王 帥，劉 磊

（淮北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

Java程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)能夠有效培養(yǎng)學(xué)生在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的核心編程能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。Java作為一門(mén)廣泛應(yīng)用于企業(yè)級(jí)軟件開(kāi)發(fā)的編程語(yǔ)言，具有豐富的生態(tài)系統(tǒng)和強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性，使得掌握J(rèn)ava編程技能成為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的必備技能之一[2]。通過(guò)Java課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將深入理解面向?qū)ο缶幊趟枷?、掌握基本編程概念和技術(shù)，學(xué)習(xí)如何構(gòu)建可擴(kuò)展、可維護(hù)和高性能的應(yīng)用程序[3]。同時(shí)，Java課程還培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題解決能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和軟件開(kāi)發(fā)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4]，為學(xué)生在職業(yè)生涯中應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)和機(jī)遇奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。無(wú)論是從就業(yè)市場(chǎng)的需求角度，還是從個(gè)人技能成長(zhǎng)的角度來(lái)看，Java課程的學(xué)習(xí)具有重要的意義。

與其他編程語(yǔ)言相比，Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言具有一些顯著的差異[5-7]，從動(dòng)手能力培養(yǎng)和企業(yè)需求的角度來(lái)看，傳統(tǒng)Java程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些問(wèn)題[8-11]。首先，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往過(guò)于側(cè)重理論知識(shí)的傳授，缺乏充分的實(shí)踐環(huán)節(jié)。學(xué)生可能只是被要求編寫(xiě)一些簡(jiǎn)單的代碼片段或完成一些基本功能，而缺乏真實(shí)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的體驗(yàn)。這使得學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中缺乏動(dòng)手能力和實(shí)際問(wèn)題解決的經(jīng)驗(yàn)。其次，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往缺乏與企業(yè)需求的銜接。在現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境中，企業(yè)更加注重學(xué)生實(shí)際開(kāi)發(fā)能力和工作經(jīng)驗(yàn)。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通常過(guò)于簡(jiǎn)單和理論化，無(wú)法滿足企業(yè)對(duì)學(xué)生實(shí)際要求。學(xué)生可能無(wú)法獲得在真實(shí)項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)和協(xié)作所需的技能和經(jīng)驗(yàn)，這在就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中可能對(duì)學(xué)生就業(yè)前景產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中缺乏與實(shí)際開(kāi)發(fā)流程和工具的對(duì)接。在實(shí)際工作中，團(tuán)隊(duì)協(xié)作、版本控制、測(cè)試和部署等環(huán)節(jié)是非常重要的。然而，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)接觸這些工具和流程，缺乏相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這使得學(xué)生在進(jìn)入職場(chǎng)后需要額外時(shí)間和精力去適應(yīng)實(shí)際開(kāi)發(fā)環(huán)境，增加學(xué)生的就業(yè)壓力。

測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)（Test-Driven Development，TDD）作為一種敏捷開(kāi)發(fā)方法，強(qiáng)調(diào)在編寫(xiě)代碼之前先編寫(xiě)測(cè)試用例，然后逐步實(shí)現(xiàn)代碼以滿足測(cè)試要求。引入TDD可以強(qiáng)調(diào)測(cè)試的重要性，提高學(xué)生編寫(xiě)代碼質(zhì)量和測(cè)試技能。也能使學(xué)生更好理解代碼的設(shè)計(jì)和邏輯，培養(yǎng)其解決問(wèn)題和分析需求的能力。此外，TDD還可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用面向?qū)ο缶幊淘瓌t，如單一職責(zé)原則和依賴(lài)倒置原則。通過(guò)引入TDD，學(xué)生可以提前思考并明確代碼的預(yù)期行為，加強(qiáng)對(duì)需求的理解和設(shè)計(jì)的思考，從而提高代碼的可靠性和可擴(kuò)展性。

針對(duì)傳統(tǒng)Java 實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一些不足之處，文章嘗試將測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)引入到Java 程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

TDD 是一種軟件開(kāi)發(fā)方法論，其核心理念是在編寫(xiě)功能代碼之前先編寫(xiě)測(cè)試代碼[12-14]。通過(guò)TDD，開(kāi)發(fā)人員可通過(guò)明確的需求和預(yù)期行為來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，提高代碼質(zhì)量和可維護(hù)性。

