編譯原理課程教學研究

　　摘要：原有編譯原理課程教學在教學內容、教學環節、教學方法等方面存在一定問題。本文嘗試從典型案例設計、實驗實踐教學模式、與其他課程知識相融合、與各類應用相結合、復合型考核方式等方面入手展開教學改革研究，探索該課程新的教學思路與方法。
　　關鍵詞：實驗實踐教學模式；階梯式；項目驅動式；復合型考核方式；大作業
　　
　　隨著編譯技術的發展以及課程體系構建的科學化，原有編譯原理課程教學在教學內容、教學環節、教學方法等方面存在一定問題，包括內容過于原理化、實驗不太合理、實踐環節實用性太差、教學方式單一化、與其他課程的知識未進行有效的融合、與各類應用結合不緊密等。本文嘗試從典型案例設計、實驗實踐教學模式、與其他課程知識相融合、與各類應用相結合、復合型考核方式等方面入手展開教學改革研究，以探索該課程新的教學思路與方法。
　　1典型案例設計
　　編譯原理課程的實踐教學可以采用案例驅動方式，設計一個(或多個)綜合性案例，貫穿整個課程的始末[1]。例如，以一個綜合性的C編譯器的設計與實現為例，從詞法分析器、語法分析器，再到語義分析器，完成一個完整的編譯器構造。
　　通過編譯程序這一具體的案例，學生可以綜合理解和運用計算機的程序語言、操作系統和體系結構等各種軟硬件知識，形成計算機專業人才特有的系統的專業知識結構。在系統學習編譯理論和技術的過程中，學生一方面對科學理論的基礎作用有了充分的認識，提高了學習經典理論的興趣，形成了較高的理論素養；另一方面，通過課程綜合性的實踐，分析或改進簡單或復雜、原型級或產品級的各種編譯程序或工具，也可以提高靈活運用理論知識、設計較大規模的軟件來解決實際問題的能力。在課程的學習和實踐中，學生可以深刻體會到理論學習的意義和動手實踐的樂趣。
　　2實驗實踐教學模式
　　以“做中學”為平臺，培養具有綜合分析問題能力，解決問題能力的應用型創新人才。精選實驗內容，采用主流技術，實行在教師指導下以學生為中心的階梯式實驗教學法、項目驅動式“做中學”；按照工程原則，規范地進行實驗項目的分析、設計、開發、測試和管理工作，培養學生解決問題的工程能力和素質。
　　2.1階梯式實驗教學法
　　在所教的班級實施“階梯式”的實驗教學法后，教學取得較好的效果，在對該方法進行實踐、改進、再實踐的基礎上，提出“多層次-多目標-多效果”教學方法。該方法的中心思想是，針對不同水平的學生設定不同難度的實驗題目，不同的實驗題目有不同的要求，學生在不同的要求下達到不同的效果，從而激發每個學生的學習興趣，使每個學生都能通過學習而有所收獲，真正達到培養創新型人才的目標。
　　針對基礎較差的學生，以原理驗證型實驗為主。課程的實驗應以理論中的一些經典的算法實現為主，并且舉例說明算法的思想和實現技術在一般軟件設計中的應用。比如，在有窮自動機的實驗中，可以介紹有窮自動機的原理在文本編輯器中應用。這讓部分基礎本來就差的學生充分明白，編譯理論不僅可以用于編譯程序中，還可以廣泛用于計算機的其它領域，充分調動他們學習編譯原理課程的積極性。原理驗證型實驗內容主要包括數字、標識符和關鍵字的識別、C語言子集狀態轉換圖的編程實現、簡單詞法分析器的設計與實現、FIRST集及FOLLOW集的編程實現、LL(1)分析表的構造、SLR(1)沖突解決辦法的編程實現、SLR(1)分析表的構造、賦值語句或布爾式的翻譯等。實踐教學有助于學生熟悉詞法分析、語法分析、語義分析的基本原理，使學生對編譯過程有一個較直觀的認識。
　　針對基礎一般的學生，以設計型實驗為主。比如，為一個C語言的子集設計一個真正的詞法分析程序、語法分析程序等。選擇C語言作為實例語言，是因為：程序設計的教學大都采用C語言；C語言編譯器一般都以匯編語言作為目標語言，這便于分析源程序所對應的目標代碼；C不是類型安全的語言，很容易出現難以捉摸的錯誤，編譯知識有助于分析這些錯誤。每個學生完成編譯器的前端(或后端)，并自行選擇完成后端(或前端)的合作伙伴。前端完成詞法分析、語法分析、語義檢查并生成抽象語法樹，而后端由抽象語法樹生成x86匯編碼，生成的匯編碼應能直接用gcc匯編，并連接得到可執行文件，不要求代碼優化。
