软件测试课程的问题驱动教学模式探索

摘 要：软件工程专业课程具有工程特性，需要针对实际的问题进行分析、评估，从而解决问题。如果按传统的教学方式进行该类课程的学习，学生缺乏学习兴趣，而且从课堂上学到的东西主要是相关的软件工程知识，而学生的能力没有得到提高。新时代、新工科，我们的教育侧重培养学生的素质和能力，在这样的思想指导下，作者在“软件测试技术”课程教学中尝试了问题驱动教学模式，获得了良好的教学效果。

关键词：软件工程；软件测试；问题驱动；教学模式；课程改革；新工科

一、探索的背景

软件工程专业课程（如软件测试、软件项目管理、软件过程管理等）的教学工作一直以来是软件工程、计算机相关专业教学的一个难题。一方面，学生缺乏良好工程概念和项目实践经验，甚至教师自身也缺乏工程经验；另一方面，学生对这些专业课不重视，他们更看重所谓的硬实力——“编程能力”的培养，在学习数据结构和语言类课程上投入比较大，这类课程的学习效果也容易显现出来，甚至效果立竿见影，而专业课程的学习效果不容易显现出来，学生学习的成就感不强，从而造成学生不愿意在这些课程上投入。投入越不够，学习效果就越不能显现，从而造成一种错觉，感觉学不学没什么影响。这样的问题，通过在大学上课的场景对比得到部分验证，也从最近两届全国大学生测试大赛的不理想成绩上得到验证。

兴趣是学习的原动力，为了提高学习效果，首先会想到“如何提高学生的学习兴趣”；其次，学习始终是学生自己的事情，讓学生成为学习的主体也势在必行。例如，大学任何一个专业的学生，当初学习的起点是基本一致的，处在相同的学习环境中，教他们的教师也是完全一样的，但到了高年级之后，这些学生之间的差距却很大，这也说明学习主要取决于学生自己。为了改善教学效果，教师们也做了不少尝试，例如：

（1）采用基于案例的教学，让理论不再抽

象，教学更加具体生动，的确能帮助学生理解所学的内容。

（2）通过课程实验，让学生一面学习理论一面结合理论进行实践，帮助学生理解所学的内容，同时也能够提高学生的实际动手能力。

（3）通过加强课堂互动，能够检查部分学生的学习效果，提高部分学生的学习兴趣。

（4）采用MOOC/SPOC等教学方式，让学生提前预习所学内容，在课堂上有更多的交流与讨论，使学生有更多的机会思考，有利于学生更深刻地理解学习内容。

（5）和企业共建课程，或者引入企业师资，加强课程内容的实用性，加强实践环节。

这些尝试都是有益的，有利于提高学生的学习兴趣和学习效果，但是这些方法还没有彻底改变教与学的关系、让学生成为学习的真正主体，课程的实验时间有限，少数学生被点名提问，多数学生的学习能动性没有被调动出来，多数情况下学生还是被动学习、被动做实验，而且教师不是自始至终将学生的“学习能力、分析问题和解决问题的能力”作为教学的核心，侧重知识和方法等讲授，缺少在真实工作环境下训练学生，上述方法受到一定的限制。

二、高级课程需要PBL模式

爱因斯坦曾说过，提出一个问题比解决一个问题更重要。提不出问题也就没有问题需要解决，甚至连思考都没有，更不要说创新能力的培养。相反，通过提问容易创建情境、会话与协作，驱动学生建构有意义的认知，这就是问题驱动学习（Problem-Based Learning，PBL）模式。不像传统教学——先学习理论知识再应用知识来解决问题，PBL模式是以问题为学习起点，以问题为核心规划学习内容，让学生围绕问题寻求解决方案的一种学习方法。PBL模式中，学生是学习的主体，教师成为辅助角色，更像教练，辅导学生学习。PBL教学模式基本操作过程如下：

（1）教师事先完成课程的设计。每次上课，根据课程进度要求，针对知识域提出问题。

（2）让学生以小组的形式去讨论交流，进而完成问题的分析。教师在整个过程中始终关注同学们的讨论，能够引导小组讨论，能够及时发现问题（如偏离主题、对问题理解不正确等）、及时纠正，对共性问题进行统一的补充讲解。

（3）在充分讨论的基础上，让学生通过查资料（包括教材、网络等）找到解决方案。如果有困难，教师给予启示或解决思路的指导。

（4）对结果进行评估，包括小组内每个成员的自我评估、小组作为团队进行整体自我评估和教师对小组进行点评。

问题驱动教学法能够提高学生学习的兴趣和主动性，提高学生在教学过程中的参与程度，活跃其思维，获得良好的教学效果。根据教学效果的实验研究（如图1）[1]，课堂讲授的教学效果是最差的，24小时之后所学内容只剩下5%。要达到相对好的效果，就需要分组讨论、亲手实践、学以致用。基于这项研究成果，相对传统的教学，PBL教学模式能够达到更好的教学效果。从学者们对认知研究的历史看，经历了四种认知流派。