TDD工作流程如圖1所示：首先，開(kāi)發(fā)人員根據(jù)需求編寫(xiě)一個(gè)測(cè)試用例，描述所期望的功能或行為。然后，開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)最小化代碼來(lái)滿足這個(gè)測(cè)試用例，使其通過(guò)測(cè)試。接下來(lái)進(jìn)行代碼重構(gòu)，優(yōu)化代碼結(jié)構(gòu)和性能，同時(shí)確保測(cè)試仍然通過(guò)。這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)，每次迭代都會(huì)增加新測(cè)試用例，逐步構(gòu)建出完備且可靠的代碼庫(kù)。

圖1 測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)流程

通過(guò)TDD，開(kāi)發(fā)人員將重點(diǎn)放在測(cè)試上，強(qiáng)調(diào)代碼可測(cè)試性和可驗(yàn)證性。這有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題和錯(cuò)誤，降低在后期修復(fù)漏洞和缺陷所需的成本和工作量。TDD還促使開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)清晰、模塊化和可重用代碼，提高代碼可讀性和可維護(hù)性。

TDD的優(yōu)勢(shì)不僅在于提供高質(zhì)量代碼，還通過(guò)反饋機(jī)制增強(qiáng)開(kāi)發(fā)人員的自信。通過(guò)頻繁運(yùn)行測(cè)試，開(kāi)發(fā)人員可以快速獲得關(guān)于代碼功能正確性的反饋，及早發(fā)現(xiàn)和修復(fù)問(wèn)題。同時(shí)，測(cè)試也成為代碼文檔的一部分，對(duì)代碼行為進(jìn)行清晰的定義和描述。

測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)是一種強(qiáng)調(diào)測(cè)試先行的軟件開(kāi)發(fā)方法，通過(guò)編寫(xiě)測(cè)試用例來(lái)驅(qū)動(dòng)功能代碼編寫(xiě)和優(yōu)化，提供一種系統(tǒng)化的方式來(lái)構(gòu)建高質(zhì)量、可維護(hù)的軟件，同時(shí)增強(qiáng)開(kāi)發(fā)人員的自信和代碼質(zhì)量意識(shí)。

2 測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)在Java程序設(shè)計(jì)課程中應(yīng)用

利用TDD 的原則和方法，可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)和技能[15-16]?；赥DD迭代式開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2所示的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

圖2 TDD在Java實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

以下是將TDD應(yīng)用到Java程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的步驟和建議。

2.1 根據(jù)Java程序設(shè)計(jì)課程大綱，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

首先明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和學(xué)習(xí)要點(diǎn)。考慮學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)需掌握的知識(shí)、技能和概念，這有助于定義實(shí)驗(yàn)范圍和內(nèi)容。

2.2 選擇適當(dāng)問(wèn)題或案例

選擇一個(gè)適合問(wèn)題或案例作為實(shí)驗(yàn)背景。確保問(wèn)題或案例能夠涵蓋實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并具有一定復(fù)雜性，以激發(fā)學(xué)生思考和探索。一個(gè)恰當(dāng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景可以激發(fā)學(xué)生興趣，幫助學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能，增加學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和參與度。

2.3 定義測(cè)試用例

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和問(wèn)題定義1組測(cè)試用例，以驗(yàn)證學(xué)生編寫(xiě)代碼正確性并測(cè)試其功能。測(cè)試用例應(yīng)具體、可測(cè)量，并覆蓋實(shí)驗(yàn)要求的各個(gè)方面。以下是一些指導(dǎo)原則用來(lái)定義測(cè)試用例。

1）圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和要求。仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和需求文檔，確定需要的測(cè)試功能或模塊，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和要求定義測(cè)試用例。

2）考慮邊界條件。測(cè)試用例應(yīng)該覆蓋各種可能邊界條件，例如，如果涉及到輸入范圍，應(yīng)包括最小值、最大值、邊界值等。

3）考慮異常情況。測(cè)試用例應(yīng)該包括對(duì)可能異常情況的測(cè)試，例如，輸入為空、輸入無(wú)效、操作失敗等情況。

4）考慮功能組合。如果實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)功能組合，測(cè)試用例應(yīng)覆蓋不同組合情況，以驗(yàn)證功能之間的交互性和正確性。

5）使用者的角度。測(cè)試用例應(yīng)該從最終用戶(hù)角度來(lái)定義，考慮用戶(hù)可能會(huì)遇到的使用場(chǎng)景和需求，編寫(xiě)相應(yīng)測(cè)試用例。

