基于“SE-CDIO-CA”的UML课程教学改革

倪 康，陈 志

（南京邮电大学 计算机学院、软件学院、网络空间安全学院，江苏 南京 210023）

0 引言

目前，将工程教育理念融入大学课堂教学得到了广泛推广和应用［1-3］。在课堂教学过程中，有针对性地培养学生处理复杂工程问题的实践能力，能够更好地满足各用人单位的需求［4-6］。统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）作为软件工程行业标准化的建模语言，对较为复杂的大型软件系统进行系统、全面的分析与设计，且课程理念贯穿于软件设计、开发、测试、维护等各方面，在软件工程领域占据重要地位。此外，该课程与面向对象程序设计、数据库原理等课程相辅相成，有利于计算机科学与技术、软件工程等课程体系知识的链接［7］。

传统UML 课程教学重概念和各种模型知识讲解，易造成整个课堂学习枯燥乏味，且不能与实际应用紧密联系，学生学习积极性不高，存在以教师讲授为主、授课方式单一、实践环节薄弱、课程考核方式单一等问题。近年来，CDIO 理念以其较强的实践经验、先进的工程教育理念、较全面的课程体系，使其在不同专业不同课程的授课中得以广泛推广和应用［8-9］。例如：穆磊等［10］将CDIO 理念应用于RFID 原理与应用课程中，江帆［11］提出基于CDIO 理念的物联网课程教学改革方法，李彤等［12］构建了SE-CDIO 软件工程国家精品课程理论课程架构。上述研究将CDIO、SECDIO 理念中的构思、设计、实现和运作合理地应用于课程设计，但缺少对案例启发、教学辅助等机制的嵌入。

案例驱动教学是一种基于建构主义理论设计的教学模式，能够激发学生学习兴趣，提升学习效果。近年来，学者们提出了与案例相结合的UML 课程改革方法，以着力解决UML 理论与实践不能紧密联系的问题，提高课程教学效果。例如，郭艳燕等［13］提出一种混合式的UML 课程教学改革方案，综合使用大规模开放在线课程（Massive Open Online Course，MOOC）、小规模限制性在线课程（Small Private Online Course，SPOC）、雨课堂及QQ 课程群，并以类图为例，详细阐述了具体教学改革内容。邬卓恒等［14］以用例图为例，通过案例教学将学生从枯燥的理论知识中脱离出来，实现学生对UML 基础理论知识的认识、掌握和应用。虽然上述方法利用多种教学方式，以提升利用UML 理论解决实际工程问题的能力［15］，但对软件工程专业学生所擅长的软件编程能力欠缺考虑；同时，针对不同专业与基础的学生而言，课堂教学效果如何与任课教师的主观判断有极大关系，不能全面且实时地对课程教学中存在的问题作出及时改进。

针对上述问题，本文结合软件工程专业学生所擅长的软件编程能力，探究一种基于“SE-CDIO-CA”的UML 课程教学改革方法，该方法从软件工程专业培养目标与毕业要求出发，将课程分为项目需求分析与建模、项目设计与优化、项目实现与优化，项目维护与发布4 个部分，同时将IBM-RSA 和PlantUML 命令行建模、案例启发、在线教学辅助融入各环节：课堂导入、分组讨论、知识讲解与课堂总结等。该方法还可以实时掌握学生课堂学习情况，并给出任课教师后续教学改进建议，不断提升学生利用UML 相关理论知识解决实际工程问题的能力。

1 基于“SE-CDIO-CA”的UML课程教学

1.1 整体方案

基于“SE-CDIO-CA”的UML 课程教学整体方案如图1所示，该方案在全面适应国家社会发展并满足软件工程人才培养需求的前提下，以软件工程专业学生毕业要求为指导，综合设计UML 课程培养目标，通过“SE-CDIO-CA”UML 课程改革方法，融入工程教育理念，形成基于“SECDIO-CA”的UML 课程教学整体方案。

Fig.1 Overall teaching scheme of UML course based on "SE-CDIO-CA"图1 基于“SE-CDIO-CA”的UML课程教学整体方案

基于“SE-CDIO-CA”的UML 课程教学方法将案例启发和建模工具（PlantUML、IBM RSA）有机融入课堂教学各方面，并从4 个方面构建课程体系：需求分析与建模、项目分析与设计、项目实现与优化、项目维护与发布。这4 个方面完全与CDIO 思想中的构思、设计、实现与运作紧密结合，均对应着不同的授课内容。此外，通过教学（实践）目标、教学（实践）评价和教学（实践）反思反哺整个教学过程，并利用在线辅助教学系统实时关注学生课堂学习情况，及时调整课堂教学策略，已达到更优的课堂教学效果。

