面向OBE理念的編譯原理教學(xué)改革研究

高雪瑤 張春祥 李成嚴(yán) 郭紅 高尚民

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“‘新工科背景下面向OBE的編譯原理課程線上、線下一體化教學(xué)模式研究與實(shí)踐”（SJGY20220316）

第一作者簡介：高雪瑤（1979-），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，副院長，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閳D形圖像處理與自然語言處理。

*通信作者：張春祥（1974-），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，博士，教授。研究方向?yàn)閳D形圖像處理與自然語言處理。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.010

摘? 要：該文剖釋計(jì)算機(jī)專業(yè)編譯原理教學(xué)中存在的問題。為適應(yīng)人才培養(yǎng)和就業(yè)需求，面向OBE理念，設(shè)計(jì)編譯原理教學(xué)大綱，構(gòu)建編譯原理課程體系，創(chuàng)建線上線下融會(huì)貫通的一體化教學(xué)模式，實(shí)施項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)，制定編譯原理課程考核評(píng)價(jià)體系。將學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)為主動(dòng)獲取者，提高編譯原理課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：編譯原理；OBE理念；教學(xué)大綱；課程體系；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）19-0038-04

Abstract： This paper explains the problems of Compilation Principles education in computer major. In order to meet need of talent cultivation and employment， teaching outline of compilation principles is designed， course system of compilation principles is constructed， teaching mode fusing online and offline resources is created， project-driven practical teaching is implemented， and assessment and evaluation system of compilation principles course is designed， based on OBE concept. Students are transformed from passive recipients of knowledge to active learners of knowledge， in order to improve the teaching quality of Compilation Principles course and enhance students' manual dexterity.

Keywords： Compilation Principles; OBE concept; teaching outline; course system; teaching quality

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在不斷地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)需要高質(zhì)量的工程技術(shù)人才。工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心就是要確保工科專業(yè)的畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，是一種以培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)出口要求為導(dǎo)向的合格性評(píng)價(jià)。OBE（產(chǎn)出導(dǎo)向）理念是工程教育認(rèn)證的核心理念，其目標(biāo)是要保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力。哈爾濱理工大學(xué)立足“雙一流”建設(shè)，面向OBE理念，注重專業(yè)培養(yǎng)與社會(huì)需求接軌，不斷優(yōu)化課程體系以提高學(xué)生的就業(yè)競爭能力。編譯原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，是一門融合多門計(jì)算機(jī)專業(yè)課的綜合性課程。注重培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)原理與技術(shù)來解決復(fù)雜工程問題的能力，注重培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)具體問題，選擇研究路線和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案的能力，為學(xué)生職業(yè)發(fā)展提供重要的支持。

“雙一流”建設(shè)對(duì)編譯原理教學(xué)提出了新要求，要求學(xué)生掌握編譯知識(shí)，深刻理解編譯器背后的實(shí)現(xiàn)機(jī)理，靈活運(yùn)用編譯技術(shù)來解決現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際問題，滿足學(xué)生的就業(yè)需求，為學(xué)生從事科學(xué)研究工作提供幫助。

一? 編譯原理教學(xué)中存在的問題

編譯原理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門專業(yè)核心課，是離散數(shù)學(xué)、程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程的綜合應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)編譯原理這門課程，能夠深入理解、鞏固、運(yùn)用這些課程的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，在軟件項(xiàng)目開發(fā)和科研工作中，編譯技術(shù)都是必不可少的。

