軟件工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程實(shí)踐

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摘要：傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法以及對(duì)應(yīng)的軟件工程課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通常缺乏一致性、系統(tǒng)性，不利于提高學(xué)生軟件開發(fā)的綜合實(shí)踐能力。針對(duì)上述問題，開設(shè)實(shí)施了軟件工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“基于AADL模型驅(qū)動(dòng)的軟件開發(fā)方法”，使得軟件開發(fā)過程的各個(gè)階段集成于統(tǒng)一、一致的建模框架中。同時(shí)，輔以“做中學(xué)”與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)模式，讓學(xué)生從實(shí)踐中體驗(yàn)一個(gè)完整的軟件開發(fā)過程，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探索、軟件開發(fā)綜合實(shí)踐能力，為軟件工程實(shí)踐教學(xué)的開展提供實(shí)用的可選方案。

關(guān)鍵詞：軟件工程；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)；AADL；模型驅(qū)動(dòng)；項(xiàng)目

驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)軟件工程課程教學(xué)主要以經(jīng)典的結(jié)構(gòu)化方法學(xué)和面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)為主線，講授兩種方法學(xué)在軟件生命周期開發(fā)各個(gè)階段的原理、方法及工具的應(yīng)用[1]。在課程實(shí)驗(yàn)階段，結(jié)構(gòu)化方法學(xué)通常使用數(shù)據(jù)流圖、軟件架構(gòu)圖、流程圖[2]等不同的描述方式來分別刻畫軟件從需求分析、概要設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的開發(fā)模型，對(duì)于軟件開發(fā)初級(jí)者來說，同一軟件在開發(fā)過程中采用不同描述手段，在兩個(gè)不同階段之間，都需要進(jìn)行手工的模型轉(zhuǎn)換（例如從數(shù)據(jù)流圖到軟件架構(gòu)圖的轉(zhuǎn)換），容易引入錯(cuò)誤，很難保證所建模軟件系統(tǒng)的輸入輸出一致性。而面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法學(xué)盡管在軟件開發(fā)生命周期的各個(gè)階段主要采用統(tǒng)一的UML語言來建模軟件，但是由于仍然采用了多種視圖模型[3]（如用例圖、類圖、順序圖等）來描述同一軟件不同階段的開發(fā)，同樣容易導(dǎo)致軟件開發(fā)的不一致性?；谏鲜鰡栴}，軟件工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程引進(jìn)了一種有別于傳統(tǒng)軟件方法學(xué)的新型軟件開發(fā)方法，即基于AADL(ArchitectureAnalysisandDesignLanguage)[4]模型驅(qū)動(dòng)的軟件開發(fā)方法?；谀Ｐ万?qū)動(dòng)的軟件開發(fā)方法[3]主要以高度抽象的模型為核心，將軟件開發(fā)焦點(diǎn)聚焦于需求功能的獲取、軟件體系架構(gòu)及業(yè)務(wù)邏輯的設(shè)計(jì)，而底層與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的代碼框架則可以由相應(yīng)的軟件工具自動(dòng)生成，極大地提高了軟件開發(fā)效率。基于UML的軟件開發(fā)方法也屬于模型驅(qū)動(dòng)的開發(fā)方法之一。為了避免UML多種視圖模型可能導(dǎo)致的軟件開發(fā)不一致性，本課程結(jié)合當(dāng)前高可信系統(tǒng)的開發(fā)研究熱點(diǎn)，選取了美國汽車工程師協(xié)會(huì)提出的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)語言AADL作為模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法的建模語言。該語言支持自頂向下、粒度逐級(jí)細(xì)化的基于組件的開發(fā)方法，將系統(tǒng)、子系統(tǒng)、進(jìn)程、線程、子程序等常用的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)組件集成于統(tǒng)一的描述框架中，能夠較好地保證軟件開發(fā)的一致性。另外，該語言除了提供圖形化的表示方式以外，還提供具有精確語義的文本描述以及支持第三方插件的通用XML描述方式，因此便于在軟件設(shè)計(jì)早期對(duì)其表示的軟件體系架構(gòu)模型進(jìn)行分析校驗(yàn)，盡早地檢測(cè)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，有效地減少軟件故障檢測(cè)成本。本課程在引入上述方法的同時(shí)，還結(jié)合“做中學(xué)”[5]與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的教學(xué)模式，將基于AADL模型驅(qū)動(dòng)的開發(fā)方法應(yīng)用于實(shí)踐項(xiàng)目的開發(fā)過程中，從而使需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、代碼生成等開發(fā)過程集成于統(tǒng)一的開發(fā)框架中，讓軟件開發(fā)者對(duì)于軟件開發(fā)各階段的系統(tǒng)一致性及軟件回溯確認(rèn)驗(yàn)證有一個(gè)良好的開發(fā)實(shí)踐，聚焦于業(yè)務(wù)需求、架構(gòu)設(shè)計(jì)，提高軟件開發(fā)綜合實(shí)踐能力。

