編譯原理課程教學(xué)改革探討

劉全中 任國(guó)霞 張陽(yáng)

摘 要：針對(duì)編譯原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合課程的特點(diǎn)，探討了一種基于編譯原理教學(xué)輔助系統(tǒng)的教學(xué)模式，該模式從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面著手，提高編譯原理教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：教學(xué)輔助系統(tǒng) 教學(xué)模式 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）03（a）-0029-02

編譯原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)及軟件工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在本科計(jì)算機(jī)及軟件工程專業(yè)教學(xué)中占有十分重要的位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自1966年至2009年，55位圖靈獎(jiǎng)獲得者中近1/3的科學(xué)家是因?yàn)樵诔绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言和編譯方面獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)[1]。該課程系統(tǒng)地講述了高級(jí)程序語(yǔ)言的編譯程序設(shè)計(jì)的基本原理、編譯程序各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)方法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，使得學(xué)生掌握文法和形式語(yǔ)言基礎(chǔ)知識(shí)，以及構(gòu)造編譯程序的基本原理和方法，從而具備設(shè)計(jì)、分析、實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化編譯程序等各方面的能力。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，編譯原理是將經(jīng)典的理論和實(shí)踐有效結(jié)合的最好典范[1]。編譯原理把對(duì)高級(jí)程序的編譯過(guò)程分解為各模塊，從編譯問(wèn)題的實(shí)際出發(fā)，抽象出科學(xué)問(wèn)題，提煉出經(jīng)典的理論。在經(jīng)典編譯理論的基礎(chǔ)上，形成了一套先進(jìn)的編譯程序設(shè)計(jì)方法和技術(shù)。

1 編譯原理教學(xué)現(xiàn)狀

編譯原理教學(xué)普遍存在的問(wèn)題：教難、學(xué)難、實(shí)踐更難[2]。主要原因如下：

（1）理論抽象難懂。編譯過(guò)程的各個(gè)部分中的理論知識(shí)都很抽象，例如：詞法分析中的自動(dòng)機(jī)理論，語(yǔ)法分析中的形式語(yǔ)言、LL（1）分析法、算法優(yōu)先分析法、LR分析器，語(yǔ)義分析中的語(yǔ)法制導(dǎo)翻譯、各種語(yǔ)法范疇的翻譯等。老師透徹地講解其中的理論知識(shí)難度大，學(xué)生理解、消化理論知識(shí)難度大，把理論知識(shí)付諸實(shí)踐難度更大。

（2）實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)。編譯程序?qū)崿F(xiàn)算法復(fù)雜，即使對(duì)理論知識(shí)理解很透徹，實(shí)現(xiàn)起來(lái)依然有難度。比如，語(yǔ)法分析階段，各個(gè)語(yǔ)法范疇自身的嵌套，相互嵌套等；在此基礎(chǔ)上，語(yǔ)義分析中的數(shù)組翻譯、子程序調(diào)用、“拉鏈-回填”等。精確地實(shí)現(xiàn)各種語(yǔ)法范疇的分析與翻譯絕非易事。

（3）對(duì)課程重要性認(rèn)識(shí)不足。據(jù)調(diào)查，很多學(xué)生認(rèn)為在找工作時(shí)編譯原理不重要，面試和考試不會(huì)涉及編譯原理方面的知識(shí)，C語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法分析、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等課程與畢業(yè)找工作具有直接的關(guān)系。對(duì)于找工作，編譯原理發(fā)揮的作用可能沒有以上課程體現(xiàn)得那么明顯。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，事實(shí)并非如此，編譯原理絕非僅僅是介紹編譯器開發(fā)的一門課程，通過(guò)講授理論、思想和方法，能夠模擬大師們的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和抽象思維能力[3]。通過(guò)學(xué)習(xí)編譯程序的構(gòu)造方法，增強(qiáng)學(xué)生系統(tǒng)地理解程序語(yǔ)言的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的能力，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，豐富學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)大型的軟件奠定良好的基礎(chǔ)。

2 教學(xué)改革方案

編譯原理知識(shí)的理解與消化能夠指導(dǎo)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐順利完成能進(jìn)一步深化理解理論知識(shí)，二者是相輔相成的。因此，編譯原理改革必須雙管齊下，從兩個(gè)方面共同著手，加強(qiáng)理論知識(shí)學(xué)習(xí)和提高實(shí)踐環(huán)節(jié)質(zhì)量。為此，開發(fā)一個(gè)輔助的資源管理系統(tǒng)使二者有效地結(jié)合勢(shì)在必行。系統(tǒng)大體的示意圖如圖1。

