“編譯原理”教學實踐探究

摘要：教學需要“教”與“學”雙方的密切配合。樹立“學生為主體、教師為主導”的良好教學關系，是成功教學的關鍵。本文根據“編譯原理”課程的特點，提出應用啟發式教學的思想，提高學生在學習中的主體地位，多方面增強學生的學習興趣。文章結合筆者17年的“編譯原理”課程教學實踐經驗，總結了開展啟發教學、提高教學質量的一些粗淺策略。

關鍵詞：編譯原理；文法；有窮自動機；下推自動機；啟發教學；教學策略

教書育人是教師的天職。教學，顧名思義，包含“教”和“學”兩個方面。教師需要“教”給學生知識和方法；而學生是學習的主體。我們要取得好的教學效果，首先要激發學生的學習興趣。

良好的開端是成功的一半。開課伊始就讓學生產生學習熱情、學習興趣是非常重要的。兩千多年前，孔子曾說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”意思是懂得它的人，不如愛好它的人；愛好它的人，又不如以它為樂的人。愛因斯坦也說過：“興趣是最好的老師。”學生感興趣了，教學就成功了一大半。

1.“編譯原理”課程概述

“編譯原理”課程是計算機科學專業的一門重要核心課程。計算機語言之所以能由單一的機器語言發展到今天的數千種高級語言，是因為有了編譯技術。自從20世紀50年代早期第一個編譯器出現以來，編譯技術成為計算機科學中發展最迅速、最成熟的重要分支。自1966年設立圖靈獎以來，程序設計語言、編譯理論與方法方面的得獎成果約占總數的1/3。可見，程序語言及其編譯的研究在計算機科學中始終處于非常重要的地位。

“編譯”是將高級語言描述的程序轉換成與之等價的低級語言表達的程序。在編譯系統的設計與實現中，用到計算學科的很多基本原理、技術和方法。Alfred V Aho編寫的編譯教材作為編譯課程方面的經典教材，被奉為“龍書”。他在該書第一章的第一句話提到：“編寫編譯器的原理和技術具有十分普遍的意義，以至于在每個計算機科學家的研究生涯中，本書中的原理和技術都會反復用到。”北京工業大學的蔣宗禮教授認為，編譯課程是計算機專業最為恰當、有效的知識載體之一。

2.“編譯原理”課程在整個課程體系中的地位和作用

從計算機應用的發展來看，編譯技術在其中發揮著極其重要且不可替代的作用。正是在編譯技術的支持下，程序設計才從以繁瑣的低級語言為工具，發展到以接近自然語言和數學語言的高級程序設計語言為工具，軟件開發也從模塊化的軟件開發方法發展到了面向對象的開發方法。編譯技術的發展極大地提高了軟件開發的效率，深刻地影響著軟件開發方法的變革，推動著計算機應用不斷地向社會的方方面面延伸。

編譯程序作為符號處理系統，廣泛應用到其他軟件的設計中。

例如，編譯在反病毒中的應用：對于高級文本語言類的文件（如網頁類文件），應用編譯技術的詞法分析和語法分析原理，可準確快速地定位病毒代碼，從而構造反病毒程序。編譯在機器翻譯系統和文本分類中的應用：機器翻譯系統又稱為語言翻譯系統，輸入是一種語言，輸出是功能上等價的另外一種語言。例如，中文和日文的相互翻譯。文本分類是把互聯網上的海量信息進行分類，便于閱讀。它們都離不開編譯中的詞法分析和語法分析技術。

“編譯原理”課程含有基本問題求解的典型思路和方法，通過本課程的學習，使學生容易理解和掌握“問題、形式化描述、自動化（計算機化）”的解題思路，培養學生的形式化描述和抽象思維能力。繼程序設計、數據結構與算法等課程后，該課程使學生從系統層面上對算法和程序進行再認識，提高學生對“程序設計語言”、“操作系統”、“計算機原理和體系結構”等課程知識的綜合理解。

該課程理論的學習不應僅局限在構造高級程序設計語言編譯器方面，還應把教學的重點放在培養專業素質、訓練抽象思維的層面上。在編譯課程的教學中，結合編譯理論和技術中的經典案例，培養學生的計算思維。

例如，抽象計算思維方法運用自動機和形式語言文法的形式化工具，把詞法分析和語法分析問題的本質抽象出來，從而可以發現解決該問題的自動化方法。自動化計算思維方法在計算機上實現抽象的結果，詞法分析環節的有窮狀態自動機、語法分析環節的LR分析法都是經典的編譯方法，它們是在抽象的基礎上對分析表進行處理的算法。編譯器的自動生成工具的設計正是體現了自動化的思維方法。

