編譯原理課程教學改革實踐探析

張永梅 杜治蓉 馬禮 束劼 楊建

關鍵詞：編譯原理；系統(tǒng)能力；實踐創(chuàng)新能力；課程改革；擴展實驗

0 引言

2021年國務院發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》指出要建設高質量教育體系，激發(fā)人才創(chuàng)新活力。2019年啟動國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年），將培養(yǎng)和提高學生的系統(tǒng)能力作為提高計算機專業(yè)本科教學質量和水平的一個重要措施[1]。

編譯原理課程是計算機科學與技術專業(yè)的必修專業(yè)基礎課程，課程難度較大。編譯原理課程內容主要是講授原理性質，具有理論內容多，方法比較抽象，課程內容環(huán)環(huán)相扣的特點。編譯原理已經(jīng)被廣泛應用于人工智能、自然語言理解及處理、搜索引擎等領域[2]。

編譯原理是一門理論性、技術性、實踐性很強的課程，理論和實踐相結合是課程的重要特色。北方工業(yè)大學開設的編譯原理相關課程包括編譯原理、編譯原理實踐課程。編譯原理課程主要介紹編譯系統(tǒng)的結構、工作流程及編譯程序各個組成部分的設計原理和實現(xiàn)技術，使學生掌握編譯過程中的相關原理和編譯技術。編譯原理實踐課程是使學生通過實踐，熟悉和掌握基本的編譯技術和方法，深化理解和靈活掌握教學內容，培養(yǎng)學生設計算法的能力和編程解決實際問題的動手能力。

編譯原理和編譯原理實踐兩門課程強化了學生的計算機系統(tǒng)能力[3]以及解決復雜工程問題的能力，有利于提高學生的實踐創(chuàng)新能力。目前，編譯原理、編譯原理實踐課程在培養(yǎng)學生的系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力方面仍然存在不足，需要對編譯原理、編譯原理實踐課程進行改革，進一步提高學生的系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力。

1 以系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)為教學目標

教育部高校計算機科學與技術專業(yè)教指委強調，計算機學科的學生應該具備多項專業(yè)能力，即計算思維能力、程序分析與設計能力、算法分析與設計能力、計算機系統(tǒng)能力及創(chuàng)新能力[4]。文獻[5]指出編譯原理定位為以培養(yǎng)貫通軟硬件、具備系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力的人才為課程教學目標，通過對標本科畢業(yè)能力指標點，逐步從知識型課程轉化為能力型課程。

北方工業(yè)大學編譯原理課程主要圍繞計算機系統(tǒng)中重要的系統(tǒng)軟件即計算機編譯程序的設計與實現(xiàn)而展開，使學生的專業(yè)基本技能和綜合運用能力得到提升，重點培養(yǎng)學生的計算機系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力。編譯原理課程能夠幫助學生理解程序的運行機制。在編譯器的設計與實現(xiàn)過程中，學生需要掌握程序設計語言的詞法分析、語法分析、語義分析等基本原理，使學生能夠深入了解源程序在計算機內部如何執(zhí)行。通過編譯原理課程的學習，使學生可以深刻理解程序運行機制，這對于提高系統(tǒng)能力具有重要意義。

編譯原理課程能夠培養(yǎng)學生的問題解決能力。在編譯器的設計與實現(xiàn)中，學生需要面對各類挑戰(zhàn)，例如處理復雜的語法結構、優(yōu)化程序等。這些挑戰(zhàn)要求學生具備良好的問題求解能力和創(chuàng)新思維，能夠找出問題的根源，并提出有效的解決方案。通過編譯原理的教學改革，有效提高學生的實踐創(chuàng)新能力。

2 編譯原理課程具體改革方法

編譯原理課程所含內容既有抽象的問題，又有較為成熟的理論[6]。除了編譯器涉及的相關理論、知識、技術之外，還包括基本問題求解的典型思路和方法，以及典型算法，是繼程序設計（C語言、C++等程序設計語言）、數(shù)據(jù)結構、操作系統(tǒng)等課程之后，從系統(tǒng)的角度再認識程序和算法的一門課程。該課程具有理論性強、綜合性強、連貫性強的特點。本文主要從改革教學內容、優(yōu)化教學方法、增加擴展實驗三個方面對編譯原理課程進行改革。

