軟件測(cè)試教學(xué)中的計(jì)算思維能力培養(yǎng)

張冬玲　黃偉　王辰尹

摘要：計(jì)算思維是目前國(guó)際上計(jì)算機(jī)教育領(lǐng)域的重要研究課題，它使用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想和方法解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)與解釋行為。軟件測(cè)試中的許多思維方法及設(shè)計(jì)思想與計(jì)算思維有著異曲同工之妙。文章選取軟件測(cè)試作為切入點(diǎn)，通過(guò)分析軟件測(cè)試的思維活動(dòng)，探討在教學(xué)中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；軟件測(cè)試；思維活動(dòng)；思維能力

0、引言

計(jì)算思維的提出為高校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革提供了全新的視角和思路。隨著計(jì)算思維概念的提出，并由此帶來(lái)的國(guó)際上以計(jì)算機(jī)教育界為主的各學(xué)術(shù)界的廣泛研究和探討，使得計(jì)算機(jī)學(xué)科中許多課程的培養(yǎng)目標(biāo)更加明確。計(jì)算思維是涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。它與計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)密切相關(guān)，值得從事計(jì)算機(jī)課程教育的學(xué)者、專家深入挖掘。

早在中國(guó)古代，以繩結(jié)計(jì)數(shù)、算籌計(jì)算均運(yùn)用了計(jì)算思維的思想。1992年，黃崇福在其論文中就給出了計(jì)算思維的定義，2005年，陳文宇在論文中也對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了描述，但目前，計(jì)算思維最系統(tǒng)、最清晰的定義是由美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授于2006年提出的。

她提出計(jì)算思維是針對(duì)一般問(wèn)題的解決，不僅僅適用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的問(wèn)題。其解決問(wèn)題的方法借鑒了計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想和方法。這些思想和方法包括約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行。它們最根本的特征是關(guān)注點(diǎn)分離（SOC），把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題闡釋成一個(gè)我們知道該如何解決的問(wèn)題。它們的應(yīng)用場(chǎng)景包含了可數(shù)學(xué)建模的確定性問(wèn)題和不確定的情況，前者使用抽象和分解的經(jīng)典思維方法論，后者使用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答。計(jì)算思維利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行權(quán)衡。

這種解答問(wèn)題的方法反映在思維上，產(chǎn)生了6個(gè)特征：概念化（非程序化）；智能化（非技能化）；人性化（非算法化）；數(shù)學(xué)和工程的互融；思想化（非物質(zhì)化）；全局化（非局部化）。

周以真教授計(jì)算思維論的提出，引起了國(guó)際教育界、哲學(xué)界和社會(huì)科學(xué)界的廣泛關(guān)注。2012年8月“第八屆全國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育改革與發(fā)展高峰論壇”，對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研討。探討的內(nèi)容主要針對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革與計(jì)算思維能力培養(yǎng)。計(jì)算思維的培養(yǎng)不僅存在于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中，也廣泛地存在于計(jì)算機(jī)專業(yè)的各專業(yè)課程中。以軟件工程的專業(yè)課程軟件測(cè)試為例，計(jì)算思維的遞歸、抽象、分解、搜索、關(guān)注點(diǎn)分離等諸要素，恰好是“需求驅(qū)動(dòng)-理清思路-選擇方案-設(shè)計(jì)用例-測(cè)試實(shí)施”的軟件測(cè)試過(guò)程所遵循的方法，詮釋了計(jì)算思維與軟件測(cè)試過(guò)程的關(guān)系。

1、軟件測(cè)試中的思維活動(dòng)

軟件測(cè)試是對(duì)軟件產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，Kaner、Bach和Pettichord在《軟件測(cè)試經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)》中闡述道，一個(gè)好的測(cè)試人員應(yīng)表現(xiàn)出4種不同的思維能力：（1）技術(shù)思維能力，即為對(duì)技術(shù)的建模能力和理解原因與結(jié)果的思維能力；（2）創(chuàng)造思維能力，即能夠提出新想法，根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)果能夠預(yù)見可能性的思維能力；（3）批判思維能力，即具有評(píng)價(jià)和進(jìn)行推理的思維能力；（4）實(shí)踐思維能力，即將想法變成現(xiàn)實(shí)的能力。綜合起來(lái)，即為計(jì)算能力。