1基于AADL模型驅(qū)動(dòng)的軟件開發(fā)方法的應(yīng)用

本課程選取了AADL語言作為模型驅(qū)動(dòng)的建模語言，能將軟件工程開發(fā)各階段統(tǒng)一于視圖一致的框架中，能夠很好地順應(yīng)經(jīng)典的瀑布模型的開發(fā)過程。在軟件開發(fā)的不同階段，仍然采用以AADL組件為基礎(chǔ)的統(tǒng)一視圖，下層視圖模型在上層的視圖模型的基礎(chǔ)上，提供組件粒度更細(xì)的視圖。例如，AADL系統(tǒng)及細(xì)化的子系統(tǒng)組件模型對(duì)應(yīng)于需求分析階段的業(yè)務(wù)需求建模；AADL進(jìn)程組件模型在系統(tǒng)需求模型的輸入輸出接口限定下進(jìn)一步推導(dǎo)出體系結(jié)構(gòu)模型，對(duì)應(yīng)于軟件工程的概要設(shè)計(jì)階段；AADL線程組件及子程序模型作為進(jìn)程模型內(nèi)部的執(zhí)行體，刻畫軟件的動(dòng)態(tài)行為，對(duì)應(yīng)于軟件工程的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。由于該方法遵循自頂向下、逐級(jí)求精的方法學(xué)，所以每個(gè)階段獲取的AADL模型都是基于上一階段的模型框架下細(xì)化得到，便于復(fù)審驗(yàn)證分析。若發(fā)現(xiàn)某個(gè)開發(fā)階段的模型缺陷，可以回溯至上一階段進(jìn)行重新分析與設(shè)計(jì)。對(duì)于最終確認(rèn)的詳細(xì)設(shè)計(jì)模型，學(xué)生可以進(jìn)一步手動(dòng)完成整個(gè)編碼工作，也可以選取相應(yīng)的代碼生成工具生成代碼框架，再補(bǔ)充完整業(yè)務(wù)代碼。該方法在需求分析、設(shè)計(jì)階段通過對(duì)模型進(jìn)行早期分析驗(yàn)證來部分替代傳統(tǒng)的代碼測(cè)試方法，以減小代碼測(cè)試晚期檢測(cè)到的錯(cuò)誤代價(jià)。

2以“做中學(xué)”模式提高學(xué)生探究式學(xué)習(xí)能力

2.1教學(xué)設(shè)計(jì)

課程實(shí)驗(yàn)采取“做中學(xué)”教學(xué)模式，以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，探索未知科學(xué)的能力。參與課程的學(xué)生包括計(jì)算機(jī)專業(yè)以及來自于地理信息科學(xué)、機(jī)械電子工程、信息科學(xué)、信息管理等非專業(yè)的學(xué)生，基礎(chǔ)各不相同，且大部分同學(xué)從未接觸過AADL語言建模項(xiàng)目，所以配套編寫了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提前分發(fā)給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與預(yù)習(xí)。給學(xué)生提供豐富的國內(nèi)外文獻(xiàn)參考資料，學(xué)生可以在遇到問題時(shí)進(jìn)行查閱解惑，并要求學(xué)生將問題及解決方案寫入報(bào)告。要求學(xué)生通過系列調(diào)研后，自主選擇一種AADL語言建模工具，在實(shí)踐中快速學(xué)習(xí)一門語言的使用與相應(yīng)的建模方法。課程同時(shí)也給予學(xué)生自由的探索空間，對(duì)于問題的解決給予開放式的策略，不作過多限制。例如在AADL建模時(shí)，學(xué)生可以選擇AADL文本、XML、圖形表示之一，但要求整個(gè)軟件建模階段采用前后一致的表示方式，以便于模型的分析與驗(yàn)證。對(duì)于模型分析驗(yàn)證的方法可以基于不同的表示形式，采取不同的分析手段。