2.1 改革教學內容

將課程思政引入編譯原理課程教學中。目前國內編譯器核心技術缺乏，創(chuàng)新能力不足。在課堂教學中，強調編譯原理課程的重要性，引導學生樹立正確的學習方向，激發(fā)學生的愛國主義熱情，為實現(xiàn)系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)結構和芯片的“中國造”而努力奮斗。

在編譯原理課程中，學生需要了解編譯程序的各個階段，包括詞法分析、語法分析、語義分析、優(yōu)化和代碼生成等。同時，學生還需要熟悉計算機體系結構的相關知識，了解指令集、寄存器、內存等硬件組成部分。只有具備這些知識，學生才能夠理解編譯程序的運行過程，并對其進行合理優(yōu)化。

北方工業(yè)大學編譯原理課程采用陳火旺院士等編寫的《程序設計語言編譯原理（第3版）》教材。在教學過程中引入國外編譯原理經(jīng)典教材的內容。國外編譯原理經(jīng)典教材分別為Alfred V. Aho等人編寫的《Compilers： principles， techniques， and tools》、AndrewW. Appel 編寫的《Modern Compiler Implementation inC》、Steven S. Muchnick編寫的《Advanced Compiler De?sign and Implementation》，這三本書在編譯原理領域分別被稱為“龍書”“虎書”“鯨書”。

在講授“引論”時，補充介紹“鯨書”中編譯器后端優(yōu)化的處理，加深學生對整個編譯系統(tǒng)的理解。在講授“屬性文法和語法制導翻譯”時，引入“龍書”中面向對象編譯、類型檢查等技術，提高學生高效編寫程序的能力。在講授“優(yōu)化”時，補充介紹“虎書”中數(shù)據(jù)流分析、循環(huán)優(yōu)化等內容，提升學生的系統(tǒng)能力。

在“引論”中，重點介紹編譯過程及編譯程序總體結構，使學生掌握基本的概念和系統(tǒng)的總體結構。強調編譯前端、編譯后端的相關概念，以及將編譯程序劃分成前端和后端的優(yōu)點，使學生在系統(tǒng)級上認識算法、系統(tǒng)的設計，具有把握系統(tǒng)的能力。

編譯原理課程涉及一些經(jīng)典的算法和數(shù)據(jù)結構，例如詞法分析中的正則表達式匹配、語法分析中的LL（1）分析和LR分析等，這些算法和數(shù)據(jù)結構是計算機科學與技術領域中的重要基礎知識。通過深入講解這些知識和應用，提高學生的算法設計和分析能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決實際問題的能力。

目前，系統(tǒng)化教學主要缺乏課程間的溝通銜接。重構課程體系、梳理課程間的銜接是系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基礎。在教學內容上，教師注重課程間的銜接，注重軟硬結合，強化系統(tǒng)。目標代碼生成對于培養(yǎng)學生的系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力極為關鍵。目前，我國具備算法設計能力的人才較多，而具備系統(tǒng)軟硬件開發(fā)能力的人才較少。

為了培養(yǎng)這方面的人才，在講授目標代碼生成時，強調目標代碼生成涉及計算機底層硬件和體系結構的理解，不同硬件平臺的指令集、寄存器分配、內存管理等知識的掌握，同時涉及目標代碼優(yōu)化和大量的編程和調試工作。例如，在X86架構的計算機上生成目標代碼，該架構使用X86指令集，具有多個通用寄存器（如EAX、EBX、ECX、EDX等），以及一些特殊用途的寄存器（如棧指針寄存器、基址寄存器等）。為了高效生成目標代碼，編譯器利用這些寄存器存儲臨時變量、計算結果等，以充分利用計算機的寄存器。通過指令選擇優(yōu)化，充分利用指令系統(tǒng)的并發(fā)能力和向量指令集等特性。目標代碼生成涉及的尋址方式、指令系統(tǒng)等用到了匯編語言程序設計、微機原理與接口技術、計算機組成原理課程的知識。通過目標代碼生成進一步梳理課程之間的銜接，提高學生的系統(tǒng)能力。

在課堂上，介紹一些最新的編譯原理技術，如即時編譯技術、動態(tài)代碼生成技術，鼓勵學生嘗試探索新的編譯優(yōu)化方法和算法。學生不僅有機會深入了解編譯原理相關技術的前沿進展，還可以進一步思考如何改進和創(chuàng)新現(xiàn)有的編譯系統(tǒng)。這種培養(yǎng)創(chuàng)新意識的方法，激發(fā)了學生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新潛能，提高了實踐創(chuàng)新能力。

