测试驱动开发在Java程序设计课程实验教学中的应用

王 帅，刘 磊

（淮北师范大学 计算机科学与技术学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

Java程序设计课程教学能够有效培养学生在计算机科学领域的核心编程能力和就业竞争力[1]。Java作为一门广泛应用于企业级软件开发的编程语言，具有丰富的生态系统和强大的跨平台特性，使得掌握Java编程技能成为当今互联网时代的必备技能之一[2]。通过Java课程的学习，学生将深入理解面向对象编程思想、掌握基本编程概念和技术，学习如何构建可扩展、可维护和高性能的应用程序[3]。同时，Java课程还培养学生的问题解决能力、团队合作能力和软件开发的实践经验[4]，为学生在职业生涯中应对各种挑战和机遇奠定坚实基础。无论是从就业市场的需求角度，还是从个人技能成长的角度来看，Java课程的学习具有重要的意义。

与其他编程语言相比，Java程序设计语言具有一些显著的差异[5-7]，从动手能力培养和企业需求的角度来看，传统Java程序设计课程实验教学存在一些问题[8-11]。首先，传统实验教学往往过于侧重理论知识的传授，缺乏充分的实践环节。学生可能只是被要求编写一些简单的代码片段或完成一些基本功能，而缺乏真实项目开发的体验。这使得学生在实际应用中缺乏动手能力和实际问题解决的经验。其次，传统实验教学往往缺乏与企业需求的衔接。在现实工作环境中，企业更加注重学生实际开发能力和工作经验。然而，传统实验教学中的实验项目通常过于简单和理论化，无法满足企业对学生实际要求。学生可能无法获得在真实项目中开发和协作所需的技能和经验，这在就业竞争激烈的市场中可能对学生就业前景产生负面影响。此外，传统实验教学中缺乏与实际开发流程和工具的对接。在实际工作中，团队协作、版本控制、测试和部署等环节是非常重要的。然而，在传统实验教学中，学生很少有机会接触这些工具和流程，缺乏相关的实践经验。这使得学生在进入职场后需要额外时间和精力去适应实际开发环境，增加学生的就业压力。

测试驱动开发（Test-Driven Development，TDD）作为一种敏捷开发方法，强调在编写代码之前先编写测试用例，然后逐步实现代码以满足测试要求。引入TDD可以强调测试的重要性，提高学生编写代码质量和测试技能。也能使学生更好理解代码的设计和逻辑，培养其解决问题和分析需求的能力。此外，TDD还可以帮助学生更好地理解和应用面向对象编程原则，如单一职责原则和依赖倒置原则。通过引入TDD，学生可以提前思考并明确代码的预期行为，加强对需求的理解和设计的思考，从而提高代码的可靠性和可扩展性。

针对传统Java 实验教学存在一些不足之处，文章尝试将测试驱动开发引入到Java 程序设计实验教学中。

1 测试驱动开发及其在实验教学中的作用

TDD 是一种软件开发方法论，其核心理念是在编写功能代码之前先编写测试代码[12-14]。通过TDD，开发人员可通过明确的需求和预期行为来驱动开发过程，提高代码质量和可维护性。

TDD工作流程如图1所示：首先，开发人员根据需求编写一个测试用例，描述所期望的功能或行为。然后，开发人员编写最小化代码来满足这个测试用例，使其通过测试。接下来进行代码重构，优化代码结构和性能，同时确保测试仍然通过。这个过程不断循环，每次迭代都会增加新测试用例，逐步构建出完备且可靠的代码库。

图1 测试驱动开发流程

通过TDD，开发人员将重点放在测试上，强调代码可测试性和可验证性。这有助于提前发现潜在问题和错误，降低在后期修复漏洞和缺陷所需的成本和工作量。TDD还促使开发人员编写清晰、模块化和可重用代码，提高代码可读性和可维护性。

