【课程编号】Z0201416

软件设计与体系结构

Software Design& Architecture

【学分】3      【学时】40      【性质】专业基础      【实验】8

 

（一）授课对象

四年制本科软件工程专业学生。

（二）课程的性质和地位

本课程是软件工程专业的一门专业基础课程。该课程在整个课程体系中处于承上启下的核心地位，它以高级程序设计、面向对象程序设计等课程的学习为基础，也是进一步学习软件测试与质量保证、软件分析与建模技术和软件项目管理等课程的基础。

（三）课程的教学目标

通过本课程学习，使学生掌握常见的软件设计模式和软件体系结构风格的概念、应用场景、解决方案和实现机制，具备针对复杂软件工程问题，给出满足要求的软件结构。（对应毕业要求：G1.2、G1.3、G2.2、G3.2、G3.3）

具体要求如下：

1. 理解并掌握常见的面向对象设计模式的问题描述、解决方案、实现效果；（G1.2）

2. 根据特定需求应用设计模式设计并实现软件模块，并测试验证模块的正确性。（G2.2 G3.2）

3. 理解并掌握常见的软件体系结构风格的结构、原理、特点及应用场景；（G1.3）

4. 根据特定需求，可以选择或设计出合适的软件体系结构，并验证其有效性（G2.2 G3.3）

（四）课程支撑的毕业要求

1.能对复杂软件工程计算系统和过程选择或建立适当的描述模型。（G1.2）

2.能够应用工程原理和专业知识分析工程问题的解决途径并进行改进；（G1.3）

3.能够针对软件工程问题或软件系统建立合适的模型，清晰地表达和描述复杂软件工程问题；（G2.2）

4.能针对特定需求完成软件模块的设计与实现，测试验证模块的正确性，并进行重构和优化。（G3.2）

5.能针对特定需求设计并实现功能完整的软件系统，包括软件整体架构设计、各模块及交互协议实现或选择、正确性验证、部署、运行和维护等。（G3.3）

毕业要求	毕业要求指标点	课程目标	权重
G1 工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂软件工程问题。	G1.2 能对复杂软件工程计算系统和过程选择或建立适当的描述模型	课程目标1	0.1
	G1.3能够应用工程原理和专业知识分析工程问题的解决途径并进行改进。	课程目标1	0.1
G2问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂软件工程问题，以获得有效结论。	G2.2能够针对软件工程问题或软件系统建立合适的模型，清晰地表达和描述复杂软件工程问题。	课程目标2课程目标4	0.2
G3设计/开发解决方案：能够设计针对复杂软件工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、模块或软件过程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。	G3.2能针对特定需求完成软件模块的设计与实现，测试验证模块的正确性，并进行重构和优化。	课程目标2	0.3
	G3.3 能针对特定需求设计并实现功能完整的软件系统，包括软件整体架构设计、各模块及交互协议实现或选择、正确性验证、部署、运行和维护等	课程目标4	0.3

 

