編譯技術(shù)線上線下混合式教學(xué)研究

謝紅俠　王志曉　張辰　劉佰龍

摘要：分析了當(dāng)前主流教學(xué)工具的特點(diǎn)，選取了雨課堂+學(xué)習(xí)通（慕課平臺）+釘釘+在線實(shí)驗(yàn)平臺的線上線下混合教學(xué)模式作為疫情以來的編譯技術(shù)課程的教學(xué)方式。針對線上教學(xué)師生之間的時空距離的特點(diǎn)，設(shè)計了課前慕課自主學(xué)習(xí)、課堂重點(diǎn)知識講解與討論、課堂測試與練習(xí)及課后測評、在線實(shí)驗(yàn)評測系統(tǒng)等教學(xué)環(huán)節(jié)，從不同的角度讓學(xué)生參與到教學(xué)中來，最大限度地提供自主學(xué)習(xí)資源與便捷工具。真正做到了停課不停學(xué)，切實(shí)保障了課程教學(xué)效果，提高了學(xué)生的動手能力及自學(xué)能力。

關(guān)鍵詞： 編譯技術(shù)；混合式教學(xué)；在線測評；慕課；雨課堂

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）01-0175-03

1 引言

在當(dāng)今的環(huán)境下，國內(nèi)很多老師為了提高編譯技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)行了多種教學(xué)改革[1-5]。編譯技術(shù)是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課。通過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得所學(xué)內(nèi)容的基本概念、基本理論和基本編譯程序的開發(fā)方法，為學(xué)習(xí)后繼課程和進(jìn)一步獲得編譯知識奠定必要的基礎(chǔ)。通過各個教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生具有詞法分析、語法分析、語法制導(dǎo)翻譯、中間代碼生成等一般編譯器的開發(fā)原理和方法的能力。為達(dá)到這一目的，結(jié)合所學(xué)的在線教學(xué)工具，確立了雨課堂+中國大學(xué)慕課+釘釘+在線實(shí)驗(yàn)平臺的混合教學(xué)模式作為編譯原理課程的在線教學(xué)方式。

2 在線教學(xué)工具的比較與選擇

2.1 各種在線教學(xué)工具的比較

隨著科技的發(fā)展，用于教育的在線工具也如雨后春筍般層出不窮，我們應(yīng)該選擇哪些工具作為我們的教學(xué)工具呢，表1對目前市場上主流的一些教學(xué)工具進(jìn)行了比較分析。

2.2 在線教學(xué)工具的選擇

通過比較以上多個平臺發(fā)現(xiàn)，各個平臺都有各自的優(yōu)勢與不足之處，用單一的在線教學(xué)工具不能滿足課堂教學(xué)的要求，但是可以將它們組合在一起，揚(yáng)長避短，發(fā)揮各自的長處，從而取得較好的教學(xué)效果。依據(jù)課程特點(diǎn)及教學(xué)要求，結(jié)合在線教學(xué)工具的優(yōu)缺點(diǎn)，選取了雨課堂+學(xué)習(xí)通（MOOC平臺）+釘釘作為編譯技術(shù)課程的混合式教學(xué)平臺。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺的選擇

學(xué)校沒有提供合適的在線實(shí)驗(yàn)平臺編譯技術(shù)課程。學(xué)校已有的實(shí)驗(yàn)平臺只提供了實(shí)驗(yàn)成果提交的平臺無法監(jiān)控學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)EduCoder是一個由國內(nèi)知名高校、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和大型企業(yè)共同發(fā)起的新型信息技術(shù)工程教育平臺。EduCoder支持程序設(shè)計、軟件工程、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等全品類計算機(jī)專業(yè)方向的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)和科研活動。以闖關(guān)的模式循序漸進(jìn)地進(jìn)行實(shí)訓(xùn)。因此編譯技術(shù)課程選擇該平臺作為實(shí)驗(yàn)平臺。

3 線上線下混合式教學(xué)設(shè)計

3.1 基于MOOC平臺的教學(xué)組織

隨著疫情的發(fā)展，開學(xué)初的線上教學(xué)已成常態(tài)化，為了更有效地開展線上教學(xué)，課程組梳理了編譯的知識點(diǎn)，將課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行了梳理，并根據(jù)教學(xué)的進(jìn)度進(jìn)行了知識點(diǎn)的劃分，分工合作完成了知識點(diǎn)的錄制工作。這些知識點(diǎn)涵蓋了以下內(nèi)容：