軟件測(cè)試的對(duì)象就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，用于測(cè)試的技術(shù)包含了數(shù)學(xué)建模的思維活動(dòng)；有自頂向下，或自底向上逐步組合的計(jì)算機(jī)分解復(fù)雜問(wèn)題的思維活動(dòng)；測(cè)試技術(shù)包括人工測(cè)試技術(shù)和自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)，即在測(cè)試過(guò)程中有些必須是靠人來(lái)完成，有些則可以借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成，這就涉及一種可計(jì)算的思維活動(dòng)。

軟件測(cè)試中的創(chuàng)造思維首先要立足于全局思維，事物往往存在多面性，我們只有掌握了越多的層面，對(duì)它的認(rèn)識(shí)才能越清楚，才能有利于我們掌握其本質(zhì)，以便更好地發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新；其次，創(chuàng)造思維是兩極思維活動(dòng)，邊界值分析是兩極思維方式的典范，測(cè)試人員只有充分地發(fā)揮兩極思維能力才能將邊界值分析的全面透徹，才能很好地預(yù)見未來(lái)的測(cè)試結(jié)果。用創(chuàng)造思維設(shè)計(jì)、測(cè)試用例，這就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算思維的具體體現(xiàn)。

軟件測(cè)試中的批判思維首先體現(xiàn)在比較和回溯。從比較中判斷偏離定義的表現(xiàn)，從回溯中搜索錯(cuò)誤代碼。批判思維還體現(xiàn)為多人參加的全局思維活動(dòng)，測(cè)試人員在進(jìn)行靜態(tài)白盒測(cè)試時(shí)，是多個(gè)同行參與的團(tuán)隊(duì)評(píng)審，這是從參與人數(shù)上來(lái)衡量的另一種形式的全局思維活動(dòng)。

軟件測(cè)試歸根到底是實(shí)踐思維。測(cè)試人員制訂測(cè)試計(jì)劃、方案和測(cè)試用例，該過(guò)程涵蓋了遞歸，抽象和分解，保護(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)和恢復(fù)，在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度等與計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)的思維方法。

雖然，在計(jì)算思維的討論中，關(guān)注計(jì)算機(jī)科學(xué)教育方面多一些，但計(jì)算思維同樣是計(jì)算機(jī)工程、軟件工程重要方法論，通過(guò)對(duì)上述思維活動(dòng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)，軟件測(cè)試遵從計(jì)算思維最重要的原則之一就是關(guān)注點(diǎn)分離。

2、教學(xué)中的計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

盡管計(jì)算思維的理論體系尚未成熟，但以計(jì)算思維為核心的教育改革正在迅速推廣。2010年《九校聯(lián)盟（c9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》強(qiáng)調(diào)“需要把培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)”。同樣，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的核心任務(wù)也應(yīng)滲透到各計(jì)算機(jī)專業(yè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中。

2.1 關(guān)注點(diǎn)分離能力

周以真教授認(rèn)為抽象和分解是解決浩大復(fù)雜的任務(wù)或系統(tǒng)的有力武器，而抽象和分解的本質(zhì)是關(guān)注的分離。它是選擇合適的方式去陳述問(wèn)題，或者是選擇合適的方式對(duì)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理。面對(duì)當(dāng)代大型復(fù)雜的軟件系統(tǒng)產(chǎn)品，測(cè)試計(jì)劃正是利用關(guān)注點(diǎn)分離的思維方式來(lái)描述所要完成的測(cè)試工作的指南。在軟件開發(fā)中，測(cè)試計(jì)劃必須盡早制定，以確保軟件的質(zhì)量。

在學(xué)習(xí)軟件測(cè)試課程之前，絕大多數(shù)學(xué)生對(duì)軟件測(cè)試的認(rèn)識(shí)是混沌的，分不清調(diào)試與測(cè)試。隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的不斷增加，怎樣才能對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行較全面的測(cè)試，學(xué)生有些束手無(wú)策。這就需要使用關(guān)注點(diǎn)分離的思維方式，將軟件測(cè)試進(jìn)行縱、橫向的過(guò)程分解，分別對(duì)測(cè)試過(guò)程V模型、w模型以及H模型進(jìn)行分析，得出W+H的測(cè)試模型。即在w模型的框架下，運(yùn)用H模型的思想進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，并同時(shí)將測(cè)試與開發(fā)緊密結(jié)合，尋找恰當(dāng)?shù)木途w點(diǎn)開始測(cè)試并反復(fù)迭代測(cè)試，最終保證按期完成預(yù)定目標(biāo)。

