編譯原理課程教學改革與實踐

彭源 孫超超 田秀霞 張安勤

摘要：編譯原理作為專業核心課程，具有較強的理論性和實踐性。該文結合多年的教學經驗，以培養學生能力為目標，從合理組織教學內容、突出實踐的重要性、更新考核方式等方面給出了一些編譯原理教學改革的基本思路。

關鍵詞：編譯原理；教學改革；教學實踐

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0134-02

Abstract：As a professional core course， compiler principles have strong theoretical and practical natures. Based on the teaching experience of many years， this paper puts forward some basic ideas of teaching reform of compiler principles from the aspects of organizing the teaching content reasonably， highlighting the importance of practice and updating the method of examination.

Key words： compiler principles；teaching reform； teaching practice

1 概述

《編譯原理》是信息安全、網絡工程、計算機科學與技術等專業的一門重要專業核心課程，主要介紹編譯程序構造的一般原理和基本方法。在理論、技術、方法上對學生提供系統而有效的訓練，從而提高學生的素質和能力。課程的特點是理論性和技術性都非常強，綜合知識集成度高，因此較難掌握和理解。許多學者對該門課程教學進行了探討，如文獻[1]提出了分階段、實驗報告+答辯的考核方式；文獻[2]將ACM在線評測引入了本課程的實踐教學；文獻[3]在課程中引入了建構主義學習理論；文獻[4]設計了一個支持自定義語言的可視化編譯教學輔助工具等。

為了更好的提升教學效果，近幾年來我們在編譯原理課程的教學改革與實踐中做了一定的探索，獲得了一定的方法，總結了一定的經驗，也取得了一些成效。本文介紹我們在課程教學改革和實踐中的經驗和體會。

2 以“能力導向的教育”為目標指導教學過程

編譯原理課程有著較為成熟的理論體系，除算法知識本身外，更蘊含了問題求解的典型思路和方法，因此在課程的教學過程中，不僅要考慮知識的傳輸，更要考慮對學生能力和素質的培養。授之以魚，更要授之以漁。

2.1 課程內容作為知識的載體

專業的課程體系是一個整體，課程之間互相關聯，如編譯程序使用的數據結構和算法是前面“數據結構”、“離散數學”等課程的典型應用。課內所講的內容也不是孤立的，課程中蘊含的許多軟件技術，如介紹的經典語言分析方法和工具，對于設計一些實用的工具和軟件，像自然語言理解、網絡信息處理、網絡協議的分析與實現等都是必備的基礎。課程教學不能狹隘的只關注于本課程知識點的講解，而應從人才培養的角度，承前啟后，結合與融入更多相關的內容，從課程特定的知識和算法，引申到普遍適用的知識和算法，引導學生開闊視野，激發其探索興趣。

2.2 計算思維的能力培養

課程學習的目的并不僅僅是為了構建一個編譯器，實際上只有極少數的學生以后會從事編譯系統的設計與實現。但編譯原理課程作為傳統的核心課程，蘊涵了計算機學科中解決問題的思路、抽象問題和解決問題的方法，因此是實施能力培養的最佳載體。

計算思維指運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為，由卡內基梅隆大學的周以真教授于2006年提出。它包含了一系列的計算機科學的思維方法，如遞歸、抽象和分解、啟發式推理等。課程從淡化推導、證明等理論形態的內容，強調編譯原理中抽象和設計形態內容的角度出發，教學中注意對算法核心思想的分析，挖掘知識背后的內容，模擬大師們的創新思維，使學生能夠掌握其關鍵，從而培養學生的創新意識和創新能力，訓練學生“計算機問題求解”的基本能力，強化其計算思維。學生通過學習不僅可以在系統級的層次上對程序變換和算法有更為深入的理解，更是學到了問題的求解方法和思路。達到不僅學知識、而且培養能力的效果。

