面向應(yīng)用型人才能力培養(yǎng)的編譯原理教學(xué)內(nèi)容剪裁研究

吳其林 汪世義

（巢湖學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

編譯原理是計(jì)算機(jī)類專業(yè)中一門非常重要的基礎(chǔ)課程，主要講述編譯程序的基本理論、方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，通過這些知識(shí)的學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)程序和算法，提升學(xué)生的邏輯思維能力以及計(jì)算機(jī)問題的求解水平。另外，編譯技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于編譯程序構(gòu)造之外的其他領(lǐng)域（比如網(wǎng)絡(luò)信息處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)、自然語言語言處理等領(lǐng)域），通過這門課程的學(xué)習(xí)，對(duì)拓寬學(xué)生的知識(shí)面以及未來的創(chuàng)新研發(fā)生涯將產(chǎn)生有益影響[1-3]。然而，這門課程中所涉及到形式語言與自動(dòng)機(jī)理論等概念較為抽象，難以理解，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程存在一定困難，需要投入較大的精力。為此，編譯原理課程的教學(xué)將面臨一個(gè)重要的挑戰(zhàn)：如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，努力學(xué)好這門課程？根據(jù)筆者的長期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在正確的教學(xué)目標(biāo)下選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容將是化解這一挑戰(zhàn)的非常重要的一環(huán)。

1 理論教學(xué)內(nèi)容剪裁

國內(nèi)外關(guān)于編譯原理課程的教學(xué)已有幾十年了，一些國外知名院校（比如麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校以及佐治亞理工學(xué)院等）和國內(nèi)重點(diǎn)大學(xué)（比如武漢大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及清華大學(xué)等）都在編譯原理的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式以及教學(xué)手段等方面積累了寶貴的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，值得我們借鑒與學(xué)習(xí)。顯然，對(duì)于應(yīng)用型普通本科院校而言，我們不能照搬這些重點(diǎn)大學(xué)和知名院校的教學(xué)內(nèi)容和方法，需要根據(jù)自身的辦學(xué)特點(diǎn)和學(xué)生水平，對(duì)編譯原理的教學(xué)內(nèi)容做適當(dāng)?shù)募舨?，以收獲較好的教學(xué)效果。

根據(jù)筆者的教學(xué)心得，以及應(yīng)用型辦學(xué)特點(diǎn)和學(xué)生的基本素養(yǎng)，教學(xué)內(nèi)容的選取應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)編譯原理和技術(shù)的宏觀理解及全局把握，而不是把學(xué)生的注意力集中到一些細(xì)節(jié)的算法上，在講述各章理論的同時(shí)使用一些C語言小程序作為實(shí)例，努力將一些實(shí)際的問題抽象出來，鼓勵(lì)學(xué)生去解決實(shí)際的應(yīng)用問題。依據(jù)筆者教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于應(yīng)用型普通本科高校，在課程內(nèi)容講解時(shí)，可以直接從詞法分析開始逐步按照編譯器的各個(gè)階段講解，而不需要首先對(duì)形式語言和自動(dòng)機(jī)理論加以詳述。結(jié)合編譯器的各個(gè)階段，現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容裁剪如下：

1.1 詞法分析

該內(nèi)容要強(qiáng)調(diào)有限自動(dòng)機(jī)具有識(shí)別功能，它為詞法分析程序的構(gòu)造提供一種特殊的方法與工具。并且要以正規(guī)式、正規(guī)文法與有限自動(dòng)機(jī)三者之間的相互轉(zhuǎn)換，以及有限自動(dòng)機(jī)的最小化為講解主線。同時(shí)要運(yùn)用C語言寫的一個(gè)簡(jiǎn)單語言的詞法分析程序，介紹詞法分析器的生成過程，以便將抽象的自動(dòng)機(jī)理論應(yīng)用到實(shí)際問題的求解中去。

