摘要：現(xiàn)代社會的每一方面都需要依賴軟件，構造高質量軟件需要設計良好的架構和專業(yè)的實現(xiàn)過程。因此，軟件體系架構被選作軟件工程方面的主修課程。文章結合軟件體系架構本身及學生知識結構特點，介紹如何選擇本科階段軟件體系架構課程教學內容、以及教授方面的經(jīng)驗。文章設計了教學內容的體系架構，涵蓋課堂教學及實驗環(huán)節(jié)，并進行詳細闡述。
　　關鍵詞：軟件體系架構；本科課程；軟件工程
　　
　　軟件體系架構 (Software Architecture，以下簡稱SA)學科涉及內容紛繁龐雜，至今一直處于發(fā)展演進階段，選取什么樣的內容進行本科階段教學工作，是一個值得深入研究的問題。
　　國內外相關機構針對此問題提出了指導性意見，如在IEEE-CS和ACM聯(lián)合工作組制定的SEEK (Software Engineering Education Knowledge)[1]中，軟件工程本科生獲得學位所需要掌握的相關知識包括：體系架構的視圖與表示、權衡問題、硬件問題、需求的可追蹤性、特定領域的SA和軟件產(chǎn)品線、風格和設計模式。我國教育部門于2006年制定高?！坝嬎銠C科學與技術本科專業(yè)規(guī)范”[2]，以IEEE-CS和ACM制定的相關標準為藍本，對2003年以來的相關工作進行了總結和改進。這些指導性文件為SA教學提供了參考框架，但并沒有規(guī)范具體教學內容。下面結合我校計算機學院的教學實踐，對這個問題進行討論。
　　1學生知識結構及課程特點分析
　　1.1學生知識結構分析
　　由于大四階段學生面臨實習、找工作或考研等任務，軟件體系架構課程通常于大學三年級開設。此前學生學過的專業(yè)課程包括高級語言程序設計(C語言)、匯編語言、數(shù)據(jù)結構、計算機組成原理、單片機及其應用、操作系統(tǒng)、軟件工程、計算機網(wǎng)絡、可視化程序設計、面向對象程序設計(C++、Java)，同期開始的課程包括數(shù)據(jù)庫、編譯原理、應用服務器開發(fā)、網(wǎng)絡工程、構件技術、UML建模等。盡管已有不少專業(yè)基礎知識，但學生普遍缺乏大型軟件項目的實戰(zhàn)經(jīng)驗，許多學生甚至是第一次接觸SA概念。因此，從自身經(jīng)歷出發(fā)，學生難以自發(fā)體會到SA對軟件系統(tǒng)的重要性。這就造成教師要把許多SA概念“推”給學生，盡管不能說是拔苗助長，顯然不及學生主動去“拉”知識的效果好。
　　1.2SA課程的特點
　　SA不是一門成熟學科，主要表現(xiàn)在：1) 缺乏明確的定義。2) 問題的解決方案不唯一，尋找解決方案沒有固定統(tǒng)一的途徑可遵循。3) 如何維持SA與具體軟件質量屬性之間的關系，沒有明確答案。良好的架構是成功軟件開發(fā)的基礎和必要條件，但不是充分條件，還有許多因素如編碼技術等，都會影響軟件質量。4) SA涉及不僅僅計算機學科內容，還包括商業(yè)、政治、心理、藝術、社會經(jīng)驗等諸多方面因素。5) 缺少成熟、經(jīng)典的教材及教學案例。國內很多高校也是在最近幾年內，才陸續(xù)開設了這門課程，很多地方還待改善，例如就課程名稱來說，用“軟件體系架構” 就比“軟件體系結構”更準確[3]，因為英文“結構”一詞應該用structure，而architecture則表達更宏觀的含義，更貼近SA實質內容。
　　1.3SA教學策略和教學內容的體系架構
　　基于以上特點，我們在學期一開始就給學生布置了軟件開發(fā)任務，讓他們變被動為主動，有目的地接受課堂內容，主動去搜集相關知識。教學中對一些理論性、抽象性較高的內容做了適當取舍和調整，增強實例演示。針對于SA中某些不確定內容，教師提出幾種可能解決途徑，讓學生思考討論其優(yōu)缺點。學生在開發(fā)軟件時，將親身體會SA對軟件開發(fā)的決定性影響。
　　2SA教學內容討論
　　2.1軟件開發(fā)流程介紹
