基于CDIO工程教育模式的編譯原理課程教學(xué)方案

李志敏 黃蘭英 熊曾剛

摘要：為提高編譯原理課程的教學(xué)效果，提出基于CDIO工程教育模式的課程教學(xué)方案，闡述編譯原理“案例驅(qū)動(dòng)、模仿提升、資源開放、協(xié)作學(xué)習(xí)”的教學(xué)方法，說(shuō)明教學(xué)實(shí)施過(guò)程中面臨的“雙師型”教師隊(duì)伍建設(shè)和學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)建設(shè)等問(wèn)題與對(duì)策。

關(guān)鍵詞：編譯原理：CDIO工程教育模式；課程教學(xué)；項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)

引 言

當(dāng)前，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才的能力與素質(zhì)要求總結(jié)起來(lái)主要有如下5個(gè)基本層面。

（1）具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和終生學(xué)習(xí)的素質(zhì)

（2）具有工作經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的工程應(yīng)用能力。

（3）善于溝通協(xié)調(diào)，具有團(tuán)隊(duì)合作能力。

（4）具有較強(qiáng)的自學(xué)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

（5）具備責(zé)任心強(qiáng)、認(rèn)真負(fù)責(zé)、有擔(dān)當(dāng)、能吃苦耐勞等意志品質(zhì)。

根據(jù)上述人才的市場(chǎng)需求，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生還存在不能滿足市場(chǎng)人才需求的狀況，反映在計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)上，面臨如下困局：課程與課程、教師與學(xué)生、學(xué)校與企業(yè)之問(wèn)相對(duì)獨(dú)立，缺少協(xié)作，沒(méi)有形成人才培養(yǎng)的合力二要打破困局，必須明確課程教學(xué)是教學(xué)質(zhì)量彤成的“第一現(xiàn)場(chǎng)”，也是影響人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。改進(jìn)課程教學(xué)方法是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的必由之路 。

編譯原理課程具有抽象模型復(fù)雜、概念繁多、算法多樣、理論性強(qiáng)等特征。編譯器設(shè)計(jì)是課程的難點(diǎn)之一，構(gòu)造完整的編譯器技術(shù)難度大，學(xué)生畢業(yè)后很少有人從事這方面的工作，這就造成很多學(xué)生課程學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、不知道學(xué)什么、為什么學(xué)、怎么學(xué)的局面。此外，課時(shí)少、內(nèi)容多、教學(xué)內(nèi)容和方法不能適應(yīng)編譯技術(shù)發(fā)展的要求、學(xué)生課外主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性不高，也是編譯原理課程教學(xué)效果不佳的原因之一。

實(shí)際上，編譯原理作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)課程，在計(jì)算機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)上有著極其重要的作用。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以得到如下6個(gè)方面的訓(xùn)練 。

（1）掌握和理解編譯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作流程以及編譯程序各組成部分的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，獲得分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)編譯系統(tǒng)的初步能力。

（2）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)原理和體系結(jié)構(gòu)等課程是編譯原理的先修課程，編譯原理課程的學(xué)習(xí)可以加深學(xué)生對(duì)這些先修課程的理解，提高知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

（3）提高對(duì)計(jì)算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)的總體認(rèn)識(shí)，具備建立抽象模型和編程實(shí)現(xiàn)能力。

（4）編譯原理課程中的編譯器架構(gòu)設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)等內(nèi)容，可以為畢業(yè)生今后從事相關(guān)專業(yè)的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（5）課程中的經(jīng)典語(yǔ)言分析方法對(duì)于設(shè)計(jì)一些實(shí)用工具和軟件，如自然語(yǔ)言理解、網(wǎng)絡(luò)信息處理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分析與實(shí)現(xiàn)等，都是必備的基礎(chǔ)知識(shí)。

（6）構(gòu)造編譯器的實(shí)踐過(guò)程是軟件工程的成功案例，讓學(xué)生獲得開發(fā)大型應(yīng)用軟件的經(jīng)驗(yàn)。