　　針對基礎較好的學生，以綜合型實驗、(課外)研究創新型實驗、企業實踐型實驗為主。學生設計開發出一個屬于自己的“產品”，這有助于提高學生的工程實踐能力和應用能力。在這種實驗中，注重對學生工程意識、質量意識、團隊意識、創新意識和產品意識的培養。
　　2.2項目驅動式實踐教學法
　　項目驅動式實踐教學的一個優勢在于多課程協同，以項目為紐帶，將多門專業課程的教學關聯起來，圍繞共同的線索和方向實施教學，以體現課程體系中多課程的協作關系。采用實際的工業項目作為實驗平臺，引導學生積極參與大型軟件開發和維護活動，基于具有工業水準的真實軟件進行實踐活動，除編譯實踐之外，對于學生了解行業發展以及軟件工程素養的培養也具有很大價值。在教學中，采取下列原則：
　　1) 統一性原則。以項目為動力，重視學生校內學習與實際工作的一致性，使“教、學、做”為一體，強化學生綜合能力的培養，進一步改進考核方式，積極探索實踐性能力考核形式。注重校內成績考核與企業實踐考核相結合，并探索主體課堂、輔助課堂與延伸課堂的一體化。
　　2) 層次性原則。學生綜合應用能力和實踐能力的提高和發展是一個漸進的過程，實踐教學也應分階段、分層次逐步深化。
　　3) 完整性原則。實踐教學應維護教學計劃的完整性和學科專業知識的系統性，不能游離于專業教學之外。
　　這種教學法深受學生的歡迎，因為有許多實踐項目就是學生自己的畢業設計(或論文)的題目，實踐的單位就是學生畢業后的工作單位，學生一畢業就能為自己的單位帶來經濟效益，不需要經過專業培訓；另外，學生在未畢業就能親身體驗企業的文化和管理理念，為將來找工作打下基礎。
　　3與其他課程知識相融合
　　多課程間通過項目發生關聯，實施協同教學的課程必須是通過項目能夠關聯起來的課程。可以將編譯原理與軟件工程、數據結構與算法、算法設計與分析、軟件開發方法、匯編語言程序設計、高級語言程序設計等課程結合在一起。“編譯原理”是許多課程的一個綜合性的實踐，它進一步加深了學生對程序設計語言相關課程中語言基本單位的定義和作用的理解[2]。例如，編譯程序使用的一些數據結構和算法是“離散數學”、“數據結構與算法”以及“算法設計與分析”等課程相關知識的典型應用；編譯程序對目標代碼的存儲組織與分配功能的實現又與“操作系統”的相關內容相互滲透；編譯程序對中間代碼的優化功能的實現則是數學、邏輯學、結構化程序設計和優化理論的綜合應用和專門化；如果“編譯原理”與“軟件工程”課程安排在同一學期，則可考慮將兩門課程的實驗合并在一起同步進行，即編譯原理的綜合實驗同時也完成了軟件工程的課程設計，軟件工程課程重點要求工程化的開發步驟與文檔，而編譯原理課程更注重算法與數據結構的設計。
　　下面進一步舉例說明編譯原理課程與其他課程間知識的融合與關聯[3]。
　　1) 考察編譯程序的組織與結構，若從軟件體系結構層面分析，將詞法分析器作為語法分析器獨立調用的子程序，則屬于層次結構；若從接口關系上存在的直接I/O關系分析，可以認為屬于過濾器結構；若從操作系統領域分析，將詞法分析器和語法分析器各作為一個獨立線程，則對共享程序要解決互斥問題等。
　　
　　2) 編譯理論中對語言的表示和分析，涉及到形式化描述和自動機的概念，自動機的化簡是一種數學抽象，可直接利用離散數學中等價劃分、商集的基礎理論和知識。
　　3) 編譯系統對用程序設計語言編寫的源程序進行編譯，編譯過程中會用到源語言自身的規范和庫程序，需要操作系統提供的庫程序和接口，以及目標體系結構的相關信息生成可執行的二進制代碼。可執行程序由操作系統調度運行，并與下層硬件系統產生密切聯系。為此，編譯課程所講授的部分內容需要程序設計語言、操作系統和計算機體系結構等課程內容作為支撐。
　　4與各類應用相結合
　　編譯原理是一門綜合性的課程，本課程的設計，需充分考慮編譯理論與實際應用的結合，突出開創性和實用性[3]。編譯程序使用的一些原理、方法和技術在非編譯系統的實際應用發揮了很大的作用。例如，正則表達式、自動機理論及詞法分析器在搜索引擎與信息檢索系統、模式識別程序、文本編輯器、數據庫查詢語言、文件處理語言中都有應用；上下文無關文法和語法制導定義已用于創建諸如排版、繪圖系統和語言結構化編輯器；代碼優化技術已用于程序驗證器和從非結構化程序產生結構化程序的程序檢驗器等。
