編譯原理教學(xué)方法研討與實(shí)踐考核改革

高珍+衛(wèi)志華+黃杰+杜博聞

（1.同濟(jì)大學(xué) 軟件學(xué)院，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

摘 要：編譯原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程和難點(diǎn)課程，該課程的教改一直是熱點(diǎn)問題。文章基于多年編譯原理授課經(jīng)驗(yàn)，針對課程的理論教學(xué)提出一些有效的教學(xué)方法，包括應(yīng)用歸納思維、采取實(shí)時(shí)檢測、創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)、復(fù)原問題求解等；同時(shí)提出從實(shí)踐平臺的創(chuàng)建和考核方面進(jìn)行思考和改革，重視過程監(jiān)督，利用GitHub平臺使實(shí)踐考核更為公正。

關(guān)鍵詞：編譯原理；自主學(xué)習(xí)；歸納思維；教學(xué)實(shí)踐

0 引 言

編譯原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心課程，內(nèi)容涉及形式語言、有限自動機(jī)等抽象內(nèi)容，一向被認(rèn)為是最難的計(jì)算機(jī)專業(yè)課程[1]。教師感覺難教，學(xué)生感覺難學(xué)，課程內(nèi)容抽象和枯燥、算法復(fù)雜且不易理解、實(shí)踐考核難通過等都是師生公認(rèn)的問題。國內(nèi)學(xué)生在就業(yè)后較少從事與編譯器設(shè)計(jì)開發(fā)相關(guān)的工作，這也使得他們的學(xué)習(xí)積極性不高。對于授課教師而言，如何提高該課程的教學(xué)質(zhì)量、消除學(xué)生的畏難心理、提高其學(xué)習(xí)興趣、改善學(xué)習(xí)效果，是一個(gè)需要研究的課題。

鑒于編譯原理課程的重要性和挑戰(zhàn)性，對其教學(xué)方法的嘗試和探索一直是研究的熱點(diǎn)。很多學(xué)者提出了自己的見解，如有學(xué)者從教育心理學(xué)（包括人本主義教學(xué)理論和構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論）出發(fā)考慮教學(xué)方法的改革[2]；有學(xué)者從目標(biāo)驅(qū)動著手構(gòu)建編譯原理課程實(shí)施的目標(biāo)體系，以幫助學(xué)生更好地自主學(xué)習(xí)[3]；也有學(xué)者提出采用隱喻語言來鍛煉學(xué)生的抽象思維能力[4]，采用啟發(fā)式教學(xué)來提高教學(xué)質(zhì)量[5]。同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院和電子與信息工程學(xué)院均開設(shè)了編譯原理專業(yè)課程，教師團(tuán)隊(duì)互相學(xué)習(xí)，積極探索和提高教學(xué)方法，以課程內(nèi)容為導(dǎo)向，提出并凝練了4種教學(xué)方法，同時(shí)對課程實(shí)踐平臺的創(chuàng)建和考核方法也進(jìn)行了探討和實(shí)踐。

1 教學(xué)方法研討

在編譯原理課的授課中積極嘗試改革教學(xué)方法以改善課程的教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的效果。這些教學(xué)方法包括應(yīng)用歸納思維、增加隨堂練習(xí)、創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)機(jī)會、復(fù)原問題求解等。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，這些教學(xué)方法能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低學(xué)習(xí)難度，改善教學(xué)效果。

1.1 應(yīng)用歸納思維

和演繹思維相比，人類更容易接受歸納思維，但大多數(shù)編譯原理中文教材都采取了演繹思維的方式來組織教材內(nèi)容，這給學(xué)生自學(xué)或者預(yù)習(xí)編譯原理課程帶來困難。為了幫助學(xué)生更容易理解看似復(fù)雜的模型和算法，以一個(gè)具體的例子來講解是較好的做法。如在自上而下語法分析章節(jié)中講解到消除文法的左遞歸算法時(shí)，先拿出一個(gè)簡單的具有左遞歸的文法，以它為例，讓學(xué)生探索如何消除其左遞歸，待這個(gè)例子講解完之后再介紹該算法，就顯得清晰易懂。

1.2 增加隨堂練習(xí)

