基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的編譯原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

余芳 王曉明 趙森

[摘要]針對(duì)編譯原理課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容高度抽象的特點(diǎn)，依據(jù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求，課題組在編譯原理課程教學(xué)中增加了創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并通過拆解原大型綜合性實(shí)驗(yàn)，重新設(shè)置了各階段實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了課程實(shí)踐教學(xué)體系的層次化、立體化;同時(shí)輔以多媒體教學(xué)手段及互動(dòng)式的教學(xué)設(shè)計(jì)，注重教學(xué)引導(dǎo)，達(dá)到了提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性、增強(qiáng)其理論應(yīng)用能力的目的。

[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新思維;編譯原理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);學(xué)習(xí)者為主體

[中圖分類號(hào)]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]2095-3437（2019）12-0045-03

編譯原理課程是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課程和高等學(xué)校培養(yǎng)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的基礎(chǔ)及核心課程，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)專業(yè)課程中最難及最挑戰(zhàn)學(xué)習(xí)能力的課程之一。編譯原理課程內(nèi)容主要是原理性質(zhì)，高度抽象。編譯原理實(shí)驗(yàn)課作為將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的手段，對(duì)完善編譯原理課程教學(xué)起到重要的輔助作用，目的是使學(xué)生具有設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、分析和移植編譯程序等方面的初步能力，為今后從事軟件開發(fā)或理論研究工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

為響應(yīng)教育部關(guān)于“深化高等教育教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”的號(hào)召，在專業(yè)課程尤其是有一定難度的專業(yè)理論課程的教學(xué)中研究如何發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其實(shí)踐應(yīng)用能力就成為新形勢(shì)下高校培養(yǎng)人才的新挑戰(zhàn)。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

本校編譯原理課程在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面：（1）以綜合應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)為主，要求學(xué)生完成“小型程序設(shè)計(jì)語言TinyC編譯程序的實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)任務(wù)。缺乏對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)及難點(diǎn)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如“編譯程序的自動(dòng)構(gòu)造技術(shù)”等若干個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。這些知識(shí)點(diǎn)在教學(xué)計(jì)劃中占了將近40%的課時(shí)，且是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)后續(xù)課程如程序語言構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)、自動(dòng)機(jī)與文法理論的重要組成部分，對(duì)于掌握計(jì)算相關(guān)理論有重要的基礎(chǔ)作用。它們內(nèi)容抽象，理解起來不太容易，因此亟須相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段輔助教學(xué)。（2）缺乏對(duì)大型綜合性實(shí)驗(yàn)的合理規(guī)劃安排。大型綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容集中于大部分教學(xué)內(nèi)容完成后安排，使得實(shí)驗(yàn)各個(gè)階段的任務(wù)不明確，無法有效幫助學(xué)生建立編譯程序各個(gè)步驟的概念，導(dǎo)致其忽略編譯程序的全局性，進(jìn)而不能全面深刻理解整個(gè)編譯程序?qū)崿F(xiàn)的原理。此外，由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的難度，讓很多學(xué)生知難而退，難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。（3）缺乏創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和提高型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，這使得教學(xué)內(nèi)容沒有被充分利用，學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性和積極性難以發(fā)揮。

在課程采用的實(shí)驗(yàn)手段方面：（1）全班做一個(gè)題目，不僅難以避免抄襲，而且忽略了學(xué)生的個(gè)體差異。（2）學(xué)生按照教師在課堂上的布置或者指導(dǎo)書上的步驟，按部就班，完成相關(guān)操作，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性受到限制，不利于學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。（3）與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不緊密。學(xué)生不清楚相關(guān)原理能解決什么實(shí)際問題，導(dǎo)致興趣不高。

二、改革指導(dǎo)原則

（一）須滿足現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用所要求的人才模式需求

編譯原理課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置應(yīng)注重與教學(xué)內(nèi)容的配套，如“虛擬語言編譯程序的實(shí)現(xiàn)”“限定任務(wù)的編譯程序工具練習(xí)”等，且實(shí)驗(yàn)對(duì)象都是虛擬的，同時(shí)限定了實(shí)驗(yàn)任務(wù)及目標(biāo)。在計(jì)算機(jī)應(yīng)用如此普遍的今天，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注重與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，在強(qiáng)調(diào)概念、原理、思想的同時(shí)鍛煉解決實(shí)際問題的手段和方法。

（二）須強(qiáng)調(diào)素質(zhì)的培養(yǎng)

編譯原理課程就其自身特點(diǎn)看，有著很強(qiáng)的邏輯推理性和高度概括的抽象性，同時(shí)也將實(shí)驗(yàn)科學(xué)和理論科學(xué)高度結(jié)合。因此，教師應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容上和教學(xué)過程中緊緊把握這一特點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。從現(xiàn)代社會(huì)、科技的發(fā)展趨勢(shì)看，學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)比技能的培養(yǎng)更為重要。