1.2 培养目标与毕业要求

培养目标主要包括3 个方面：思想素质教育目标、知识教学目标和能力教学目标。思想素质教育目标方面，培养具有爱国情怀、民族自豪感、良好的职业操守和人文素养的软件工程专业人才，增强学生在软件工程相关领域的法律意识和安全意识，树立正确的道德观；在知识教学目标方面，需培养学生掌握UML 及相关领域专业知识和开发工具，并具备利用UML 分析和解决软件工程领域复杂工程问题的能力。引入OBE 教育模式，能力教学目标与毕业要求存在映射关系，具体表述如图2所示。

Fig.2 Mapping relationship between teaching objectives and graduation requirements图2 教学目标与毕业要求映射关系

在多样化软件工程问题中，学生能够理解和设计UML模型驱动的多样化软件工程领域复杂工程解决方案，并通过对比分析和研究获得可替代的解决方案，该培养目标对应软件工程毕业要求中对学生问题分析能力的具体要求；在软件设计基本方法和技术中，学生需要理解软件产品设计和开发相关方法，并能够针对复杂工程问题，给出特定需求的软件架构和系统设计方案，该培养目标较好地贴合毕业要求中对设计和开发解决方案的相关要求；在全周期全流程软件设计中，要求学生理解全周期和全流程开发的基本方法和技术，培养沟通表达能力，理解其中所涉及到的经济决策和工程管理问题，此培养目标与毕业要求对项目管理的相关要求保持一致。毕业要求支撑教学目标，并可达成相关教学目标。

1.3 PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学方法

PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学方法充分考虑软件工程学生对编程的敏感性，将建模工具（PlantUML、IBM RSA）引入课堂教学中，促使理论和实践相融合，并培养学生UML 标准化建模思维能力。此外，该方法利用实际工程案例，结合UML 课程基础知识，以问题驱动的方式，将案例融入课堂教学各方面。图3 给出了PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学方法教学活动示意图。

Fig.3 Schematic diagram of teaching activities of PlantUML&IBM RSA case heuristic teaching method图3 PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学方法教学活动

Fig.4 Schematic diagram of three-level case teaching method图4 三级案例教学法

该方法主要分为以下步骤：提出问题、讨论案例、结合案例讲解知识点、分组给出解决方案、总结案例、升华案例并给出课后思考问题，各步骤所占课时长如图3 所示。讨论案例、解决方案和总结案例均会与在线教学辅助系统进行交互。在知识点讲解部分，利用代码化UML 建模工具（PlantUML）和UML 建模软件（IBM RSA），结合具体的案例分析，全面讲解课程知识点，并讨论给出具体的解决方案（包括参考模型图）。教学评价主要包括混合式教学评价和实践评价，各评价机制能够从多角度对学生的学习效果进行有效评价，反哺教学过程各方面，以达到更好的课堂授课效果。

该方法中，案例启发式教学采用三级教学法，主要包括知识初识、专业应用和实践提升3 个阶段。三级教学法呈“阶梯”状，通过案例逐层深入，将课堂教学与实际应用紧密结合，真正达到“学以致用”的目标。

每一级教学法对应着整个PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学过程的不同阶段：知识初识对应着提出问题和讨论案例阶段；专业应用对应着分组给出解决方案和总结案例阶段；实践提升与升华案例、课后思考阶段紧密结合。本部分以用例图为例，给出PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学方法的全过程，如表1所示。

Table 1 Process of PlantUML&IBM RSA case heuristic teaching——taking use case diagram as an example表1 PlantUML&IBM RSA 案例启发式教学全过程——以用例图为例

在提出问题环节，需全面考虑课程教学目标，并针对具体教学内容，结合学生日常生活中经常接触到的实例，抽取关键信息，构成待讲解实例，并层次性地给出该实例思考题。在讨论案例环节，学生需根据具体案例描述和思考题，以分组的形式开展讨论，教师在该环节需起到引导作用，时刻关注学生的讨论情况，特别鼓励学生结合与本实例相关的实际生活经验，扩展本实例相关功能需求，并展开讨论，最后将讨论结果以文字形式上传至在线教学辅助系统，为教师讲解知识点提供参考。在知识点讲解环节，教师根据学生分组讨论结果及案例，详细讲解所涉及到的知识点，并给出较为具象的知识体系，使得学生能够更加清晰地了解课程知识点在实际案例中的具体体现。

在分组给出解决方案环节，学生根据教师知识点讲解，进行具体建模，并将建模结果上传至在线教学辅助系统，该系统会自动评判每组建模结果。在总结案例环节，教师可根据系统全面分析结果，了解学生课堂学习效果，对各小组建模过程中遇到的问题进行针对性解答，对掌握程度欠佳和重要知识点作进一步强调。最后，在升华案例和课后思考环节，要求学生针对本案例的功能需求进行扩展训练，可根据实际应用中较为全面的需求进行建模补充，在完善本案例的同时，提升学生思维能力，在进一步巩固课堂所学的同时，培养学生以实际需求为导向的实践能力。