2.2教學(xué)效果

學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書以及查閱文獻(xiàn)資料，能夠選擇當(dāng)前流行的AADL語言建模工具（如OSATE等）輔助軟件系統(tǒng)的開發(fā)，并能通過工具自帶示例快速的學(xué)習(xí)AADL語法，體驗(yàn)該語言的建模特性。例如，有的學(xué)生選擇采用AADL文本的建模方法，并利用現(xiàn)有的詞法、語法分析工具（如LEX，YACC）對(duì)AADL文本進(jìn)行分析驗(yàn)證；有的學(xué)生則以AADL文本相對(duì)應(yīng)的XML表示為基礎(chǔ)，采用XML解析技術(shù)（如DOM、SAX）自己實(shí)現(xiàn)模型解析與分析的邏輯。有的學(xué)生采用圖形表示方式進(jìn)行建模，直觀明了，但發(fā)現(xiàn)圖形表示的模型不便于之后的模型檢測(cè)，因此利用相應(yīng)工具將圖形轉(zhuǎn)換為文本方式，進(jìn)行進(jìn)一步處理。通過做中學(xué)的模式，學(xué)生通過實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)具體問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲與好奇心，再輔以詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和豐富的參考資料，提高學(xué)生自主探究解決問題的能力。

3以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力

3.1教學(xué)設(shè)計(jì)

通過項(xiàng)目制的方式，讓學(xué)生組成2～3人的團(tuán)隊(duì)實(shí)踐一個(gè)完整的基于模型驅(qū)動(dòng)的軟件開發(fā)過程，提高學(xué)生的綜合知識(shí)應(yīng)用能力、溝通合作能力、軟件復(fù)審能力、文檔撰寫能力等多項(xiàng)綜合實(shí)踐能力。首先，學(xué)生需要綜合軟件工程、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理等多門課程的知識(shí)來理解AADL各組件的建模語義，并將其準(zhǔn)確地應(yīng)用于項(xiàng)目開發(fā)各階段的建模。其次，每組學(xué)生都要負(fù)責(zé)該組項(xiàng)目開發(fā)的一個(gè)或多個(gè)階段的建模與分析任務(wù)，負(fù)責(zé)每個(gè)階段建模的學(xué)生還需要對(duì)其建立的模型采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行分析驗(yàn)證，如果發(fā)現(xiàn)問題，可回溯至上一階段的模型，與其負(fù)責(zé)的學(xué)生進(jìn)行溝通確認(rèn)，共同解決問題。同時(shí)，在每個(gè)階段需要輸出規(guī)范的文檔，以備復(fù)審，且作為下一階段開發(fā)的依據(jù)。

3.2教學(xué)效果

多數(shù)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目成員能夠嚴(yán)格按照軟件開發(fā)瀑布模型各階段進(jìn)行任務(wù)分工，并利用AADL語言固有的分層組件語義進(jìn)行自頂向下逐級(jí)細(xì)化的開發(fā)。例如，負(fù)責(zé)需求建模的成員使用AADL語言精確地刻畫出系統(tǒng)及子系統(tǒng)模型的輸入輸出接口，并給出相應(yīng)的需求分析文檔。該團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)概要設(shè)計(jì)的成員依據(jù)該需求分析文檔，繼續(xù)在由AADL系統(tǒng)組件刻畫的需求模型的接口之下進(jìn)一步細(xì)化推導(dǎo)出體系架構(gòu)模型，并輸出概要設(shè)計(jì)文檔。負(fù)責(zé)詳細(xì)設(shè)計(jì)的成員依據(jù)概要設(shè)計(jì)文檔，在由AADL進(jìn)程組件刻畫的體系架構(gòu)模型的接口之下進(jìn)一步刻畫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為模型，以保持系統(tǒng)的一致性和可回溯性。由于整個(gè)軟件開發(fā)過程的一致性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員能夠依據(jù)該階段的模型和撰寫的文檔快速向上回溯，通過進(jìn)一步溝通探討，及時(shí)解決問題。

4結(jié)語

該項(xiàng)目作為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，來自于計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等六個(gè)不同專業(yè)的學(xué)生參加了總共30個(gè)學(xué)時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)。學(xué)生自由組成了多個(gè)小組體驗(yàn)了基于AADL模型驅(qū)動(dòng)的軟件開發(fā)方法，通過“做中學(xué)”的方式，從實(shí)際項(xiàng)目中體驗(yàn)了軟件工程從需求分析到詳細(xì)設(shè)計(jì)的自頂向下逐級(jí)細(xì)化的設(shè)計(jì)思想，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探索能力以及軟件開發(fā)綜合實(shí)踐能力，增加了學(xué)生探究科研、開發(fā)可信軟件的興趣。該項(xiàng)目為軟件工程創(chuàng)新性教學(xué)改革提供了一種實(shí)用可行的參考方案。

參考文獻(xiàn)

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[2]竇萬峰.軟件工程實(shí)驗(yàn)教程(第3版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

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[4]楊志斌,皮磊,胡凱,等.復(fù)雜嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析語言:AADL[J].軟件學(xué)報(bào),2010,21(5):899-915.

[5]鄒欣.構(gòu)建之法:現(xiàn)代軟件工程(第三版)[M].北京:人民郵電出版社,2017.

作者：王穎 陳仲民 王建勇 單位：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院