极限编程在JAVA编程教学中的应用
作者：葛宪强 许杰
来源：《计算机光盘软件与应用》2013年第21期
        摘 要：Java是计算机专业教学中使用的主要编程语言，针对Java语言教学的现状，文中提出了一种将XP极限编程应用到Java编程教学的方式，该教学方式提高了学生的程序编写质量，转变了学生的编程习惯，取得了良好的教学效果。
        关键词：极限编程；Java教学；教学改革
        中图分类号：TP311.11-4
        1 当前编程教学现状
        Java是计算机软件工程专业教学中使用的主要编程语言之一。在以往的Java编程教学中发现，学生在学习过程中普遍存在如下问题：
        编写出的程序错误多，查错误、修改错误占用了大量时间。程序设计和代码的质量比较
差。编写的程序即使能够运行，但也经常出错。通过调查分析，究其原因主要是，每个学生都是传统的“单打独斗”编程方式，编程过程缺少与他人的沟通交流；遇到问题后，个人单独解决，考虑不够周全。二是，学生对编程质量的认识较弱，没有养成编写“良好运行”的健壮程序的习惯。
        本文通过将XP极限编程的核心方法引入Java编程教学，有利于帮助学生养成良好的编程习惯，增强了学生对编程质量的认识，取得了良好的教学效果。
        2 极限编程（eXtreme Programming，XP）
        XP极限编程是近年来使用广泛的软件敏捷开发方法之一。与“一次性针对所有需求完成设计、实现、测试”的传统开发模式不同，XP将开发过程分解为测试、编码、设计/重构三个短小周期，针对每一个需求模块采用增量、迭代方式完成测试、编码、重构，在迭代过程中优化设计。如图1所示。
        图1 XP极限编程
        XP极限编程通过强调结对编程、测试驱动、重构、简单设计核心方法，使整个开发流
程简单、高效，且是软件质量得到有效保证。
        2.1 结对编程
        结对编程是两人一组连续协作共同完成软件设计、实现和测试的开发方式。在文献[1]指出，结对编程与单独编程相比，完成的程序具有更好的设计，更加简短有效，且具有更少的错误和缺陷。结对两人工作时，交流中彼此传递着知识，分享知识，并且互相学习编程技巧。因此，结对编程方式有利于结对的人充分沟通和交流，既能互相促进和补充知识和技能、彼此受益；又能提高编程质量和减少所用时间。
        2.2 测试驱动开发
        与传统开发方式不同，测试驱动开发（Test Drived Development，TDD）提倡以测试为中心。在编写任何实际功能的实现代码前，先编写该功能的测试；编写功能的实现代码是以通过该功能的所有测试为目标。测试驱动开发可以尽早地发现错误和避免错误，极大地降低了错误的出现几率和修改成本；从而保证最终软件有可靠的质量。
        2.3 重构
        重构（Refactor）是指在不改变功能的外部行为的前提下，对功能的内部实现进行优化，去除冗余部分，提高代码可读性。增加新的测试和功能后，通过重构对代码进行“重新”设计，增进内部的清晰性和一致性。
        2.4 简单设计
        简单设计（Simple Design）以最简单方式设计、实现每个功能，去除一切不必要的冗余部分，只要能通过当前的预定的所有测试即可。并在后续的不断重构中，根据需求变化进行修改和优化。
        另外，在为每一个类和方法设计其功能职责时，XP提倡所有的设计元素从命名和形式上能够表述其承但的功能职责，并且其承担的功能职责应尽可能简单、单一，以符合单一职责原则。
        3 XP极限编程在Java教学中的应用
        经过实践，按照以下步骤可以将XP编程方法有效应用到Java编程教学过程中。把每一个编程实践练习题目看作一个简单的软件项目，由指导老师向所有的学生讲解练习题目并明
确题目要求，完成需求分析。例如，在进行“编写一个计算器”的题目时，指导老师讲解并明确题目的具体的功能需求：实现给定两个数值的加、减、乘、除的计算功能，以及计算结果的输出。
        3.1 分组结对
        指导老师根据学生的以往成绩以两人一组进行分组结对。分组结对时，可以先按照以往成绩对所有学生进行排名，假如共有10名学生，从排序中间位置开始分组，让1和6、2和7、3和8、4和9、5和10进行结对，如图2所示。
        图2 结对分组
用java编写一个简单的计算器        结对的两名学生需要在整个过程中进行大量的讨论，彼此交换掌握的知识和技巧，如若遇到两人都不善言语，交流困难等特殊情况，需要在此基础上做少量调整，将其中一人调换为善于沟通交流的学生。
        3.2 为需求编写测试列表
        首先，根据题目明确的需求功能，结对两人在经过讨论后，以“望文生义”的方式为需求中的所有元素命名。比如，将计算器命名为Calculator，将计算器的加、减、乘、除、乘方运算功能命名为add、sub、multi、divide和power；计算结果为result，输出计算结果功能命名为printOut。