此外，將人工智能、并行處理、大數(shù)據(jù)處理等前沿技術融入課堂，開闊學生視野，促進學生接觸前沿新技術，有利于提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。例如，在講授“高級語言及其語法描述”時，引入自然語言理解。自然語言的分析和理解過程是一個層次化的過程，主要包括語音分析、詞法分析、句法分析、語義分析四個層次。將自然語言理解的相關內容引入課堂，并將自然語言分析和理解的層次化過程與編譯原理課程的0型文法、1型文法、2型文法、3型文法進行比較與分析，提高學生學習、理解和應用最新技術解決實際問題的能力。

2.2 優(yōu)化教學方法

編譯原理課程涉及“自上而下”和“自下而上”的系統(tǒng)設計方法，包括思想和方法。編譯系統(tǒng)是一個相當規(guī)模的系統(tǒng)的設計。編譯原理、編譯原理實踐課程有利于提高學生在系統(tǒng)級的理論和實踐能力。根據(jù)編譯原理課程特點，建立了“線上線下混合式”的教學方法，提供更靈活和多樣的教學方式，促進學生自主學習和計算機系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，提高編譯原理課程的教學效果。

課堂講授以能力培養(yǎng)為導向，建立學生為中心、教師為主導的課堂互動模式，激發(fā)學生自主學習的熱情與興趣。改進課程教學方法，充分利用MOOC、翻轉課堂等新型教學方式，制作圖文并茂的動畫等教學資源，將抽象的知識以動畫+講解的方式展示出來。梳理出編譯原理課程中知識結構及相互之間的關聯(lián)關系，并強調實踐的重要性。

注重講解各種計算機編譯程序設計原理和算法的思想。為保證教學質量，課堂講授中重點突出、點面結合，既保證學生接受完整的編譯原理課程知識體系結構的教學目標，又針對關鍵問題、重點內容進行詳盡、多引入實例的透徹講解，使學生真正領會和掌握課程的知識要領及技術要點。通過深入講解一些典型的編譯原理案例和實際應用，幫助學生將理論知識與實際問題相結合，提高學生在編譯原理領域的系統(tǒng)能力，培養(yǎng)學生分析和解決復雜問題的能力。

加強系統(tǒng)設計的案例教學，有利于解決學生知道算法卻不能構建完整系統(tǒng)的問題。通過一個C語言程序的編譯器實例，深入分析編譯原理中的詞法分析、語法分析、語義分析以及代碼生成等環(huán)節(jié)，從而提高學生對編譯原理的系統(tǒng)理解和應用能力。

增加網(wǎng)絡資源的利用和網(wǎng)上討論，將線上、線下答疑貫穿整個教學過程，通過多種形式提高課程的教學效果和教學質量。例如，學生可以利用MOOC和國家精品課程等進行查漏補缺，推薦學生學習國防科技大學王挺教授等主講的國家精品課程“編譯原理”，該課程可以在嗶哩嗶哩平臺進行免費學習。網(wǎng)上討論主要通過微信問答的方式進行，提升學生學習效果。將課程講授內容、習題課課件、單元測試及答案分析等以PPT或Word等形式上傳到北方工業(yè)大學多模式教學網(wǎng)。北方工業(yè)大學通過智慧課堂直播平臺錄制了講課視頻，學生都可以免費下載，供學生在任何時間、任何地點自主學習。

2.3 增加擴展實驗

系統(tǒng)能力培養(yǎng)的關鍵在于實驗教學，并且實驗也是培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力的關鍵。在編譯原理和編譯原理實踐課程中，學生不僅需要掌握課本知識，還需要進行實際的編程實踐。在編譯原理實踐課程中，結合理論和學生水平，有針對性地布置實驗內容，系統(tǒng)而有效地訓練學生的軟件開發(fā)能力，達到理論與實踐的融會貫通。北方工業(yè)大學編譯原理實驗內容主要以詞法分析器、語法分析器的構造為主。通過編寫詞法分析器、語法分析器等程序，可以將理論知識應用到實際中，有效鍛煉學生的編程能力和解決問題的能力。

