基本學(xué)科能力培養(yǎng)在編譯原理課程教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)

摘要：編譯原理包含著計(jì)算機(jī)學(xué)科的一些基本知識(shí)和典型技術(shù)與方法，是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教育中的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，通過(guò)知識(shí)的講授、基本方法和技術(shù)的介紹，探討典型的問(wèn)題求解思想方法，使學(xué)生掌握“編譯原理”中的基本概念、基本理論、基本方法，在系統(tǒng)級(jí)上再認(rèn)識(shí)程序和算法，提升計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的水平，增強(qiáng)系統(tǒng)能力，提高計(jì)算機(jī)學(xué)科的基本素質(zhì)，體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的樂(lè)趣，促進(jìn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：編譯原理；教學(xué)定位；能力培養(yǎng)；素質(zhì)提高

中圖分類號(hào)：G64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5913（2007）01-0028-03

編譯原理包含著計(jì)算機(jī)學(xué)科的一些基本知識(shí)和典型技術(shù)與方法，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科教育中占有重要地位。直到1990年，我國(guó)只有100來(lái)所學(xué)校設(shè)有計(jì)算機(jī)專業(yè)（2005年已達(dá)771所），那個(gè)時(shí)期，在人們心目中，該課程一直是核心專業(yè)課，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展，它逐漸變成技術(shù)基礎(chǔ)課，目前在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中開(kāi)設(shè)。北京工業(yè)大學(xué)為本科生開(kāi)設(shè)的“編譯原理”是北京市精品課程，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，面向應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)，根據(jù)課程容量和學(xué)生特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)闹R(shí)為載體，不僅介紹典型問(wèn)題求解方法和技術(shù)，更注重計(jì)算學(xué)科問(wèn)題求解基本思想、方法的探討，通過(guò)研究型教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解能力和創(chuàng)新能力。總體上，希望學(xué)生掌握“編譯原理”中的基本概念、基本理論、基本方法，在系統(tǒng)級(jí)上再認(rèn)識(shí)程序和算法，提升計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的水平，增強(qiáng)系統(tǒng)能力，提高計(jì)算機(jī)學(xué)科的基本素質(zhì)，體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的樂(lè)趣。下面根據(jù)筆者在不同學(xué)校里講授此課程的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合近些年的一些相關(guān)探索，討論有關(guān)的問(wèn)題。

1 課程指導(dǎo)思想

課程設(shè)置的基本指導(dǎo)思想非常重要，它決定著課程的基本教學(xué)定位，從而決定著總體教學(xué)計(jì)劃所規(guī)定的人才培養(yǎng)目標(biāo)的落實(shí)。在確定時(shí)，既要考慮到人才培養(yǎng)的全局，又要考慮學(xué)科和課程內(nèi)容的基本特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這些特點(diǎn)的體現(xiàn)，來(lái)支撐教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算學(xué)科問(wèn)題求解的基本思路是“問(wèn)題、形式化描述、計(jì)算機(jī)化”，以抽象、理論、設(shè)計(jì)為其學(xué)科形態(tài)。編譯原理涉及的是一個(gè)適當(dāng)抽象層面上的數(shù)據(jù)變換，既有明確的、便于抽象的問(wèn)題，又有較成熟的理論，而且在限定規(guī)模下又容易實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)），所以編譯原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，涉及學(xué)科的三個(gè)形態(tài)。除知識(shí)外，含有基本問(wèn)題求解的典型技術(shù)和方法。Alfred V.Aho在《編譯原理》的開(kāi)篇曾寫(xiě)道“編寫(xiě)編譯器的原理和技術(shù)具有十分普遍的意義，以至于在每個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家的研究生涯中，本書(shū)中的原理和技術(shù)都會(huì)反復(fù)用到”。課程屬于教學(xué)計(jì)劃中四大系列之軟件技術(shù)系列，繼程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法等課程后，從系統(tǒng)級(jí)引導(dǎo)學(xué)生再認(rèn)識(shí)程序、算法，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。

2 強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)

