的情況，導(dǎo)致小組項(xiàng)目集成時(shí)問(wèn)題較多，拖慢了開發(fā)進(jìn)度。
2.2進(jìn)一步的實(shí)踐探索
大部分小組通過(guò)階段性反饋意識(shí)到相關(guān)問(wèn)題后都進(jìn)行了改進(jìn)，最終大部分小組不僅圓滿完成了各項(xiàng)基本要求，而且還在多個(gè)方面進(jìn)行了一些有意義甚至創(chuàng)造性的實(shí)踐探索，具體包括以下幾個(gè)方面：（1）需求規(guī)劃和任務(wù)交流。使用DevCloud進(jìn)行需求分解與開發(fā)任務(wù)規(guī)劃，在此基礎(chǔ)上通過(guò)視頻會(huì)議或即時(shí)通信討論組的方式進(jìn)行溝通討論及結(jié)對(duì)開發(fā)，通過(guò)共享文檔的方式約定開發(fā)接口、記錄會(huì)議紀(jì)要以及協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。（2）設(shè)計(jì)思維和體系結(jié)構(gòu)理解。在前后端分離的基礎(chǔ)上，明確定義了后端接口及其契約，同時(shí)給出了包含后端模塊劃分及前端Web組件結(jié)構(gòu)的完整設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)任務(wù)分配與協(xié)同。（3）演化式設(shè)計(jì)與軟件重構(gòu)。在迭代化的開發(fā)過(guò)程中不斷評(píng)估設(shè)計(jì)方案的不足，據(jù)此對(duì)代碼進(jìn)行整理與重構(gòu)，從而完善設(shè)計(jì)方案。（4）分支策略和開發(fā)協(xié)作。制定適合團(tuán)隊(duì)開發(fā)模式的分支策略，例如將主分支、特性分支、開發(fā)分支進(jìn)行分離，建立規(guī)范化的代碼分支（branching）與合并（merging）實(shí)踐模式，保持主干清晰，及時(shí)提交并解決代碼沖突；規(guī)范版本提交過(guò)程，采用規(guī)范化的模板，并按照新增特性、缺陷修復(fù)、重構(gòu)改進(jìn)等不同目的編寫提交消息。（5）高質(zhì)量編碼。建立良好的代碼注釋風(fēng)格；充分體現(xiàn)防御式編程，在前端輸入驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，后端代碼也進(jìn)行輸入值的合法性驗(yàn)證，并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)拋出異常；充分利用DevCloud的代碼質(zhì)量檢查工具對(duì)前后端代碼進(jìn)行全面掃描，根據(jù)檢查結(jié)果改進(jìn)代碼質(zhì)量；開展代碼評(píng)審實(shí)踐，在發(fā)現(xiàn)代碼缺陷的同時(shí)，也促進(jìn)了組員對(duì)代碼的理解與共享。（6）軟件測(cè)試。初步建立測(cè)試驅(qū)動(dòng)開發(fā)實(shí)踐，通過(guò)JU⁃nit工具編寫測(cè)試用例，對(duì)類或方法進(jìn)行單元測(cè)試，并保證一定的代碼覆蓋率；采用Web自動(dòng)化測(cè)試方法，通過(guò)大量測(cè)試用例的自動(dòng)運(yùn)行保證后臺(tái)接口質(zhì)量。
3結(jié)語(yǔ)
課程實(shí)踐是軟件工程課程的重要組成部分，也是幫助學(xué)生理解與鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)軟件工程能力的重要支撐。以軟件構(gòu)造活動(dòng)為中心并依托基于云的軟件開發(fā)平臺(tái)，使得軟件工程實(shí)踐教學(xué)的開展更加契合修讀軟件工程概論課程本科生的專業(yè)基礎(chǔ)和接受能力，引導(dǎo)其逐步理解與接受軟件工程的思想、方法及相關(guān)的工程師文化。今后還將結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂思想，加強(qiáng)課堂教學(xué)的互動(dòng)性和研討性，同時(shí)進(jìn)一步打通課堂理論教學(xué)與課程實(shí)踐相關(guān)內(nèi)容，繼續(xù)推進(jìn)軟件工程的實(shí)踐化教學(xué)之路。
作者:彭鑫 單位:復(fù)旦大學(xué)軟件學(xué)院
