現代軟體工程 習而學的軟體工程教育

茅於軾先生寫了一篇部落格 ( http://blog.sina.com.cn/s/blog_49a3971d0102dufj.html ) 紀念茅以升先生提出的 習而學的工程教育:

把顛倒了的工程教育順序恢復過來，即他稱之謂“習而學的工程教育”。

以橋樑建築專業為例，大學一年級先學施工條例，二年級則學設計規範。這些學習內容不必解釋條例和規範的理論基礎，只說明其內在的聯絡。到三年級可以學結構力學，四年級則學微積分、線性代數、概率論和普通物理。但橋樑專業的微積分和物理學可以不同於機械系的，它們各有側重點，有各自的例題和習題。學生越是到高年級，越是明白自己在低年級所學的道理，也就明白還有哪些道理至今在科學上還沒有辦法解釋。於是學習成為一個自然的延續過程，成為一種終身的事業：活到老、學到老。

從我個人的學習和教學經歷來看, 我認為給學生具體的, 能實踐的, 能馬上看到因果關係的教材和練習, 是激發學生興趣, 好奇心, 求知慾的好方法。 我就是這樣學習程式設計和軟體開發的 (見下面的註解 三文魚模型)。  所以我對 “習而學”的方法很有好感。軟體工程有理論的部分, 有工程的部分; 有藝術的部分， 有手藝的部分; 在同學們達到理論/藝術的階段之前, 大量的練習是必須的。

大家不妨看看這個陶藝課的故事，把學生分成兩組，一組以出產的陶罐的量來評分，一組不要求數量, 純粹以質評分。一個學期後，真正好的陶藝作品反而是出現在那以量評分的組裡。各種道理值得大家思考。

抽象的理論和推導, 不是不能學, 但是我在學習和教學的過程中, 總是有 “學這些抽象的理論到底是為什麼? ” 的疑問。 有些學生非常喜歡理論, 或者有些學生能克服自己的厭惡情緒, 把理論和推導學好, 記牢, 至少到考試結束前,  像下面這個圖那樣。 這些學生的考試成績很好, 理論基礎也很紮實, 也許能在廣闊的 IT 行業找到自己的發展道路 (希望如此!)。

對於工程類的學科來說, 教導學生理論本身並非終點，引導學生將所學技能自如運用於現實世界才是我們的目標。 那怎麼引導呢? 大學老師們關心此事麼? 

 

最近軟體工程這一門學問在中國提升到了 “一級學科”, 我想起幾年前去某大學開會, 某軟體學院的老教授對大家說, 他一直在忙“一級學科” 的事兒, 大家問此事為何如此重要。 他說, 如果搞到一級學科, 他的博士生們答辯就不用去計算機系, 不用穿別人給的小鞋了!  我當時似懂非懂。 其實這事不光計算機界有，我所尊敬的科學家韋鈺老師在回憶她科研的經歷時說： ...

中國這個問題是很嚴重的。我們建立第一個學科的時候，我遇到了很大的困難。這些困難都不是來自政治界的，而是來自學術界本身，來自學術界某些權威。有位權威就是不同意給我立題和資助，說“你怎麼能研究這個，你怎麼能進到我的領域來” ...

 

後來看到更多中國高校的情況, 其實大家都在爭一個自己可以佔山為王的地界罷了。 至於科學啊, 培養人才啊, 技術的浪潮啊, 社會的進步啊... 呵呵. 

從我有限的瞭解來看, 大學的管理人員比較在乎自己的學校是哪個級別 (某部直屬/211/985/...),  一些大陸的科學家比較在乎自己的學科是局級還是廳級,  我不知道世界級的科學家是否在乎自己的學科是一級、二級、還是三級, 我也有幸和一些世界級的電腦科學家接觸過, 這個話題好像沒人提起過。 作為一個寫軟體為生的工程師, 我倒是想實驗一下, 如果我們用茅以升先生的 “習而學的工程教育”方法來改進軟體學院的教育模式, 會有什麼樣的情況。

 

我用一箇中國211大學的軟體學院的本科教學計劃為基礎 (此大學以工科見長, 印象中此學校水平應該在中國大陸排十名左右), 做了如下修改:

 