TDD的优势不仅在于提供高质量代码，还通过反馈机制增强开发人员的自信。通过频繁运行测试，开发人员可以快速获得关于代码功能正确性的反馈，及早发现和修复问题。同时，测试也成为代码文档的一部分，对代码行为进行清晰的定义和描述。

测试驱动开发是一种强调测试先行的软件开发方法，通过编写测试用例来驱动功能代码编写和优化，提供一种系统化的方式来构建高质量、可维护的软件，同时增强开发人员的自信和代码质量意识。

2 测试驱动开发在Java程序设计课程中应用

利用TDD 的原则和方法，可以设计实验教学内容，帮助学生在实践中学习和应用相关知识和技能[15-16]。基于TDD迭代式开发特点，设计如图2所示的实验教学方法。

图2 TDD在Java实验教学中的应用

以下是将TDD应用到Java程序设计课程实验教学中的步骤和建议。

2.1 根据Java程序设计课程大纲，确定实验目标

首先明确实验目标和学习要点。考虑学生通过实验需掌握的知识、技能和概念，这有助于定义实验范围和内容。

2.2 选择适当问题或案例

选择一个适合问题或案例作为实验背景。确保问题或案例能够涵盖实验目标，并具有一定复杂性，以激发学生思考和探索。一个恰当实验场景可以激发学生兴趣，帮助学生应用所学知识和技能，增加学生学习动力和参与度。

2.3 定义测试用例

根据实验目标和问题定义1组测试用例，以验证学生编写代码正确性并测试其功能。测试用例应具体、可测量，并覆盖实验要求的各个方面。以下是一些指导原则用来定义测试用例。

1）围绕实验目标和要求。仔细阅读实验指导和需求文档，确定需要的测试功能或模块，基于实验目标和要求定义测试用例。

2）考虑边界条件。测试用例应该覆盖各种可能边界条件，例如，如果涉及到输入范围，应包括最小值、最大值、边界值等。

3）考虑异常情况。测试用例应该包括对可能异常情况的测试，例如，输入为空、输入无效、操作失败等情况。

4）考虑功能组合。如果实验涉及多个功能组合，测试用例应覆盖不同组合情况，以验证功能之间的交互性和正确性。

5）使用者的角度。测试用例应该从最终用户角度来定义，考虑用户可能会遇到的使用场景和需求，编写相应测试用例。

6）遵循测试金字塔原则。测试用例应包括大量单元测试和集成测试，以及少量的端到端测试，确保测试用例层次结构合理，覆盖范围适当。

7）检查代码覆盖率。确保测试用例能够达到一定代码覆盖率，使用代码覆盖率工具，如JaCoCo，来分析测试覆盖率，并根据结果补充缺失的测试用例。

8）反复迭代和更新。随着实验进行，不断迭代和更新测试用例，根据发现的问题、学生的反馈和改进的代码，及时更新测试用例以确保其有效性。

2.4 提供起始代码和框架

为学生提供一个基础起始代码和框架，包含必要的类、函数和接口等。这些代码可以作为学生开始编写测试用例和实现代码的起点。鉴于实验教学课时有限，起始代码和框架使得学生能够专注于实验的核心目标，而不必从头开始构建整个程序。通过这种方式，学生可以更快地理解问题本质，并在指导下逐步完善代码，实现所需功能。起始代码和框架还可以帮助学生遵循良好编程实践，如模块化、封装和代码复用，使学生在编写代码时养成良好习惯。

2.5 要求先编写测试用例

要求学生先编写测试用例来验证代码。鼓励学生思考并设计完善的测试用例，以覆盖各种可能的情况和边界条件。这种方法鼓励学生从程序的使用者角度思考，明确代码预期行为，并通过编写测试用例来验证代码能否按照预期工作。此外，编写测试用例还能帮助学生提前发现和纠正代码中的错误，提高代码的质量和可靠性。通过这种反复迭代过程，学生可以逐步完善代码，并对代码的作用和行为有更全面的了解。