        然后，结对两人根据题目明确的功能需求，通过讨论的方式，共同为每一个功能需求编写需通过的测试列表。结对两人讨论过程中，考虑越细致，测试覆盖越全面，程序质量越高。
        在编写测试列表时，指导学生注意每一个测试应明确输入以及预期的输出。例如，为divide运算功能编写测试列表，可按如图所示编写。
        表1 divide运算功能测试列表
        序号 说明 输入 输出
        1 Result为0.0，传入参数2.0 2.0 Result为0.0
        2 Result为0.0，传入参数0.0 0.0 提示“除数为0”错误
        3 Result（非0）为10.0，传入参数2.0 2.0 Result为5.0
        4 Result（非0）为10.0，传入参数0.0 0.0 提示“除数为0”错误
        3.3 编写测试用例
        测试用例是对功能需求的具体体现，根据TDD测试驱动开发原则，在编写功能实现代码前，需先编写测试该功能的用例。为了方便编写测试用例，可提前向学生介绍xUnit、TestNG类测试工具的使用。
        结对两人根据已明确的需求，编写测试用例。比如，定义计算器的测试用例类为CaculatorTest，并根据需求列表中的第1个需求，编写第一个测试方法。
        public void testZeroDivide（）{
        //getResult（）返回0.0
        calculator.divide（2.0）；
        assertEquals（0.0， Result（））；
        }
        3.4 编写实现代码
        结对两人共同编写能够通过当前所有测试的实现代码。在该环节，学生最容易犯的错误是，编写实现代码时，主观随意、即兴发挥，实现代码并非都是为了通过当前所有测试而编写。与通过测试不相关的代码部分，无法进行测试验证其正确性，所以，根据简单设计原则，应该避免和去除与当前测试无关的部分。
        另外，编写代码时，可由一人进行代码编写，同时另一人在边上观看，并且两人时常交换。一方面，两人可以及时发现代码错误，并减少错误出现的几率，保证代码的编写质量；二是，代码编写过程中，两人在查代码错误、修改错误及尽力避免错误的大量讨论，彼此的知识、技巧和经验得到了充分的交换和补充，是对已学的书本内容进行了又一次生动而深刻学习。
        3.5 运行测试、重构
        运行当前所有测试，验证实现代码的正确性。如果实现代码存在错误，未通过所有测试，
则返回步骤4检查实现代码，修改错误。修改后，并再次运行测试。在多次的“修改代码-运行测试”的迭代中，如发现冗余的、无关的代码，应重构当前程序，优化和修改设计，及时去除冗余部分，从而提高代码质量。
        实现代码能够通过当前所有测试后，跳回步骤3，按照测试列表，在测试用例中编写增加一个新的测试，继续编写实现代码、运行测试，直到通过所有测试。
        这种增量的、迭代方式的过程中，程序不断地被重构，既可以根据变化进行修改，又可以通过优化提高质量，使得最终的程序具有良好的质量和健壮性。
        在基于XP极限编程的这种增量的、迭代方式的过程中，学生的知识和技巧不断地得到了强化学习和提高，并且学生养成了良好的软件开发习惯，提高了对软件开发的质量意识，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。
        4 结论
        经过实践发现，按照上述方法将XP极限编程应用到Java编程教学中，教学效果有了明显的改善：
        （1）提高了学生编写程序的质量和健壮性。学生的程序代码中，随意命名“a1，b1”的情况和冗余代码明显减少，程序编码的规范性和质量有了较大提高。程序运行不再频繁出错，程序具有了一定的健壮性。
        （2）增强了对软件开发的质量意识。学生不再只是以程序能够运行为目标，在开发过程中，能够主动通过多次迭代、重构来优化程序，提高程序质量，质量意识有了明显增强。
        （3）软件开发习惯有了明显改变。学生逐渐熟悉了“测试驱动、结对编程”的增量、迭代开发方式，以前的“单打独斗”编程习惯有了明显的转变。
        参考文献：
        [1]W.Laurie，K.Robert，结对编程技术[M].北京：机械工业出版社，2004.
        [2]Kent Beck.解析极限编程—拥抱变化[M].北京：机械工业出版社，2011.
        [3]A.Cockburn，L.Williams，The Costs and Benefits of Pair Programming[J].Proceedings of the First International Conference，2000.

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