在講解完重要知識點(diǎn)尤其是難點(diǎn)之后，鼓勵(lì)教師加入隨堂練習(xí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，一方面可以考核學(xué)生是否理解了教授的知識點(diǎn)，另外也可以提高學(xué)生的注意力。根據(jù)本教學(xué)團(tuán)隊(duì)的授課經(jīng)驗(yàn)，隨堂練習(xí)能夠很準(zhǔn)確地反映出學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度，如果學(xué)生對知識點(diǎn)有不正確的理解，也能通過練習(xí)來迅速糾正。隨堂練習(xí)提高了學(xué)生對課程的參與度，通常只要學(xué)生認(rèn)真聽講，在老師的引導(dǎo)下，隨堂練習(xí)一般都能正確完成，這種“積極反饋”現(xiàn)象也會給予學(xué)生鼓勵(lì)和成就感，構(gòu)成學(xué)習(xí)的良性循環(huán)。

一些老師可能認(rèn)為編譯原理課程本身的教學(xué)任務(wù)重，增加隨堂練習(xí)在時(shí)間方面有難度，但是如果只顧完成教學(xué)任務(wù)而忽視學(xué)生是否掌握了授課內(nèi)容，就難免舍本逐末。當(dāng)然為了控制時(shí)間，隨堂練習(xí)的設(shè)計(jì)就比較重要，目標(biāo)是考查知識點(diǎn)，需要控制計(jì)算量，題目規(guī)模宜小不宜大，宜簡不宜繁。通過觀察學(xué)生在練習(xí)中發(fā)生的錯(cuò)誤可以直接定位到學(xué)生的薄弱知識點(diǎn)，立刻進(jìn)行重復(fù)講解，以使關(guān)鍵知識點(diǎn)都能夠被學(xué)生理解和接受。

如考核NFA如何通過狀態(tài)消去法轉(zhuǎn)換為正規(guī)表達(dá)式，可以采用如圖1所示的NFA來測試，它基本覆蓋了所有的狀態(tài)消去規(guī)則。

又如考察賦值語句的語義分析，可以讓學(xué)生根據(jù)賦值語句的文法產(chǎn)生式（如圖2所示）及語義規(guī)則寫出賦值語句A：=B*（-C+D）的三地址代碼，這個(gè)語句很簡單，卻全方面考核了學(xué)生對屬性文法和語法制導(dǎo)翻譯方法的掌握情況。

1.3 創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)

多數(shù)高校會將編譯原理課安排到大三來上，一般來說，這些高年級學(xué)生已經(jīng)具備了較好的自主學(xué)習(xí)能力，所以考慮將較難的課后習(xí)題單獨(dú)摘錄出來，讓學(xué)生分組完成，然后抽出一定的課堂時(shí)間進(jìn)行答辯與講解。這樣有利于學(xué)生自主、自助地學(xué)習(xí)和探索，使他們對自己解答的題目和相關(guān)知識點(diǎn)掌握得更加牢固。對教材中的可選性章節(jié)，也允許學(xué)生分組進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，希望將教材中講解的基本知識點(diǎn)與拓展的可選知識點(diǎn)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)知識的拓展性。拓展學(xué)習(xí)成果也可以作為加分因素，以此來鼓勵(lì)學(xué)生。

1.4 復(fù)原問題求解

編譯原理中有很多經(jīng)典的算法，如算符優(yōu)先分析方法。如果采用傳統(tǒng)的方法，先介紹什么是算符優(yōu)先文法、該文法對算符的約束條件、算符之間的優(yōu)先關(guān)系的定義，以及FIRSTVT和LASTVT集合的計(jì)算、算符優(yōu)先關(guān)系表的構(gòu)建和算符優(yōu)先分析算法的設(shè)計(jì)。順著這個(gè)思路（往往也是教材的思路），雖然也能把算符優(yōu)先分析方法講解清楚，但給學(xué)生增加了很多困惑：勤于思考的學(xué)生會困惑為何引入算符的優(yōu)先級？優(yōu)先關(guān)系為何這樣定義，而不是另外一種方式？為何要引入素短語等。這些困惑給他們帶來了學(xué)習(xí)上的困難，也很容易讓他們對算法的學(xué)習(xí)失去興趣。

針對這種情況，建議“復(fù)原問題求解過程”，一步步引導(dǎo)學(xué)生，使他們從被動思考轉(zhuǎn)為主動探索。知識的講解循序漸進(jìn)，使得算法的設(shè)計(jì)、新概念及術(shù)語的引入都變得水到渠成，使被動地學(xué)習(xí)、接受新的概念和知識變成積極地創(chuàng)造概念和知識。