1 CDIO工程教育理念簡(jiǎn)介

CDIO 工程教育模式是能力本位的培養(yǎng)模式，其優(yōu)勢(shì)在于讓學(xué)生以主動(dòng)、團(tuán)隊(duì)合作、課程與課程之問(wèn)有機(jī)聯(lián)系的學(xué)習(xí)方式，獲取與工程實(shí)踐相關(guān)的知識(shí)與能力。CDIO培養(yǎng)大綱將工科畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和T程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這4個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。只有把知識(shí)、能力、社會(huì)需求融合起來(lái)，以能力為導(dǎo)向，以學(xué)科知識(shí)和社會(huì)需要為依托，整合課程組織結(jié)構(gòu)，才能培養(yǎng)出符合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求的工程技術(shù)人才。CDIO工程教育以實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)曰的開發(fā)過(guò)程為主線，提煉出項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)歷的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行4個(gè)主要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)開發(fā)的能力 。實(shí)施CDIO工程教育模式，基本原則是落實(shí)“做中學(xué)”以及“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”，它體現(xiàn)了現(xiàn)代工程師所應(yīng)具備的服務(wù)于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到運(yùn)行的全過(guò)程所必須擁有的基本能力。

2 基于CDIO工程教育模式的編澤原理課程教學(xué)方法

課程教學(xué)改革從以下4個(gè)方面展開。

1）學(xué)生分組，導(dǎo)入項(xiàng)目。

課程教學(xué)以項(xiàng)目導(dǎo)入的方式開始，首先鼓勵(lì)學(xué)生搜集編譯基礎(chǔ)理論和技術(shù)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的成功案例；其次引導(dǎo)學(xué)生搜集開源的編譯工具，按照支持的源語(yǔ)言和語(yǔ)法分析方法分類。以上兩項(xiàng)前期工作對(duì)應(yīng)CDIO模式的構(gòu)思部分，需明確客戶的需求，考慮技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和制度等因素，不斷改進(jìn)概念、技術(shù)和商業(yè)計(jì)劃。

項(xiàng)目的最終目標(biāo)是用C語(yǔ)言編寫一個(gè)PL/O語(yǔ)言處理系統(tǒng)。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生分成若干個(gè)項(xiàng)目組，在教師的指導(dǎo)下編寫項(xiàng)目計(jì)劃書，劃分項(xiàng)目的功能模塊；指定各個(gè)模塊的負(fù)責(zé)人，模擬實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)，進(jìn)行分工協(xié)作。

2）案例驅(qū)動(dòng)，模仿提升。

CDIO工程教育模式要充分體現(xiàn)“做中學(xué)”，以“項(xiàng)目案例”為載體組織整個(gè)教學(xué)過(guò)程，以案例開發(fā)過(guò)程安排教學(xué)內(nèi)容，靈活運(yùn)川啟發(fā)式和研究性的教學(xué)方法。課程教學(xué)要為學(xué)生構(gòu)建項(xiàng)目開發(fā)的情景，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性與參與性，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。在編譯原理課程教學(xué)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性和主動(dòng)性，課外缺少自主訓(xùn)練和探索，雖然通過(guò)了課程考核，但是實(shí)際只了解到一些基本概念和零碎的知識(shí)斷點(diǎn)，不具備運(yùn)用所學(xué)原理和技術(shù)進(jìn)行編譯器開發(fā)的能力。

為了培養(yǎng)學(xué)生“構(gòu)思一設(shè)汁一實(shí)現(xiàn)一運(yùn)作”編譯系統(tǒng)的技能，我們將編澤原理的學(xué)習(xí)過(guò)程分為模仿和提升兩個(gè)階段。

（1）模仿階段的主要目標(biāo)是以PL/O語(yǔ)言處理系統(tǒng)為案例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本算法，激發(fā)學(xué)生興趣。項(xiàng)目開發(fā)分為8項(xiàng)子任務(wù)，這些任務(wù)可在教師的指導(dǎo)下完成 。