（1）行为主义（Behaviorism）：如华生的“刺激反应说”、斯金纳的“操作条件说”等；

（2）认知主义（Cognitivism）：如加涅的信息加工理论、布鲁纳的学科结构论等；

（3）建构主义（Constructivism）：如皮亚杰的“认知发展”理论、杜威的“做中学”理论等；

（4）连接主义（Connectivism）：维果茨基的最近发展区、恩格斯特伦的活动理论等。

传统的教学属于早期的行为主义、认知主义，侧重讲授知识、作业练习等，要求学生记忆与理解、应用，学生学习往往处在被动过程中，教师则靠测验、考试等来驱动学生来学习。PBL教学模式则属于建构主义和连接主义，强调学生自我引导学习、做中学，而且借助发达的网络资源自主寻求内容来分析问题、解决问题。如图2所示。

三个臭皮匠顶一个诸葛亮，过程中遇到困难，小组可以讨论、协商，借助集体的智慧来解决困难，而且这种过程可以培养学生的团队意识。PBL教学模式更适合软件工程专业课程（如“软件测试”）的“高级”学习。

（1）这类课程是交叉学科构成的复杂问题。软件工程不仅是计算机科学、管理科学、数学、系统工程学等构成的交叉学科，而且软件系统本身、作用于系统的上下文、输入和输出，今天也变得越来越复杂。特别是在云服务、大数据的背景下这种复杂性更为显著，导致像测试预言这类问题更具有不确定性，如图3所示。

（2）学生的认知能力不仅仅停留在“记忆、理解、应用”之上，还需要“分析、评价和创造”等更高层的能力。

（3）基于教材和教师的指导，丰富的软件工程网络资源能够满足问题分析和解决的需求。

（4）软件工程的知识更新很快，教材和教师都很难做到及时更新过时的知识，但互联网资源能及时弥补这一缺陷。换句话说，学习将会是软件工程专业的毕业生持续一辈子的事情。

从第（1）和（4）这两点看，采用这种PBL模式也是必要的。

三、PBL在软件测试课程中的应用

PBL教学模式的课程问题设计服务于课程的教学目标，从教学实际情况出发，由浅入深，激发每一个学生的学习积极性、分析问题和解决问题的潜力，更有效地达到教学目标。这里以“软件测试”课程为背景进行讲解，对其他专业课程同样具有很好的借鉴作用。

（1）课程问题设计。课程设计具有系统性，覆盖课程全部的关键知识点，可以采用思维导图方式来设计，见参考文献[2]最后附的“全书内容及教学指导概览”。虽然软件开发与测试的新技术层出不穷，研发环境变化也快，但是关键的知识点是相对稳定的，基于关键知识点的问题也就相对稳定，学生在分析问题和解决问题时只是需要考虑技术和环境的变化。这样，每学年课程设计改动不大，教师工作量不太大，而上下文的变化驱使学生思考更多，更加积极采用新技术，这样的场景更适合问题驱动，进一步凸显“学生是学习的中心”。同时，虽然问题设计要尽可能照顾到全班同学，但还是要设定相对偏高的难度，对大多数学生要具有挑战性，有挑战，才有锻炼。这部分難度设计和难点的选择，可以从业界调查数据和相关分析中获得。

（2）可以通过场景设计导入问题。我们常采用“讲故事、提问、做游戏、现场演示”等方式来完成场景设计以导入问题。像软件测试，往往就可以从质量事故开始，如奔腾芯片浮点计算缺陷、欧洲阿丽亚娜5型火箭发射后40秒钟火箭爆炸、1999年火星探测器在试图登陆火星表面时坠毁等。故事背后就隐藏着未解决好的问题，从而引导出问题。现场演示精选的某款软件（带特定缺陷的），让学生观察整个运行过程，引导学生捕捉异常现象，然后自然呈现出问题。软件测试的提问（questions）设计相对简单一些，可以直接提出一系列问题（如图4所示）：为什么要测它？测什么？哪些要重点测？如何测？如何评估测试效果……

（3）如何引导学生讨论问题。首先要让学生清楚“问题是什么”，如果问题不清楚，鼓励学生提出来，教师再换一种方式重新阐述问题。其次，让学生了解这个过程，先讨论什么后讨论什么。例如，开始讨论时，学生主要采用“头脑风暴”方法来收集影响问题的各种因素。任何一个学生有想法，不管对错与否，都可以大胆地提出来，相互碰撞、相互启发，产生新的想法。在讨论过程中也要注意倾听，等其他同学说完再发言，鼓励学生采用举手方式进行有序的讨论，避免无序讨论，杜绝出现混乱的争吵局面。