以算符優(yōu)先分析方法為例，可以先拋出一個(gè)問題，如對一個(gè)算術(shù)表達(dá)式文法G{ E→E+T│T； T→T*F│F； F→P↑F│P； P→（E）│i}，對于符合該文法的一個(gè)語句i+（i*i）+i，采用規(guī)范規(guī)約，我們會得到圖3（a）中的語法分析樹，然后向?qū)W生拋出問題：是否可以把這個(gè)語法分析樹簡化為圖3（b）中的語法分析樹？顯然圖3（b）中的語法分析樹用于語法分析，步驟更少，效率更高。對比兩棵樹，同學(xué)們不難發(fā)現(xiàn)，它們的區(qū)別主要在于后者避免了單非終結(jié)符到單非終結(jié)符的歸約。接下來可以引導(dǎo)學(xué)生找出圖3（b）中語法分析樹的規(guī)約短語，顯然有i， N*N， N+N?？梢园堰@些可規(guī)約短語定義為素短語，讓學(xué)生給出其定義（即含有終結(jié)符且不包含更小的素短語），然后開始引導(dǎo)學(xué)生探討如何利用程序自動識別這些素短語，提示是否可以結(jié)合產(chǎn)生式，引入這些終結(jié)符（如給一個(gè)新名字：算符）的優(yōu)先關(guān)系（如>，=，<）來識別素短語。經(jīng)過課堂檢驗(yàn)，學(xué)生能夠給出建議：同時(shí)出現(xiàn)在產(chǎn)生式左側(cè)的算符優(yōu)先級相同，采用“=”，其他算符的關(guān)系可以采用“<”或“>”表示。此時(shí)教師才開始介紹算符優(yōu)先分析方法中對于算符的優(yōu)先關(guān)系的定義，并給出素短語的識別算法。至此，學(xué)生很清楚引入算符優(yōu)先關(guān)系的目的是為了識別出素短語，加速語法分析的過程，并且他們也會非常清楚這種方法的不足：當(dāng)省略的單非終結(jié)符到單非終結(jié)符的歸約不符合圖3（a）中 語法樹的時(shí)候，使用圖3（b）中語法樹會帶來誤判，把不合法的語句判斷為合法。

這種復(fù)原問題求解過程的方法能夠讓學(xué)生很清楚地看到“新”定義、“新”術(shù)語、“新”算法被設(shè)計(jì)出來的緣由，理解和接受這些知識就變得輕松起來。

2 實(shí)踐考核改革

2.1 建立實(shí)踐平臺

為了鼓勵(lì)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，以團(tuán)隊(duì)為基礎(chǔ)來完成項(xiàng)目實(shí)踐這種考核方式被越來越多地采用，但這也會帶來一些負(fù)面影響，比如一些同學(xué)“搭便車”，而另外一些同學(xué)的負(fù)擔(dān)又過重。為了評分的公平，一般情況下，老師都會要求同學(xué)們提供工作量比例以作為評分的依據(jù)，但是鑒于人為因素，這個(gè)比例往往不能真實(shí)地反映出每個(gè)人的貢獻(xiàn)，這一直都是造成團(tuán)隊(duì)考核不公平的原因。為了避免此問題，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)提倡采用一些新工具和平臺來進(jìn)行項(xiàng)目管理，以使團(tuán)隊(duì)考核更加有據(jù)可依和科學(xué)合理，如可以利用GitHub平臺（http：//www.github.com/ ）來進(jìn)行項(xiàng)目的管理，同學(xué)們在代碼方面的貢獻(xiàn)直接根據(jù)GitHub平臺的數(shù)據(jù)來評定。比如，圖4是一個(gè)4人小組在GitHub上管理的項(xiàng)目在課程授課幾個(gè)月期間貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形化表示，每個(gè)人的貢獻(xiàn)量一目了然，再乘以工作內(nèi)容的難度系數(shù)，就能夠得到客觀公正的成績評定系數(shù)。

同樣，也可以利用GitHub平臺來構(gòu)建課程實(shí)踐平臺，通過該平臺發(fā)布項(xiàng)目實(shí)踐要求，也鼓勵(lì)同學(xué)們通過此平臺共享課程資料和分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，同學(xué)們的貢獻(xiàn)及活躍程度的數(shù)據(jù)也能夠輕松通過GitHub平臺獲得。此外，QQ群、微信群等也是良好的溝通平臺，能夠有效促進(jìn)師生之間、同學(xué)們之間的溝通和互助。

