基于解決復雜工程問題能力培養的軟件測試課程改革與實踐

鄭志勇　王丹

［摘 要］課程團隊分析了當前軟件測試行業對人才需求的趨勢，指出一些高校軟件測試課程在培養學生解決復雜工程問題方面能力不足的現狀，并在提升培養目標、“產學研”融合、構建校企合作的教學實訓平臺、采用科學的考核模式和評價方式等方面進行了實踐。近三年畢業生對課程教學效果的反饋表明，該課程培養學生解決復雜工程問題能力的效果良好。

［關鍵詞］軟件測試；解決復雜工程問題能力培養；教學案例

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）04-0061-04

隨著信息技術高速發展，線上銀行、辦公、購物、約車、社交和短視頻等軟件，已經深入國民經濟和社會生活中的每一個角落，改變了人們的生產、生活方式。大家對這些軟件的依賴性越來越強，軟件質量成為能否保障社會生產生活正常運轉的重要因素之一。軟件測試作為軟件質量保障的重要手段，貫穿軟件的全生命周期，需要軟件測試的從業人員具備較強的專業技能和職業素養。目前絕大多數高校的計算機類專業都開設了軟件工程課程，其中軟件測試學時占比較大，有的學校甚至直接開設了軟件測試課程。然而，培養的一些畢業生仍然不能滿足企業的要求，尤其在面對復雜工程問題的時候，一些學生無從下手，解決問題能力不足[1]。《工程教育認證標準》提出，復雜工程問題應以“綜合性、深度性、沖突性”為核心[2]。朱露等將解決復雜工程問題的過程分為發現問題、表征問題、設計方案、實施方案、反思與評價五階段[3]。目前軟件測試課程教學主要講授軟件測試基本理論和方法，難以在教學中構建復雜問題場景，故很難發現復雜問題，表征問題方法的運用也只能停留在很淺的層次，設計方案、實施方案、反思與評價的過程也只能簡單進行教學，學生體會不深刻，影響了學生軟件測試能力的培養。軟件測試的實踐性很強，技術也在不斷更新，但一些教師沒有接受過專門的軟件測試技術訓練，工程實踐經驗不足，也沒有辦法構建“綜合性、深度性、沖突性”的復雜工程問題場景，培養學生解決復雜工程問題的能力更無從談起。因此，有必要對軟件測試課程的教學內容、實踐環節以及考核方式進行改進。

一、國內外研究現狀分析

目前，很多教師根據軟件測試課程的特點，針對學生解決復雜工程問題能力培養的方法，探索了諸多路徑，并在教學中進行了實踐，取得了一些不錯的成果。鞠小林等針對軟件測試課程案例庫構建任務，分析其在案例選擇、實踐環境組建和教學方案實施過程方面存在的問題，探討軟件測試課程實踐環節融合“產業”“教學”“學術研究”三個維度的教學思想，闡述測試案例庫的構建要素以及實踐環境搭建方法[4]。王鑫便等針對目前軟件測試課程教學中學生學習目的性不強、教學考核方式單一等問題，提出采用OBE教育模式對軟件測試課程進行教學改革，闡述對軟件測試課程的整個教學方案進行反向設計的過程，從課程的教學目標、內容設計、考核方式等方面進行了改革探索和實踐[5]。向尕等以產出為導向，分析目前軟件工程課程實踐教學中存在的問題與不足，從用人單位對畢業生核心能力的要求出發，聚焦解決復雜工程問題能力培養，提出基于項目驅動的軟件工程實踐教學改進方法[6]。呂友波等基于工程教育認證背景下實踐教學環節改革發展趨勢，從培養學生解決復雜工程問題的能力入手，提出了課程設計改革實施方案[7]。

培養學生解決復雜工程問題的能力，是工科專業的核心培養目標。該能力的培養需要多門課程的理論教學和工程實踐有機結合，通過形成知識圖譜的實踐培養路徑來形成合力。軟件測試作為軟件工程專業的基礎課程，在培養學生解決復雜工程問題的能力中，更應扛起重擔。

二、改革內容

軟件測試理論不僅用于具體的軟件測試工作，還應用于軟件開發過程和質量管理。通過軟件測試理論課程的學習，學生應能夠綜合運用本門和其他課程的理論知識和技術對軟件的缺陷進行查找和追蹤，能運用一定深度的理論、方法以及工具對問題進行推理、分析，并最終將其有效解決。復雜工程問題場景的呈現，是培養學生能力的關鍵。本課程主要在以下四方面進行了改革。