（4）分析问题。分析问题的能力是大学培养的核心能力，PBL教学模式不仅使学生主动参与分析，而且提供了更多的时间和空间来训练学生这方面能力。通过头脑风暴等收集到的信息、数据需要整理、归纳与分类；归纳后可能发现之前头脑风暴的结构缺失，要求学生演绎出所缺失部分；借助因果图、亲和图、系统图、矩阵图等定性地分析问题；借助抽样调查、概率统计、散布图、直方图等定量地分析问题。

（5）解决问题。对学生来说，要正确运用一些正在学习的新知识、新方法，的确有较大的挑战。所幸的是，教师、教材还依旧在那里，学生可以参考教材的方法、获取网络资源以来解决问题，解决过程中遇到困难时可以寻求教师的指导和帮助，也可以向专业社区求助，以得到相应的解决方案。教师摆出的问题是特定的，学生可以参考通用的方法，但无法抄袭，不能作弊；教师也要注意提醒学生们不要生搬硬套。在解决问题过程中，会碰到新的问题，促使学生持续的探索和研究。新的问题，可能会超出教材，这时又会促使学生寻找新的资源，不断提高自我学习能力。

（6）评估与反思。当某个小组上台（或站起来）介绍分析和解决问题过程时，了解自己做得好、做得不好的地方，相当于完成了自我评估；然后，教师进行点评，并让其他各个小组（选一个代表）对该组进行评估、打分，类似360度评估方法。这个过程，学生容易相互示好，但教师在现场，就能及时纠正这样不正之风，引导学生积极、正确地评估对方小组。评估过程中，重点要让学生反思过去做得不够好的地方，讨论如何改进。

（7）由浅入深。PBL教学模式更要强调由浅入深、循序渐进，逐步深入各个难点。这样做，避免PBL教学实施一开始就搁浅，同时学生的能力逐步得到提升与检验。例如单元测试（UT）从一段代码、一个函数开始，然后到一个类、完整的包（package），再从动态测试到静态测试、从传统的UT到测试驱动开发实践（TDD、ATDD或BDD），逐步深入下去，直到覆盖关键知识点。

概括起来，PBL教学模式体现了以下几项要素：具有挑战的且为真实的问题、持续探究的学生、作为学习主体的学生（认真听取他们的声音，给予反馈和评估）、不断反思的自我评估、可共享/分享的成果等。一个最小的、完整的PBL教学过程就是一个问题的分析和解决的过程。

四、教学效果与结论

从2012年就开始尝试问题驱动的教学模式，至今已有6年，取得了良好的教学效果。从出勤率看，同专业班级，一般只有70%的出勤率；而采用PBL教学模式，出勤率高达95%，深受学生欢迎。从课程成绩看，学生的平均成绩逐年提高、均分差逐步缩小。从用人单位反馈看，学生对软件测试的掌握更加扎实，到了公司熟悉业务后就基本能独立工作。

PBL教学模式实施时，不要完全固化于形式，而是改变过去的教学思维，教师重新定位自己的角色——教练式导师，在问题驱动下帮助学生完成“做中学”。在问题分析与解决过程中，教师在旁边观察，发现问题可以记下来，不一定需要及时指出来，让学生犯错，从错误中吸取教训，印象深刻，学生更能学到东西。等学生完成之后，教师再点评——指出学生犯了什么错误、为什么会犯这类错误、如何纠正错误、如何预防错误等。如果需要，再让学生重做一次，观察改进的效果。

PBL教学模式可以让每个学习者参与（学习）其中，提高学习者的学习积极性，着重构建积极的、上下文驱动的、开放的、协作的学习环境。对于像软件测试这样的“高级”课程，正需要这样的学习环境，才能使学生获得“分析、评估和创造”的能力。不断鼓励学生质疑假定，摸清环境，分析所处的各种条件，加强推理分析，提高学生批判性思维、系统性思维能力。

问题来自于他人的实际工作，但可以让学生将书本上的知识和现实世界中的问题连接起来，明晰所学方法的应用场景，真正做到学以致用。问题不是用来学习的，而是用于模拟真实的工作环境，构建实实在在的分析和解决问题的过程，从而让学生获得真实体验，构建自己的软件工程技能。这种技能也不局限于本课程的知识和能力，还包括沟通能力、表达能力和自学能力。问题成为纽带，促进学习者之间的强有力的合作，培养团队的协作能力。

参考文献：

[1] David A. Sousa. How the brain Learns[M]. National Training Laboratories of Alexandria， Corwin Press， 2005.

[2] 朱少民. 软件测试——基于问题驱动模式[M]. 北京： 高等教育出版社，2017.

[责任编辑：余大品]