1.2 語法分析

該內(nèi)容要強(qiáng)調(diào)語法分析可以分為自下而上和自上而下兩種分析方法，以及每種分析方法所要面臨的問題與所適用的文法環(huán)境。講解時(shí)，需要重點(diǎn)講解 LL（1）和 LR（0）兩種具體的分析方法，而與算法優(yōu)先分析有關(guān)的算法則不需要講解，因?yàn)榫幾g器的語法分析已不再使用這種方法。對(duì)于LL（1），要重點(diǎn)講述預(yù)測(cè)分析程序的構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)過程，避免過多地將學(xué)生的集中力分散到消除遞歸、消除回溯以及求解First集和Fellow集的具體算法上。同時(shí)要以一個(gè)C語言小程序的語法分析來講解預(yù)測(cè)分析程序的實(shí)現(xiàn)過程，從而增強(qiáng)學(xué)生的直觀感，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到編譯原理的應(yīng)用性特點(diǎn)。LR分析方法是一種高效的自下而上的語法分析技術(shù)，它能適用于一大類上下文無關(guān)文法的分析，可以進(jìn)一步分為LR（0）、SLR、規(guī)范LR和LALR四種方法。然而，LR分析表的生成算法較為復(fù)雜，講解時(shí)需要重點(diǎn)講述LR實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題，即根據(jù)“歷史”、“展望”以及“現(xiàn)實(shí)”來確定棧頂符號(hào)是否構(gòu)成句柄，并且以LR（0）作為講解的主要內(nèi)容，并且也要以一個(gè)C語言小程序的語法分析來講解其分析程序的實(shí)現(xiàn)過程。

1.3 語義分析

目前流行的語義處理方法是屬性文法和語法制導(dǎo)翻譯，通過對(duì)此內(nèi)容的學(xué)習(xí)會(huì)讓學(xué)生對(duì)語義分析程序有更多的了解，這在軟件工程中是很有好處的。然而這部分內(nèi)容較為抽象，難以理解。講解時(shí)，首先對(duì)屬性文法、語義規(guī)則與翻譯模式等概念加以簡(jiǎn)單介紹，然后將重心放在如何將這兩個(gè)技術(shù)和方法應(yīng)用到具體的語義分析中去，努力將抽象的東西具體化，以便于學(xué)生的理解與應(yīng)用。結(jié)合C語言程序，重點(diǎn)講解類型檢查、控制語句與賦值語句的翻譯過程，因?yàn)檫@三者在C語言程序設(shè)計(jì)中占據(jù)重要位置。

1.4 運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)空間的組織

在使用C語言這樣比較低級(jí)的語言時(shí)，掌握這部分內(nèi)容對(duì)程序的編寫和查錯(cuò)都很有幫助。具體應(yīng)該講解局部存儲(chǔ)分配策略，以及靜態(tài)分配、棧式分配和堆式分配等三種全局存儲(chǔ)分配策略，非局部名字的訪問和各種參數(shù)傳遞方式的實(shí)現(xiàn)。

1.5 代碼優(yōu)化

用實(shí)例來重點(diǎn)講解局部?jī)?yōu)化和循環(huán)優(yōu)化（避免講解全局優(yōu)化，因?yàn)檫@類優(yōu)化較為復(fù)雜，其實(shí)現(xiàn)代價(jià)較高），讓學(xué)生明白編譯器能完成哪些優(yōu)化，而不要給學(xué)生介紹各種優(yōu)化算法。這對(duì)編程有好處，例如，在可讀性好的源代碼和優(yōu)化的源代碼兩者之間做選擇時(shí)，若知道哪些優(yōu)化可以由優(yōu)化編譯完成，則寧可選擇可讀性好的代碼。

1.6 代碼生成

代碼生成器是編譯程序設(shè)計(jì)的最后一步，其設(shè)計(jì)要依賴于目標(biāo)語言和操作系統(tǒng)，可以選擇一種采用簡(jiǎn)單的寄存器分配策略的代碼生成算法加以介紹，讓學(xué)生對(duì)代碼生成作一簡(jiǎn)單了解。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容剪裁

編譯原理內(nèi)容抽象、不易理解，其實(shí)驗(yàn)是將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成具體實(shí)現(xiàn)的重要手段，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生深入理解編譯程序各個(gè)階段任務(wù)，同時(shí)也對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、算法設(shè)計(jì)分析、程序設(shè)計(jì)等能力具有舉足輕重的作用。國內(nèi)外各個(gè)高校都非常重視編譯原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]，如表1所示。顯然，以上這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度系數(shù)都較大，我們不能照搬這些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，我們需要依據(jù)應(yīng)用型辦學(xué)的特點(diǎn)，根據(jù)自己學(xué)生的掌握的情況對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，主要目的是通過該課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生掌握編譯程序各個(gè)階段的任務(wù)及其實(shí)現(xiàn)，熟悉編譯程序的構(gòu)造過程；同時(shí)，可以把該門課程中所涉及到的理論和技術(shù)能夠靈活加以運(yùn)用，以解決實(shí)際中的應(yīng)用性問題。

