基于云課堂的編譯原理課程在線教學(xué)探究

饒文碧，王云華，林 泓，汪祥莉

（武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430070）

0 引言

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在教育行業(yè)的不斷滲透，教育教學(xué)方式正發(fā)生著巨大變革。云課堂作為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的典型教學(xué)形式受到了廣泛關(guān)注，為計(jì)算機(jī)教育發(fā)展提出了新思路和方法［1］。

編譯原理課是計(jì)算機(jī)學(xué)科一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是國(guó)際ACM 教程和IEEE 計(jì)算機(jī)學(xué)科的主干教程［2］，國(guó)內(nèi)外高校一直致力于對(duì)編譯原理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行研究。國(guó)外知名大學(xué)編譯原理課程的教學(xué)特點(diǎn)是重理論、更重實(shí)踐，在考核體系中，斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)成績(jī)占總成績(jī)的50%，卡耐基梅隆大學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容甚至占到總成績(jī)的70%，而且理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)無(wú)論在內(nèi)容上還是進(jìn)程上都結(jié)合得十分緊密［2-3］。國(guó)內(nèi)高校也非常重視課程教學(xué)研究，北京航空航天大學(xué)根據(jù)編譯原理課程特點(diǎn)和對(duì)學(xué)生接受能力的分析，提出將整個(gè)編譯原理課程知識(shí)體系的講授過(guò)程分為編譯器的手工編寫(xiě)和自動(dòng)化生成兩遍的教學(xué)方式，并取得較好的教學(xué)效果［4］；北京交通大學(xué)研究和設(shè)計(jì)了層次遞進(jìn)模式的編譯原理課程教學(xué)方式，有利于學(xué)生逐步深入地學(xué)習(xí)［2］；北京理工大學(xué)將虛擬實(shí)驗(yàn)引入編譯原理課程，完善了課程實(shí)驗(yàn)體系［5］；同濟(jì)大學(xué)提出從實(shí)踐平臺(tái)創(chuàng)建和考核方面進(jìn)行思考和改革，重視過(guò)程監(jiān)督，利用GitHub 平臺(tái)使實(shí)踐考核更為公正［6］；中國(guó)科技大學(xué)提出結(jié)合LLVM 的編譯原理課程實(shí)踐方案［7］；東北大學(xué)提出慕課與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)方式［8］。雖然各高校對(duì)編譯原理課程的教學(xué)改革作了大量研究和探索，但基于云課堂、自建慕課和在線實(shí)驗(yàn)實(shí)施的在線教學(xué)案例還很少。

2020 年受疫情影響，廣大教師積極響應(yīng)“停課不停學(xué)”號(hào)召，采用線上遠(yuǎn)程授課方式進(jìn)行教學(xué)。本文針對(duì)當(dāng)前課程教學(xué)方式改革需求，以有效保證線上課程教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，運(yùn)用云課堂教學(xué)理念，在已有編譯原理線上線下混合式教學(xué)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，積極探索基于云課堂的在線課程教學(xué)方式實(shí)施的有效方法。如何在基于云課堂的課程建設(shè)中，建立一套教學(xué)內(nèi)容豐富多層、教學(xué)形式多元互補(bǔ)、線上與線下貫通、兼容性強(qiáng)的課程模型，如何實(shí)施有效的基于云課堂的課程教學(xué)手段，確保課程能滿(mǎn)足不同層面的學(xué)生在云端的學(xué)習(xí)需求，這些都是云課程教學(xué)中需要思考的問(wèn)題。

1 基于云課堂的編譯原理在線課程模型

武漢理工大學(xué)編譯原理課程一直采用線上線下混合式教學(xué)方式，已建成編譯原理SPOC 課程和線上實(shí)驗(yàn)資源。本學(xué)期實(shí)施全流程的線上教學(xué)，編譯原理網(wǎng)絡(luò)在線課程建設(shè)模型如圖1 所示，由SPOC 課程及其資源、線上云課堂和在線實(shí)驗(yàn)3 部分構(gòu)成。

圖1 編譯原理線上課程教學(xué)實(shí)施模型

1.1 編譯原理SPOC 課程資源及其云服務(wù)平臺(tái)