6）遵循測(cè)試金字塔原則。測(cè)試用例應(yīng)包括大量單元測(cè)試和集成測(cè)試，以及少量的端到端測(cè)試，確保測(cè)試用例層次結(jié)構(gòu)合理，覆蓋范圍適當(dāng)。

7）檢查代碼覆蓋率。確保測(cè)試用例能夠達(dá)到一定代碼覆蓋率，使用代碼覆蓋率工具，如JaCoCo，來(lái)分析測(cè)試覆蓋率，并根據(jù)結(jié)果補(bǔ)充缺失的測(cè)試用例。

8）反復(fù)迭代和更新。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，不斷迭代和更新測(cè)試用例，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題、學(xué)生的反饋和改進(jìn)的代碼，及時(shí)更新測(cè)試用例以確保其有效性。

2.4 提供起始代碼和框架

為學(xué)生提供一個(gè)基礎(chǔ)起始代碼和框架，包含必要的類(lèi)、函數(shù)和接口等。這些代碼可以作為學(xué)生開(kāi)始編寫(xiě)測(cè)試用例和實(shí)現(xiàn)代碼的起點(diǎn)。鑒于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)有限，起始代碼和框架使得學(xué)生能夠?qū)Ｗ⒂趯?shí)驗(yàn)的核心目標(biāo)，而不必從頭開(kāi)始構(gòu)建整個(gè)程序。通過(guò)這種方式，學(xué)生可以更快地理解問(wèn)題本質(zhì)，并在指導(dǎo)下逐步完善代碼，實(shí)現(xiàn)所需功能。起始代碼和框架還可以幫助學(xué)生遵循良好編程實(shí)踐，如模塊化、封裝和代碼復(fù)用，使學(xué)生在編寫(xiě)代碼時(shí)養(yǎng)成良好習(xí)慣。

2.5 要求先編寫(xiě)測(cè)試用例

要求學(xué)生先編寫(xiě)測(cè)試用例來(lái)驗(yàn)證代碼。鼓勵(lì)學(xué)生思考并設(shè)計(jì)完善的測(cè)試用例，以覆蓋各種可能的情況和邊界條件。這種方法鼓勵(lì)學(xué)生從程序的使用者角度思考，明確代碼預(yù)期行為，并通過(guò)編寫(xiě)測(cè)試用例來(lái)驗(yàn)證代碼能否按照預(yù)期工作。此外，編寫(xiě)測(cè)試用例還能幫助學(xué)生提前發(fā)現(xiàn)和糾正代碼中的錯(cuò)誤，提高代碼的質(zhì)量和可靠性。通過(guò)這種反復(fù)迭代過(guò)程，學(xué)生可以逐步完善代碼，并對(duì)代碼的作用和行為有更全面的了解。

2.6 學(xué)生編寫(xiě)最小化代碼

要求學(xué)生只編寫(xiě)最小化代碼來(lái)使一個(gè)或多個(gè)測(cè)試用例通過(guò)。鼓勵(lì)學(xué)生保持代碼的簡(jiǎn)潔性和最小化，只關(guān)注目前正在實(shí)現(xiàn)的功能。通過(guò)這種方式，學(xué)生被迫將注意力集中在解決問(wèn)題的關(guān)鍵方面，而不是陷入過(guò)度設(shè)計(jì)或不必要的功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)解決一個(gè)或多個(gè)測(cè)試用例，學(xué)生能夠快速迭代和驗(yàn)證解決方案，并及時(shí)獲得反饋。這樣的實(shí)踐有助于學(xué)生逐步建立自信心，并逐漸增加解決問(wèn)題的能力。此外，只編寫(xiě)最小化代碼還有助于培養(yǎng)學(xué)生的模塊化思維，使學(xué)生能夠?qū)?wèn)題分解為更小的可管理部分，并逐步構(gòu)建起完整解決方案。

2.7 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行迭代和重構(gòu)

在測(cè)試通過(guò)后，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行代碼重構(gòu)和優(yōu)化，以提高代碼可讀性、可維護(hù)性和性能。學(xué)生可以使用更清晰、更一致的命名和注釋使代碼更易于理解，并通過(guò)減少冗余，提取可重用的部分來(lái)增強(qiáng)代碼可維護(hù)性。

