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    “編譯原理”課程與專業(yè)能力培養(yǎng)

    2009-12-30 03:41:40蔣宗禮
    計(jì)算機(jī)教育 2009年21期
    關(guān)鍵詞:編譯原理專業(yè)能力計(jì)算機(jī)

    摘要:“能力導(dǎo)向”教學(xué)符合本科教育的基本追求,更有利于培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展能力?!熬幾g原理”作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的傳統(tǒng)核心課程,其所含知識(shí)是本專業(yè)實(shí)施能力培養(yǎng)的最佳載體之一,對(duì)學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)具有重要意義。本文從專業(yè)能力培養(yǎng)的視角討論“編譯原理”的教學(xué)。

    關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī);專業(yè)能力;編譯原理;面向能力培養(yǎng)

    中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

    高等教育為國(guó)家的現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)人才。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)代建設(shè)的需要,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)要為信息化建設(shè)的需要培養(yǎng)計(jì)算機(jī)人才——每年約十萬(wàn)的招生量和約十萬(wàn)的畢業(yè)生可以看成是社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)本科人才的基本需求。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告指出,他們應(yīng)該被分為科學(xué)型、工程型、應(yīng)用型人才,而且絕大多數(shù)應(yīng)該是工程型和應(yīng)用型的。從本科畢業(yè)生的基本工作情況看,他們中確實(shí)只有極少數(shù)人專門從事計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的研究,也只有很少數(shù)人從事操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等的研究和開(kāi)發(fā)。作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的“經(jīng)典”核心課程,“操作系統(tǒng)原理”、“編譯原理”、“數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理”等還有什么樣的存在價(jià)值?計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生為什么還要學(xué)習(xí)這些課程呢?這涉及到本科教育的基本問(wèn)題,本文以“編譯原理”課程為例,討論有關(guān)問(wèn)題。

    1培養(yǎng)專業(yè)能力

    根據(jù)《中華人民共和共教育法》,本科教育應(yīng)當(dāng)使學(xué)生比較系統(tǒng)地掌握本學(xué)科、專業(yè)必需的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí),掌握本專業(yè)必要的基本技能、方法和相關(guān)知識(shí),具有從事本專業(yè)實(shí)際工作和研究工作的初步能力——這規(guī)定了高等教育在知識(shí)、能力、素質(zhì)三方面的具體要求。其中的“能力”在學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新精神與能力的形成中具有非常重要的作用。所以,教育不僅要強(qiáng)調(diào)知識(shí)基礎(chǔ),更要強(qiáng)調(diào)能力基礎(chǔ)。

    在知識(shí)基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)的追求上,東西方教育存在一定的差異。相對(duì)而言,東方教育表現(xiàn)出更注重夯實(shí)扎實(shí)知識(shí)基礎(chǔ)的傾向,而西方教育更注重夯實(shí)能力基礎(chǔ)。實(shí)際上,“知識(shí)基礎(chǔ)”和“能力基礎(chǔ)”并不矛盾,兩者是相輔相成的關(guān)系:以知識(shí)為載體,通過(guò)對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí),掌握恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題求解思想和方法,培養(yǎng)學(xué)生的(專業(yè))能力;能力的增強(qiáng),會(huì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握甚至發(fā)現(xiàn)更多的知識(shí)。所以,先進(jìn)的教育倡導(dǎo)研究型“教”與“學(xué)”,尊崇的是“能力導(dǎo)向”。