1. 把基礎實踐課放到大一, 一開始就要動手.
2. 所有的課程的上機時間都加倍, 相應減少授課時間。老師在講臺上反覆講 “陣列從0開始…”，不如在電腦上試試。 
3. 把 <計算機新技術與產業發展> 放到大一上學期, 並用 <浪潮之巔>, 等反映行業變化, 生動活潑的著作作為教材 (原教學計劃無教材)。  希望能讓大一的同學知道 “學計算機軟體能做什麼?”   “計算機行業是怎樣一個有意思的行業”。
4. 把基本的測試技術作為 “軟體測試技術入門”,  放到大一。 其餘的部分作為 <高階軟體測試技術>
5. 針對軟體工程的畢業生職業發展, 調整了兩門課程的 必修/選修性質。 (例如: 把 <形式化方法> 變為選修課, 把軟體專案管理, 人機互動技術變成必修課 )
6. 大部分數學和物理課都推遲一到兩個學年上課,  這樣到了大三同學們可以根據實踐的體會, 更好地學習。  另外有同學在大三時決定考研, 他們正好可以好好學習高等代數, 爭取考個好分數。如果是大一就學了, 那大四都忘了, 還要從頭學一遍, 浪費時間。 離散數學對於計算機軟體專業的學習還是很有用的, 仍然保持在第一學期。
7. 專業選修課放到大二下學期 - 大四上學期。
8. 在軟體工程課中, 強調團隊合作 (見講義) , 在其它程式語言課程中適當引入結對程式設計, 程式碼複審等方法。 [注4]
9. 對學生學習程式語言有明確程式碼量的要求.  (每種語言 3000 行以上.  程式行數不包括空行, 註釋行, 單字元行)。
10. 對學生要有明確的實訓/實習要求, 要到高水平的企業去, 而不是去低水平的企業混日子。 可以在短學期安排, 學生也可以自行安排。 [注3]
11. 爭取所有學生能用主流程式設計語言 (C, C++, Java, C#, 網頁前端語言 JS, php, 基本資料庫, 基本檔案系統) 寫實用的軟體。
12. 要求所有學生在入學時就建立一個自己的專業部落格, 記載自己的作業, 專業上的成長與體會, 畢業找工作時展現這個部落格即可。 
13. 教學資源的建設, 老師和學生一起, 持續地把關於這門課的課件/資料/問答 都彙集起來形成結構化的wiki.

 

表一是所有專業必修課的安排:

軟體工程 習而學的教學計劃									各學期周學時分配
									一年級		二年級			三年級			四年級
類別	名稱	學分	總學時	授課	實驗	上機	實踐	學期安排	上	下	短	上	下	短	上	下	短	上	下
必	計算機導論	1.5	24	18		6		1	1.5
必	資料結構 (C 語言)	4	64	48		16		1	4
必	計算機新技術與產業發展	1	16	16				1	1
必	數字邏輯	2	40	24	16			1	2
必	C/C++ 程式設計	3.5	64	48		16		2		4
必	組合語言程式設計	2	32	16		16		2		2
必	軟體測試技術入門	1	16	8		8		2		1
限選	Java語言程式設計	2	32	16		16		2		2
必	C++ 高階程式設計	3	56	40		16		3				3
必	計算機組成原理	4	64	52	12			3				4
限選	C# 與 .Net框架基礎	2	32	16		16		3				2
限選	Web 前端技術開發	3	48	24		24		4					3
必	作業系統實踐 (基於 Linux)	2	32	16		16		4					2
限選	人機互動技術	2	32	16		16		4					2
必	高階軟體測試技術	2	32	16		16		4					2
限選	移動平臺應用開發	2	32	16		16		5							2
必	資料庫原理及應用	3	48	32		16		5							3
必	計算機網路	3	48	32		16		5							3
限選	演算法分析	2	32	24		8		6								2
必	軟體工程	4	64	32		32		6								4
必	資訊保安技術	2	32	24		8		6								2
必	作業系統原理	3	48	40		8		7										3
必	編譯原理	3	56	40		16		7										3
必	軟體專案管理	2	32	24		8		7										2
必	畢業設計（論文或實際專案）	12	16周					8											12

限選意味著學生必須在幾門課中選擇。

 

表二是專業選修課的安排 (課程是學校提供的):

	課程	學分	總學時	授課	實驗	上機	實踐	學期
選	科技英語（英）A	1.5	24	16			8	4
選	計算機軟體日語基礎	2	32	32				4
選	嵌入式程式設計	2	32	24		8		4
選	人工智慧	2	32	24		8		5
選	計算機視覺	2	32	24		8		5
選	影象處理	2	32	24		8		5
選	科技英語（英）B	2	32	16			16	5
選	資料倉儲與資料探勘	2	32	24		8		6
選	虛擬化技術與雲端計算	1.5	32	16		16		6
選	地理資訊系統導論	2	32	24		8		6
選	系統模擬與虛擬現實	2	32	24		8		6
選	形式化方法	2.5	40	40				7
選	計算機圖形技術	2	32	24		8		7
選	平行計算	2	32	24		8		7

科技英語也要增加實踐的內容, 學生為什麼不能用學到的科技英語讀論文，寫摘要, 做翻譯, 寫部落格, 做英語課件?

