新工科背景下編譯原理課程工程案例設計

諶志群 王榮波 黃孝喜

摘? 要： 新工科的迅猛發(fā)展對各高校專業(yè)建設和課程建設提出了新要求。以“編譯原理”課程為例，討論了新工科背景下課程改革的方向及途徑。提出以工程案例作為課堂教學與產業(yè)需求之間的觸點，將課程知識點融入到工程案例中，使學生理解、掌握課程知識和促進創(chuàng)新實踐能力并進。詳細介紹了一個經典理論與新興產業(yè)需求相結合的工程案例，討論了案例式教學的特點及其對新工科建設的促進作用。

關鍵詞： 編譯原理; 新工科; 教學研究; 工程案例; 有限自動機

中圖分類號：G642.0;TP314? ? ? ? ? 文獻標識碼：B? ? ?文章編號：1006-8228（2020）12-91-03

Abstract： The rapid development of New Engineering has put forward new requirements for specialty construction and curriculum construction in colleges and universities. Taking the course of compiler principle as an example， the direction and approach of the course reform for New Engineering are discussed. The project case is proposed as the interface between classroom teaching and industrial demand， and integrating the course knowledge into the engineering case can make students understand and master the curriculum knowledge， and promote innovation and practice abilities simultaneously. This paper introduces an engineering case combined the classical theory with the demand of emerging industries， and discusses the characteristics of case teaching and its promoting effect on the construction of New Engineering.

Key words： compiler principle; New Engineering; teaching research; engineering case; finite automation

1 新工科發(fā)展對專業(yè)及課程建設的新要求

為了應對新一輪國際科技革命和產業(yè)變革，加快培養(yǎng)新興領域工程技術人才，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領域人才培養(yǎng)，教育部從2017年2月開始在全國高校大力推動新工科建設，先后發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》等文件，積極探索工程教育的中國模式和中國經驗，助力我國高等教育強國戰(zhàn)略的實施[1-2]。專業(yè)建設和課程建設是新工科建設的“重中之重”，2018年9月，教育部、工信部、工程院聯(lián)合發(fā)布《關于加快建設發(fā)展新工科 實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》，推動各地著力建設一批新型高水平理工科大學、一批產業(yè)急需的新興工科專業(yè)、一批體現(xiàn)產業(yè)和技術最新發(fā)展的新課程[3]。新工科專業(yè)既涉及計算機科學與技術、物聯(lián)網(wǎng)工程、數(shù)字媒體技術等已有的傳統(tǒng)工科專業(yè)，也包括新興產業(yè)催生的新的工科專業(yè)，如數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術、人工智能等?！霸隽績?yōu)化、存量調整”是新工科專業(yè)建設的指導方針[4]。新工科專業(yè)建設應主動與新技術、新產業(yè)、新業(yè)態(tài)的需求相銜接，各高校在主動謀劃設置“增量”工科專業(yè)的同時，要對“存量”工科專業(yè)的課程體系和課程內容進行積極調整，將產業(yè)和技術的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學過程，積極引導教師將產業(yè)界的最新應用研究成果引入到課堂中。在具體的課程建設中，需要將培養(yǎng)學生的工程思維能力、設計思維能力和數(shù)字化思維能力等創(chuàng)新發(fā)展能力作為重要的培養(yǎng)目標納入教學計劃。

2 新工科背景下“編譯原理”課程教改方向與實現(xiàn)途徑

計算機科學與技術是新工科的重點建設專業(yè)，“編譯原理”是計算機相關專業(yè)學生必修的一門專業(yè)基礎課?！熬幾g原理”主要講授編譯器構造的基本原理和經典算法，是一門公認的理論性較強的課程[5]。該課程涉及形式語言與自動機理論以及由此衍生出的一系列相關技術和算法，內容比較抽象難懂。另外由于畢業(yè)后很少有人會從事編譯器的設計和開發(fā)工作，因此學生對學習這門課程的積極性普遍不高。但其實編譯器大部分的實現(xiàn)技術不僅僅只能應用在編譯器的開發(fā)上，這些技術在解決多個其他應用領域的工程問題時也能得到廣泛應用。