（一）提升培養目標

第一，要跳出課程看專業。將培養軟件測試工程師的目標轉變為培養高級軟件工程師的目標，扭轉學生對這門課“重開發，輕測試”的思想認識，使其從思想上重視這門課程在專業中的地位。

第二，要進行多視角下的課堂教學。同一個教學案例，可以從軟件測試的角度去介紹，也可以從軟件開發或基于不同需求對軟件項目管理要求的角度去講解，組織小組討論，提高學生的參與度，實現多視角下的軟件測試課堂教學。

第三，在案例教學過程中，除了讓學生找出軟件的bug（漏洞），還要讓學生總結和分析bug產生的原因、bug的解決方案，以及程序員思考問題的習慣導致的在其開發的其他模塊中也出現類似缺陷的風險。

（二）“產學研”融合

在實際的軟件開發、管理過程中會出現很多復雜工程問題，從中精選符合學生認知、適合教學的案例素材融入教學內容的設計，精心地組織教學過程，啟發學生提出復雜的問題，并引導學生結合所學內容，嘗試性地尋求問題的答案，形成一條龍的“產學研”實踐案例。教師在教學的同時，對實踐教學進程進行跟蹤，結合學生的行為數據、活動軌跡，也能夠發現很具體的、較復雜的工程問題場景，這些問題的解決過程和方式方法，反過來也能夠為企業和科研中出現的問題作參考，做到產業、教學、科研互通，真正地培養學生解決實際復雜工程問題的能力。下面介紹兩個教學案例，案例一為優秀畢業生分享的解決軟件測試復雜工程問題的場景，案例二為教師本人科研當中出現的解決復雜問題的場景。

案例一：某知名互聯網大廠的酒店業務高性能網關優化實踐。近年來，酒店采用DDD技術架構，一直在對以往的業務進行調整。其中核心領域的團隊將各自的“應用層”統一交給下游網關團隊，組成統一的應用層。這種由多個網關合并成大前臺（酒店業務網關）的模式帶來的好處是核心系統邊界清晰明了，但是在實際業務運轉中，出現了業務網關吞吐性能變差的問題。對問題進行詳細分析發現：Servlet與業務邏輯雖說是同一個線程，但高峰期流量上漲，尤其到流量尖峰的時候，Servlet 容器線程被阻塞，服務的吞吐量就會明顯下降，由此得到問題的根源所在：（1）CPU 資源大量浪費在阻塞等待上，資源利用率低；（2）為了增加并發度，會引入更多額外的線程池，隨著 CPU 調度線程數的增加，會導致更嚴重的資源爭用，上下文切換占用 CPU 資源；（3）線程池中的線程都是阻塞的，硬件資源無法充分利用，系統吞吐量容易達到瓶頸。

有效的解決方案：基于響應式編程模型，使用異步非阻塞式 I/O，可以更高效地處理并發請求，提高應用程序的吞吐量和響應速度。解決后的效果：單機可支持 QPS上限從100提升至200，吞吐量性能上限提升100%，資源成本下降一半。

案例二：飛機地面試驗429總線信號出現“毛刺現象”的問題案例。在某北方飛機試驗場所的地面鐵鳥臺某項試驗中，大氣仿真計算機通過ARINC429總線輸出的信號“間斷性”不正確，通過大量的軟件測試定位并用示波器對信號進行抓取，發現信號是不規則的方波信號，噪聲很大，毛刺現象非常明顯，導致接收信號的設備無法對信號“高”“零”“低”三種電平狀態進行識別。經長時間的觀察發現，該問題在白天進行的試驗中幾乎不出現，而是通常在晚上加班進行的試驗中出現，測試人員的解決方法通常是暫時擱置出現問題的試驗，下班后關掉設備，第二天上班再完成這一部分的試驗。參與飛機地面鐵鳥臺試驗的系統設計單位以及各個飛機成品廠各有二三十家，所涉及的各個子系統也有七八種，有很多成品廠在別的機型（設計單位在不同城市）都沒有出現該問題，而且該問題在秋冬季節出現的概率大。有一天某測試人員與一個研究電磁波的人探討起這個問題，后者分析認為，北方在供暖期間空氣干燥，容易產生靜電，參與試驗的設備經過一天運轉，到了晚上尤其容易產生信號干擾。測試人員最終將各參試設備共同接地，并加大信號傳輸線的屏蔽保護層后，問題成功解決。通過學習該案例，學生了解了解決實際復雜工程問題的全過程，培養了表達能力、發散性思維和與他人溝通尋求幫助的能力。