 

表三是數學物理課程的安排:

軟體工程 習而學 教學安排 (數學物理)									各學期周學時分配
									一年級		二年級			三年級			四年級
類別	名稱	學分	總學時	授課	實驗	上機	實踐	學期安排	上	下	短	上	下	短	上	下	短	上	下
必	高等數學2A	5	80	80					2	3
必	高等數學2B	6	96	96											3	3
必	線性代數及其應用	3.5	56	56														3.5
必	離散數學導論1	3	48	48					3
必	概率論與數理統計1	3	48	48												3
必	大學物理2A-B	7	112	112									4		3
必	物理實驗A	1	27	3	24										1
必	物理實驗B	1	27		27											1

 

 

不應該忽略的還有必須學習的各種政治思想課:

課程性質	課程名稱	課程編號	學分	總學時	授課學時	實驗學時	上機學時	實踐學時	各學期周學時分配
									第一學年		第二學年			第三學年			第四學年
									1	2	短	1	2	短	1	2	短	1	2
			16	352	311			41
必	思想道德修養與法律基礎	5100055	3	48	48				3
必	中國近現代史綱要	2111139	2	32	30			2		2
必	馬克思主義基本原理	2111140	3	48	48							3
必	毛.澤.東思想、鄧.小.平理論與“三個代表”重要思想概論	2111141	6	96	57			39								3
必	形勢與政策教育	5100045-52	2	128	128				0.5	0.5		0.5	0.5

 

我對於政治思想課是外行, 唯一的建議是:  在上 <三個代表> 課程的時候, 要求學生針對校內的 IT 系統, 採訪群眾, 搞清楚下面的問題:

我校的資訊服務系統是否代表了先進生產力的發展要求?

是否代表先進文化的前進方向?

是否代表我校廣大師生的根本利益?

具體表現在哪裡?

然後發表部落格。

 

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注1:

“Learning by Doing” :

     我以前接觸過韋鈺老師的 “做中學”/ “Learning by Doing” 理念, 雖然它強調的是兒童和少年時期的學習, 但是我想這種方法對於任何年齡的人都適用。

 

注2:

大馬哈魚洄游模型, 三文魚模型 見部落格:

http://www.cnblogs.com/xinz/archive/2011/12/03/2274445.html 

 

注3:

有些人也許覺得這種方式太創新了,  其實加拿大的 滑鐵盧大學 計算機系 早就在做類似的事情, 甚至更工業化, 更系統化。 他們計算機系的學生本科就是一年有三個學期,  一個學期 (4 個月) 的課程學習, 然後接著一個學期的工作 (Co-op, internship, 實習生),  我的一個同事就是這樣完成本科教育 -  上了8個學期的課, 穿插了6 個學期的實習生工作。 官方介紹:

http://cecs.uwaterloo.ca/about/

 

注4:

我們都知道要練習,  但是怎麼練習?  這裡有探討:  http://www.douban.com/note/260623954/ 

引文: 學習科學大量研究表明，成人的最佳學習方式並非獨自練習，而是在情境中學習。有效學習是進入相關情景，找到自己的【學習共同體】，然後學習者剛開始圍繞重要成員轉，做一些外圍的工作，隨著技能增長，進入學習共同體圈子的核心，逐步做更重要的工作，最終成為專家。

這就是學習科學日益主流的觀念：從【情景學習】出發，當一名【認知學徒】，它的要點有：

* 找到學習共同體：因為大量知識存在於學習共同體的實踐中，不是書本中，所以有效的學習不是關門苦練，而是找到屬於自己的學習小團體。如程式設計師在類似於github這樣的網站練習程式設計。
* 隱性知識顯性化：隱性知識是使人們有能力利用概念、事實以及程式來解決現實問題的知識。
* 模仿榜樣：榜樣可以是現實生活中的導師，也可以是網上的導師；
* 培養多樣性：在多種情境中實踐，以此強調學習廣闊的應用範圍。如裁縫出師並不是已經練習了一萬小時，而是能夠縫製出足夠好的，各種各樣的衣服。