　　軟件開發(fā)流程包括：調研、立項、需求分析、總體設計、詳細設計、編碼、測試、產(chǎn)品化、結項、維護。同時教學中還概要介紹了開發(fā)工具、開發(fā)語言和開發(fā)方法學(瀑布、RUP、極限編程)，展示一個軟件開發(fā)實例。上述內容共計4學時。
　　盡管前期軟件工程課程中會介紹這方面的部分內容，仍有必要向學生指出SA設計在軟件開發(fā)中所處位置，為后面介紹SA對軟件開發(fā)各階段的影響奠定基礎，并通過實例演示，引起學生的興趣。
　　2.2SA概論
　　主要是關于SA的宏觀介紹，包括：編程語言的進化歷史、SA發(fā)展歷史、SA各種定義(含IEEE 14784MQYynKzSJup61h6TAiU9D1pCqFg/BaoGJrZbEPlZU=1-2000標準)及其存在問題、哪些因素會影響到SA及SA對其的反作用。共計4學時。
　　歷史介紹使學生了解SA學科發(fā)展的來龍去脈；定義、影響因素的介紹使學生意識到SA設計會受商業(yè)、架構師技能、前期產(chǎn)品架構等多因素影響，具有相當大的復雜性和不確定性。這個階段可以開始給學生布置軟件開發(fā)任務，讓他們自己先思考如何完成工作，逐漸從被動接受過渡到主動獲取知識。
　　2.3常見SA風格及應用實例
　　SA風格包括分層風格、管道—過濾器風格、黑板風格、代理風格、視圖—表示—控制器(MVC)風格、表示—抽象—控制(PAC)風格、微內核風格、反射風格、C/S 和B/S風格、P2P風格、面向對象風格、解釋器風格等，另外對應每一種SA風格都有應用案例。約12學時。
　　這部分是SA多年發(fā)展成果的一個總結，也是課程的一個重點。講解時，教師指出這些風格所適用的軟件系統(tǒng)類型，給出每種風格的應用實例，并用UML表示該風格(其中一些可布置為課后作業(yè))。同時提醒學生注意：1)這些風格屬于宏觀級別；2)風格之間不是嚴格獨立的；3)實際系統(tǒng)可能包含多種風格；4)開發(fā)軟件系統(tǒng)時，應當首先考慮這些成熟的風格，再根據(jù)具體情況加以修正和細化。
　　2.4SA描述及編檔
　　內容包括基于UML的SA描述、SA編檔和“4+1”SA視圖。4～6學時。
　　這部分涉及體系結構描述語言(ADLs)，但考察后發(fā)現(xiàn)，一方面，ADLs較枯燥，很難引起學生的興趣；另一方面，SA本身有著眾多不確定性，尤其是開發(fā)的初期階段，此時精確描述的SA會被修改多次，事實反倒是一些粗線條、不精確、不一致的SA內容真正在引導軟件開發(fā)前進；最后，當前ADLs自身存在很多不足，對實際軟件開發(fā)幾乎沒有影響。因此，本部分重點集中在怎樣用UML描述SA和SA文檔編檔上，對ADLs及用途僅做簡短介紹。從實用角度看，UML已經(jīng)發(fā)展了十多年，因方便與外界交流，被業(yè)界廣泛接受，學有所用。但是，僅用圖形符號來表述SA會帶來一些不確定性，因此還要補充適當符號、術語和原理等的文字說明，并從涉眾的不同視角出發(fā)，去關注SA。
　　
　　2.5質量屬性驅動的SA設計
　　內容包括：常見的質量屬性(可用性、可修改性、性能、安全性、易用性、可測試性等)及實現(xiàn)方法；理解屬性之間的權衡；列舉質量屬性應用案例；從質量屬性分析入手，設計SA并進一步求精。約8學時。
　　這部分除過讓學生了解實現(xiàn)質量屬性的基本戰(zhàn)術外，還要使其意識到尋找各種屬性之間的平衡，是架構師的重要責任。如何設計SA方法眾多，沒有統(tǒng)一途徑可循，介紹過多的設計方法，反而會讓學生感覺難以適從，因此重點講解基于質量屬性的設計方法。
　　2.6SA評估
　　內容包括架構權衡分析方法ATAM及案例。4學時。
　　評估方法還有許多，如軟件架構分析方法SAAM、成本收益分析方法CBAM等，各有所長。為集中注意力避免盲目學習，除ATAM外，我們對其余評估方法均只做概要介紹。
　　2.7SA設計及實現(xiàn)實例
　　