3.啟發式教學的設計及實施

師者，傳道授業解惑也。“傳道”就是體會學生在想什么，能夠啟發、引誘學生提高興趣；“解惑”并非簡單地解答疑惑，好老師會幫助學生知道什么是“惑”，引導學生一步步地去探究，真正調動學生的學習興趣，發揮個人的潛能，從而達到“解惑”的目的。

愛因斯坦曾經說過，一個人的成功不是解決問題，最重要的是提出問題。教師是教學的組織者和實施者，如何激勵學生的學習積極性、幫助學生積極地獲取知識和技能，使學生獲得綜合運用知識能力等，這些對教師來說更具挑戰性。

在計算機學科中，“編譯原理”是公認較難也是非常重要的一門專業課程。如形式語言、自動機理論、LR分析、語法制導翻譯等理論，內容相對抽象。但若方法應用得當，也會化難為易，使學生非常輕松地掌握看似艱澀的編譯原理和相關技術。

在教學中，教師要以人為本，把學生的潛能挖掘出來，同時培養學生還要因材施教，根據學生的能力給予不同的指導方式，充分發揮學生的潛力，這樣才能使學生很快成長起來。

課堂教學是實現素質教育的主渠道。筆者在長期的教學實踐中，習慣了從學生的角度出發，換位思考，回想自己學習新知識的困惑，設想學生初次接觸編譯這門課程，會有什么疑問，又會對什么特別感興趣？如果一開始，就能從學生的關注點出發，一步步引領他們解開心中的疑惑，樹立起學習的信心，而不是一味地照本宣科，讓學生興趣寡然，則后面的教學過程可能就是柳暗花明，得到事半功倍的效果。

開學第一課是至關重要的。學生借此認識教師并了解這門課程。教師通常在第一課上要概括介紹學習“編譯原理”的目的，編譯是“干什么用的？”“編譯”就是將各種高級程序設計語言書寫的源程序翻譯成等價的目標程序（低級語言）的過程，因此編譯程序就是一個語言轉換器。換言之，有了編譯程序，計算機就能“讀懂”用戶書寫的高級語言程序。實際上，編譯程序充當了一個“翻譯者”的角色，在人和計算機之間架起了一座橋梁。有了編譯器，用戶不必關心或掌握計算機內部的繁瑣細節（如指令系統、機器代碼），只需要掌握某種高級語言（如C語言），就可以給計算機下達指令，讓它為自己服務。

接著，教師可以引導學生思考。既然編譯程序完成的是程序設計語言的翻譯工作，那么它和我們生活中的哪些常識有共通之處呢？學生當然接觸過自然語言的翻譯，會聯想到英漢對譯。英譯漢通常需要幾個過程：識別單詞、語法分析、理解含義、寫出譯文。與此類似，編譯程序也要經過詞法分析（識別單詞）、語法分析、語義分析（理解含義）、目標代碼生成，才能最終將源語言（source Language，SL）程序翻譯成等價的目標語言（Object Language，OL）程序。此時，教師可以自然地引入編譯程序的“T”型圖描述，它非常形象地反映了編譯程序的三個要素：源語言、目標語言、書寫編譯程序的語言。

既然編譯程序要分析源語言，自然要了解語言的定義機制，從而自然地進入到文法的學習。文法是語言的定義裝置，它可以用有窮的規則定義無窮的語言（使用遞歸規則就可定義無窮語言）。這時我們可以讓學生瀏覽“編譯原理”教材的目錄，讓學生發現全書實際上是按照編譯程序的實現步驟設立所有章節的。首先是概述（了解編譯的整體過程），接著介紹文法和語言（了解源程序是如何定義的），然后依次闡述編譯的各個階段：詞法分析、語法分析、語義分析和中間代碼生成、代碼優化、目標代碼生成。編譯原理的學習過程中，會涉及許多看似抽象的概念和原理，其實，都是為“一個中心”（實現翻譯）服務的。

在編譯的學習過程中，引導學生把自己想象成設計者。例如學習詞法分析時，怎樣完成單詞的識別？學生們經過思考后，會按照從左向右的掃描順序，一一解讀每個字符；如何分辨出不同的單詞符號？尋找規律，發現不同單詞，其開始符號各不相同；因此，按照開始符的不同，識別不同單詞，拼寫單詞直到遇到非法符號即可終止。至此，引入有窮自動機（Finite Automata，FA）的定義，即詞法分析程序的數學模型，并畫出FA的狀態轉換圖：一種非常直觀的表達方式。學生們由于參與了這一過程，會感到興趣盎然，很有成就感。與此同時，我們可以給出現實生活中的實例，如一個人帶著一頭狼、一棵白菜和一只山羊過橋，要求每次人只能帶一樣東西，如何保證在羊不被狼吃掉，而且白菜也不被羊吃掉的前提下全部過橋呢。拋出這個問題，讓學生們試圖應用有窮自動機來解決這一問題。模擬這一問題實現的有窮自動機如圖1所示。（注：m代表人；g代表山羊；w代表狼；c代表白菜。）

