引入PBL和SPOC混合教學(xué)的《編譯原理》課程改革

牛秋月，唐國良

（河南中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，鄭州450046）

針對(duì)《編譯原理》課程內(nèi)容抽象，知識(shí)點(diǎn)多且分散，課時(shí)少等教學(xué)實(shí)際，分析當(dāng)前《編譯原理》課程的教學(xué)現(xiàn)狀和學(xué)生特點(diǎn)，樹立“以學(xué)生為主體，以問題為導(dǎo)向”的教學(xué)理念，引入SPOC和PBL，整合線上線下資源，開展混合模式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。

編譯原理；PBL；SPOC；混合模式教學(xué)

0 引言

《編譯原理》是本科計(jì)算機(jī)專業(yè)必修的一門專業(yè)主干課程，該課程理論性強(qiáng)，復(fù)雜算法和知識(shí)點(diǎn)較多且抽象，普遍被認(rèn)為是本科階段最難學(xué)難教的一門專業(yè)課[1]。該課程之所以難，從學(xué)生角度看，主要表現(xiàn)為內(nèi)容抽象難以掌握。從教師角度看主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是該課程重難點(diǎn)比較集中，主要在第三四五章節(jié)的詞法分析與語法分析部分，學(xué)生在學(xué)習(xí)前兩章的時(shí)候積極性還可以，在三四五章學(xué)習(xí)時(shí)容易出現(xiàn)挫敗心理，直接影響到后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)；二是該課程的理論講授和實(shí)踐鍛煉兩部分之間的銜接不好處理，現(xiàn)階段理論講授環(huán)節(jié)多采用傳統(tǒng)的填鴨式灌輸教學(xué)，學(xué)生是被動(dòng)的接受編譯器實(shí)現(xiàn)的原理和技術(shù)，實(shí)驗(yàn)課上讓學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)時(shí)，不知從哪兒著手去寫程序；三是知識(shí)點(diǎn)多且分散，課時(shí)少，僅利用課堂時(shí)間很難完成整套編譯理論的講授。

計(jì)算機(jī)專業(yè)是一個(gè)重實(shí)踐的專業(yè)，如何使學(xué)生在弄懂編譯理論的同時(shí)，把實(shí)踐結(jié)合起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，是當(dāng)前《編譯原理》教學(xué)亟待解決的問題[2]。本文針對(duì)本校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和課程特點(diǎn)，引入SPOC和PBL，開展混合模式教學(xué)，經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)方法改革和教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)準(zhǔn)備

1.1 PBL案例設(shè)置

PBL，是以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，充分體現(xiàn)出“以學(xué)生為主體，以問題為導(dǎo)向”的教學(xué)原則[3]，PBL教學(xué)法主要按照“教師設(shè)計(jì)問題—學(xué)生自主學(xué)習(xí)—分組討論及發(fā)言—教師總結(jié)”的教學(xué)思路來開展教學(xué)，目的是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)地思考和學(xué)習(xí)。

針對(duì)本課程中一些重要且學(xué)生不易接受的知識(shí)點(diǎn)，采用PBL教學(xué)法，以實(shí)際問題讓學(xué)生自行尋找解決問題的方案，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的本能。

例如在介紹自上而下分析所面臨問題時(shí)，假定有文法G（S）：

（1）S→xAy

（2）A→**|*

分析輸入串x*y。

分析過程中，當(dāng)用一個(gè)非終結(jié)符A的第一個(gè)候選擴(kuò)展A時(shí)，第一個(gè)“*”能夠匹配成功，但這種匹配是暫時(shí)的，當(dāng)分析指針I(yè)P指向下一個(gè)符號(hào)“y”時(shí)，此時(shí)分析出錯(cuò)，如圖1所示。不得不“回溯”到上一步，采用A的第二個(gè)候選去擴(kuò)展A，分析成功。

圖1 自上而下分析過程舉例

再例如介紹算法優(yōu)先分析法中算法的優(yōu)先順序時(shí)，二義文法G（E）：E→i|E+E|E-E|E*E|E/E|（E）為例，分析句子“i+i-i*（i+i）”，會(huì)生成以下兩種不同的語法樹，如圖2所示。如果規(guī)定算符的優(yōu)先次序，并按這種規(guī)定進(jìn)行歸約，則歸約過程是唯一的。

圖2 算法優(yōu)先分析法舉例

但是如果提前規(guī)定此文法算符之家的優(yōu)先次序，并按這種規(guī)定進(jìn)行歸約，則歸約過程是唯一的。

由于本課程知識(shí)點(diǎn)抽象知識(shí)點(diǎn)較多，不再一一列舉其PBL案例。

1.2 選擇教學(xué)平臺(tái)與MOOC

結(jié)合前兩個(gè)學(xué)期在多個(gè)在線教學(xué)平臺(tái)的試用效果，討論并分析各平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)、教學(xué)管理功能、網(wǎng)絡(luò)是否擁堵及學(xué)生對(duì)各平臺(tái)的反響等因素，決定采用以課堂派為主，雨課堂、釘釘、騰訊課堂等教學(xué)平臺(tái)為輔[4]。

根據(jù)該校開設(shè)此課程的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及課程內(nèi)容，選用中國大學(xué)MOOC上由國防科技大學(xué)王挺教授錄制的MOOC視頻作為線上同步SPOC教學(xué)資源。該MOOC視頻在2007年被評(píng)為國家精品課程，2016年被評(píng)為國家精品資源共享課程。

2 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

混合式課堂教學(xué)過程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 混合式課堂教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.1 課前

在課堂派公告區(qū)發(fā)布每章節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容與作業(yè)要求，本章節(jié)與前后章節(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系，另附上相應(yīng)章節(jié)的MOOC視頻學(xué)習(xí)清單及作業(yè)問題。學(xué)生在視頻學(xué)習(xí)完成之后，可以提交作業(yè)。