美國哥倫比亞大學的Alfred V.Aho教授在其經典名著《編譯器：原理、技術與工具》前言部分寫道“編寫編譯器的原理和技術具有十分普遍的意義，以至于在每個計算機科學家的研究生涯中，該書中的原理和技術都會反復被用到”[6]。對于學習“編譯原理”這門課的學生來說，除了可以通過課程學習掌握一些具體的基本理論、技術和算法之外，還能培養(yǎng)學生計算機學科通用的問題求解和系統(tǒng)設計能力，如問題抽象與形式化描述、復雜問題算法分析與設計、自頂向下逐步求精、自底向上分步求解等。我們認為在新工科發(fā)展形勢下，“編譯原理”課程教學應改變以往過于重視理論教學、相對忽視工程應用的傾向，應以新工科建設為契機，重新梳理課程教學內容，提取與當前新興產業(yè)工程應用緊密結合的知識點，并圍繞這些知識點設計新的教學方案。針對“編譯原理”課程理論性強的特點，新的教學方案可以以工程案例為載體，通過設置各種工程情境，將知識點融入到一個個的工程項目中，并指導學生從工程師的視角體驗和看待工程。這樣一方面可以加深學生對知識點的理解掌握，另一方面還可以激發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力。這種基于案例的教學方法在提高學生學習興趣的同時，還可以培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際和解決復雜工程問題的能力，而這正是新工科建設對人才培養(yǎng)的基本要求。

3 “編譯原理”課程工程案例設計示例

高級語言編譯過程分為詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標代碼生成等幾個步驟。在教學實踐中，我們?yōu)榫幾g重要環(huán)節(jié)和關鍵知識點都設計了工程案例，下面介紹我們設計的詞法分析部分的案例。

詞法分析是編譯的第一個階段，詞法分析器的構造是建立在描述高級語言單詞符號識別過程的有限自動機的基礎上的。有限自動機是一種數(shù)學模型，分為非確定的有限自動機（NFA，Nondeterministic Finite Automata）和確定的有限自動機（DFA，Deterministic Finite Automata）。有限自動機作為一種形式化工具，在多個工程領域得到廣泛應用[7]。我們設計的案例是采用DFA來對網(wǎng)上購物平臺的購物過程進行形式化描述。

近些年來“網(wǎng)購”已成為一種新的生活方式，天貓、京東等網(wǎng)上購物平臺已成為很多人日常生活中不可或缺的組成部分。網(wǎng)上購物平臺的異步交易方式與傳統(tǒng)實體商店的面對面交易模式不同。通過網(wǎng)上購物平臺進行交易首先要解決一個買方和賣方彼此不信任的問題。這個問題通常借助一個獨立可信的第三方平臺來解決。這個第三方平臺以自身的信用確保買賣雙方的貨款和貨物的交易安全，同時解決網(wǎng)上支付問題，因此這個第三方平臺又是一個網(wǎng)上支付平臺，典型的平臺有支付寶和微信支付?；诘谌街Ц镀脚_的網(wǎng)上購物交易流程如圖1所示。

網(wǎng)上購物的具體步驟如下。①商品瀏覽：買家向賣家網(wǎng)站發(fā)送商品瀏覽請求。②商品推送：賣家網(wǎng)站向買家推送商品信息。③訂單確認：買家選定商品并下單，同時選擇第三方支付平臺。④訂單提交：賣家網(wǎng)站生成支付訂單并提交給第三方支付平臺。⑤貨款支付：買家登錄第三方支付平臺，確認為訂單支付貨款。⑥支付響應：第三方支付平臺把支付成功信息發(fā)送給買家和賣家。⑦發(fā)貨確認：賣家發(fā)貨，提交發(fā)貨信息。⑧收貨確認：買家收到貨物，向第三方支付平臺發(fā)送收貨確認信息。⑨交易完成：第三方支付平臺把貨款轉移至賣家的賬號中。

