軟件工程中計(jì)算思維研究論文
在新的技術(shù)革命的推動(dòng)下，產(chǎn)業(yè)升級(jí)、科技創(chuàng)新、市場優(yōu)化的周期越來越短，我們的社會(huì)達(dá)到了前所未有的智能化、信息化的水平。下面是小編搜集整理的軟件工程中計(jì)算思維研究論文，歡迎大家閱讀參考。
軟件工程中計(jì)算思維研究
摘要：計(jì)算思維能力的培養(yǎng)需要選擇適當(dāng)?shù)恼n程知識(shí)作為載體，并在教與學(xué)的過程中有意識(shí)、有計(jì)劃地展開。文章通過分析軟件工程課程的基本知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維能力點(diǎn)之間的關(guān)系，探討了《軟件工程》教學(xué)過程中計(jì)算思維能力培養(yǎng)的策略和方法。
關(guān)鍵詞：軟件工程;計(jì)算思維;能力培養(yǎng)
一、引言
2010年，教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)編制的《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才專業(yè)能力構(gòu)成與培養(yǎng)》中指出，計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的專業(yè)基本能力主要包括計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力、系統(tǒng)能力[1]。在教學(xué)過程中，如何培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基本能力需要我們進(jìn)行深入的探討和研究。軟件工程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)的專業(yè)必修課，具有綜合性、實(shí)踐性和工程性特點(diǎn)，它涉及軟件技術(shù)、方法和管理等各個(gè)方面。軟件工程課程的教學(xué)目標(biāo)，是使學(xué)生理解和掌握軟件工程的基本思想、方法和技術(shù)，能夠?qū)?shí)際問題進(jìn)行需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編碼測試，學(xué)會(huì)軟件開發(fā)的方法和過程;能夠綜合應(yīng)用前修課程知識(shí)，并將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，應(yīng)用到實(shí)際問題的開發(fā)過程中。這一教學(xué)目標(biāo)與計(jì)算機(jī)專業(yè)能力的培養(yǎng)目標(biāo)是一致的，因此，軟件工程的教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基本能力起著非常重要的作用。文章重點(diǎn)探討計(jì)算思維能力的培養(yǎng)問題。首先概述計(jì)算思維和計(jì)算思維能力的內(nèi)涵，然后分析軟件工程課程知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維能力點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后探討如何在軟件工程課程的教學(xué)過程中滲透計(jì)算思維方法，通過理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，進(jìn)而提高學(xué)生的工程素質(zhì)。
二、計(jì)算思維
計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[2]。計(jì)算思維是利用計(jì)算機(jī)解決實(shí)際問題的思維方法，它的本質(zhì)是抽象(Abstract)和自動(dòng)化(Automation)。典型的計(jì)算思維包括一系列廣泛的計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維方法：遞歸、抽象、分解、關(guān)注點(diǎn)分離、約簡、迭代、預(yù)置和緩存、保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、回溯、糾錯(cuò)和恢復(fù)等等。計(jì)算思維能力是指人們運(yùn)用計(jì)算思維方法思考的能力。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)，計(jì)算思維能力主要包括問題及問題求解過程的符號(hào)表示、邏輯思維與抽象思維、形式化證明、建立模型、實(shí)現(xiàn)類計(jì)算和模型計(jì)算、利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等[1]。這些能力的培養(yǎng)需要以課程知識(shí)為載體，在教師有意識(shí)、有計(jì)劃的引導(dǎo)下，在不斷的實(shí)踐過程中進(jìn)行實(shí)施。
三、軟件工程課程知識(shí)點(diǎn)分析
軟件工程是研究軟件開發(fā)和軟件管理的一門工程學(xué)科，它主要包括技術(shù)和管理兩方面的內(nèi)容。在新建本科院校的'計(jì)算機(jī)類專業(yè)，軟件工程課程重點(diǎn)講授軟件技術(shù)方面的知識(shí)，包括軟件工程基本概念、基本原理和基本方法，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題的方法和步驟，使學(xué)生掌握軟件開發(fā)各個(gè)階段規(guī)范的方法、工具和過程。軟件工程知識(shí)體系主要有結(jié)構(gòu)化方法和面向?qū)ο蠓椒▋纱蟛糠�，下面重點(diǎn)分析兩種軟件開發(fā)方法涉及的知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維能力點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。
3.1面向過程方法知識(shí)點(diǎn)分析