2.8 提供反饋和評(píng)估

在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，提供反饋和評(píng)估，包括對(duì)編寫(xiě)測(cè)試用例和代碼質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并給予相應(yīng)的建議和指導(dǎo)。

通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以在實(shí)踐中深入了解測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)原則，同時(shí)學(xué)習(xí)和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)和技能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容結(jié)合實(shí)際問(wèn)題和測(cè)試，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題解決和軟件開(kāi)發(fā)能力。

3 實(shí)驗(yàn)案例分析

在基于測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的Java實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，以計(jì)算器為例來(lái)說(shuō)明該方法的應(yīng)用。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將通過(guò)TDD步驟逐步開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算器應(yīng)用程序。

首先，學(xué)生需要定義測(cè)試用例來(lái)描述計(jì)算器的不同功能和預(yù)期的輸出結(jié)果。例如，學(xué)生可以編寫(xiě)測(cè)試用例來(lái)驗(yàn)證加法、減法、乘法和除法等基本運(yùn)算的正確性，以及邊界情況的處理。每個(gè)測(cè)試用例應(yīng)包括輸入數(shù)據(jù)和預(yù)期輸出結(jié)果。接下來(lái)，學(xué)生根據(jù)測(cè)試用例編寫(xiě)測(cè)試代碼。使用JUnit等測(cè)試框架來(lái)創(chuàng)建測(cè)試用例，并為每個(gè)測(cè)試用例編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法。在測(cè)試方法中，學(xué)生需要編寫(xiě)代碼來(lái)調(diào)用計(jì)算器相應(yīng)功能，并與預(yù)期輸出結(jié)果進(jìn)行斷言比較，以判斷測(cè)試是否通過(guò)。

然后，學(xué)生根據(jù)測(cè)試代碼逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算器功能。在每個(gè)功能實(shí)現(xiàn)之前，應(yīng)該先運(yùn)行相關(guān)測(cè)試用例，以確保代碼功能正確。如果測(cè)試未通過(guò)，學(xué)生需要修改代碼以滿足測(cè)試要求。通過(guò)不斷迭代測(cè)試、編碼和修復(fù)過(guò)程，學(xué)生逐步完善計(jì)算器應(yīng)用程序?？梢酝ㄟ^(guò)添加新的測(cè)試用例來(lái)覆蓋更多場(chǎng)景和功能，并確保代碼正確性和健壯性。

最后，學(xué)生進(jìn)行整體測(cè)試和驗(yàn)證，確保計(jì)算器應(yīng)用程序在各種情況下都能正常工作。學(xué)生可以運(yùn)行全部測(cè)試用例，并查看測(cè)試報(bào)告來(lái)評(píng)估代碼覆蓋率和質(zhì)量。

4 教學(xué)效果

對(duì)2個(gè)平行班分別采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以驗(yàn)證其教學(xué)效果。采用測(cè)試驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠極大提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，較之傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生主觀能動(dòng)性得到充分發(fā)揮，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容完成率提高15%，達(dá)到100%，自主探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增加35%。實(shí)驗(yàn)活動(dòng)已從課上延伸到課下，學(xué)習(xí)態(tài)度從“老師讓我怎么做”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙趺醋觥薄F(tuán)隊(duì)合作意識(shí)也顯著增強(qiáng)，協(xié)作式開(kāi)發(fā)占比提高30%，Java封裝以及模塊化開(kāi)發(fā)理論得到充分實(shí)踐。學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)也得到大幅提高，如表1，采用新的教學(xué)方法后，優(yōu)良率從43.69%提高到63.07%。

表1 2種教學(xué)方式實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)

5 結(jié)語(yǔ)

文章探討TDD在Java程序設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)引入TDD方法對(duì)于提高學(xué)生的編程能力、代碼質(zhì)量和測(cè)試技能具有重要的積極影響。一方面新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將程序測(cè)試與程序開(kāi)發(fā)相融合，以測(cè)試促開(kāi)發(fā)，規(guī)范開(kāi)發(fā)過(guò)程，將開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不確定性降到最低，最大程度保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度和質(zhì)量。另一方面，能夠減少實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)學(xué)生的約束、限制，極大提高實(shí)驗(yàn)過(guò)程的自由度，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮自身的創(chuàng)造力。另外，TDD不僅可用于Java程序設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，也為其他程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供參考。