在交易中涉及買家、賣家（網(wǎng)站）、第三方支付平臺及與第三方支付平臺簽約的銀行、發(fā)送貨物的物流/快遞等主體。在交易過程中還可能出現(xiàn)取消訂單、退款等操作。用一個形式化方法來描述整個交易過程，是開發(fā)網(wǎng)上購物平臺的基礎。交易過程中存在若干個狀態(tài)，完成某個操作或者發(fā)生某個事件之后可觸發(fā)當前狀態(tài)轉換到另一個狀態(tài)，整個交易過程可以使用一個確定的有限自動機（DFA）來描述，如圖2所示。

有限自動機由McCulloeh和Pitts在1943年提出，距今已有70多年，可以說是一種很“古老”的數(shù)學模型，而網(wǎng)上購物平臺是近些年興起的“新生事物”。我們從這個案例中可以看到，貌似過時的理論同樣可以在新興領域煥發(fā)出新的生機。

除了以上DFA的應用案例，我們還設計了廣義LR分析方法在自然語言語法分析中的應用、屬性文法在句法模式識別中的應用等案例。有些案例是啟發(fā)式的，利于引導學生作進一步的深入探索。這些案例以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，與傳統(tǒng)產業(yè)的轉型升級密切相關，與新工科的人才培養(yǎng)需求深度契合。案例式教學實質上是一種啟發(fā)式和探究式教學方法，它使得教學過程從封閉走向開放，從填鴨式教學轉變?yōu)閷W生主動參與型教學。通過一個個的案例，學生除了掌握課程要求的基本知識之外，還激發(fā)了興趣、開闊了視野、培養(yǎng)了創(chuàng)新思維能力。這種案例式教學方法在我們實際的教學過程中取得了令人滿意的效果。

4 結束語

專業(yè)和課程是新工科建設的基石。在“問產業(yè)需求建專業(yè)、問技術發(fā)展改內容”這一新工科專業(yè)與課程建設行動綱領指引下，各高校及產業(yè)界正將我國的新工科建設推向一個新的更高的階段。新工科背景下的專業(yè)建設和課程改革，要以促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展、培養(yǎng)新一代創(chuàng)新型工程師為根本目標，而實踐應用教學是連接理論與應用的橋梁，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新發(fā)展能力的重要途徑。實踐教學的最佳載體是工程案例，我們認為可以將工程案例作為課堂教學與產業(yè)需求之間的觸點，精心設計工程案例并納入課程教學，激發(fā)學生的學習興趣和探索意識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。工程案例的設計既要與課程重要知識點相結合，又要與最新的產業(yè)化需求相結合。工程案例可以是啟發(fā)式的，不必面面俱到描述所有的工程細節(jié)。基于工程案例的教學模式是培養(yǎng)適應新興產業(yè)發(fā)展的、創(chuàng)新實踐能力強的高素質新工科人才的可行途徑。本文以計算機科學與技術專業(yè)的“編譯原理”課程為例，介紹了一個工程案例的設計過程，并討論了案例式教學的優(yōu)點以及對新工科人才培養(yǎng)的作用。希望本文的探索能為新工科背景下的其他傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程建設提供參考和借鑒。

參考文獻（References）：

[1] 教育部.關于開展新工科研究與實踐的通知[EB/OL].[2017-02-20].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/A08_gggs/A08_sjhj/201702/t20170223_297158.html.

[2] 教育部.關于推薦新工科研究與實踐項目的通知[EB/OL].[2017-06-21].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[3] 教育部，工業(yè)和信息化部，中國工程院.關于加快建設發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見[EB/OL].[2018-10-17].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.

[4] 吳愛華，楊秋波，郝杰.以“新工科”建設引領高等教育創(chuàng)新變革[J].高等工程教育研究，2019.1：1-7，61

[5] 蔣宗禮.“編譯原理”教學設計[J].計算機教育，2008.3：26-30

[6] Alfred V. Aho， Monica S. Lam，Ravi Sethi，et al.趙建華，鄭滔，戴新宇譯.編譯原理[M].機械工業(yè)出版社，2009.

[7] 習仲堅，巫明.有窮自動機理論在自動化控制方面的應用[J].自動化與儀器儀表，2012.6：105-108