任務(wù)1：安裝測(cè)試用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的PL/O語(yǔ)言處理系統(tǒng)；完成PL/O語(yǔ)言語(yǔ)法的EBNF描述。

任務(wù)2：PL/O編譯程序中詞法分析程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

任務(wù)3：PL/O編譯程序中語(yǔ)法分析程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；自頂向下遞歸調(diào)用子程序的方法。

任務(wù)4：PL/O編譯程序中語(yǔ)義分析和巾間代碼生成。

任務(wù)5：PL/O編譯程序中符號(hào)表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

任務(wù)6：PL/O編譯程序中運(yùn)行時(shí)的存儲(chǔ)組織。

任務(wù)7：PL/O編譯程序中的目標(biāo)代碼生成。

任務(wù)8：PL/O編譯程序各階段整合運(yùn)行，編寫PL/O語(yǔ)言使用說(shuō)明書。

教師可展示用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的案例，要求學(xué)生模仿整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，用Java語(yǔ)言再次實(shí)現(xiàn)PL/O語(yǔ)言處理系統(tǒng)。學(xué)生則通過(guò)此案例，模擬項(xiàng)目開發(fā)全過(guò)程。

（2）提升階段的主要目標(biāo)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)編譯器開發(fā)的流程，學(xué)會(huì)運(yùn)用編譯技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。本階段分為以下幾個(gè)步驟。

步驟1：編譯器程序設(shè)計(jì)提高。定義一個(gè)待實(shí)現(xiàn)的源語(yǔ)言，如PL/O語(yǔ)言的擴(kuò)充或者C語(yǔ)言的一個(gè)子集，要求學(xué)生用C或者Java實(shí)現(xiàn)編譯程序。

步驟2：編譯技術(shù)擴(kuò)展。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)面向?qū)ο笳Z(yǔ)言編譯技術(shù)，如收集整理開源編澤器GCC的資料，描述GCC的總體結(jié)構(gòu)、編譯流程、代碼組織。

步驟3：編譯器實(shí)用工具。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)編譯器及其工具的應(yīng)用開發(fā)，包括C和Java編譯器開發(fā)。

步驟4：項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)。引導(dǎo)學(xué)生利用編譯技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，如設(shè)計(jì)開發(fā)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)、基于語(yǔ)法分析技術(shù)的企業(yè)名稱識(shí)別算法、基于語(yǔ)義分析的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型漏洞檢測(cè)方法、編譯原理在通信協(xié)議轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用、編譯原理在反病毒技術(shù)中的研究和應(yīng)用等。

3）開放資源，自主協(xié)作。

CDIO注重自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，提升學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也重視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的力量，協(xié)同工作完成任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的自主和協(xié)作學(xué)習(xí)要求教師提供充分的網(wǎng)絡(luò)資源。在教學(xué)中，課程組搜集整理了國(guó)內(nèi)外編譯原理課程的教學(xué)資源，整理了各種實(shí)用編程語(yǔ)言及其表示規(guī)則，設(shè)計(jì)了適合學(xué)生需要的“做中學(xué)”項(xiàng)目和任務(wù)，并在課程的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)共享，通過(guò)開放資源和自主協(xié)作的學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生在課外通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備開展學(xué)習(xí)討論，用課外學(xué)習(xí)彌補(bǔ)課程學(xué)時(shí)的不足；通過(guò)課外自學(xué)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生“自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)現(xiàn)、自由探索”，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生積極組織并參與項(xiàng)目組的學(xué)習(xí)和研討活動(dòng)，讓個(gè)人融人項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，提升整個(gè)團(tuán)隊(duì)的工程實(shí)踐能力。

4）考核評(píng)價(jià)，多點(diǎn)多面。

CDIO注重工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，工程實(shí)踐能力是各種能力的綜合體現(xiàn)，因此考核評(píng)價(jià)要兼顧這種特性。