進一步引申，我們發現有窮自動機更是實時系統的一般建模工具，可以解決大量實際問題。所以，構造詞法分析程序僅僅是有窮自動機的一個應用。掌握有窮自動機這種形式化描述工具，對于計算機學科的學生來說具有極其重要的意義，它可以提高學生計算思維的能力，讓學生了解計算機解決問題的思路。

語法分析的學習也是難點。難點知識在高校計算機教育中，不僅對于學生是學習難點，對于教師也是講授難點。教師應該對知識點特別熟悉，并能和相關應用案例聯系起來。首先應該了解它與詞法分析有何不同，為何不能延用有窮自動機來分析，而必須采用新的分析方法和技術。由于編程語言的嵌套性質，使得編程語言的語法描述通常要采用上下文無關文法（ComeXt Free Grammar，CFG），如描述左右括號配對的情形，用如下文法來描述。

G[S]：S→SSI（S）|ε

這類文法描述的是2型語言，而有窮自動機僅能分析3型語言，即線性（一般為右線性）語言，沒有記憶功能，即無法記住前面讀了多少個“（”，當然也無法確定“（”與“）”是否匹配。教師可以提示學生：學過的何種數據結構具有記憶功能呢？有人可能會想起棧，其“后進先出”的特性使其具有一定的“記憶”能力。因此，語法分析的數學模型就是帶有下推棧的有窮自動機，即下推自動機（Push Down Automata，PDA）。因此，下推自動機的引入，也是出于語法分析的需求，這是由于上下文無關文法CFG具有有別于3型文法的一個本質特征：自嵌入特性。

不論是用于“自上而下”分析的LL分析器，還是“自下而上”分析的LR分析器，都是下推自動機的特例，它們的不同之處在于：對棧的使用方式不同。因為一個是從文法的開始符號出發，一個是從給定的輸入串出發開始分析的。

自動機理論可以用來描述系統行為。如：有窮自動機FA可以描述如（abc）*的語言。（abc）*的FA表示如圖2所示。相應地，FA可用于刻畫并發系統，在一個時間段內執行一系列操作，這些操作之間滿足一定的先后順序。

下推自動機PDA可以描述如anbn（n∈N）語言。相應地，PDA可刻畫這樣的系統：在一個時間段內執行一系列操作，這些操作之間不但滿足一定的先后順序，而且某兩個不同操作的數量之間有匹配關系。PDA可看成帶有下推棧的FA，但是不能用FA的狀態轉換圖表示。

語法分析后，要完成語義分析。語義分析主要完成程序設計語言中上下文相關（敏感）成分的分析。如類型檢查，標識符需要先定義再使用，函數的形參個數和實參個數應該一致等。學生很容易理解這些要求，雖然這些要求本來都是語法規定，但由于無法用上下文無關文法CFG來描述，才將它們納入語義分析范疇。我們可借助符號表，采用語法制導翻譯，完成語義分析和中間代碼的生成。

只有清楚地認識編譯程序各階段的任務，學生才能在學習中保持濃厚的興趣，積極思考解決問題的方法。如在語法分析中，有了自己的深入思考、探究后，學生對自上而下的LL分析方法以及自下而上的LR分析方法的提出，就會有更深刻的體會。課堂上先給出一定時間思考，怎么來分析？如果是自己來構造會怎么做？還差哪些條件？這樣，有了主動的思考，工具的提出也順理成章，而不是生硬地拋出一個個抽象的原理和概念。

4.結語

啟發式教學是充分調動學生學習興趣、學習潛能和學習積極性的一種重要教學方式。文章根據筆者十余年的“編譯原理”教學實踐及體會，提出實施啟發式教學的一種有益嘗試，即抓住主要脈絡（一條主線），順藤摸瓜，將編譯的所有概念、原理、技術和方法都串在這條線上。學到哪兒，首先抓住當前要解決的問題，然后找方法，最后在實踐中（課程設計）加以應用。所有學習的內容，都是圍繞著編譯程序的翻譯工作這樣一個中心任務，來分析應該使用哪些工具才能完成相應的詞法分析（有窮自動機）、語法分析（下推自動機）、語義分析和目標代碼生成。這樣，學生在學習過程中思維清楚、目的性強，容易產生興奮點，自主學習的效果非常好。

“教”與“學”需要雙方密切配合。教師應該關注“教什么”和“怎么教”，即關注課程的基本內容、重點、難點是什么，將培養學生什么樣的能力，用哪種教學手段教學比較恰當。在課堂教學中，以學生為主體、教師為主導，教師和學生建立良好的教學關系，師生互動，教學相長，不但給學生提供更多有益的指導，也促進了教師自身素質的提高。教師還應及時把握本學科的最新發展動向，更好地服務于教學。

（見習編輯：劉麗麗）