（四）教学内容

1．软件设计模式概述（2学时）（G1.2）

教学内容：（1）软件设计模式的由来；（2）软件设计模式的概念及意义；（3）软件设计模式与软件体系结构关系；（4）软件设计模式的分类

教学目的与要求：

一般了解：软件设计模式由来；

基本掌握：软件设计模式的分类；

重点掌握：软件设计模式的概念及意义；理解软件设计模式与体系结构关系。

教学重点和难点

重点：软件设计模式的概念及意义；

难点：软件设计模式与软件体系结构关系；

2．创建型软件设计模式（6学时）（G2.2、G3.2）

教学内容：（1）工厂方法与抽象工厂模式；（2）生成器模式；（3）单例模式

教学目的与要求：

一般了解：生成器模式

基本掌握：简单工厂方法、工厂方法、单例模式

重点掌握：工厂方法与抽象模式的实现机理；

教学重点和难点

重点：理解并掌握简单工厂方法、工程方法和抽象方法模式应用的场景，以及三者之间的区别、优缺点。

难点：抽象工厂模式的实现机制、单例模式的多线程实现方式；

3．组合型软件设计模式（8学时）（G2.2、G3.2）

教学内容：（1）组合模式；（2）适配器模式；（3）外观模式；（4）桥接模式

教学目的与要求：

一般了解：组合模式

基本掌握：桥接模式

重点掌握：适配器模式、外观模式

教学重点和难点：

重点：理解并掌握适配器模式、外观模式应用场景和机制。

难点：桥接模式的应用场景和实现机理

4．行为型软件设计模式（8学时）（G2.2、G3.2）

教学内容：（1）迭代器模式；（2）访问者模式；（3）命令模式；（4）中介者模式；（5）策略模式；（6）状态模式

教学目的与要求：

一般了解：迭代器模式、命令模式

基本掌握：访问者模式、中介者模式

重点掌握：策略模式、状态模式

教学重点和难点：

重点：理解并掌握策略模式、外观模式应用场景和实现机制。

难点：桥接模式的应用场景和实现机理

5. 软件体系结构概述（2学时）（G3.1）

教学内容：（1）软件系统结构的概述；（2）软件体系结构的意义；（3）软件体系结构与软件质量属性；(4)软件体系结构风格

教学目的与要求：

一般了解：软件系统结构的概述；

基本掌握：软件体系结构与软件质量属性；

重点掌握：软件体系结构的意义；软件体系结构风格

教学重点和难点：

重点：理解和掌握软件体系结构的概念以及常见的软件体系结构风格。

难点：软件体系结构与软件质量属性；

6. 经典软件体系结构（10学时）（G2.2、G3.3）

教学内容：（1）调用-返回风格软件体系结构；（2）数据流风格软件系统结构；（3）事件系统软件体系结构；（4）层次软件体系结构；（5）MVC软件系统结构

一般了解：调用-返回风格软件体系结构；

基本掌握：数据流风格软件系统结构；

重点掌握：事件系统软件体系结构；层次软件体系结构；MVC软件系统结构

教学重点和难点：

重点：理解并掌握数据流风格、事件系统、层次结构和MVC软件体系结构的应用场景、相关概念和实现机制。

难点：MVC软件体系结构中各组件之间的关系；事件系统软件体系结构的实现机制

7. 基于网络的软件体系结构（4学时）（G2.2、G3.3）

教学内容：（1）客户端—服务器软件体系结构；（2）P2P软件体系结构；（3）网格计算软件体系结构；（4）SOA软件体系结构；（5）云计算软件体系结构

一般了解：云计算软件体系结构

基本掌握：P2P软件体系结构；网格计算软件体系结构；

重点掌握：客户端—服务器软件体系结构；SOA软件体系结构；

教学重点和难点：

重点：理解和掌握客户端—服务器软件体系结构、P2P软件体系结构和SOA软件体系结构各自的特点及其应用场景。

难点：云计算软件体系结构；

（六）教学实践环节安排

实验1 创建型设计模式

1、实验目的

(1) 熟练使用面向对象设计原则对系统进行重构；

(2) 熟练使用Power Designer和任意一种面向对象编程语言实现几种常见的创建型设计模式，包括简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式，理解每一种设计模式的模式动机，掌握模式结构，学习如何使用代码实现这些模式。

2、实验内容

使用简单工厂模式设计一个可以创建不同几何形状(Shape)，如圆形(Circle)、矩形(Rectangle)和三角形(Triangle)等的绘图工具类，每个几何图形均具有绘制Draw()和擦除Erase()两个方法，要求在绘制不支持的几何图形时，抛出一个UnsupportedShapeException异常，绘制类图并编程模拟实现

3、实验要求

(1) 选择合适的面向对象设计原则对系统进行重构，正确无误地绘制重构之后的类图；

(2) 结合实例，正确无误地绘制简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式和单例模式的模式结构图；

(3) 使用任意一种面向对象编程语言实现简单工厂模式、工厂方法模式、抽象工厂模式，代码运行正确无误。

实验2 结构型设计模式

1、实验目的

熟练使用Power Designer和任意一种面向对象编程语言实现几种常见的结构型设计模式，包括适配器模式、组合模式和外观模式，理解每一种设计模式的模式动机，掌握模式结构，学习如何使用代码实现这些模式。

2、实验内容

Windows Media Player和RealPlayer是两种常用的媒体播放器，它们的API结构和调用方法存在区别。现在你的应用程序需要支持这两种播放器API，而且在将来可能还需要支持新的媒体播放器，请问如何设计该应用程序？绘制类图并编程模拟实现。

3、实验要求

(1) 结合实例，正确无误地绘制适配器模式和外观模式的模式结构图；

(2) 使用任意一种面向对象编程语言实现适配器模式和外观模式实例，代码运行正确无误。

实验3 行为型设计模式

1、实验目的

熟练使用Power Designer和任意一种面向对象编程语言实现几种常见的行为型设计模式，包括访问者者模式和策略模式，理解每一种设计模式的模式动机，掌握模式结构，学习如何使用代码实现这些模式