2.6 学生编写最小化代码

要求学生只编写最小化代码来使一个或多个测试用例通过。鼓励学生保持代码的简洁性和最小化，只关注目前正在实现的功能。通过这种方式，学生被迫将注意力集中在解决问题的关键方面，而不是陷入过度设计或不必要的功能实现。通过解决一个或多个测试用例，学生能够快速迭代和验证解决方案，并及时获得反馈。这样的实践有助于学生逐步建立自信心，并逐渐增加解决问题的能力。此外，只编写最小化代码还有助于培养学生的模块化思维，使学生能够将问题分解为更小的可管理部分，并逐步构建起完整解决方案。

2.7 引导学生进行迭代和重构

在测试通过后，引导学生进行代码重构和优化，以提高代码可读性、可维护性和性能。学生可以使用更清晰、更一致的命名和注释使代码更易于理解，并通过减少冗余，提取可重用的部分来增强代码可维护性。

2.8 提供反馈和评估

在学生完成实验后，提供反馈和评估，包括对编写测试用例和代码质量进行评估，并给予相应的建议和指导。

通过这样的设计，学生可以在实践中深入了解测试驱动开发原则，同时学习和应用相关知识和技能。实验教学内容结合实际问题和测试，激发学生学习兴趣和动力，同时培养学生问题解决和软件开发能力。

3 实验案例分析

在基于测试驱动开发的Java实验设计中，以计算器为例来说明该方法的应用。在这个实验中，学生将通过TDD步骤逐步开发一个简单的计算器应用程序。

首先，学生需要定义测试用例来描述计算器的不同功能和预期的输出结果。例如，学生可以编写测试用例来验证加法、减法、乘法和除法等基本运算的正确性，以及边界情况的处理。每个测试用例应包括输入数据和预期输出结果。接下来，学生根据测试用例编写测试代码。使用JUnit等测试框架来创建测试用例，并为每个测试用例编写对应的测试方法。在测试方法中，学生需要编写代码来调用计算器相应功能，并与预期输出结果进行断言比较，以判断测试是否通过。

然后，学生根据测试代码逐步实现计算器功能。在每个功能实现之前，应该先运行相关测试用例，以确保代码功能正确。如果测试未通过，学生需要修改代码以满足测试要求。通过不断迭代测试、编码和修复过程，学生逐步完善计算器应用程序。可以通过添加新的测试用例来覆盖更多场景和功能，并确保代码正确性和健壮性。

最后，学生进行整体测试和验证，确保计算器应用程序在各种情况下都能正常工作。学生可以运行全部测试用例，并查看测试报告来评估代码覆盖率和质量。

4 教学效果

对2个平行班分别采用传统实验教学模式和测试驱动开发实验教学模式以验证其教学效果。采用测试驱动开发实验教学模式能够极大提高学生的实验积极性，较之传统教学模式，学生主观能动性得到充分发挥，实验指导书规定的教学内容完成率提高15%，达到100%，自主探索性实验内容增加35%。实验活动已从课上延伸到课下，学习态度从“老师让我怎么做”转变为“我要怎么做”。团队合作意识也显著增强，协作式开发占比提高30%，Java封装以及模块化开发理论得到充分实践。学生实验教学成绩也得到大幅提高，如表1，采用新的教学方法后，优良率从43.69%提高到63.07%。

表1 2种教学方式实验教学成绩

5 结语

文章探讨TDD在Java程序设计课程实验教学中的应用。发现引入TDD方法对于提高学生的编程能力、代码质量和测试技能具有重要的积极影响。一方面新的实验教学模式将程序测试与程序开发相融合，以测试促开发，规范开发过程，将开发过程中的不确定性降到最低，最大程度保证实验教学进度和质量。另一方面，能够减少实验教学中对学生的约束、限制，极大提高实验过程的自由度，充分调动学生学习积极性，引导学生发挥自身的创造力。另外，TDD不仅可用于Java程序设计课程的实验教学改革，也为其他程序设计类课程的实验教学改革提供参考。