軟件工程創(chuàng)新性實驗教學(xué)課程實踐

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摘要：傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法以及對應(yīng)的軟件工程課程實驗設(shè)計通常缺乏一致性、系統(tǒng)性，不利于提高學(xué)生軟件開發(fā)的綜合實踐能力。針對上述問題，開設(shè)實施了軟件工程創(chuàng)新性實驗教學(xué)項目“基于AADL模型驅(qū)動的軟件開發(fā)方法”，使得軟件開發(fā)過程的各個階段集成于統(tǒng)一、一致的建模框架中。同時，輔以“做中學(xué)”與項目驅(qū)動相結(jié)合的教學(xué)模式，讓學(xué)生從實踐中體驗一個完整的軟件開發(fā)過程，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)探索、軟件開發(fā)綜合實踐能力，為軟件工程實踐教學(xué)的開展提供實用的可選方案。

關(guān)鍵詞：軟件工程；創(chuàng)新性實驗教學(xué)；AADL；模型驅(qū)動；項目

驅(qū)動傳統(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)各個階段的原理、方法及工具的應(yīng)用[1]。在課程實驗階段，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)計到詳細設(shè)計的開發(fā)模型，對于軟件開發(fā)初級者來說，同一軟件在開發(fā)過程中采用不同描述手段，在兩個不同階段之間，都需要進行手工的模型轉(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)新性實驗教學(xué)課程引進了一種有別于傳統(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)動的軟件開發(fā)方法?；谀Ｐ万?qū)動的軟件開發(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，而底層與平臺實現(xiàn)相關(guān)的代碼框架則可以由相應(yīng)的軟件工具自動生成，極大地提高了軟件開發(fā)效率?；赨ML的軟件開發(fā)方法也屬于模型驅(qū)動的開發(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)合當前高可信系統(tǒng)的開發(fā)研究熱點，選取了美國汽車工程師協(xié)會提出的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計語言AADL作為模型驅(qū)動開發(fā)方法的建模語言。該語言支持自頂向下、粒度逐級細化的基于組件的開發(fā)方法，將系統(tǒng)、子系統(tǒng)、進程、線程、子程序等常用的計算機運行時組件集成于統(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)計早期對其表示的軟件體系架構(gòu)模型進行分析校驗，盡早地檢測出系統(tǒng)設(shè)計缺陷，有效地減少軟件故障檢測成本。本課程在引入上述方法的同時，還結(jié)合“做中學(xué)”[5]與項目驅(qū)動相結(jié)合的教學(xué)模式，將基于AADL模型驅(qū)動的開發(fā)方法應(yīng)用于實踐項目的開發(fā)過程中，從而使需求分析、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、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)者對于軟件開發(fā)各階段的系統(tǒng)一致性及軟件回溯確認驗證有一個良好的開發(fā)實踐，聚焦于業(yè)務(wù)需求、架構(gòu)設(shè)計，提高軟件開發(fā)綜合實踐能力。

1基于AADL模型驅(qū)動的軟件開發(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，提供組件粒度更細的視圖。例如，AADL系統(tǒng)及細化的子系統(tǒng)組件模型對應(yīng)于需求分析階段的業(yè)務(wù)需求建模；AADL進程組件模型在系統(tǒng)需求模型的輸入輸出接口限定下進一步推導(dǎo)出體系結(jié)構(gòu)模型，對應(yīng)于軟件工程的概要設(shè)計階段；AADL線程組件及子程序模型作為進程模型內(nèi)部的執(zhí)行體，刻畫軟件的動態(tài)行為，對應(yīng)于軟件工程的詳細設(shè)計階段。由于該方法遵循自頂向下、逐級求精的方法學(xué)，所以每個階段獲取的AADL模型都是基于上一階段的模型框架下細化得到，便于復(fù)審驗證分析。若發(fā)現(xiàn)某個開發(fā)階段的模型缺陷，可以回溯至上一階段進行重新分析與設(shè)計。對于最終確認的詳細設(shè)計模型，學(xué)生可以進一步手動完成整個編碼工作，也可以選取相應(yīng)的代碼生成工具生成代碼框架，再補充完整業(yè)務(wù)代碼。該方法在需求分析、設(shè)計階段通過對模型進行早期分析驗證來部分替代傳統(tǒng)的代碼測試方法，以減小代碼測試晚期檢測到的錯誤代價。