3 教學內容組織

編譯器是一個完整的體系，在有限的教學時間內不可能事無巨細、面面俱到。因此教學內容的選擇是教學中非常重要的一環。筆者在選擇教學內容時，主要從以下方面來進行考慮：

1） 作為整個課程理論基礎的基本概念、工具和原理，以及具有典型意義、效果好、應用比較廣泛的主要編譯技術和方法細致深入的進行討論。

以有限自動機為例，它不僅應用于本課程表示詞法規則、識別活前綴等，也是計算機領域中經常用到的概念和工具，因此需詳細介紹。講授的內容應包括有限自動機的確定化、最小化的過程，以及該工具與其他工具如正規文法、正規式的轉換方法。

在編譯技術方面，如遞歸下降分析算法、LR分析算法是典型的軟件技術，體現了抽象問題、遞歸解決問題、自動化處理的思路，具有典型的意義，對學生的能力培養具有舉足輕重的意義，應詳細講述并在實踐中深化理解。而對一些較為陳舊的算法，如算符優先分析，其在現代編譯系統中已不再廣泛使用，因此可以去掉。

2） 根據學生的認識規律來組織安排教學內容，層次清晰，重點突出，難點分散。

課程開展按照詞法分析、語法分析、屬性文法和語義分析、中間代碼生成、符號表和內存空間組織、優化的主線展開。將編譯程序各組成部分的基本功能、邏輯關系、實現思路深入淺出地闡述清楚，不盲目的追求全而深，不過分糾纏于一些繁瑣的具體技術細節。強調對編譯原理和技術的宏觀理解和掌握，而不是一些微觀的算法。如符號表的插入和查找方法，基本的思路在數據結構等課程中已有體現，雖然針對編譯器中的符號表，有一些特定的處理算法，但對編譯器的整體理解貢獻不大，無需多費課時。

以掌握工具、體驗思路為主，淡化理論證明過程。如文法、正規式、DFA間等價性的證明就無需強調，只需告訴學生此結論即可。對于LR分析算法系列，LR（0），SLR，LR（1），LALR的分析表構造只是從分析能力和工作量角度考慮，采用了不同的折中策略，思路是一致的。因此在講授時，以一個算法為主，其他的算法順帶提及，或在課外作為課程內容的延伸。

3） 結合專業，微調教學重點

《編譯原理》課程在我校計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、信息安全等多個專業均有開設，不同專業培養計劃不同，教授過程中的側重點和能力訓練方面也應有所區別。如網絡工程和軟件工程專業為工科專業，與計算機科學與技術和信息安全專業偏理論不同，教學時應注重工程性人才的培養，更加強調算法實踐，在實現中更深入理解算法。

教學還應結合專業特點開展。以信息安全專業為例，在開展運行時內存空間的組織這部分的教學內容時，引入了一個緩沖區溢出的例子，該例子在對程序分配的內存空間結構的詳細理解基礎上，通過精心構造溢出數據的內容，破壞了函數調用后返回的地址，使得程序運行到不期望的代碼處。從而引導學生思考程序運行時內存分配可能會存在的安全問題以及延伸思考解決辦法。

4 實踐是最好的學習方式

學生通過教學過程能夠較好地掌握算法原理和思路，但在理論實現算法設計時仍有不知如何下手的困惑。通過長期教學分析，原因在如下兩個方面：1.大量的細節問題。例如：詞法分析實驗中需對超前搜索進行字符回退處理、關鍵詞是在識別為標志符的基礎上匹配關鍵詞表來實現、遞歸下降分析時需將讀入的單詞設置為全局量等。2.沒有見過實際的代碼，理論與程序聯系不上，心理上有畏難情緒。