所謂多點(diǎn)主要是指編譯原理具有紛繁復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，因此對(duì)知識(shí)點(diǎn)的考核應(yīng)以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)為目的，注重對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的考查。教師可通過(guò)查看學(xué)習(xí)記錄、平時(shí)作業(yè)和練習(xí)情況，考核學(xué)生對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)的掌握情況；通過(guò)小組活動(dòng)記錄，查看學(xué)生在項(xiàng)目組討論中的活躍度，了解學(xué)生提出問(wèn)題的數(shù)量和質(zhì)量以及解決問(wèn)題的思路，考核學(xué)生的知識(shí)整合和應(yīng)用能力。

所謂多面主要是指編譯原理課程在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力方面具有多面性，因此考核評(píng)價(jià)方式要有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力、實(shí)踐技能、解決實(shí)際問(wèn)題能力，從多個(gè)層面開展。教師可通過(guò)對(duì)項(xiàng)目構(gòu)思與設(shè)計(jì)展示、子項(xiàng)目實(shí)施情況、項(xiàng)目匯報(bào)與答辯、學(xué)生的自評(píng)與互評(píng)、教師與企業(yè)工程師的評(píng)價(jià)等多種方式考核學(xué)生的專業(yè)知識(shí)、個(gè)人自身能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、設(shè)計(jì)項(xiàng)目和開發(fā)系統(tǒng)能力。

3 CDIO模式編譯原理教學(xué)實(shí)施過(guò)程中存在的問(wèn)題與對(duì)策

1）“雙師型”教師隊(duì)伍的建設(shè)問(wèn)題

目前，從事編譯理論研究和技術(shù)開發(fā)的教師不多，有編譯器開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的教師比較缺乏。編譯原理課程“雙師型”教師隊(duì)伍奇缺。

湖北省教育廳和湖北工程學(xué)院制定政策，資助并鼓勵(lì)青年教師進(jìn)入相關(guān)企業(yè)與工程師合作解決實(shí)踐中的技術(shù)難題。同時(shí)，湖北工程學(xué)院每年派出專業(yè)課青年教師到武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校進(jìn)修深造。通過(guò)這兩個(gè)途徑，學(xué)?？梢越鉀Q“雙師型”師資隊(duì)伍建設(shè)的問(wèn)題。

2）學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)問(wèn)題。

畢業(yè)生就業(yè)難和符合市場(chǎng)需求的應(yīng)用性人才短缺問(wèn)題一直是高校、用人單位和畢業(yè)生共同的困擾。學(xué)生綜合能力是就業(yè)成敗的關(guān)鍵因素，CDIO工程教育模式強(qiáng)化工程應(yīng)用實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的建設(shè)，希望為解決這種困擾提供幫助。

湖北工程學(xué)院與中國(guó)航天三江集團(tuán)公司合作共建的工程實(shí)踐教育中心和湖北工程學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目已獲得教育部批準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)學(xué)院已經(jīng)與國(guó)內(nèi)10余家IT企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)合作共建實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，校企合作層面深化，操作方案細(xì)化，實(shí)現(xiàn)與行業(yè)需求的無(wú)縫對(duì)接。

4 結(jié)語(yǔ)

基于CDIO工程教育理念的編譯原理課程教學(xué)方案的改革，推動(dòng)了算法與程序設(shè)計(jì)課程群、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理、軟件工程實(shí)踐等計(jì)算機(jī)類專業(yè)核心課程的建設(shè)，大幅度提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。2014年，湖北工程學(xué)院畢業(yè)生就業(yè)率超過(guò)95%，考研錄取率超過(guò)20%；非畢業(yè)班學(xué)生在各類軟件設(shè)計(jì)大賽中獲得湖北賽區(qū)一等獎(jiǎng)10項(xiàng)，全國(guó)總決賽獎(jiǎng)項(xiàng)10項(xiàng)。