為較好地實(shí)現(xiàn)W+H的測(cè)試模型，在軟件測(cè)試的教學(xué)中，應(yīng)把擬定測(cè)試計(jì)劃作為學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，分別體現(xiàn)在講授、作業(yè)和實(shí)訓(xùn)中，讓學(xué)生認(rèn)清測(cè)試計(jì)劃的重要性，掌握測(cè)試計(jì)劃的內(nèi)容要點(diǎn)，在實(shí)際操作中能按照計(jì)劃實(shí)施，少一些樸素的粗放測(cè)試，多一份方法、策略和標(biāo)準(zhǔn)，少一些隨意，多一份規(guī)范，做到理論聯(lián)系實(shí)際，從而提高其分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的計(jì)算思維能力。

2.2 可計(jì)算思維能力

可計(jì)算有雙重含義，一是什么是可計(jì)算的，二是怎樣去計(jì)算。

軟件測(cè)試可以人工測(cè)試和自動(dòng)化測(cè)試。所謂自動(dòng)化測(cè)試是指一切可以由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成的測(cè)試任務(wù)都已經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或軟件工具來(lái)承擔(dān)并自動(dòng)執(zhí)行。測(cè)試中存在不能自動(dòng)化的測(cè)試任務(wù)，需要人工干預(yù)。軟件自動(dòng)化測(cè)試借助測(cè)試工具進(jìn)行。它適合于高重復(fù)性的、非智力性的、非創(chuàng)造性的、高覆蓋率的以及高精確度的測(cè)試任務(wù)。然而，自動(dòng)化測(cè)試只能發(fā)現(xiàn)大約15%的軟件BUG，而85%的BUG是依靠人工測(cè)試發(fā)現(xiàn)的。在一個(gè)軟件系統(tǒng)的測(cè)試過(guò)程中，怎樣界定人工測(cè)試和自動(dòng)化測(cè)試的比例、劃分測(cè)試任務(wù)、規(guī)避軟件測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)是學(xué)生需要學(xué)習(xí)的關(guān)鍵知識(shí)。

“案例教學(xué)法”有助于讓學(xué)生理解人工測(cè)試和自動(dòng)化測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)景。采用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的學(xué)習(xí)模式，布置相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，加深他們對(duì)測(cè)試的可自動(dòng)化及自動(dòng)化程度的感知與認(rèn)知。在教學(xué)中，使用當(dāng)前流行的功能測(cè)試工具QTP，通過(guò)對(duì)飛機(jī)訂票系統(tǒng)“Flight”的測(cè)試案例教學(xué)，使學(xué)生掌握在何時(shí)、什么情境適合使用自動(dòng)化測(cè)試，學(xué)會(huì)自動(dòng)化測(cè)試的腳本生成，如何優(yōu)化腳本以及如何降低腳本的維護(hù)工作量。這就是軟件測(cè)試中的可計(jì)算范圍和如何進(jìn)行計(jì)算的可計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

3、結(jié)語(yǔ)

計(jì)算思維在未來(lái)將成為一種強(qiáng)有力的思維模式。計(jì)算思維的養(yǎng)成不但促進(jìn)了學(xué)生對(duì)軟件測(cè)試課程或者其他某門課程的學(xué)習(xí)，還提升了其獨(dú)立處理問(wèn)題的技能。該思維模式不僅適用于計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的學(xué)習(xí)，還適用于非計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)。好比學(xué)生雖主修計(jì)算機(jī)科學(xué)，但今后可以從事任何工作一樣。所以，我們?cè)诮虒W(xué)中致力于計(jì)算思維的培養(yǎng)，就是傳播計(jì)算機(jī)科學(xué)的快樂(lè)和力量，為將來(lái)的素質(zhì)教育賦予更深層的含義。endprint