2.2 課中

教師根據(jù)學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)及作業(yè)完成情況，通過課堂派直播或線下課堂等方式，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的串講和討論，為了活躍課堂氣氛，授課過程中會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)置互動(dòng)搶答或隨機(jī)提問的形式，督促學(xué)生認(rèn)真上課。

2.3 課后

每章節(jié)學(xué)習(xí)結(jié)束后，都會(huì)在課堂派上發(fā)布一次綜合性單元測(cè)試，測(cè)試習(xí)題內(nèi)容及順序都是隨機(jī)打亂的，避免學(xué)生相互抄襲。

3 教學(xué)方法

由于《編譯原理》理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，在實(shí)施過程中多以講授為主，針對(duì)課堂中不同知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)其難易程度、算法特點(diǎn)等采取不同的教學(xué)方法，而非從頭到尾采用某種單一的教學(xué)方法。本文提出將PBL教學(xué)法、類比教學(xué)法、圖形化、角色翻轉(zhuǎn)等多種教學(xué)方法，在一定程度上化繁為簡(jiǎn)、化抽象為形象，這樣不僅可以幫助學(xué)生更好理解課程中的知識(shí)點(diǎn)，還能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考問題解決問題的能力。

3.1 PBL教學(xué)法

本課程在理論教學(xué)中主要采用PBL教學(xué)法，但由于該課程抽象知識(shí)點(diǎn)較多，如果在授課過程中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都設(shè)計(jì)問題的話，提出的問題會(huì)過多，降低授課效率，收不到理想的教學(xué)效果。因此，該方法主要用于介紹本課程的重要且較難理解知識(shí)點(diǎn)，其他知識(shí)點(diǎn)的講解多采用諸如以下幾種教學(xué)方法。

3.2 類比法教學(xué)法

對(duì)本課程中一些十分抽象且不易理解的知識(shí)點(diǎn)，拿出一個(gè)大家能看見的或較易理解的對(duì)象來進(jìn)行對(duì)照學(xué)習(xí)。例如在講解編譯過程及每個(gè)階段的任務(wù)時(shí)，類比為自然語言的翻譯過程，便于學(xué)生理解。自然語言的翻譯要經(jīng)過以下幾步：①識(shí)別出句子中的一個(gè)個(gè)單詞；②分析句子的語法結(jié)構(gòu)；③根據(jù)句子的含義進(jìn)行初步翻譯；④對(duì)譯文進(jìn)行修飾；⑤寫出最后的譯文。這5個(gè)步驟剛好和編譯過程的詞法分析、語法分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成這5個(gè)階段一一對(duì)應(yīng)，如圖4所示。

圖4 編譯過程類比為自然語言翻譯

3.3 圖形化教學(xué)法

利用圖形和動(dòng)畫展示抽象算法的實(shí)現(xiàn)過程，能夠把知識(shí)的講解化靜為動(dòng)，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如在講解確定有限自動(dòng)機(jī)和非確定有限自動(dòng)機(jī)的區(qū)別時(shí)，我們借助狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來描述，NFA確定化為DFA時(shí)把每一步操作都通過動(dòng)畫在圖形里面表示出來，讓學(xué)生能夠直觀地看到整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)過程。

3.4 翻轉(zhuǎn)教學(xué)法

課前教師需將相應(yīng)章節(jié)的教學(xué)大綱、PPT、教學(xué)視頻、自測(cè)題等教學(xué)資源上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，并要求學(xué)生在課前進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，自學(xué)過程中產(chǎn)生的疑問可以在平臺(tái)上與老師、同學(xué)進(jìn)行交流，或帶到課堂上進(jìn)行探討。課程教學(xué)中，教師首先針對(duì)學(xué)生在課前自學(xué)過程中遇到的問題給出解答。然后教師再根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況設(shè)計(jì)研討題目，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)分組進(jìn)行討論，討論結(jié)束后每組推選出一位代表總結(jié)發(fā)言。小組代表總結(jié)發(fā)言時(shí)，教師可適當(dāng)?shù)奶岢鲆蓡?，其他小組的學(xué)生也可提出質(zhì)疑并發(fā)表自己的見解。最后，教師針對(duì)學(xué)生課堂的表現(xiàn)情況做出總結(jié)，理清本次課程知識(shí)點(diǎn)的脈絡(luò)，對(duì)學(xué)生掌握不牢固的知識(shí)點(diǎn)，再次布置任務(wù)，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解[5]。

4 教學(xué)實(shí)施

本課程基于以上的教學(xué)設(shè)計(jì)，在2019-2020學(xué)年第二學(xué)期針對(duì)本校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生，開展一學(xué)期的線上線下相結(jié)合的混合模式教學(xué)。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，引入PBL和MOOC之后的混合式教學(xué)學(xué)生期末成績(jī)有了大幅度提高。

近三年學(xué)生成績(jī)分布直方圖對(duì)例如圖5所示。

圖5 近三年成績(jī)對(duì)比

5 結(jié)語

針對(duì)《編譯原理》抽象難懂難學(xué)的特點(diǎn)，引入PBL和國家精品MOOC資源，經(jīng)過精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，采用線上線下相結(jié)合的混合模式教學(xué)，將《編譯原理》課程中的知識(shí)點(diǎn)及難點(diǎn)與實(shí)際的案例有機(jī)地、融會(huì)貫通的結(jié)合起來。經(jīng)過一學(xué)期的試行，證明這種教學(xué)模式是可行的、有益的。在以后教學(xué)過程中，將繼續(xù)研究和探索混合式教學(xué)模式的教學(xué)方法和設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思維能力、溝通協(xié)作能力等，提高教學(xué)效果。