    在大學(xué)里,學(xué)習(xí)一門課程,不能簡(jiǎn)單、膚淺地看成是對(duì)這門課程所含內(nèi)容的研究、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),而是關(guān)注是否在有限的時(shí)間內(nèi)最有利于專業(yè)能力的培養(yǎng)。所以,我們不僅反對(duì)面向系統(tǒng)的教育,更反對(duì)產(chǎn)品教育。由于計(jì)算學(xué)科仍然是一個(gè)年輕的學(xué)科,其專業(yè)教育總體上還不夠成熟,所以才有了今天的“操作系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)”、“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”、“編譯系統(tǒng)”等面向系統(tǒng)的課程。相信隨著學(xué)科的發(fā)展,計(jì)算機(jī)專業(yè)教育會(huì)不斷成熟,會(huì)有更能體現(xiàn)專業(yè)教育需要的課程出現(xiàn)。就目前的情況,應(yīng)該努力做到“使用工具、探索規(guī)律”、“實(shí)現(xiàn)具體系統(tǒng)、研究基本原理”,也就是“使用工具,不可忽略規(guī)律”、“學(xué)習(xí)系統(tǒng),切莫冷落原理”。

    那么,作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生,應(yīng)該具有什么樣的基本能力呢?首先,作為一名受過(guò)高等教育的高級(jí)人才,交流、獲取知識(shí)與信息的基本能力、基本學(xué)科能力、創(chuàng)新能力、工程實(shí)現(xiàn)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等,是不可或缺的。另外,作為接受專業(yè)教育的專業(yè)人員,更應(yīng)該具備專業(yè)基本能力。自2002年開(kāi)始,筆者就將計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的專業(yè)基本能力歸納成計(jì)算思維(目前看,它的含義應(yīng)該既有廣義的,還有狹義的)、算法設(shè)計(jì)與分析能力、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力(硬件和軟件實(shí)現(xiàn))、系統(tǒng)能力(系統(tǒng)的認(rèn)知、分析、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用)。4大基本能力有著自己豐富的內(nèi)涵,它們的培養(yǎng)需要落實(shí)到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中,特別是各門主干課程的教學(xué)中。

    例如,系統(tǒng)能力要求學(xué)生站在系統(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,對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才來(lái)說(shuō),狹義的系統(tǒng)能力包括對(duì)一定規(guī)模系統(tǒng)的“全局掌控能力”(全局地掌控一定規(guī)模系統(tǒng))和在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)能夠系統(tǒng)地考慮問(wèn)題的求解。要想培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)能力,就需要在基本思想的指導(dǎo)下從教學(xué)的點(diǎn)滴入手。例如,自頂向下是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要思想方法,學(xué)習(xí)它是為了引導(dǎo)學(xué)生分層次考慮問(wèn)題,逐步求精;鼓勵(lì)學(xué)生由簡(jiǎn)到繁,進(jìn)行復(fù)雜程序的設(shè)計(jì),是一個(gè)逐漸深入、逐漸擴(kuò)展規(guī)模的過(guò)程;結(jié)合計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)等的教學(xué),可以使學(xué)生學(xué)會(huì)關(guān)注和掌握系統(tǒng)邏輯,引導(dǎo)學(xué)生從宏觀到微觀去分析、理解和把握系統(tǒng);通過(guò)讓學(xué)生參與較大型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),鼓勵(lì)他們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中努力掌握系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),關(guān)心本人承擔(dān)工作在系統(tǒng)中的地位等方式來(lái)增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)觀和合作能力。教學(xué)中要不斷提升學(xué)生的眼光,實(shí)現(xiàn)學(xué)生從系統(tǒng)級(jí)上對(duì)算法和程序的再認(rèn)識(shí)。

    2計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門好課程

    “編譯原理”是一門非常好的課程。Alfred V.Aho編著的《Compilers: Principles, Techniques, and Tools》被認(rèn)為是編譯領(lǐng)域里的經(jīng)典教材,加上其“封面龍”的造型,被人們尊稱為“龍書”。作為第一章的第一句話,作者這樣寫道:“編寫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,本書中的原理和技術(shù)都會(huì)反復(fù)用到?!边@句話給出了這門課程的真正教學(xué)定位。