2 UML课程在线教学辅助系统运行效果

2.1 系统整体框架

UML 课程在线教学辅助系统通过搜集大量学生讨论结果，形成训练数据库，利用神经主题模型，对学生课堂学习情况进行建模，并据此给出不同阶段课堂教学指导性建议，以供授课教师参考。特别地，该系统可根据学生课堂讨论结果，实时给出更为具体且贴合学生实际学习情况的指导性建议。该在线教学辅助系统示意图如图5所示。

Fig.5 Schematic diagram of UML course online teaching auxiliary system图5 UML课程在线教学辅助系统

在线教学辅助系统中的题型包括：客观题、简答题和分析设计题，其中以分析设计题为主。对于客观题部分，每道题目对应不同的知识点，根据学生在线提交结果，统计出学生对各知识点的掌握情况；对于简答题部分，将学生提交结果输入到主题模型，例如：隐狄利克雷模型（Latent Dirichlet Allocation，LDA），详细分析文本信息的核心思想或者关键词，将学生提交结果中的核心思想或关键词与该题所设置的标准答案进行对比，给出学生针对该简答题回答的统计结果，其中主要包括对应知识点的掌握情况、语言逻辑能力等方面；对于分析设计题，以案例分析题为主，该系统会将该类题型嵌入课堂教学的“讨论案例”“分组给出解决方案”及“升华案例及课后思考”等阶段。针对不同类型的UML 模型图，根据学生在线提交结果分离出建模基本元素和基本元素关系，将其结果与参考答案进行对比，可得出对应的统计建模分析结果。在线教学辅助系统所包含的分析设计题部分，可以根据学生不同阶段不同课时的在线提交结果实时给出相应分析结果。最后，汇总客观题知识点掌握情况、简答题核心思想（摘要）及建模分析结果，形成最终的课堂授课指导性建议。

2.2 系统运行效果评估

为了验证在线教学辅助系统的有效性，本文将90 组关于用例图知识点的模拟数据（包括客观题、简答题和分析设计题）随机分为3 组，进行5 次实验验证，具体实验结果如表2所示。

从表2 可以看出，在客观题评价方面，系统可给出平均准确率及易错知识点等相关信息；在简单题方面，通过抽取简答题核心思想，与基准核心思想对比，并给出综合性评价；在分析设计题方面，通过分离用例图基本元素及其关系，综合判定结果，并给出易错点；在综合客观题、简答题和分析设计题系统分析之后，给出最终的课堂授课指导性建议。该系统可实时观测教师课堂授课情况，并指导授课教师对某个知识点进行着重讲解，以提高学生课堂学习效果。

3 UML课程考察方式

根据本文UML 课程设计，期末考察方式也将更加贴合工程教育认证理念与和新时代人才需求。期末考察拟采用两种方式：开卷考察和专业综合大作业。对于开卷考察方式，为了更好地贴合工程教育认证理念，课程摒弃了传统的选择、填空等客观题，主要以分析（40%）、设计（40%）和综合题（20%）作为主要考察题型。分析题主要根据题干要求，分析UML 模型，并回答相应问题，包括用例图分析、状态图分析等。设计题主要根据题干描述，绘制不同的UML 模型，比如：用例图建模、类图建模、顺序图建模等，该类题型学生可根据题干要求，结合实际生产生活，进行一定程度的扩展，以考察学生分析设计能力。综合题主要针对现实生活中广泛应用的软件、Web 网页等，进行UML 全流程建模，该类题型可扩展性强，更能有效地考察学生解决实际复杂工程问题的能力，该类题目不会设置具体参考答案，教师可根据学生具体建模结果及其思维扩展能力，给出相应的参考得分。

专业综合大作业考察方式与常规大作业考场方式不同，其采用限时开卷的方式进行，学生可携带任意相关学习资料，在统一时间段完成专业综合大作业。专业综合大作业包括5 道左右专业相关的课程综合题目（4 道设计题和1 道专业综合题），题目设置对应课程知识点，着重考察学生解决实际复杂工程问题的能力，且符合工程教育专业认证要求，评分可进行达成计算。

4 结语

本文在工程教育认证与新时代人才需求的驱动之下，进行基于“SE-CDIO-CA”的UML 课程教学改革。以SECDIO 工程教育理念为指导，将IBM-RSA 和PlantUML 命令行建模、案例启发、在线教学辅助有机融合到SE-CDIO 方法中。该方法从项目需求分析与建模、项目设计与优化、项目实现与优化，项目维护与发布4 个部分对课程体系进行调整，符合CDIO 理念和软件生命周期。对在线教学辅助系统的效果进行验证，结果表明了该方法的有效性。但在具体实施过程中，还存在以下待改进之处：①进一步明确教学方法，针对不同年级不同基础的学生，微调教学方法，以适应其需求；②强化课程中的价值目标，将思政元素有机融入基于“SE-CDIO-CA”的UML 课程教学各方面；③有效改善课堂教学与实验教学，进一步培养学生解决复杂软件工程问题的能力。