高效的詞法分析器、語法分析器構造與計算機硬件（存儲空間、寄存器、硬件加速器）有關。詞法分析器和語法分析器的構造，不僅僅是對編譯原理知識的進一步掌握，也是對硬件設計和優(yōu)化思維的訓練，引導學生學習如何將算法和數(shù)據(jù)結構映射到硬件實現(xiàn)，優(yōu)化硬件設計以提高計算機性能。例如可以通過不同的數(shù)據(jù)結構如鏈表、棧、隊列等，優(yōu)化詞法分析器。在指導實驗時，引導學生在實驗過程中遇到問題時，通過分析和解決問題的方式，培養(yǎng)學生的解決問題的能力。

除了構造詞法分析器、語法分析器之外，給出了擴展實驗，供編程能力較強的學生自愿進行。例如，計算機博弈是人工智能領域的一個重要分支。擴展實驗為球類描述語言的詞法分析、語法分析實驗。主要考慮比賽需主、客隊同臺（場）競技。如沙灘排球、乒乓球、籃球、足球和網(wǎng)球等。這種球類比賽具有進攻/防守形成博弈、博弈雙方的技術動作具有相似性的特點。可以將這種比賽的相關技戰(zhàn)術描述抽象成如下形式：隊員+技術動作+技術動作發(fā)生區(qū)域+技術動作結束區(qū)域

根據(jù)球類比賽技戰(zhàn)術分析的需求，設計的解釋器由詞法分析器、語法分析器和語義分析模塊三部分組成。詞法分析器負責詞法分析的預處理和輸入單詞的解釋；語法分析器負責輸入碼的語法結構檢查和解釋；在詞法分析器和語法分析器的基礎上，語義分析模塊負責比賽技戰(zhàn)術的分類與統(tǒng)計工作。

3 改革成效

北方工業(yè)大學從計算機專業(yè)本科生開設編譯原理課程以來，圍繞編譯系統(tǒng)結構、工作流程及編譯程序各個組成部分，通過對課程理論知識、經(jīng)典算法、新的研究成果進行講授，對教學內容進行更新，不斷優(yōu)化教學方法，以及完善實驗內容，編譯原理教學改革取得了積極成效，學生的成績、系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力顯著提升。

2023年編譯原理課程卷面考試平均成績明顯高于2022年和2021年卷面考試平均成績，卷面考試平均成績逐年提高。2023 年的復雜題目相較于2021 年、2022年明顯不同，其對知識的融合度更高，對學生在復雜工程問題的解決過程中，能夠靈活應用所學編譯原理知識分析、設計出合理的方案，解決其他領域的相關問題的能力要求更高。這表明編譯原理課程的改革有效。

2018年，北方工業(yè)大學被遴選為第三批教育部高等學校計算機類專業(yè)教學指導委員會“計算機類專業(yè)系統(tǒng)能力培養(yǎng)試點高?！?。2022年，北方工業(yè)大學“計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)本科育人團隊”被評為北京高校優(yōu)秀本科育人團隊，進一步提高了北方工業(yè)大學計算機類專業(yè)學生的系統(tǒng)能力、實踐創(chuàng)新能力，提升了計算機類人才的培養(yǎng)質量。

此外，以創(chuàng)新競賽或項目進一步提升學生的實踐創(chuàng)新能力，激發(fā)學生的想象力、創(chuàng)新力和工程實踐能力，以賽促學、以賽促教。通過組織學生參加編譯原理相關的創(chuàng)新競賽或項目，進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新思維能力，培養(yǎng)團隊合作和實踐創(chuàng)新能力。北方工業(yè)大學學生在2023全國大學生計算機系統(tǒng)能力大賽中獲得二等獎的好成績，實現(xiàn)了系統(tǒng)能力大賽零的突破。

在本科畢業(yè)設計方面，學生的系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力明顯提高，畢業(yè)設計內容和方法具有較強的創(chuàng)新性，學生在應對新問題時，具備較強的分析問題和解決問題的能力。在就業(yè)方面，學生的計算機軟件、硬件應用能力和算法設計能力都有明顯提升，提高了學生的就業(yè)率。

4 結論

本文分析了培養(yǎng)學生計算機系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力的編譯原理教學目標，從改革教學內容、優(yōu)化教學方法、增加擴展實驗三個方面對編譯原理進行了教學改革。從理論和實踐上全面提升學生的系統(tǒng)能力和實踐創(chuàng)新能力，以滿足未來智能時代社會的迫切需求。