形式語言與自動機(jī)理論中的基本概念、DFA、NFA、正規(guī)文法之間的等價關(guān)系及相互轉(zhuǎn)換；詞法分析中的單詞分類、單詞的正則表達(dá)式描述、有限自動機(jī)識別單詞的機(jī)理與實(shí)現(xiàn)；自頂向下的語法分析常見的問題、解決方法、不含回溯的遞歸下降分析法以及非遞歸的預(yù)測分析法；自底向上的語法分析的一般模型、活前綴在自底向上的語法分析中的作用、識別活前綴的有限自動機(jī)的構(gòu)造、LR（0） 、SLR（1）、LR（1）、LALR（1） 語法分析法及各種方法的對比；語法制導(dǎo)翻譯中的屬性、屬性文法、屬性計算的依賴圖、S屬性文法與自底向上的翻譯、L屬性文法與自頂向下的翻譯；中間代碼生成中的中間代碼的形式、聲明語句的翻譯、表達(dá)式語句的翻譯、布爾表達(dá)式的翻譯、控制流語句的翻譯。代碼優(yōu)化包括常用代碼優(yōu)化的方法如刪除多余運(yùn)算（刪除公用子表達(dá)式）、合并已知量、復(fù)寫傳播、刪除無用賦值等；局部優(yōu)化技術(shù)如DAG圖的構(gòu)造及利用DAG圖進(jìn)行局部優(yōu)化；循環(huán)的識別及循環(huán)優(yōu)化常用的技術(shù)如代碼外提、強(qiáng)度削弱、變換循環(huán)控制條件。

以上這些知識點(diǎn)涵蓋了課程的主要內(nèi)容，也是教學(xué)的主要內(nèi)容。首先錄制了這些知識點(diǎn)的視頻講解，接著對知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，為每個知識點(diǎn)構(gòu)建相應(yīng)的練習(xí)題。最后完成在線教學(xué)平臺的搭建。這樣在線上教學(xué)或者混合式教學(xué)中，教師可以方便地通過MOOC平臺布置預(yù)習(xí)任務(wù)，課堂習(xí)題和課后作業(yè)及測試，構(gòu)建從課前到課中再到課后全覆蓋的、針對每個學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，針對學(xué)習(xí)狀態(tài)異常的學(xué)生，可以進(jìn)行有針對性的輔導(dǎo)，提高整體教學(xué)效果。最終實(shí)現(xiàn)以面授為主、在線練習(xí)為輔、線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式改革。在MOOC教學(xué)平臺中，每個知識點(diǎn)的練習(xí)題為3-5個，主要檢查學(xué)生的基礎(chǔ)知識是否掌握。另外還為每章提供了綜合的練習(xí)，這個放在了雨課堂中，方便教師在教授完一章之后，對學(xué)生進(jìn)行隨堂測試，實(shí)時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并且根據(jù)課堂測試結(jié)果布置相關(guān)作業(yè)，對重點(diǎn)、難點(diǎn)的內(nèi)容進(jìn)行鞏固練習(xí)以加深理解。

3.2 課前預(yù)習(xí)與知識點(diǎn)測評

基于MOOC，課程組構(gòu)建了編譯技術(shù)的在線學(xué)習(xí)平臺，該平臺提供了重點(diǎn)、難點(diǎn)的知識點(diǎn)的視頻講解、課程內(nèi)容的課件及對應(yīng)知識點(diǎn)的練習(xí)題，為學(xué)生課前預(yù)習(xí)及知識點(diǎn)測評做好了詳盡的準(zhǔn)備。對于課程一些重點(diǎn)難點(diǎn)知識點(diǎn)在課前給學(xué)生相關(guān)的MOOC視頻進(jìn)行觀看預(yù)習(xí)，在課堂上推送預(yù)先做好的雨課堂測驗(yàn)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果再有針對性地對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行具體的講解，課后再布置相關(guān)的作業(yè)加強(qiáng)對這部分知識的理解。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與測評

我校編譯技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)主要注重編譯器前端的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，分為詞法分析器、語法分析器兩大部分，語法分析器分為遞歸下降分析器和LR分析器兩部分。往年的實(shí)驗(yàn)由學(xué)生根據(jù)詞法分析器、語法分析器的思想，參考教材實(shí)現(xiàn)代碼自己編程實(shí)現(xiàn)，但是學(xué)生在實(shí)現(xiàn)過程中對錯誤處理、細(xì)節(jié)處理不完善。EduCoder上開設(shè)的編譯課程則是自動化工具，首先把問題形式化表示，然后采用flex、bison將問題形式化描述出來，由工具自動生成代碼，便于學(xué)生學(xué)習(xí)編譯器自動生成的思維方式和編程方式。自2020年開設(shè)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向自動構(gòu)造編譯器的實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。達(dá)到在實(shí)驗(yàn)中學(xué)理論， 在理論指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)來加深對理論的理解。