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

課程實驗采取“做中學(xué)”教學(xué)模式，以促進學(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)生包括計算機專業(yè)以及來自于地理信息科學(xué)、機械電子工程、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語言建模項目，所以配套編寫了詳細的實驗指導(dǎo)書，提前分發(fā)給學(xué)生進行實驗準備與預(yù)習(xí)。給學(xué)生提供豐富的國內(nèi)外文獻參考資料，學(xué)生可以在遇到問題時進行查閱解惑，并要求學(xué)生將問題及解決方案寫入報告。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。課程同時也給予學(xué)生自由的探索空間，對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，學(xué)生可以選擇AADL文本、XML、圖形表示之一，但要求整個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證。對于模型分析驗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)實驗指導(dǎo)書以及查閱文獻資料，能夠選擇當前流行的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AADL文本進行分析驗證；有的學(xué)生則以AADL文本相對應(yīng)的XML表示為基礎(chǔ)，采用XML解析技術(shù)（如DOM、SAX）自己實現(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，因此利用相應(yīng)工具將圖形轉(zhuǎn)換為文本方式，進行進一步處理。通過做中學(xué)的模式，學(xué)生通過實踐，發(fā)現(xiàn)具體問題，激發(fā)學(xué)生的求知欲與好奇心，再輔以詳實的實驗指導(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以項目驅(qū)動提高學(xué)生綜合實踐能力

3.1教學(xué)設(shè)計

通過項目制的方式，讓學(xué)生組成2～3人的團隊實踐一個完整的基于模型驅(qū)動的軟件開發(fā)過程，提高學(xué)生的綜合知識應(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綜合實踐能力。首先，學(xué)生需要綜合軟件工程、操作系統(tǒng)、計算機組成原理等多門課程的知識來理解AADL各組件的建模語義，并將其準確地應(yīng)用于項目開發(fā)各階段的建模。其次，每組學(xué)生都要負責(zé)該組項目開發(fā)的一個或多個階段的建模與分析任務(wù)，負責(zé)每個階段建模的學(xué)生還需要對其建立的模型采用適當?shù)姆绞竭M行分析驗證，如果發(fā)現(xiàn)問題，可回溯至上一階段的模型，與其負責(zé)的學(xué)生進行溝通確認，共同解決問題。同時，在每個階段需要輸出規(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)團隊項目成員能夠嚴格按照軟件開發(fā)瀑布模型各階段進行任務(wù)分工，并利用AADL語言固有的分層組件語義進行自頂向下逐級細化的開發(fā)。例如，負責(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。該團隊負責(zé)概要設(shè)計的成員依據(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一步細化推導(dǎo)出體系架構(gòu)模型，并輸出概要設(shè)計文檔。負責(zé)詳細設(shè)計的成員依據(jù)概要設(shè)計文檔，在由AADL進程組件刻畫的體系架構(gòu)模型的接口之下進一步刻畫系統(tǒng)的動態(tài)行為模型，以保持系統(tǒng)的一致性和可回溯性。由于整個軟件開發(fā)過程的一致性，當發(fā)現(xiàn)問題時，團隊成員能夠依據(jù)該階段的模型和撰寫的文檔快速向上回溯，通過進一步溝通探討，及時解決問題。

4結(jié)語

該項目作為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科創(chuàng)新性實驗項目之一，來自于計算機科學(xué)與技術(shù)等六個不同專業(yè)的學(xué)生參加了總共30個學(xué)時的課程實驗。學(xué)生自由組成了多個小組體驗了基于AADL模型驅(qū)動的軟件開發(fā)方法，通過“做中學(xué)”的方式，從實際項目中體驗了軟件工程從需求分析到詳細設(shè)計的自頂向下逐級細化的設(shè)計思想，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。該項目為軟件工程創(chuàng)新性教學(xué)改革提供了一種實用可行的參考方案。

參考文獻

[1]竇萬峰.軟件工程方法與實踐(第3版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.

[2]竇萬峰.軟件工程實驗教程(第3版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2016.

[3]杜德慧.UML建模分析與設(shè)計:基于MDA的軟件開發(fā)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2018.

[4]楊志斌,皮磊,胡凱,等.復(fù)雜嵌入式實時系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析語言:AADL[J].軟件學(xué)報,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