    從課程體系總體設(shè)計(jì)看,“編譯原理”課程的主要教學(xué)目標(biāo)之一是使學(xué)生在系統(tǒng)的級(jí)別上重新認(rèn)識(shí)算法和程序,提升學(xué)生的系統(tǒng)能力。實(shí)際上,除了這些之外,該課程還在于進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的形式化描述能力:如何給出問(wèn)題的形式化描述,基于這種描述設(shè)計(jì)出自動(dòng)化處理的過(guò)程,最后實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)計(jì)算”。

    雖然編譯課程(通常稱為“編譯原理”、“編譯方法”、“編譯技術(shù)”等)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要經(jīng)典課程,但是隨著高等教育的大眾化,有些人對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)是否需要開(kāi)設(shè)“編譯”課程出現(xiàn)了疑問(wèn),特別由于該課程的基本內(nèi)容涉及到的一些重要理論基礎(chǔ)具有抽象性,使得學(xué)生對(duì)其的理解產(chǎn)生了較大困難,加上有些人認(rèn)為畢業(yè)生中很少有人將來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)編譯系統(tǒng),使得該課程的“重要性”、“經(jīng)典性”受到了懷疑。課程的設(shè)置雖然要看知識(shí)的“直接有用性”,但更要考慮專業(yè)能力培養(yǎng)的重要性。如果忽視了本科教育培養(yǎng)學(xué)生基本專業(yè)能力、可持續(xù)發(fā)展能力這一基本目的,課程設(shè)置就是不恰當(dāng)?shù)?。?shí)際上,計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科生是否要開(kāi)設(shè)編譯課程,要考慮具體的培養(yǎng)目標(biāo)等因素,要從總體目標(biāo)的需求上去考慮,要看它是否是在總學(xué)時(shí)的限制下,是實(shí)現(xiàn)總目標(biāo)的最佳課程。

    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)比較適當(dāng)?shù)某橄髮用嫔系臄?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,屬于教學(xué)計(jì)劃中四大系列之軟件技術(shù)系列。

    除了知識(shí)外,該課程內(nèi)容還含有基本問(wèn)題求解的典型思想、技術(shù)和方法,所以該課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、算法設(shè)計(jì)與分析、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)知、開(kāi)發(fā)和利用等4大學(xué)科基本能力非常重要。學(xué)生是在程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法等課程中受到一定的鍛煉后,從系統(tǒng)的級(jí)別上對(duì)程序、算法的認(rèn)識(shí)進(jìn)行再提高,通過(guò)該課程進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)問(wèn)題求解的水平,增強(qiáng)系統(tǒng)能力,體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的樂(lè)趣。這些方法和思想包括掌握程序變換基本概念、問(wèn)題描述和處理方法(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)。通過(guò)學(xué)習(xí)這些知識(shí)、思想和方法,學(xué)生養(yǎng)成“問(wèn)題、形式化描述、計(jì)算機(jī)化”問(wèn)題求解習(xí)慣,實(shí)現(xiàn)從“實(shí)例計(jì)算”到“類計(jì)算”和“模型計(jì)算”的跨越;增強(qiáng)理論結(jié)合實(shí)際能力,獲得更多的“頂峰體驗(yàn)”;從宏觀到微觀、從微觀到宏觀,形成系統(tǒng)能力。所以,鼓勵(lì)有條件的計(jì)算機(jī)專業(yè)為本科生開(kāi)設(shè)“編譯”課程,并通過(guò)強(qiáng)調(diào)課程恰當(dāng)?shù)男螒B(tài)的內(nèi)容,達(dá)到與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)吻合的課程教學(xué)目標(biāo)。

    3瞄準(zhǔn)專業(yè)能力培養(yǎng)開(kāi)展教學(xué)

    總體上,我們可以將“編譯原理”課程目標(biāo)定義為: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,體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的樂(lè)趣,具體從如下幾方面實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng):

    (1) 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)題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

    (2) 實(shí)現(xiàn)“問(wèn)題、形式化描述、計(jì)算機(jī)化”的修養(yǎng)