　　隨著消費類電子產品的大量開發，嵌入式系統的應用需求也不斷增加。在這種情況下，搭建適合的交叉編譯環境的工作日益重要，急需掌握編譯器構造相關原理、方法和技術的從業人員。此外，隨著反病毒領域的不斷拓寬，編譯技術在其中具有非常廣闊的運用空間。因此，編譯的原理性研究、學習和實踐，可以從多角度提高學生的邏輯思維能力、實踐動手能力、編程調試及綜合應用能力，有助于切實有效地提高學生的專業素質。
　　5復合型考核方式
　　教學評價的標準反映了教學的價值取向。傳統的教學評價常常是教學內部的自我完善和自我評價，缺乏社會需求和市場驅動的直接作用。與教學模式的改革相適應，我們必須改革目前僵化的、單一的課程評價與考核方式，積極探索考核方式多樣化的改革與創新。以往實踐環節的考核過程中存在重結果輕過程、重技術實現輕報告撰寫，以及分組實驗無法考核到個人等不足。網絡教學平臺及貫穿本課程的大型案例(項目)的引入，給實驗實踐環節考核方式的改革帶來了新的挑戰。
　　5.1考核環節和評分比重的合理設置
　　絕大多數實驗可考核實驗過程、實驗結果和實驗報告撰寫質量等三個環節。實驗過程可由教師觀察或系統自動記錄獲得。設置評分比重時，應重視實驗報告的撰寫，因為如果缺乏準確的描述和有效的總結，實驗結果難以得到認可。需改變傳統的實驗報告模式，不再硬性規定報告的格式和內容，而是要求學生將實驗報告以科研論文的形式提交。讓學生把在分組討論時對實驗結果進行的分析和自己獨特的見解寫進報告，避免實驗報告“千人一面”的現象。這樣還能夠培養學生實事求是的科學態度和獨立的科研素質。
　　5.2大作業考核新嘗試
　　在前一步的基礎上，對課程實踐大作業(項目)的考核環節進行細分，責任到人。采取大作業集中答辯和演示的方式，每組8～10分鐘，由授課教師、助教和其他學生針對各個環節提問，以杜絕“一人種樹、眾人乘涼”現象的發生。答辯時間、答辯形式等具體問題有待在實踐中不斷改進。大作業的實施一方面完成了課堂知識到個人知識的轉化；另一方面為創業型人才所需要的知識基礎、心理素質、能力素質提供了一個展示和培養的平臺。大作業作為課程學習中的一個重要環節，通過鍛煉學生的資料搜集、協作精神、解決綜合問題的能力，可以充分發揮學生的主觀能動性，自主學習探討，勇于發現問題，獨立分析問題，與他人通力協作，可以增強其獨立意識、創新意識、合作意識，鍛煉和提高其觀察力、思維力、想象力和動手能力等。通過課程大作業，大部分學生能更好地掌握相關的理論與實踐知識，提高了學生解決實際問題的能力。通過小組大作業的運作過程，增強了學生對團隊協作、獨立工作和文獻資料收集等工作的認識。
　　5.3成績綜合評定
　　根據平時作業、分組實驗、課程實踐大作業、科研報告、期末閉卷考試成績等方面的情況，對學生的學習成績和學習能力給予綜合評定。將學生分為3～5人的小組，分組實驗和課程實踐大作業以小組為單位完成。由于引入階梯式實驗教學法和項目驅動式實踐教學法，每組的題目難易程度一般都不一樣，可以就每個題目預先給定一個難度系數。科研報告可以是與編譯技術相關的學術會議調研，學生利用互聯網等資源，搜集與編譯技術相關的近三年的國際會議資料，針對某一次會議寫出包括研究方向、研究內容和發展趨勢評價的調研資料，深入閱讀該會議中的某一兩篇論文，撰寫對論文的閱讀評價。
　　6結語
　　編譯原理課程能夠培養學生的計算思維[4]，提升學生的系統能力，使學生在系統的級別上重新認識算法和程序；能夠培養學生的形式化描述能力；能夠激發學生的創新意識、工程意識、質量意識、團隊協作意識。因此，該課程對于計算機專業學生來說非常重要。然而，目前編譯原理課程的教學不盡人意，我們的教學改革正是針對這些問題，從典型案例設計、實驗實踐教學模式、與其他課程知識相融合、與各類應用相結合、復合型考核方式等方面入手提出自己的一些想法和思路，供大家借鑒。
　　
　　參考文獻：
　　[1] 趙曦. 編譯原理實驗教學改革初探[J]. 實驗