為此，我們根據(jù)其他高校的情況和本專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，如表2所示。表2所示的5個(gè)實(shí)驗(yàn)中，第1-3個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)，主要是為了讓學(xué)生掌握編譯程序構(gòu)造的各個(gè)階段及其實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，我們并沒有設(shè)計(jì)語義分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，因?yàn)長R分析表的構(gòu)造較為復(fù)雜，根據(jù)長期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)語義分析實(shí)驗(yàn)完成的不夠理想，沒有收到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。然而，通過前面1-3個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生并不能從整體上很好地掌握編譯器的構(gòu)造。為此，我們又設(shè)計(jì)了第4個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，這樣既可以解決前面所提到的缺陷，又能減少從頭構(gòu)造整個(gè)編譯器的所帶來的難度（當(dāng)然比第1-3個(gè)實(shí)驗(yàn)難度要大）。第1-4個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)編譯程序本身的，那么如何在實(shí)際問題中應(yīng)用相關(guān)的編譯原理和技術(shù)，這是學(xué)生的共性和典型問題，這也是第5個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)所需要解決的。通過一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的開發(fā)鍛煉，可以讓學(xué)生積累編程和解決實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、解決問題的能力和項(xiàng)目開發(fā)能力，以培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求的應(yīng)用型人才。

表1 國內(nèi)外高校編譯原理實(shí)驗(yàn)安排情況

表2 剪裁后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排情況

3 教學(xué)內(nèi)容裁剪成效

為了評(píng)價(jià)教學(xué)內(nèi)容裁剪后的成效，我們將裁剪后的學(xué)生網(wǎng)上質(zhì)量評(píng)價(jià)與裁剪前進(jìn)行了對(duì)比，并從興趣激發(fā)、課堂氣氛、聯(lián)系實(shí)際、能力培養(yǎng)、理解程度、重點(diǎn)突出、條理清晰、內(nèi)容充實(shí)、創(chuàng)新培養(yǎng)等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，其結(jié)果如表3所示。通過表3可以看出，裁剪之后的教學(xué)效果明顯好于之前的，特別是在興趣激發(fā)、聯(lián)系實(shí)際和創(chuàng)新培養(yǎng)等方面表現(xiàn)尤為突出。裁剪之后的教學(xué)效果平均滿意程度為89.2%，而之前的僅為35.4%。

當(dāng)然，在內(nèi)容裁剪之后仍然存在一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是學(xué)生對(duì)屬性文法、語法制導(dǎo)翻譯和LR語義分析等內(nèi)容上理解的還不夠好，對(duì)此，我們還需要加強(qiáng)具體實(shí)例問題分析與講解，以便學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容的消化理解。二是學(xué)生的中等以上規(guī)模的編程與調(diào)試能力還有所欠缺，在項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐方面表現(xiàn)的還不夠理想，對(duì)此，我們還需要聯(lián)合其他專業(yè)課程（如高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等），加強(qiáng)學(xué)生的編程與項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

4 結(jié)語

編譯原理課程在計(jì)算機(jī)類課程體系中占據(jù)著重要位置，對(duì)提升學(xué)生的邏輯思維能力以及計(jì)算機(jī)問題的求解水平具有不可或缺的作用。然而，對(duì)于應(yīng)用型普通本科院校，應(yīng)依據(jù)應(yīng)用型辦學(xué)特點(diǎn)和學(xué)生的素質(zhì)水平，對(duì)編譯原理的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，而不能照搬其他重點(diǎn)大學(xué)的做法。根據(jù)長期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和所取得的教學(xué)效果，對(duì)編譯原理的教學(xué)內(nèi)容分別從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，力求將抽象的原理轉(zhuǎn)化具體的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，讓學(xué)生充滿學(xué)習(xí)興趣，努力學(xué)好這門課程。

表3 教學(xué)內(nèi)容裁剪成效對(duì)比

[1]Alfred V.Aho,Monica S.Lam,Ravi Sethi,Jeffrey D.Ullman.Compilers：principle,techniques and tools （2nd Edition）[M].America：Addison Wesley,2007.

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[3]何炎祥，伍春香.計(jì)算機(jī)專業(yè)不需要開設(shè)編譯原理課程嗎?[J].計(jì)算機(jī)教育，2009，（4）：61-63.

[4]田玲，余盛季，王曉斌，等.《編譯原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革及探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，（6）：297-300.

[5]王曉娟，譚建龍，劉金剛，等.基于自動(dòng)機(jī)理論的 PDF 文本內(nèi)容抽取[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，（9）：2491-2495.