圍繞編譯原理課程知識(shí)體系，將教學(xué)內(nèi)容中的核心知識(shí)要素已制作成模塊化、專(zhuān)題化的數(shù)字資源，同時(shí)發(fā)布在愛(ài)課程和武漢理工大學(xué)在線教育綜合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上。課程資源包含圍繞核心知識(shí)點(diǎn)制作的視頻、教案課件和習(xí)題等形式，同時(shí)為了有效保證SPOC 課程質(zhì)量，還設(shè)置討論題、在線作業(yè)和測(cè)驗(yàn)等評(píng)價(jià)方法，以督促和檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程。目前已經(jīng)用于軟件工程專(zhuān)業(yè)2015、2016、2017 級(jí)、數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專(zhuān)業(yè)2018 級(jí)的編譯原理線上線下混合式教學(xué)中。SPOC 線上教學(xué)資源建設(shè)是基于云課堂的在線課程教學(xué)實(shí)施基礎(chǔ)，編譯原理課程的SPOC 教學(xué)資源可以直接用于編譯原理在線課程教學(xué)中。

1.2 云課堂及其云服務(wù)平臺(tái)

云課堂的建設(shè)目標(biāo)是建立一個(gè)不受時(shí)空限制的學(xué)習(xí)環(huán)境，它將傳統(tǒng)課堂的交互性強(qiáng)、課堂氣氛活躍等特點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)課程傳播廣、可重復(fù)學(xué)習(xí)等特點(diǎn)相結(jié)合，主要面向本校學(xué)生相近專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)放。武漢理工大學(xué)編譯原理線上云課堂保留1 節(jié)課45 分鐘，設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是在學(xué)習(xí)內(nèi)容基礎(chǔ)上讓學(xué)生獲取更深厚的知識(shí)和更復(fù)雜的技能，實(shí)施案例式、啟發(fā)式等多種教學(xué)方法。目前，編譯原理課程建立線上云課堂依托的云服務(wù)平臺(tái)主要通過(guò)“慕課堂+騰訊會(huì)議”方式進(jìn)行線上課堂教學(xué)與互動(dòng)。

1.3 在線實(shí)驗(yàn)及其服務(wù)平臺(tái)

很多專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)不僅包含理論課，還包含實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，因此在線課程需要考慮在線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)強(qiáng)調(diào)的是動(dòng)手能力提升，因此在線實(shí)驗(yàn)建設(shè)更具挑戰(zhàn)性。不同專(zhuān)業(yè)課程對(duì)在線實(shí)驗(yàn)建設(shè)具有不同的特點(diǎn)，綜合而言主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和運(yùn)行平臺(tái)建設(shè)。

武漢理工大學(xué)編譯原理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托希冀（CG）計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化平臺(tái)進(jìn)行，在線實(shí)驗(yàn)資源包括：自編的線上實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和支持編譯技術(shù)程序在線評(píng)測(cè)的實(shí)驗(yàn)作業(yè)題。

2 編譯原理在線課程教學(xué)方法探索

2.1 編譯原理在線云課堂設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施

在進(jìn)行編譯原理在線課堂教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)學(xué)生可線上通過(guò)SPOC 等方式完成課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，將在線課堂設(shè)計(jì)定位為：梳理基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，強(qiáng)化核心知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，并采用啟發(fā)式、案例式、探究式等多種教學(xué)形式展開(kāi)問(wèn)題導(dǎo)向的教與學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生不僅掌握知識(shí)點(diǎn)，還可以站在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的角度去理解所學(xué)知識(shí)點(diǎn)對(duì)解決問(wèn)題的支撐作用。

2.1.1 啟發(fā)式教學(xué)方式

編譯原理課程中所展現(xiàn)的理論和方法是計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)課程中典型的可開(kāi)展啟發(fā)式教學(xué)的內(nèi)容，也是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的較好案例。在教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合編譯原理知識(shí)本身的特點(diǎn)，采用問(wèn)題探究與思維啟發(fā)結(jié)合的方式傳授知識(shí)。問(wèn)題探究與思維引導(dǎo)啟發(fā)式思想示意圖如圖2 所示，其中，問(wèn)題探究部分主要通過(guò)在線課堂（慕課堂+騰訊會(huì)議）進(jìn)行適量的直播而完成，而思維啟發(fā)的過(guò)程則是通過(guò)在線直播梳理貫通相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)+SPOC 相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)視頻學(xué)習(xí)來(lái)完成。如為了進(jìn)行確定的自頂向下語(yǔ)法分析，分析其實(shí)施的文法特點(diǎn)，提出LL（1）文法并設(shè)計(jì)判斷算法，然后分析基于LL（1）文法的確定自頂向下語(yǔ)法分析的實(shí)現(xiàn)策略，提出兩種程序?qū)崿F(xiàn)策略。這部分的學(xué)習(xí)涉及SPOC 知識(shí)點(diǎn)4 個(gè)，借助在線直播課堂完成對(duì)該問(wèn)題的探究分析和解決問(wèn)題的思維引導(dǎo)。