2.2 重新定位考核內(nèi)容

目前各大高校對編譯原理課程的考核一般分理論和實(shí)踐2部分，每個(gè)高校的比例都有差異。從整體數(shù)據(jù)上看，國外高校更偏重于實(shí)踐考核，如斯坦福大學(xué)編譯課程實(shí)踐部分占編譯課程總評的70%[6]，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在編譯技術(shù)領(lǐng)域享有很高的國際聲譽(yù)，其實(shí)踐部分分?jǐn)?shù)也占編譯課程總評的70%[7]，加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)踐部分占到課程總評的75%[8]；而國內(nèi)高校對一般理論知識的理解和講授偏多一些，如武漢大學(xué)編譯原理課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)占總課時(shí)的40%，北京航空航天大學(xué)編譯原理的實(shí)踐教學(xué)比理論基礎(chǔ)教學(xué)少1個(gè)學(xué)分。

近些年，國內(nèi)高校也越來越重視實(shí)踐考核，也有一些這方面的教改內(nèi)容探索[9-12]。不管國內(nèi)還是國外，多數(shù)實(shí)踐考核都是鼓勵(lì)學(xué)生使用一門自己熟悉的高級語言從頭編寫一個(gè)編譯器，這樣不僅考察了學(xué)生對課程理論知識的掌握，也連帶考核了學(xué)生對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理、程序設(shè)計(jì)語言、軟件工程等多門課程的掌握程度，所以編譯原理實(shí)踐也是對學(xué)生計(jì)算機(jī)綜合能力的全面考核。因此，該課程實(shí)踐考核對學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)能力的要求就很高，并且這和軟件學(xué)院的另外一門課程“軟件綜合項(xiàng)目實(shí)踐”沖突，軟件綜合項(xiàng)目實(shí)踐課程設(shè)計(jì)的目的就是為了鍛煉和考核學(xué)生綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)具有一定規(guī)模的系統(tǒng)軟件或應(yīng)用軟件的能力。從另一個(gè)角度來看，如果學(xué)生的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)素養(yǎng)不夠好，即使在該課程的學(xué)習(xí)過程中非常努力，也無法取得理想的成績。這對“下游成績”的學(xué)生來說也不是很公正。

所以鼓勵(lì)學(xué)生使用編譯開源工具，“站在巨人的肩膀上”，借助開源工具的幫助來構(gòu)建編譯器，推薦的詞法分析器包括Lex等，語法分析器包括JavaCC、Bison和Yacc等，這些開源工具被廣泛應(yīng)用，Lex、Yacc等也有多個(gè)不同語言的實(shí)現(xiàn)版本（包括C、Python等）；同時(shí)支持跨平臺（包括Windows、Linux、Mac等），學(xué)生根據(jù)自己熟悉的平臺和語言進(jìn)行選擇。如此，課程實(shí)踐考核對軟件開發(fā)技能的要求相對降低一些，考核點(diǎn)集中在學(xué)生對編譯技術(shù)及方法的理解和掌握上，而不是在學(xué)生軟件開發(fā)綜合素養(yǎng)上。這樣設(shè)計(jì)的“實(shí)踐”環(huán)節(jié)依然可以促進(jìn)和加強(qiáng)對理論知識的理解，而且更有針對性。

為了能夠識別并鼓勵(lì)優(yōu)秀的學(xué)生，可以把實(shí)踐考核設(shè)計(jì)成“多層次”的考核?？梢蕴峁┮粋€(gè)簡單語言L0，一個(gè)相對豐富的語言L1，基于L1擴(kuò)展語言Ln（不限制擴(kuò)展的語法），對于實(shí)現(xiàn)不同級別語言編譯器的同學(xué)，差異化他們的實(shí)踐環(huán)節(jié)得分。比如，可以在課程設(shè)計(jì)中列出2個(gè)可選的題目編寫PL/0編譯器和編寫類C編譯器。學(xué)生可以根據(jù)自己的能力和興趣實(shí)現(xiàn)一個(gè)適合于自己水平的編譯器。

3 結(jié) 語

基于多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，我們提出編譯原理課程理論教學(xué)的一些有效的教學(xué)方法，同時(shí)對實(shí)踐考核進(jìn)行思考和改革，課程教學(xué)實(shí)踐表明，這些教學(xué)方法和實(shí)踐改革卓有成效，希望為高校的編譯原理課程的教學(xué)提供一些借鑒。下一步希望能夠在實(shí)踐環(huán)節(jié)的過程監(jiān)控上更加細(xì)致和科學(xué)，也計(jì)劃將課程的一些擴(kuò)展性知識以慕課教學(xué)的方式開展，以期為課堂教學(xué)帶來有益的補(bǔ)充。

作者簡介：高珍，女，副教授，研究方向?yàn)榫幾g技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘， gaozhen@#edu.cn；

衛(wèi)志華（通信作者），女，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘，zhihua-wei@#edu.cn。

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（見習(xí)編輯：張 勛 ）