實(shí)驗(yàn)主要選取了詞法分析、語法分析、中間代碼生成三個實(shí)驗(yàn)。其中詞法分析主要是完成Tiny C語言的編譯程序的詞法分析部分實(shí)現(xiàn)。要求從左到右掃描每行該語言源程序的符號，拼成單詞，換成統(tǒng)一的內(nèi)部表示（token） 送給語法分析程序。單詞種類包括保留字、標(biāo)識符、字符常量、字符串常量、數(shù)值型常量、運(yùn)算符等單詞種類的識別。主要目的是讓學(xué)生學(xué)會針對DFA轉(zhuǎn)換圖實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的高級語言源程序中單詞的識別。通過自己動手編碼深刻地領(lǐng)會狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的含義，逐步理解有限自動機(jī)，并且理解詞法分析器的內(nèi)部工作原理。

語法分析實(shí)驗(yàn)包括兩個部分，一個是自頂向下的語法分析，一個是自底向上的語法分析。對于自頂向下的語法分析，實(shí)驗(yàn)給出了將要識別的源程序的上下文無關(guān)文法，要求學(xué)生首先對上下文無關(guān)文法進(jìn)行檢查，找出文法中存在的左公共因子和文法的左遞歸，接下來要消除左遞歸和提取左公共因子，這樣可以避免回溯和語法分析中死循環(huán)的現(xiàn)象。 采用每個產(chǎn)生式的左邊的文法符號對應(yīng)一個函數(shù)或過程的形式，編寫程序?qū)崿F(xiàn)一個遞歸下降分析器。可以對如下類型的測試用例進(jìn)行語法分析。

自底向上的語法分析實(shí)驗(yàn)測試用例和自頂向下的語法分析測試用例相同，要求學(xué)生根據(jù)課堂所講授的LR（0） 的語法分析方法，編制程序?qū)崿F(xiàn)對給定的語法進(jìn)行自底向上語法分析的LR分析器，設(shè)計分析表，對于能力強(qiáng)的同學(xué)可自動構(gòu)造識別活前綴的有限自動機(jī)，完成分析表的自動構(gòu)造，能力稍弱的同學(xué)可手工構(gòu)造，對給出的輸入語句進(jìn)行語法分析，判斷是否符合相應(yīng)的文法要求。自底向上的語法分析實(shí)驗(yàn)的主要目的是掌握LR分析法的思想，學(xué)會特定分析表的構(gòu)造方法，利用給出的分析表結(jié)合高級語言源程序進(jìn)行LR分析。

中間代碼生成要求學(xué)生在完成了詞法分析、語法分析實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將程序整合后，結(jié)合語義分析和翻譯模式，將Tiny C源程序翻譯為三地址代碼形式的中間代碼。要求學(xué)生在語法分析器基礎(chǔ)上，對文法進(jìn)行改造，使得文法能夠進(jìn)行自底向上的語法翻譯，并且易于生成中間代碼。完成從生成語法樹到生成中間代碼的轉(zhuǎn)換。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以熟悉中間代碼各種不同的表示方法及它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，掌握中間代碼的重要作用以及語義翻譯的實(shí)現(xiàn)方法。

3.4 教學(xué)效果

這種教學(xué)方法實(shí)施兩年來，教學(xué)質(zhì)量沒有因?yàn)榫€上教學(xué)或線上線下教學(xué)而降低，由于教學(xué)方法的多樣性，還提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣取得了較好的教學(xué)效果，圖2為這兩年與線下教學(xué)的成績對比。該圖包含每年兩個行政班同學(xué)編譯技術(shù)成績的分析。其中2019年采取的是線下教學(xué)，線上教學(xué)攻擊使用了雨課堂進(jìn)行課堂知識點(diǎn)的測評。2020—2021年采用了線上線下混合式教學(xué)。從學(xué)生成績段的分布來看，高分段（90分以上）學(xué)生逐年增加，低分段（70分以下）學(xué)生逐年減少，進(jìn)一步說明了該方法可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。另外多種教學(xué)方法的使用，以及方便快捷的多種在線測試手段也增加了平時成績的客觀性。

4 結(jié)論

本文分析了疫情以來的教學(xué)情況的發(fā)展變化，對各種在線教學(xué)工具進(jìn)行了分析和比較，結(jié)合本校學(xué)生特點(diǎn)，在實(shí)踐中總結(jié)出了一套行之有效的線上線下混合式的教學(xué)方法，通過教學(xué)方法的改革，學(xué)習(xí)了編譯技術(shù)這門課程，使學(xué)生更好地理解了編譯技術(shù)的基本原理、編譯程序的組成及編譯程序的基本設(shè)計方法和主要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，讓學(xué)生充分認(rèn)識和了解程序設(shè)計語言編譯程序的基本結(jié)構(gòu)，并使學(xué)生初步具備編譯程序的開發(fā)能力，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力，為未來從事相關(guān)工作打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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