圖2 問(wèn)題探究與思維引導(dǎo)啟發(fā)式思想示意圖

2.1.2 案例探究式教學(xué)方式

編譯原理課程是以編譯器為案例組織教學(xué)的，因此案例式教學(xué)模式在編譯原理課程教學(xué)中具有先天優(yōu)勢(shì)。此外，在編譯原理課程中所涉及的原理、方法和技術(shù)在軟件工程的很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，因此這些應(yīng)用案例學(xué)習(xí)對(duì)加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提升實(shí)踐能力具有重要作用。

以編譯器為案例進(jìn)行教學(xué)，設(shè)計(jì)和制作了編譯系統(tǒng)典型算法原理知識(shí)、算法實(shí)現(xiàn)、案例應(yīng)用講解等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，在線課堂教學(xué)中注重采用案例驅(qū)動(dòng)的“核心知識(shí)點(diǎn)—算法實(shí)現(xiàn)案例—編譯模塊實(shí)驗(yàn)”三點(diǎn)一線貫通教學(xué)，并引導(dǎo)學(xué)生線上閱讀學(xué)習(xí)更多相關(guān)資源，結(jié)合課程實(shí)驗(yàn)完成案例的綜合實(shí)現(xiàn)或應(yīng)用。

利用編譯技術(shù)應(yīng)用案例進(jìn)行教學(xué)，在線課堂教學(xué)中提出編譯技術(shù)應(yīng)用案例的學(xué)習(xí)要求，并對(duì)基于知識(shí)點(diǎn)群的編譯技術(shù)應(yīng)用方案進(jìn)行思路梳理，引導(dǎo)學(xué)生線上閱讀學(xué)習(xí)相關(guān)資源，進(jìn)行在線課堂中的互動(dòng)討論。如：在編譯原理課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中，引入“有窮自動(dòng)機(jī)在事務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用”教學(xué)案例，提供在線學(xué)習(xí)素材。在線課程教學(xué)中將介紹該案例的背景、應(yīng)用價(jià)值、依據(jù)的基本原理、所涉及的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解和學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)提供的案例資源，并組織學(xué)生成立線上研討小組，針對(duì)相應(yīng)選題進(jìn)行資料的收集匯總，展開(kāi)問(wèn)題分析、研究方法、論據(jù)等方面的研討，使得學(xué)生在研討中掌握將自動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問(wèn)題的思路與方法，同時(shí)通過(guò)開(kāi)展案例研究型教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生積極思考，在學(xué)習(xí)、探索、分析、思考和體驗(yàn)過(guò)程中得到鍛煉。

2.2 基于云平臺(tái)的編譯原理在線實(shí)驗(yàn)實(shí)施

編譯原理在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依托希冀（CG）計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化平臺(tái)而開(kāi)展，希冀（CG）平臺(tái)充分利用計(jì)算機(jī)學(xué)院現(xiàn)有的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，打造計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)在線虛擬機(jī)房。本課程利用希冀（CG）平臺(tái)提供的在線實(shí)驗(yàn)環(huán)境、在線實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)和在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源管理等功能，為學(xué)生提供了不受時(shí)間與空間限制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為保障編譯原理課程全流程線上教學(xué)打下了基礎(chǔ)?；谙＜剑–G）云平臺(tái)的編譯原理在線實(shí)驗(yàn)已經(jīng)于2019 年在數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)中得以實(shí)施。

（1）線上實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)與線上實(shí)驗(yàn)作業(yè)題。將自編的實(shí)驗(yàn)講義上傳至該平臺(tái)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，主要包括詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析、代碼生成等編譯過(guò)程主要階段的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［8］。與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)相配套，設(shè)計(jì)覆蓋主要知識(shí)點(diǎn)和不同難易度的在線實(shí)驗(yàn)作業(yè)，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)作業(yè)要求的程序設(shè)計(jì)，并在希冀（CG）平臺(tái)上傳代碼。