（三）須適應(yīng)現(xiàn)代化的教學(xué)手段

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展及普及帶來信息共享及獲取方式的巨大改變。編譯原理課程實(shí)踐教學(xué)改革要從實(shí)踐內(nèi)容體系及教學(xué)手段等方面充分體現(xiàn)這一時(shí)代特征，在教學(xué)手段方面更多地引入演示、多媒體教學(xué)輔助等，使得課程能以更活潑多樣的新面貌出現(xiàn)。

三、改革實(shí)踐

（一）實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)構(gòu)成編譯程序的六個(gè)步驟及相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的獨(dú)立性與完整性將原綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“小型語言Tiny C的編譯程序”拆解為四個(gè)階段性實(shí)驗(yàn)“1.詞法分析程序Scanner”“3.語法分析程序Parser”“5.語義分析程序Ana-lyzer”，以及“6.代碼生成程序Code Generator”，安排在相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容及前階段實(shí)驗(yàn)完成之后分別進(jìn)行（見圖一）。（2）為實(shí)驗(yàn)1、3、5分別設(shè)計(jì)了三個(gè)預(yù)備任務(wù)“畫識(shí)別Tiny C語言合法單詞的DFA”“寫Tiny C語言CFG”以及“畫Tiny C語言屬性樹”，以課堂作業(yè)的形式安排學(xué)生完成并實(shí)時(shí)討論與講解，制作微視頻供學(xué)生課后鞏固學(xué)習(xí)。（3）對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)及難點(diǎn)，如“編譯程序的自動(dòng)構(gòu)造技術(shù)”這一在許多相關(guān)領(lǐng)域都有應(yīng)用的基礎(chǔ)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)“2.Flex（LEX）工具實(shí)驗(yàn)”和“4.Bison（YACC）工具實(shí)驗(yàn)”，突出理論知識(shí)在實(shí)際生活中的創(chuàng)新應(yīng)用，同時(shí)幫助學(xué)習(xí)者深刻理解和牢固掌握這部分知識(shí)。

（二）任務(wù)實(shí)現(xiàn)與效果

實(shí)踐群體為某高校某年級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及軟件工程專業(yè)近百名學(xué)生。學(xué)生的作品集中反映出學(xué)生對(duì)任務(wù)的興趣很高，充分開動(dòng)了腦筋，查閱了資料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很多創(chuàng)新，并結(jié)合了實(shí)際應(yīng)用。

（1）對(duì)于綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1、3、5，首先教師通過展示程序框架講解Tiny C語言詞法及語法語義等的約定。之后布置課堂作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生完成，并隨后在教師講解下糾正錯(cuò)誤。這些課堂互動(dòng)任務(wù)還制作了微視頻以供學(xué)生課后學(xué)習(xí)。這些做法是實(shí)驗(yàn)后續(xù)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，通過引導(dǎo)學(xué)生入門提高學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)的興趣，同時(shí)保證其對(duì)涉及知識(shí)的理解與鞏固。

（2）對(duì)于提高和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)2“Flex工具實(shí)驗(yàn)”與實(shí)驗(yàn)1相比是詞法分析程序兩種不同生成方法的實(shí)踐練習(xí)。實(shí)現(xiàn)過程分為兩部分，首先要求學(xué)習(xí)者在一個(gè)Flex使用示例“識(shí)別輸入文本中的單詞和數(shù)并分別統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)”的指導(dǎo)下掌握Flex工具的使用步驟;隨后完成自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)：學(xué)習(xí)者自行設(shè)計(jì)詞法規(guī)則，寫出正規(guī)表達(dá)式序列并使用Flex工具進(jìn)行分析并截圖展示成果。

在上交的近90份作品中，除2個(gè)不符合實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求的作品及5個(gè)僅在示例上做小改動(dòng)的作品以外，其余作品共完成了13項(xiàng)不同主題的任務(wù)，充分展示了學(xué)生的創(chuàng)造性。有代表性的作品集如：“識(shí)別程序語言單詞或關(guān)鍵字”“識(shí)別動(dòng)物字符圖（馬牛豬貓）中的符號(hào)=”“判斷合法日期值”“識(shí)別子串”“識(shí)別合法姓名和電話”“識(shí)別合法E-mail地址”等。其中，實(shí)驗(yàn)作品“識(shí)別動(dòng)物字符圖（馬牛豬貓）中的符號(hào)=”很有趣，學(xué)生在課堂上進(jìn)行了展示。