    修養(yǎng)“問(wèn)題、形式化描述、計(jì)算機(jī)化”這一典型問(wèn)題的求解過(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,早已經(jīng)從一些單一的具體問(wèn)題的求解發(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)別于其他專業(yè)的學(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。

    (3) 增強(qiáng)理論結(jié)合實(shí)際能力,獲得更多的“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。

    (4) 從宏觀到微觀、從微觀到宏觀,培養(yǎng)系統(tǒng)能力

    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,培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)的觀點(diǎn)去看問(wèn)題,是非常重要的,也是比較困難的,可稱之為“系統(tǒng)”能力。軟件技術(shù)系列課程接在程序設(shè)計(jì)與算法系列之后,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)題本身的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,通過(guò)教師的引導(dǎo),強(qiáng)化對(duì)學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng),這對(duì)應(yīng)用型計(jì)算機(jī)專業(yè)人才非常重要。

    (5) 不斷探索未知,培養(yǎng)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。

    (6) 強(qiáng)調(diào)理論指導(dǎo)下的實(shí)踐,提升算法設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)能力

    “編譯原理”課程涉及的是一個(gè)比較適當(dāng)?shù)某橄髮用嫔系臄?shù)據(jù)變換,除了相應(yīng)的知識(shí)非常重要外,其中一些基本的問(wèn)題求解方法、處理問(wèn)題的思路也是非常重要的。所以,“編譯原理”課程的實(shí)踐必須在理論指導(dǎo)下進(jìn)行。學(xué)生在學(xué)習(xí)了基本的理論之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);教師在掌握系統(tǒng)總體構(gòu)成和基本原理、方法的基礎(chǔ)上提出實(shí)驗(yàn)的最基本要求。鼓勵(lì)學(xué)生選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì),包括選擇自動(dòng)化生成的方法。為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的效果,學(xué)生一定要先完成設(shè)計(jì),然后再進(jìn)入到實(shí)現(xiàn)階段,以提高對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的求解能力。

    另外,由于對(duì)問(wèn)題的形式化描述及其系統(tǒng)的復(fù)雜性,許多理論知識(shí)需要在實(shí)踐教學(xué)中得到印證,只有這樣,才能使學(xué)生更好地掌握這些內(nèi)容——就像吃梨子一樣,親自嘗嘗使用這些“一輩子都會(huì)不斷使用的方法”的“味道”。通過(guò)實(shí)踐,學(xué)生感受到成功的樂(lè)趣,提高了學(xué)習(xí)興趣,加深對(duì)理論知識(shí)的理解,提高了理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

    (7) 總體設(shè)計(jì)下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),提升系統(tǒng)和程序?qū)崿F(xiàn)能力

    作為一個(gè)經(jīng)典的、很成熟的系統(tǒng),編譯系統(tǒng)的構(gòu)建涉及多方面的內(nèi)容,既有分析,又有綜合,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的4大學(xué)科基本能力非常重要。無(wú)論從其復(fù)雜度還是技術(shù)含量上說(shuō),都是很適合教學(xué)的系統(tǒng)。

    考慮到在一開(kāi)始就講授編譯系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),可以在總體結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下,將其分解為“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)”,每個(gè)程序?qū)⒗们耙粋€(gè)程序的結(jié)果,最終形成一個(gè)簡(jiǎn)單的編譯系統(tǒng)。這樣就采用了功能遞增的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行引導(dǎo)性劃分,使學(xué)生在學(xué)習(xí)詞法分析時(shí)就可以著手進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì),隨著教學(xué)的開(kāi)展和教學(xué)內(nèi)容的深化,組織系列化的上機(jī)實(shí)驗(yàn),學(xué)生逐步完成詞法分析器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、語(yǔ)法分析器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),優(yōu)秀的學(xué)生進(jìn)一步完成語(yǔ)義分析與中間代碼生成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后,學(xué)生已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)滿足要求的程序變換程序,完成整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建。

    參考文獻(xiàn):

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