根據(jù)課程設(shè)置的基本指導(dǎo)思想，本課程強(qiáng)調(diào)以知識(shí)為載體，向?qū)W生傳授典型問(wèn)題求解的思想和方法，培養(yǎng)其能力，提高其素質(zhì)。

* 掌握程序變換基本概念、問(wèn)題描述和處理方法

這些方法主要有：自頂向下、自底向上、逐步求精、遞歸求解，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，問(wèn)題分析、問(wèn)題的抽象與形式化描述，算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)建、模塊化等方法。這些都是本學(xué)科最經(jīng)典、最常用的問(wèn)題求解與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

* 修養(yǎng)“問(wèn)題、形式化描述、計(jì)算機(jī)化”

這一典型的問(wèn)題求解過(guò)程，推進(jìn)從“實(shí)例計(jì)算”到“類計(jì)算”和“模型計(jì)算”的跨越。

計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展到今天，已經(jīng)從單一的具體問(wèn)題求解發(fā)展到對(duì)一類問(wèn)題的求解，也就是尋求一類問(wèn)題的系統(tǒng)求解。完成單一的具體問(wèn)題求解的計(jì)算稱為“實(shí)例計(jì)算”；完成一類問(wèn)題系統(tǒng)求解的計(jì)算稱為“類計(jì)算”。當(dāng)然，在“類計(jì)算”中，一大部分高層次的計(jì)算是“模型計(jì)算”。這是區(qū)分于其他專業(yè)學(xué)生的重要方面之一。學(xué)生的培養(yǎng)，通常都是從“實(shí)例計(jì)算”開(kāi)始，逐漸推進(jìn)到“類計(jì)算”，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“計(jì)算”理念的跨越。

* 增強(qiáng)理論結(jié)合實(shí)際能力，獲得更多“頂峰體驗(yàn)”

“編譯原理”是理論和實(shí)踐結(jié)合最好的計(jì)算機(jī)課程之一，不僅含有恰當(dāng)?shù)睦碚撝R(shí)，而且直接涉及到這些理論的實(shí)踐，讓學(xué)生親歷理論結(jié)合實(shí)踐的樂(lè)趣，使優(yōu)秀的學(xué)生獲得更多的“頂峰體驗(yàn)”，培養(yǎng)他們理論結(jié)合實(shí)際的能力。

* 從宏觀到微觀、從微觀到宏觀，培養(yǎng)系統(tǒng)能力

引導(dǎo)學(xué)生能夠站在系統(tǒng)的全局去看問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。經(jīng)驗(yàn)表明，這種能力是非常重要的，也是比較難培養(yǎng)的。所以在本科教學(xué)計(jì)劃中，程序設(shè)計(jì)與算法系列之后安排軟件技術(shù)系列課程，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的系統(tǒng)認(rèn)知、分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)，并使學(xué)生進(jìn)一步在系統(tǒng)級(jí)別上認(rèn)識(shí)程序和算法。編譯原理就是其中一門課程。編譯系統(tǒng)雖然是一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模和相當(dāng)復(fù)雜度的系統(tǒng)（含總體結(jié)構(gòu)），但對(duì)問(wèn)題本身分析和處理的分解非常清楚，使得其規(guī)模和復(fù)雜度可控，宜于讓學(xué)生掌握，可以通過(guò)教師的引導(dǎo)，來(lái)鍛煉學(xué)生理解、設(shè)計(jì)能力，來(lái)達(dá)到學(xué)生系統(tǒng)能力強(qiáng)化培養(yǎng)的目的。

* 開(kāi)展研究型教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

開(kāi)展研究型教學(xué)，挖掘知識(shí)背后的內(nèi)容，通過(guò)講授思想、方法，模擬大師們的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