2.1 加強(qiáng)理論知識(shí)學(xué)習(xí)

由于編譯原理中的理論知識(shí)抽象難懂，僅僅靠課堂老師講授遠(yuǎn)遠(yuǎn)是不夠的，課下知識(shí)的預(yù)習(xí)及鞏固是非常必要的。編譯原理教學(xué)輔助系統(tǒng)中的教學(xué)部分為教師講授理論知識(shí)、學(xué)生鞏固理論知識(shí)提供輔助。系統(tǒng)中實(shí)踐部分為提高編譯程序開發(fā)質(zhì)量提供支撐。系統(tǒng)將教學(xué)和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，使二者相互促進(jìn)、相得益彰。

資源共享：將教學(xué)日歷、教案、教學(xué)大綱、課件等相關(guān)資源上傳到系統(tǒng)中，供學(xué)生們課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)。

案例動(dòng)畫模擬：對(duì)于抽象的理論知識(shí)，給出具體的實(shí)例，以動(dòng)畫的形式模擬分析過(guò)程，使學(xué)生更容易理解理論知識(shí)。例如：遞歸下降分析法、LL（1）分析法、自底向上分析方法的“移進(jìn)-規(guī)約”分析過(guò)程、算符優(yōu)先分析過(guò)程、語(yǔ)義分析加工翻譯的過(guò)程，這些分析過(guò)程都可以用動(dòng)畫形式進(jìn)行模擬。通過(guò)動(dòng)畫模擬，學(xué)生更容易理解抽象的理論知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

經(jīng)典習(xí)題的練習(xí)：將每章重點(diǎn)部分相應(yīng)的習(xí)題放入系統(tǒng)中，并給出參考答案，學(xué)生課余時(shí)間練習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)。

章節(jié)習(xí)題、實(shí)驗(yàn)在線批改：學(xué)生在線提交每次習(xí)題、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)作業(yè)，老師在線批改，指出作業(yè)存在問(wèn)題，并打分。學(xué)生能夠很清楚每次實(shí)驗(yàn)的得分及存在的問(wèn)題。對(duì)于錯(cuò)誤較為集中的部分，理論課上集中講解，解決每章節(jié)存在的突出問(wèn)題。

教學(xué)錄像：將每章節(jié)的理論教學(xué)的錄像上傳到系統(tǒng)中，學(xué)生可以再學(xué)習(xí)自己薄弱的環(huán)節(jié)。此外，把歷屆實(shí)踐環(huán)節(jié)中優(yōu)秀學(xué)生答辯的錄像放到系統(tǒng)中，以供新一屆學(xué)生參照、學(xué)習(xí)、提高。

師生互動(dòng)：學(xué)生將授課過(guò)程中存在的問(wèn)題，以及不理解的知識(shí)點(diǎn)等相關(guān)問(wèn)題，以留言的形式在線提交，老師及時(shí)解答學(xué)生提出的問(wèn)題。

2.2 提高實(shí)踐環(huán)節(jié)質(zhì)量

課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，絕大多數(shù)的學(xué)生對(duì)編譯原理還是一知半解，對(duì)其中理論的精髓理解依然很膚淺，編譯原理中對(duì)問(wèn)題求解的方法、抽象思維依然未建立起來(lái)。由于課時(shí)的限制，課內(nèi)的實(shí)驗(yàn)一般完成的不理想。因此，理論課程學(xué)習(xí)后，為了深入理解編譯原理中理論的精髓，集中時(shí)間進(jìn)行綜合實(shí)踐勢(shì)在必行。

對(duì)于編譯程序而言，沒有最好只有更好，即使商業(yè)化的編譯器也不是盡善盡美。因此，把歷屆實(shí)踐環(huán)節(jié)的優(yōu)秀作品放到管理系統(tǒng)中作為參照，激發(fā)學(xué)生們對(duì)往屆優(yōu)秀的作品進(jìn)行挑戰(zhàn)。此外，為了提高開發(fā)編譯程序的效率及質(zhì)量，實(shí)踐環(huán)節(jié)引入自動(dòng)生成工具JavaCC。

①產(chǎn)生自頂向下分析的語(yǔ)法分析器。

與Yacc自動(dòng)生成工具不同，JavaCC生成自頂向下的語(yǔ)法分析器。自頂向下分析易于調(diào)試，可以在語(yǔ)法分析的過(guò)程中在語(yǔ)法分析樹中上下傳值，把語(yǔ)義嵌入產(chǎn)生式的任何地方。