（3）實(shí)驗(yàn)4“Bison工具實(shí)驗(yàn)”與實(shí)驗(yàn)3相比是詞法分析程序兩種不同生成方法的實(shí)踐練習(xí)。實(shí)現(xiàn)過程也分為兩部分，首先要求學(xué)習(xí)者在一個(gè)Bison工具使用示例“結(jié)合Flex工具實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單表達(dá)式求值”的指導(dǎo)下掌握Bi-son工具的使用步驟;隨后完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：第一部分為必做任務(wù)，要求學(xué)生根據(jù)示例寫出算術(shù)表達(dá)式的無二義文法，并對(duì)比其與示例的二義文法的區(qū)別;第二部分為選做任務(wù)，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)詞法及語法規(guī)則，寫出構(gòu)詞規(guī)則序列、產(chǎn)生式序列及翻譯規(guī)則，使用Bison工具進(jìn)行分析并展示成果。

有一半以上學(xué)生完成了選做任務(wù)。其中有代表性的作品集如：“程序設(shè)計(jì)語言語法規(guī)則設(shè)計(jì)”“識(shí)別溫度開關(guān)及設(shè)置指令”“回文的判斷”及“科學(xué)計(jì)算器模擬”等。其中有兩個(gè)非常突出的作品“中心嵌入英語語法解釋器”和“親屬關(guān)系自動(dòng)識(shí)別器”。

①中心嵌入英語語法解釋器

英語語法中的中心嵌入概念即“將短語嵌入相同類型的另一短語中間”，使得英語長(zhǎng)句解讀起來會(huì)比較易于理解。中心嵌入英語語法解釋器嘗試將該類型的復(fù)雜嵌套語句進(jìn)行解析并還原成為多個(gè)易于理解的主謂箕子句。如：

輸入“A man that a woman that Peter knows loveskilled a cat.”

輸出“Peter knows a woman，the woman loves a man，the man killed a cat.”

②親屬關(guān)系自動(dòng)識(shí)別器

這個(gè)小程序可以為孩子或外國(guó)人提供一個(gè)簡(jiǎn)易的學(xué)習(xí)中國(guó)人親屬間稱呼的工具。如：

輸入“父親的父親的女兒的兒子”。

輸出“表兄弟”。

以上兩個(gè)例子不僅是相關(guān)理論知識(shí)的準(zhǔn)確應(yīng)用，同時(shí)具有相當(dāng)?shù)膭?chuàng)意和實(shí)用性。可以看出，兩個(gè)例子的作者都結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的一個(gè)困難的小問題充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的工具作用，體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)概念的深刻理解、廣泛的知識(shí)積累和優(yōu)秀的應(yīng)用及創(chuàng)新能力。

四、改革體會(huì)

（一）強(qiáng)調(diào)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體

在教學(xué)過程尤其是實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，要完成任何一種形式的教學(xué)都必須有學(xué)生主動(dòng)密切的配合，否則教與學(xué)易脫節(jié)。但要使學(xué)生真正地參與到教學(xué)改革中去，那么學(xué)生原有的學(xué)習(xí)模式以及對(duì)教學(xué)方法的認(rèn)知就要有觀念性的轉(zhuǎn)變。（1）自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)只指定目標(biāo)不規(guī)定具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這使得學(xué)生無例可循，必須結(jié)合實(shí)際，開動(dòng)腦筋自己設(shè)計(jì)問題并解決它。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的效果是明顯的，有令人驚喜的作品出現(xiàn)。這說明只要提供給學(xué)生以主動(dòng)思維的空間，完全可以改變其學(xué)習(xí)過程中的等待性和盲目性，從而促使其主動(dòng)思考，主動(dòng)學(xué)習(xí)。（2）督促學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)完成大型綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的具有先導(dǎo)性質(zhì)的作業(yè)，并進(jìn)行互動(dòng)講解及討論。通過現(xiàn)場(chǎng)完成該作業(yè)使學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)任務(wù)要解決的問題是什么，認(rèn)識(shí)到哪些問題是可以解決的，從而克服畏難情緒，促使學(xué)生自己主動(dòng)去解決這些問題。學(xué)生因而充分認(rèn)識(shí)、挖掘了學(xué)習(xí)潛力，也逐步提高了學(xué)習(xí)信心和興趣，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（二）教學(xué)方法及引導(dǎo)是關(guān)鍵