　　講授一個人工智能軟件的SA設計、評估、實現(xiàn)和編檔。約4學時。
　　本軟件在開學第一堂課就已經(jīng)向學生展示，在課程接近結尾時把其SA設計及實現(xiàn)過程講解給學生，前后呼應。好的實例勝過千言萬語，讓學生觀察體驗如何運用所學知識解決具體問題。
　　2.8SA前沿講座
　　邀請大公司軟件開發(fā)人員作講座，約4～6學時。講座內容包括：面向服務的體系架構SOA及Web Service；多核并行計算→集群→網(wǎng)格計算→物聯(lián)網(wǎng)→云計算；國外SA教學課程；國際知名專家關于SA的最新論文等。
　　這部分主要用于開闊學生視野。例如，學生看過微軟、谷歌、IBM等的“云”架構后，體會到盡管應用領域日新月異，SA的一些基本原理和方法仍然有效。專家論文中的觀點和方法對理解SA有很好的啟發(fā)效果，使學生把握到學科前沿動態(tài)，了解自己所處位置及努力方向。公司開發(fā)人員的講座是對課堂教學的有益補充，使學生了解實際軟件開發(fā)中問題，有針對性地進行學習。
　　2.9SA課程自學內容
　　自學內容有設計模式、軟件產(chǎn)品線、特定領域軟件體系結構(J2EE，WWW等)、SA重構等。
　　設計模式屬于軟件開發(fā)過程中的詳細設計部分，如果放在SA課程中會使內容過于龐大、流于形式，我們考慮將來開設單獨的課程。自學內容這塊我們要求學生查閱相關參考書，就其感興趣領域撰寫閱讀報告，深度上要求知曉主旨大義，略過細節(jié)。
　　2.10SA教材選取
　　到目前為止，SA課程沒有集大成的教材，國內外教材各有長處和不足。正因如此，我們決定不固定教材，要求學生遇到相關問題后，就同一問題查閱相應的中外參考資料[3-10]。
　　3實驗環(huán)節(jié)
　　實驗內容包括軟件可修改性實驗；動態(tài)人機交互界面實驗；管道—過濾器模式軟件的設計及實現(xiàn)；MVC風格軟件的設計與實現(xiàn)；主要SA風格的(UML)描述；人工智能軟件SA的設計(實現(xiàn))、評估、編檔。約20學時。
　　教師在對學生分組時候應注意人員搭配，根據(jù)情況及時調整，避免某些工作有的組進行不下去。學生分組后，按指定內容完成實驗，通過實驗使學生體會如何將理論轉換為實際軟件產(chǎn)品，掌握知識要點。根據(jù)學生特點，我們選取了難度和復雜度適中、包含人機交互的項目。每次實驗后組織課堂討論，交流經(jīng)驗體會。部分實驗內容如圖2～圖4所示。
　　圖2中顯示一個可修改軟件質量屬性場景，主要讓學生掌握如何利用軟件工程基本知識，靈活適應需求變化。這些知識包括信息隱藏原則、最小權限原則、基于函數(shù)的過程設計、面向對象設計等，它們不僅是計算機專業(yè)學生應當掌握的基礎知識，而且也貫穿SA設計實現(xiàn)、發(fā)展演化的全部過程。圖3顯示管道—過濾器SA風格有著眾多實際應用，如編譯器、示波器等數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)?；诋斀穸嗪颂幚砥鞯钠占埃覀冏寣W生設計實現(xiàn)一個多線程環(huán)境下的管道—過濾器風格軟件。圖4的MVC實驗目的是讓學生掌握人機交互軟件的SA設計和實現(xiàn)。實驗開始前教師將一些基礎的算法程序交給學生，然后讓他們按照MVC風格將這些程序組織起來，形成一個容易拓展的軟件架構。其他實驗還包括SA的設計、UML描述、評估、文檔制作，等等，內容涵蓋SA教學環(huán)節(jié)的各主要方面，有效配合課堂教學。
　　4結語
　　SA課程建設涉及內容繁多，今后我們還需在以下方面加強努力：1)教學、實驗案例及教材建設；2)從
　　
　　 SA到軟件實現(xiàn)，如何保證質量屬性一致性；3)如何使SA教學適應工業(yè)軟件產(chǎn)品開發(fā)的實戰(zhàn)需求等。SA正向成熟期過渡，課程建設將緊緊圍繞學科發(fā)展方向和社會需求而進行。
　　
　　參考文獻：
　　[1] Bourque