②語(yǔ)法易讀和易維護(hù)。

詞法規(guī)范（正則表達(dá)式），語(yǔ)法規(guī)范（BNF范式）書寫在同一個(gè)文件里。

③方便定制詞法分析器和語(yǔ)法分析器的行為。

例如：是否向前看多個(gè)單詞，是否生成靜態(tài)的類，等等。

④完整的錯(cuò)誤提示。

生成的語(yǔ)法分析器可以清楚的指出語(yǔ)法分析的錯(cuò)誤并提供完整的診斷信息。

JavaCC是詞法分析和語(yǔ)法分析的生成器，根據(jù)屬性文法制導(dǎo)翻譯方法，用戶需要把語(yǔ)義部分插入到文法中合適的地方，進(jìn)行屬性傳遞，以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義分析。在實(shí)現(xiàn)編譯程序過(guò)程中，用戶根據(jù)需要定義相關(guān)的Java類，來(lái)完成與JavaCC生成的類之間進(jìn)行交互，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜語(yǔ)法范疇的語(yǔ)義翻譯。

②任務(wù)部署。

實(shí)踐的任務(wù)：構(gòu)造Mini C語(yǔ)言的編譯器的前端。要求完成詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析，生成四元式并優(yōu)化。

在進(jìn)行課程實(shí)習(xí)前充分考慮學(xué)生的意愿，自行分成3～5人的小組，每?jī)蓚€(gè)小組配備一個(gè)老師進(jìn)行指導(dǎo)。組長(zhǎng)先闡述任務(wù)的研發(fā)思路及分工情況，經(jīng)過(guò)教師認(rèn)可后學(xué)生才開始進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。

眾所周知，軟件開發(fā)尤其是大型軟件的開發(fā)，團(tuán)隊(duì)合作至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié)分組，既培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，又增強(qiáng)了質(zhì)量意識(shí)，為畢業(yè)后工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

③考核機(jī)制。

實(shí)踐期間每天進(jìn)行考勤，并把出勤的情況作為最終實(shí)踐環(huán)節(jié)分?jǐn)?shù)的一部分，強(qiáng)化學(xué)生的紀(jì)律觀念，為畢業(yè)后工作培養(yǎng)良好的工作習(xí)慣。

為期一周的實(shí)踐環(huán)節(jié)結(jié)束后，以小組為單位進(jìn)行答辯。組長(zhǎng)首先介紹本小組完成的情況，及每個(gè)組員的分工；然后組長(zhǎng)及組員分別對(duì)自己完成的部分進(jìn)行答辯，并演示自己的程序。答辯過(guò)程中，其余的學(xué)生都隨時(shí)可以提問(wèn)、質(zhì)疑，老師隨機(jī)抽查某段程序完成的功能、設(shè)計(jì)的思路等。根據(jù)每個(gè)學(xué)生完成的情況，參與實(shí)踐環(huán)節(jié)的所有老師進(jìn)行打分，所有分?jǐn)?shù)的平均值即為答辯成績(jī)。通過(guò)答辯形式匯報(bào)自己的工作，提高學(xué)生表達(dá)自己思想的能力。

（3）總結(jié)反饋。

記錄實(shí)踐環(huán)節(jié)中存在的各種問(wèn)題，以完善下次理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。例如：文法定義不合理、文法中存在間接左遞歸、語(yǔ)義分析中“拉鏈-回填”錯(cuò)誤等問(wèn)題，以此為案例，反饋到下次的理論教學(xué)中，以減少或者避免類似錯(cuò)誤重演。

3 結(jié)語(yǔ)

由于編譯原理的理論抽象、實(shí)踐難，僅僅從一個(gè)方面改革都很難取得好的效果。編譯原理中的理論和實(shí)踐是相輔相成的關(guān)系，本文研究了理論知識(shí)和實(shí)踐共同改革的方法，該方法能夠系統(tǒng)地、全方位地促進(jìn)編譯原理的教學(xué)改革，進(jìn)而提高編譯原理的教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 王挺，李夢(mèng)君，周會(huì)平.對(duì)編譯原理課程教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（21）：11-13.

[2] 柴艷妹，馬燕林.編譯原理教學(xué)改革研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（20）：36-39.

[3] 蔣宗禮“編譯原理”課程與專業(yè)能力培養(yǎng)[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（21）：4-6.