3 教學(xué)基本要求

編譯原理的基本內(nèi)容是比較成熟的，其理論性強(qiáng)，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)膶?shí)踐活動(dòng)與之配合，既有基本的問(wèn)題求解，又是一個(gè)具有相當(dāng)規(guī)模的系統(tǒng)，加上它描述的形式化，又有利于強(qiáng)化學(xué)生“計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解”的基本能力培養(yǎng)。雖然形式化給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)了一定的理解困難，但是只要克服了這一困難，學(xué)生才能取得更具意義的進(jìn)步。因此，要求學(xué)生掌握基本的理論和分析方法，并學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)這些理論和方法，在實(shí)踐過(guò)程中進(jìn)一步理解這些理論和分析方法。充分體現(xiàn)本學(xué)科理工結(jié)合、理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生掌握一些基本概念、基本理論和基本方法。特別是通過(guò)教師的講授，使學(xué)生能夠?qū)@些基本概念和理論有更深入的理解，有能力將它們應(yīng)用到一些問(wèn)題的求解中。要注意對(duì)其中一些基本方法的核心思想的分析，使學(xué)生能夠掌握其關(guān)鍵。

* 基本知識(shí)

理論部分包括：教學(xué)目的、基本術(shù)語(yǔ)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；正則語(yǔ)言、上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)言、二義性、派生樹(shù)；詞法描述模型及分析實(shí)現(xiàn)； LL分析、遞歸下降分析、算符優(yōu)先分析、LR分析；語(yǔ)法制導(dǎo)翻譯、屬性文法、翻譯模式、中間代碼生成；符號(hào)表、靜態(tài)存儲(chǔ)分配、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配；基本優(yōu)化方法。刪除狀態(tài)矩陣法和有關(guān)理論證明，將原始的制導(dǎo)翻譯改為屬性翻譯，增加目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，強(qiáng)調(diào)中間代碼生成，弱化代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成。

實(shí)踐部分：在學(xué)生掌握基本原理的基礎(chǔ)上，在編譯程序總體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)引下，通過(guò)設(shè)計(jì)出詞法分析器、語(yǔ)法分析器，語(yǔ)義分析與中間代碼生成器，構(gòu)建一個(gè)限定高級(jí)語(yǔ)言的翻譯器（能夠?qū)①x值語(yǔ)句、條件語(yǔ)句、循環(huán)語(yǔ)句翻譯成中間代碼的基本翻譯系統(tǒng)）。學(xué)生需完成相關(guān)算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，自行選擇語(yǔ)言完成實(shí)現(xiàn)，最后提交規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行刻畫(huà)和分析。

* 能力培養(yǎng)

通過(guò)將教育教學(xué)研究、科學(xué)研究成果用于課程教學(xué)，通過(guò)研究型教學(xué)，強(qiáng)調(diào)能力培養(yǎng)。從提出問(wèn)題，到求解思路分析，再到用符號(hào)表示問(wèn)題及其求解算法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生抽象表示問(wèn)題的能力和對(duì)“一類”問(wèn)題進(jìn)行求解的意識(shí)和能力；從系統(tǒng)的角度向?qū)W生展示編譯系統(tǒng)，同時(shí)考慮各子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與聯(lián)系，通過(guò)不同級(jí)別的抽象和問(wèn)題的分治，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)意識(shí)和能力。

4 努力體現(xiàn)先進(jìn)教育理念

開(kāi)展研究型教學(xué)，通過(guò)知識(shí)的講授介紹基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科能力，課堂努力再現(xiàn)大師們的問(wèn)題求解思考過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生思考，體驗(yàn)思考和求解問(wèn)題的樂(lè)趣。培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科能力、創(chuàng)新能力；從具體問(wèn)題求解到系統(tǒng)構(gòu)建，向?qū)W生傳授基本學(xué)科方法，培養(yǎng)其系統(tǒng)能力；配合對(duì)實(shí)踐循序漸進(jìn)的引導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效果；提出深層問(wèn)題、擴(kuò)展問(wèn)題，列舉輔助材料，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)闊視野，主動(dòng)探索，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。發(fā)揮對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，利用多媒體技術(shù)，制作與教材配套課件，通過(guò)抽象內(nèi)容的可視化，展現(xiàn)內(nèi)部處理過(guò)程。如，在關(guān)鍵處以字符為單位進(jìn)行動(dòng)作切換，以重現(xiàn)算法過(guò)程。多媒體配合板書(shū)，增加課程信息量，提升教學(xué)效果。同時(shí)發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)網(wǎng)站和學(xué)院開(kāi)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)Digiclass，多途徑開(kāi)展教學(xué)。