在教學(xué)過程中教師要有明確的教學(xué)思路和正確的引導(dǎo)方法，才能把握住整個(gè)教學(xué)過程，使教學(xué)改革得以順利推進(jìn)。（1）將大型綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)按照知識(shí)點(diǎn)的獨(dú)立性分割成四個(gè)階段，配合教學(xué)內(nèi)容的完成而安排;從實(shí)驗(yàn)任務(wù)分離出課堂作業(yè)，作業(yè)完成后才著手實(shí)驗(yàn)任務(wù)。由于作業(yè)內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)有先導(dǎo)作用，教師將其制作成視頻提供給學(xué)生課后自主學(xué)習(xí)。以上手段避免了學(xué)生一上手就面對(duì)大型問題、復(fù)雜問題，引導(dǎo)其一步步地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。（2）在同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)上設(shè)計(jì)不同方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。如對(duì)知識(shí)點(diǎn)“詞法分析程序的實(shí)現(xiàn)”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“Tiny C語言Scanner”和“Flex工具實(shí)驗(yàn)”;對(duì)知識(shí)點(diǎn)“語法分析程序的實(shí)現(xiàn)”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)“Tiny C語言Parser”和“Bison工具實(shí)驗(yàn)”，要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后進(jìn)行對(duì)比，從而強(qiáng)化概念和方法，引導(dǎo)學(xué)生思考和掌握教學(xué)內(nèi)容。（3）根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ胁町愡@一特點(diǎn)，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成示范、必做和選做三塊。如示范任務(wù)為“Flex工具示例”和“Bison工具示例”，有六個(gè)必做實(shí)驗(yàn)任務(wù)以及“Bi-son工具實(shí)驗(yàn)”的第二個(gè)選做任務(wù)。對(duì)那些基礎(chǔ)好，能力強(qiáng)、速度快的學(xué)生，除了必做內(nèi)容外，還要求他們完成選做內(nèi)容;而對(duì)實(shí)驗(yàn)技能一般的學(xué)生，把其他學(xué)生完成的選做內(nèi)容進(jìn)行展示，要求他們觀察結(jié)果（相當(dāng)于示范）。

（三）利用成績(jī)激勵(lì)機(jī)制

對(duì)絕大多數(shù)學(xué)生來說考試方式、內(nèi)容決定了他們的學(xué)習(xí)方法，甚至是思維方式。因此，充分利用成績(jī)來引導(dǎo)學(xué)生配合教學(xué)改革就顯得十分必要。在實(shí)踐中從這方面人手，有以下措施和體會(huì)：（1）加大平時(shí)成績(jī)的比例，肯定付出的努力，獎(jiǎng)勵(lì)主動(dòng)思考的成果。例如三次課堂作業(yè)均通過課堂巡視的方式找出完成得好或錯(cuò)誤較典型的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)展示，獎(jiǎng)勵(lì)獲得課堂展示機(jī)會(huì)的優(yōu)秀作品的作者，以作品難易程度和獨(dú)創(chuàng)性給出成績(jī)，處理抄襲和雷同實(shí)驗(yàn)作業(yè)的成績(jī)。（2）期末考試設(shè)置少量與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直接相關(guān)的考試內(nèi)容。

五、結(jié)語

綜合以上，本次教學(xué)實(shí)踐改革達(dá)到了以下目標(biāo)：（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及手段的設(shè)計(jì)和組織進(jìn)行改進(jìn)，更好地提高了編譯原理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果，有效達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)，鞏固、加深了學(xué)生對(duì)基本知識(shí)、基本理論的了解，突出了教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)。（2）使學(xué)生掌握了相關(guān)基本技能，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，發(fā)揮了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造性。（3）加強(qiáng)了師生之間的交流。

當(dāng)然，同時(shí)存在一些遺憾。首先，有些實(shí)驗(yàn)任務(wù)內(nèi)容設(shè)置還是不夠合理，如“Bison工具自主設(shè)計(jì)”這一較大型的困難任務(wù)不加任何引導(dǎo)就完全放開給學(xué)生，導(dǎo)致上交率只有一半，交上來的作業(yè)也存在未完全調(diào)試完成的情況。其次，在現(xiàn)代教學(xué)手段的輔助上，雖然本項(xiàng)目制作了視頻輔助學(xué)習(xí)者線下自學(xué)，但未充分利用線上討論手段。計(jì)劃改進(jìn)措施是將“Bison工具自主設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)改為必做任務(wù)，但內(nèi)容調(diào)整為教師指定若干（3～4個(gè)）與示例不同的問題，選定其中一個(gè)或自行設(shè)計(jì)（有創(chuàng)新加分）完成任務(wù)。任務(wù)中學(xué)生自由組成小組，實(shí)驗(yàn)討論課以組為單位展示作品，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力。

改革實(shí)踐證明以上措施對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)很有幫助，不僅有多樣且新穎的實(shí)驗(yàn)作品出現(xiàn)，課堂教學(xué)效果也得到了加強(qiáng)，這體現(xiàn)在課堂的教與學(xué)交流中，也體現(xiàn)在課程結(jié)束考核的成績(jī)上。我們計(jì)劃在今后的教學(xué)中結(jié)合線上展示和討論手段進(jìn)行啟發(fā)指導(dǎo)，促進(jìn)更多水平較弱的學(xué)生加入主動(dòng)創(chuàng)新的活動(dòng)中來。