結(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)方法的主要過程是：需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編碼測試、運(yùn)行維護(hù)，每個(gè)階段都要遵循規(guī)范的方法和步驟，通過嚴(yán)格的評(píng)審后才能開始下個(gè)階段的工作。各個(gè)階段的主要知識(shí)點(diǎn)為：①需求分析：主要包括數(shù)據(jù)分析、功能分析和狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析。數(shù)據(jù)分析是對(duì)軟件要處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)實(shí)體及其屬性，并分析實(shí)體之間的關(guān)系，建立數(shù)據(jù)模型;功能分析是按數(shù)據(jù)流的處理過程對(duì)軟件的功能進(jìn)行分析，建立功能模型;狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析是對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，確定引發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的事件及分析狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程，建立行為模型。②系統(tǒng)設(shè)計(jì)：主要包括概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。概要設(shè)計(jì)完成體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)，按功能分析的結(jié)果將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干個(gè)簡單模塊，并確定各個(gè)模塊之間的接口形式;詳細(xì)設(shè)計(jì)完成各個(gè)模塊的算法設(shè)計(jì)，通常用流程圖或盒圖表示。③編碼測試：主要包括編碼規(guī)范和測試技術(shù)。編碼規(guī)范主要是程序設(shè)計(jì)風(fēng)格和編寫程序代碼的規(guī)范，編寫規(guī)范的程序代碼實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能;測試技術(shù)主要包括白盒測試技術(shù)和黑盒測試技術(shù)，設(shè)計(jì)合理的測試用例對(duì)軟件進(jìn)行模塊測試、組裝測試、確認(rèn)測試和系統(tǒng)測試，保證軟件的質(zhì)量。④運(yùn)行維護(hù)：主要包括運(yùn)行程序和軟件維護(hù)活動(dòng)。在用戶的實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行程序，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后調(diào)試程序，改正軟件錯(cuò)誤，完善系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，滿足用戶的需求。在基于結(jié)構(gòu)化方法開發(fā)軟件過程中，涉及到大量的計(jì)算思維方法：在需求分析階段，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行簡化、抽取問題的本質(zhì)，應(yīng)用了約簡、抽象方法;在概要設(shè)計(jì)階段，將復(fù)雜問題分解為若干個(gè)簡單問題，用到關(guān)注點(diǎn)分離方法;數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)用到抽象和分解的方法;在調(diào)試程序的過程中，從發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的地方開始，沿程序的控制流往回追蹤分析程序代碼，直到找到錯(cuò)誤，體現(xiàn)了回溯方法的應(yīng)用。應(yīng)用計(jì)算思維方法開發(fā)軟件，能夠訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算思維能力。例如：需求分析階段的數(shù)據(jù)流圖、實(shí)體關(guān)系圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，設(shè)計(jì)階段的層次結(jié)構(gòu)圖、算法流程圖，編碼階段的程序代碼都是分析問題和求解問題的符號(hào)表示，分析和設(shè)計(jì)的過程就是邏輯思維與抽象思維的過程，需求分析過程就是建立模型的過程，由此可見，軟件工程的知識(shí)點(diǎn)與計(jì)算思維的能力點(diǎn)是相互關(guān)聯(lián)的。
3.2面向?qū)ο笾R(shí)點(diǎn)分析
面向?qū)ο筌浖_發(fā)方法的主要過程是：需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編碼測試、運(yùn)行維護(hù)。但與結(jié)構(gòu)化方法相比，面向?qū)ο蠓椒ǖ奶攸c(diǎn)是按對(duì)象分解系統(tǒng)，更符合人類認(rèn)識(shí)問題和解決問題的一般方法和過程。主要知識(shí)點(diǎn)為：①面向?qū)ο蠓治觯褐饕▽?duì)象分析、功能分析和狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析。對(duì)要處理的對(duì)象、類及接口進(jìn)行分析建立對(duì)象模型，用類圖描述;從用戶的角度分析系統(tǒng)的功能，建立用例模型，用用例圖描述;分析系統(tǒng)的交互作用及狀態(tài)轉(zhuǎn)換，建立動(dòng)態(tài)模型，用狀態(tài)圖、順序圖描述。②面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)：主要包括體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及類設(shè)計(jì)。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)用戶的需求選擇體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架;對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有問題域子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)、任務(wù)管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng);類設(shè)計(jì)以問題領(lǐng)域的對(duì)象設(shè)計(jì)為核心，設(shè)計(jì)出詳細(xì)的對(duì)象模型。③面向?qū)ο髮?shí)現(xiàn)：主要包括編寫程序代碼和軟件測試。編寫類、接口、包都要遵循規(guī)范的命名規(guī)則和編程風(fēng)格，做到源程序文檔化和數(shù)據(jù)說明標(biāo)準(zhǔn)化。軟件測試主要是類測試和系統(tǒng)測試。④面向?qū)ο缶S護(hù)：與結(jié)構(gòu)化方法類似，面向?qū)ο缶S護(hù)也是對(duì)軟件在投入運(yùn)行之后出現(xiàn)各種錯(cuò)誤進(jìn)行調(diào)試和糾錯(cuò)，完善軟件的功能，滿足用戶的需求。