5 搞好示范

大力推進(jìn)課程教學(xué)改革，努力探索課程內(nèi)容和教學(xué)方法的改進(jìn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)班教學(xué)，探索在教學(xué)內(nèi)容和方法上的改革，使實(shí)驗(yàn)班及其教學(xué)能夠?qū)ζ胀ò嗟慕虒W(xué)有一個(gè)示范、帶頭作用。

針對(duì)學(xué)生的不同情況，因材施教。對(duì)實(shí)驗(yàn)班同學(xué)來(lái)說(shuō)，他們的接受能力要強(qiáng)一些，雖然執(zhí)行的是相同的教學(xué)大綱，但是，教師根據(jù)他們的實(shí)際情況，補(bǔ)充了一些內(nèi)容，對(duì)有些內(nèi)容有更高的要求。例如，鼓勵(lì)他們?cè)谡n外更好地閱讀參考書(shū)，教師加強(qiáng)對(duì)他們的輔導(dǎo)。03級(jí)實(shí)驗(yàn)班的同學(xué)就有不少人仔細(xì)閱讀著名計(jì)算機(jī)科學(xué)家和教育家Alfred V.Aho所著的《編譯器：原理、技術(shù)與工具》，并可以隨時(shí)找課程組的任何教師討論有關(guān)問(wèn)題。再例如，給實(shí)驗(yàn)班講編譯自動(dòng)生成技術(shù)，介紹有關(guān)軟件工具，鼓勵(lì)他們?cè)趯?shí)踐中擴(kuò)展編譯系統(tǒng)的功能。對(duì)于普通班同學(xué)，則注意適時(shí)地加強(qiáng)習(xí)題的講解以及上機(jī)輔導(dǎo)，使他們更好地理解課程的基本內(nèi)容，同時(shí)也鼓勵(lì)他們中的優(yōu)秀學(xué)生向?qū)嶒?yàn)班看齊，提高對(duì)自己的要求。

6 課程特色

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和調(diào)整，本課程形成了如下特色。

1) 傳授基本方法，培養(yǎng)學(xué)科能力

以知識(shí)為載體，傳授自頂向下、自底向上、逐步求精、遞歸求解，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，問(wèn)題分析、問(wèn)題的抽象與形式化描述，算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)建、模塊化等方法，培養(yǎng)基本學(xué)科能力。

2) 挖掘來(lái)源，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

挖掘知識(shí)背后的豐富內(nèi)容，通過(guò)向?qū)W生描述問(wèn)題的求解思路，讓學(xué)生體驗(yàn)大師們的思維，減少學(xué)生的死記硬背，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。例如，從 LR分析法的思想根源，剖析LR分析法的精髓。

3) 重視系統(tǒng)觀念，培養(yǎng)系統(tǒng)能力

系統(tǒng)能力是應(yīng)用型計(jì)算機(jī)人才之長(zhǎng)，通過(guò)不同級(jí)別上的抽象和虛擬系統(tǒng)的建立，用一個(gè)適當(dāng)規(guī)模和復(fù)雜度的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)貫穿整個(gè)課程，將學(xué)生的視角從“程序級(jí)”提高到系統(tǒng)級(jí)。

4) 注重實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)踐能力

實(shí)現(xiàn)生成一個(gè)“小語(yǔ)言”中間代碼的編譯器，在總體結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下，通過(guò)其分解為“詞法分析器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”、“語(yǔ)法分析器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”、“語(yǔ)義分析與中間代碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，引導(dǎo)學(xué)生在有限學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)對(duì)基本原理的理解和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

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投稿日期：2006-10-10

作者簡(jiǎn)介：蔣宗禮（1956年10月），男（漢族），河南，教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，操作系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)專業(yè)教育。