（三）構建校企合作的教學實訓平臺

學院引進上海澤眾軟件科技有限公司的軟件測試平臺，成立企業級軟件測試實驗室，聘請企業導師，組織教師參與行業內權威企業在全國范圍內主辦的師資培訓活動，獲得相應的資格培訓證書。課程實驗、實踐教學也通過該平臺實施，幫助學生對復雜工程問題的解決過程有更深、更直接的體會。

（四）采用科學的考核模式和評價方式

課程考核除了期末考試，還將過程性考核納入考核成績中，并適當增加比重。課程考核成績由平時成績和期末考核成績共同決定，其中平時成績由課后作業、課堂表現、實驗、大作業等綜合評定。

大作業是模擬公司項目組的工作模式，將3～4名學生組成一個小組，組長按照崗位角色分配任務、進度控制和質量監督。大作業安排在期末前兩周進行，此時正好是學生畢業設計答辯結束準備離校的時間，選取學生的畢業設計作品作為被測的軟件，通過對作品進行測試發現其中的缺陷，把這些缺陷正確表征出來并設計實施解決方案，最后再進行反思與評價。

該作業將任務分配到各組，對學生成績考核需考慮整個小組任務完成情況、學生的態度和表現，以及組內每個人發揮的作用、組內互評和集體答辯表現等方面對學生進行綜合評價。

三、課程改革效果

為了培養學生解決復雜工程問題的能力，軟件測試課程團隊自2018年進行教學改革以來，一直在征集優秀畢業生在研發軟件產品過程中出現的復雜問題案例，結合教師研究或開發的項目凝練出適合用于教學的復雜問題案例[8]，用來支持課程教學。課程改革效果良好，學生連續五年評價教師的教學水平為優秀，課程負責人被學生評為校級“我最喜愛的任課教師”。

對軟件工程專業近三年畢業生進行線上問卷調查，設置如下問題：（1）軟件測試課程對當前從事的工作是否有幫助？（2）課程案例對理解復雜工程問題是否有幫助？（3）軟件測試課程對解決實際復雜工程問題能力培養是否有幫助？

一共收到152名畢業生的反饋，結果見圖1。

從調查結果來看，94%以上的學生認為軟件測試課程對當前從事的工作有幫助，講授的課程案例對他們理解復雜工程問題有很大的幫助，對培養他們解決實際工程復雜問題的能力很有好處。

四、結語

學生解決復雜工程問題能力的培養，本身就是一個復雜的問題，需要整個專業課程群進行聯動，才有可能形成合力。專業課教師，除了進行正常的教學內容的設計之外，還要了解行業發展趨勢、緊跟專業技術的步伐，要將自己的研究成果融入課程教學中，與本專業優秀畢業生保持緊密聯系，不斷地征集他們在生產或研發過程中出現的適合教學用的復雜問題場景，從中凝練出特色的教學案例，并將其充實到課程教學中，為螺旋式培養學生解決復雜工程問題能力提供支撐。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 林健.如何理解和解決復雜工程問題：基于《華盛頓協議》的界定和要求［J］.高等工程教育研究，2016（5）：17-26.

[2] 中國工程教育專業認證協會.工程教育認證標準：T/CEEAA 001—2022[S].北京：中國標準出版社，2023.

[3] 朱露，唐浩興，胡德鑫，等.工科本科生解決復雜工程問題能力評價模型[J].高等工程教育研究，2023（4）：86-99.

[4] 鞠小林，陳翔，文萬志，等.“產教研”融合的軟件測試課程案例庫構建[J].計算機教育，2019（3）：121-125.

[5] 王鑫便，劉仰光，程萍，等.基于OBE的軟件測試課程教學改革探索[J].計算機教育，2020（5）：97-101.

[6] 向尕，康海燕，孫璇.面向解決復雜工程問題能力培養的軟件工程實踐教學探索[J].計算機教育，2021（10）：161-165.

[7] 呂友波，蘇曉東，秦相林，等.面向解決復雜工程問題能力培養的計算機課程設計改革[J].黑龍江科學，2022，13（11）：162-164.

[8] 鄭志勇，張翼飛，王丹.注入航空特色的軟件測試課程改革與實踐[J].高教學刊，2021，7（28）：145-148.

［責任編輯：雷 艷］