（2）線上實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)管理。借助希冀（CG）平臺(tái)的代碼自動(dòng)實(shí)時(shí)評(píng)判功能可對(duì)學(xué)生提交的代碼進(jìn)行功能和性能方面的測(cè)試，并給出綜合得分。程序自動(dòng)評(píng)判結(jié)果不僅僅告知正確與否，更側(cè)重對(duì)程序的全面分析，包括性能分析、代碼風(fēng)格檢查、靜態(tài)分析、錯(cuò)誤原因分析等，幫助和引導(dǎo)學(xué)生寫(xiě)出高質(zhì)量的程序。

圖3 基于希冀（CG）云平臺(tái)的編譯原理在線實(shí)驗(yàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)評(píng)判

2.3 編譯原理課程在線課程考核方式

武漢理工大學(xué)編譯原理課程考核一般包括：平時(shí)成績(jī)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)成績(jī)和理論考試成績(jī)。

對(duì)于基于云課堂的編譯原理在線課程，平時(shí)成績(jī)由線上課程考勤、在線測(cè)試、在線作業(yè)和SPOC 在線學(xué)習(xí)情況共同評(píng)判；課內(nèi)實(shí)驗(yàn)成績(jī)可以采用基于云平臺(tái)的編譯原理在線實(shí)驗(yàn)及其自動(dòng)實(shí)時(shí)評(píng)判給出。

線上理論考試中如何防替考，防作弊是關(guān)鍵。一方面可以使用騰訊會(huì)議視頻監(jiān)考+監(jiān)考老師錄制視頻方式實(shí)現(xiàn)“云考試”，操作簡(jiǎn)單。在考試過(guò)程中，學(xué)生加入騰訊會(huì)議，并用手機(jī)攝像頭拍攝考試環(huán)境，教師可以在騰訊會(huì)議中通過(guò)查看實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面進(jìn)行監(jiān)考，同時(shí)教師可以開(kāi)啟屏幕錄制工具，記錄考生動(dòng)態(tài)。另一方面，考試命題要增強(qiáng)綜合性和靈活性，同時(shí)可采用考題間隔發(fā)布控制每一題的解答時(shí)間，從而擠掉學(xué)生可能出現(xiàn)不規(guī)范行為的時(shí)間。

3 效果分析

對(duì)比實(shí)施基于云課堂的在線教學(xué)模式前后教學(xué)效果，得出如下結(jié)論：

（1）在課后問(wèn)卷調(diào)查中，針對(duì)“你對(duì)本課程在線教學(xué)方式是否滿(mǎn)意？”，有28%的學(xué)生選擇“很滿(mǎn)意”，48%的學(xué)生選擇“滿(mǎn)意”，21%的學(xué)生選擇“一般”，由此可以看出，學(xué)生對(duì)基于云課堂的在線教學(xué)方式大多是認(rèn)同的。

（2）基于云課堂的在線教學(xué)體系內(nèi)含SPOC 教學(xué)，增加了網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)情況、在線作業(yè)評(píng)測(cè)，激勵(lì)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)也適應(yīng)個(gè)性化教學(xué)模式。此外，學(xué)生對(duì)在線課堂進(jìn)行全程錄制視頻或語(yǔ)音也很方便，有助于學(xué)生課后復(fù)習(xí)，加深對(duì)課程內(nèi)容的理解。

（3）由于實(shí)施了編譯原理在線實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在提交截止日期前反復(fù)上傳實(shí)驗(yàn)作業(yè)代碼，并得到程序自動(dòng)評(píng)判分?jǐn)?shù)，這極大地提升了學(xué)生進(jìn)行代碼優(yōu)化的積極性，學(xué)生完成的編碼質(zhì)量較高，實(shí)驗(yàn)收獲較以前更大。

4 結(jié)語(yǔ)

云課堂建設(shè)符合現(xiàn)代高等教育發(fā)展趨勢(shì)，具有靈活、交互性強(qiáng)、可重復(fù)等特點(diǎn)，滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化、自主學(xué)習(xí)需求，能夠通過(guò)教學(xué)資源最大化和有效利用提高在線課程教學(xué)質(zhì)量。本文探索了編譯原理課程理論、實(shí)驗(yàn)和考核全棧式線上教學(xué)解決方案，其中，SPOC 課程資源+云課堂+在線實(shí)驗(yàn)的多元融合教學(xué)模式已經(jīng)在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了實(shí)踐，在這次抗擊新冠肺炎疫情期間具有出色表現(xiàn)，下一步將深入研究在線教學(xué)的過(guò)程考核體系，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)更好達(dá)成。