面向?qū)ο蟮男枨蠓治鲞^程是建立對(duì)象模型、用例模型和動(dòng)態(tài)模型的過程，對(duì)象分析過程是一個(gè)典型的抽象過程;功能分析將系統(tǒng)抽象和分解為若干個(gè)用例，是抽象和分解、關(guān)注點(diǎn)分離方法的典型應(yīng)用;面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是在需求分析的基礎(chǔ)上多次反復(fù)迭代的演化過程，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也用到抽象和分解、關(guān)注點(diǎn)分離方法。這些計(jì)算思維方法的應(yīng)用對(duì)應(yīng)著問題求解過程的符號(hào)表示、邏輯思維與抽象思維、建立模型、實(shí)現(xiàn)類計(jì)算和模型計(jì)算、利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等計(jì)算思維能力點(diǎn)，通過面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)軟件，達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維能力的目的。
四、培養(yǎng)學(xué)生思維能力探究
以課程知識(shí)為載體，重點(diǎn)從意識(shí)、理解、實(shí)踐三個(gè)層次入手，循序漸進(jìn)的提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維方法解決實(shí)際問題的能力。
4.1強(qiáng)調(diào)思維能力的重要性
從筆者有關(guān)計(jì)算思維調(diào)研結(jié)果來看，大部分學(xué)生不了解計(jì)算思維的概念，在分析問題和解決實(shí)際問題的過程中，不會(huì)應(yīng)用計(jì)算思維方法，即使用到一些計(jì)算思維方法也是無意識(shí)的。因此，在課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)過程中，要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，教師要將課程知識(shí)與實(shí)際問題緊密結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有意識(shí)地、系統(tǒng)地講解計(jì)算思維的方法，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維方法在求解實(shí)際問題中的重要地位。
4.2采用案例教學(xué)
在教學(xué)過程中，選擇一個(gè)學(xué)生比較熟悉的應(yīng)用系統(tǒng)，如學(xué)生成績管理系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)等，以這個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程貫穿教學(xué)始終，有計(jì)劃、有意識(shí)地講解計(jì)算思維方法在系統(tǒng)開發(fā)各個(gè)階段的應(yīng)用，讓學(xué)生領(lǐng)悟計(jì)算思維方法，理解計(jì)算思維方法在實(shí)際問題中的應(yīng)用。通過需求分析訓(xùn)練學(xué)生的抽象思維和建立模型能力。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)訓(xùn)練學(xué)生的邏輯思維能力。通過編寫程序訓(xùn)練學(xué)生用符號(hào)表示問題及問題求解過程的能力。通過對(duì)實(shí)際項(xiàng)目的分析，讓學(xué)生理解利用計(jì)算機(jī)求解問題的典型方法和過程。
4.3重視實(shí)踐教學(xué)
軟件工程課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)可分為課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩部分。課堂上的案例教學(xué)有助于學(xué)生形成計(jì)算思維的意識(shí)，理解計(jì)算思維在實(shí)際問題中的應(yīng)用。課程實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生以小組的形式模擬案例開發(fā)一個(gè)簡單的系統(tǒng)，小組成員分工合作，應(yīng)用計(jì)算思維方法完成需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編碼測試過程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能。課程設(shè)計(jì)是在課程結(jié)束后進(jìn)行的綜合性的實(shí)踐環(huán)節(jié)，訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、應(yīng)用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等。此外，通過實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合性的實(shí)踐環(huán)節(jié)，以及大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、程序設(shè)計(jì)大賽等活動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化、提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。
五、結(jié)語
計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不可能通過一門課程完成，需要通過系列課程有意識(shí)、有計(jì)劃、持續(xù)地訓(xùn)練。文章對(duì)如何在軟件工程的教學(xué)過程中滲透計(jì)算思維方法，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力做了一些初步的探討，實(shí)踐表明，將計(jì)算思維方法融入課程的教學(xué)過程中，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和計(jì)算思維能力，對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)大有裨益。
參考文獻(xiàn)：
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