2、实验内容

顾客在超市中将选择的商品，如苹果、图书等放在购物车中，然后到收银员处付款。在购物过程中，顾客需要对这些商品进行访问，以便确认这些商品的质量，之后收银员计算价格时也需要访问购物车内顾客所选择的商品。此时，购物车作为一个ObjectStructure（对象结构）用于存储各种类型的商品，而顾客和收银员作为访问这些商品的访问者，他们需要对商品进行检查和计价。不同类型的商品其访问形式也可能不同，如苹果需要过秤之后再计价，而图书不需要。使用访问者模式来设计该购物过程。

3、实验要求

(1) 结合实例，正确无误地绘制访问者模式和策略模式的模式结构图；

(2) 使用任意一种面向对象编程语言实现访问者模式和策略模式实例，代码运行正确无误。

实验4 行为型设计模式

1、实验目的

熟练使用Power Designer和任意一种面向对象编程语言实现几种常见的行为型设计模式，包括访问者模式、策略模式和状态模式，理解每一种设计模式的模式动机，掌握模式结构，学习如何使用代码实现这些模式。

2、实验内容

在某论坛系统中，用户可以发表留言，发表留言将增加积分；用户也可以回复留言，回复留言也将增加积分；用户还可以下载文件，下载文件将扣除积分。该系统用户分为三个等级，分别是新手、高手和专家，这三个等级对应三种不同的状态，这三种状态分别定义如下：

(1) 如果积分小于100分，则为新手状态，用户可以发表留言、回复留言，但是不能下载文件。如果积分大于等于1000分，则转换为专家状态；如果积分大于等于100分，则转换为高手状态。

(2) 如果积分大于等于100分但小于1000分，则为高手状态，用户可以发表留言、回复留言，还可以下载文件，而且用户在发表留言时可以获取双倍积分。如果积分小于100分，则转换为新手状态；如果积分大于等于1000分，则转换为专家状态；如果下载文件后积分小于0，则不能下载该文件。

(3) 如果积分大于等于1000分，则为专家状态，用户可以发表留言、回复留言和下载文件，用户除了在发表留言时可以获取双倍积分外，下载文件只扣除所需积分的一半。如果积分小于100分，则转换为新手状态；如果积分小于1000分，但大于等于100，则转换为高手状态；如果下载文件后积分小于0，则不能下载该文件。

请使用状态模式模拟实现论坛系统

3、实验要求

(1) 结合实例，正确无误地绘制状态模式的结构图；

(2) 使用任意一种面向对象编程语言实现状态模式实例，代码运行正确无误。

（七）教学方式与习题要求

在教学过程中主要采用了“项目驱动”教学法和“启发式学习”教学法。理论教学，使用“项目驱动”教学法。 通过精选案例、分解任务、讲练有机融合，将相关知识点融入项目，通过项目实现，让学生掌握软件体系结构的概念、原理、方法和技术，并对软件设计有一个直观和更加感性的认识，使学生能够积极参与整个教学过程。

每章应布置一定数量的习题，习题出自教材，并在课堂上讲解。

（八）考核办法

考核分为两部分，形成性考核和总结性考核。形成性考核包括作业、实验，总结性考核采用闭卷考试形式对学生进行考核，学生的最终成绩评定按总结性考核成绩占80%，形成性考核成绩占20%进行统计。

按毕业要求权重分布的考核组成如下表所示：

考核类型		G1.2	G1.3	G2.2	G3.2	G3.3	合计
形成性考核（20分）	课程实验	2	2	4	6	6	20
总结性考核（80分）	知识类考题	6	6	12	18	18	60
	分析类考题	2	2	4	6	6	20
总计		10	10	20	30	30	100

 

（八）推荐教材或讲义及主要参考书

1． 孙玉山,刘旭东著：《软件设计模式与体系结构》，高等教育出版社，2013年。

2． Len Bass, Paul Clements,Rick Kazman著：《软件构架实践》(第三版，影印版)，清华大学出版社，2013年

3．Erich Gamma,Richard Helm,Ralph Johnson著：《设计模式》，机械工业出版社，2003年。

4．张友生等：《软件体系结构》，清华大学出版社，2006年。

（九）学时分配

序号	教学内容	学时分配	其中
			讲授	实验	上机	其它实践
1	软件设计模式概述	2	2
2	创建型设计模式	6	4	2
3	结构型软件设计模式	8	6	2
4	行为型软件设计模式	8	6	2
5	软件体系结构概述	2	2
6	经典软件体系结构	10	8	2
7	基于网络的软件体系结构	4	4
合计		40	32	8