學生雖在前續課程中學習與培養了編程能力，但本課程中算法對編程能力的要求更為系統和全面，需要用到多種復雜的數據結構。但隨著教學條件和網絡溝通渠道的完善，現在的學生可以有更多機會和時間去上機實踐，遇到問題也可以通過微信、QQ等實時的獲得老師的指導與解惑。學生實際上對自己動手實現算法，甚至是一個完整的編譯器是有著更高的渴望的，這就要求課程應當尊重學生發展規律，滿足學生自我實現的想法，提升學生的編程能力，引導學生獲得成功的體驗。

4.1 課程以實踐為引導開展算法的講解

對于每個算法都配備了小型的可實際運行的程序，在講解算法過程中，就穿插入算法實現代碼的講解。這么做好處有兩個：一是讓學生看到算法并不是飄在空中的理論，而是實實在在可以實現和運行的，增強了學生實現的信心；二是算法中的一些小細節的處理可以直觀的通過代碼展示出來，幫助學生開拓思路。

4.2 實驗內容前后銜接，鼓勵自我探索

將理論課與實驗課有機地結合，通過實驗課的實踐，讓學生將理論知識通過實驗進行驗證并設計實現；反之，在實驗中產生的各種問題，通過理論課的講解分析解決；如此相互促進，不僅加深了理論知識的理解，同時也提高了實際編程能力和學習興趣。每個實驗圍繞編譯系統中一個獨立的模塊進行安排，由易到難，逐步深入，在保持每個實驗獨立性的同時，注意前后承接，以培養學生設計和實現一個小型編譯系統的能力。

鼓勵學生擴展視野。對于詞法分析和語法分析，有LEX和YACC自動生成工具。實驗中給出了關于這些自動生成工具的可選實驗內容，以熟悉這些工具的部署和使用。實驗中還給出了一些探索型的研究內容，如編寫文本編輯軟件，引導學生將課內的知識應用到其他相關領域。

5 引入“一紙開卷”考核方式

在考試考核方面，考慮到編譯系統的算法相對復雜但固定、本門課程的目的是通過算法提高學生分析問題、抽象問題和解決問題的能力，記憶算法本身的步驟不是考核的要點。因此考慮采用“一紙開卷”的形式，即在考試時允許學生最多帶一張A4大小的紙進去，上面可以由學生自行組織記錄知識要點和內容。具體實施思路如下：考試專用紙于開考前兩周發放給學生，每人一張。學生必須在考前填寫完整專用紙上的相關欄目，可在專用紙上書寫任何內容，可正反面書寫，但不能打印、復印，必須由本人手寫；學生在考試時可將專用紙帶入考場翻閱，但考試中不得與其他同學傳遞交流，否則以舞弊論處；不能在專用紙上粘貼其他紙張，否則以夾帶論處。考場規則和紀律按照閉卷考試執行。考試結束后，考生將專用紙與試卷、答題紙一并上交。以備核查。

通過此種形式，這樣既使得學生通過對知識要點的組織鞏固了學習效果，又可以引導學生將學習的重點放到對原理的理解上，減輕了對算法步驟本身無意義的記憶（實踐設計中隨時可查）。

6 總結

課程的開展要符合人才培養的目標，并根據課程特點，合理組織教學內容，突出實踐的重要性，并引導學生將精力放在對原理的理解和實踐上。近幾年的實踐證明，我們對《編譯原理》教學中的進行的改革和探索取得了一定的成果，進一步提高了教學質量。在培養學生實踐能力、計算思維能力等方面取得了一定成效，值得進一步的實踐和探索。

參考文獻：

[1] 丁學雷， 吳春寒， 賀汛. 編譯原理課程考法改革探討[J]. 計算機工程與科學， 2014，36（a02）：169-173.

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[3] 朱文華， 王榮波. 基于建構主義的編譯原理實踐教學研究[J]. 杭州電子科技大學學報：社會科學版， 2008（4）：71-74.

[4] 褚文杰， 童蘭軒， 魏瑋，等. 支持自定義語言的可視化編譯教學輔助工具設計[J]. 計算機應用， 2017，37（s1）：331-335.