在編譯原理課程中，存在著很多抽象的理論知識(shí)和復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，諸如形式語言理論和自動(dòng)機(jī)理論、算符優(yōu)先分析和LR分析技術(shù)。這些理論知識(shí)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)是極其抽象的和難于理解的。如果僅憑課堂講授知識(shí)和有限學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)上機(jī)，很難使學(xué)生掌握編譯的核心，更不要說編譯知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用了。在授課過程中，課堂講授和實(shí)驗(yàn)上機(jī)往往相互割裂，使學(xué)生產(chǎn)生“學(xué)而無用”的懈怠思想，難以達(dá)到理想的學(xué)習(xí)效果。在授課過程中，過于注重理論知識(shí)的講解，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容片面，缺乏對(duì)編譯知識(shí)體系的整體支撐，很難讓學(xué)生從程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)理上去理解和掌握編譯知識(shí)，從而導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的效果并不理想，學(xué)生對(duì)編譯原理知識(shí)的學(xué)習(xí)也只是停留在公式和定理上。編譯原理課程的教學(xué)模式單一，以老師講授知識(shí)為主，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)和接受知識(shí)，教學(xué)方法缺乏多樣性和有效性。在單一的教學(xué)模式和教學(xué)方法的培養(yǎng)下，學(xué)生不能深刻地理解編譯知識(shí)背后的原理與邏輯，更談不上在實(shí)際工程中加以應(yīng)用了?，F(xiàn)有的編譯原理課程的考核機(jī)制過于片面，不夠靈活具體。編譯原理涉及大量的理論知識(shí)和算法設(shè)計(jì)，僅以期末一張卷和實(shí)驗(yàn)成績難以衡量學(xué)生對(duì)編譯知識(shí)與技術(shù)的掌握情況。在授課過程中，師生互動(dòng)不夠充分，學(xué)生從來不提問題，學(xué)生失去了學(xué)習(xí)編譯原理課程的興趣。學(xué)生厭倦了編譯原理課程的學(xué)習(xí)，不會(huì)的知識(shí)點(diǎn)積累得越來越多，從而導(dǎo)致了學(xué)生提不出問題，更談不上應(yīng)用所學(xué)過的編譯技術(shù)去解決實(shí)際問題了[1]。

在編譯原理的學(xué)習(xí)過程中，很多學(xué)生缺乏主動(dòng)性和積極性，課堂內(nèi)對(duì)課程學(xué)習(xí)感到厭倦，課堂外缺少對(duì)編譯技術(shù)的追綜與探索。最終的結(jié)果只是通過了期末考試，根本沒有學(xué)習(xí)到編譯技術(shù)的本質(zhì)與核心，沒有掌握運(yùn)用編譯技術(shù)來解決實(shí)際問題的能力。

二? 面向OBE理念的編譯原理教學(xué)改革

根據(jù)工程教育認(rèn)證的OBE核心理念，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)成效為目標(biāo)，給出了以下的編譯原理教學(xué)改革方案。

（一）? 基于OBE理念的編譯原理教學(xué)大綱設(shè)計(jì)

編譯原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的核心課程，具有理論性、設(shè)計(jì)性與實(shí)踐性相結(jié)合的特點(diǎn)。依據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)大綱的設(shè)置應(yīng)遵循該課程在“課程支撐畢業(yè)要求”矩陣中的支撐點(diǎn)。矩陣規(guī)定了編譯原理課程必須完成的教學(xué)任務(wù)。編譯原理課程的教學(xué)內(nèi)容、課程體系、教學(xué)手段就是為了完成教學(xué)任務(wù)設(shè)置的。在OBE理念的指導(dǎo)下，將以學(xué)生為中心作為出發(fā)點(diǎn)，將促進(jìn)學(xué)生有效學(xué)習(xí)作為教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，將學(xué)習(xí)效果作為檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)好壞的主要依據(jù)，設(shè)計(jì)編譯原理教學(xué)大綱。同時(shí)，根據(jù)學(xué)生的具體特點(diǎn)、教學(xué)目的、教學(xué)環(huán)境選擇合適的教學(xué)手段和教學(xué)方法。

（二）? 將OBE理念融入編譯原理課程體系的構(gòu)建過程

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)來設(shè)計(jì)編譯原理課程的課程體系。教學(xué)內(nèi)容包括編譯原理的理論知識(shí)，例如，文法和語言、詞法分析、自頂向下語法分析、自底向上優(yōu)先分析、LR分析、語法制導(dǎo)的語義計(jì)算、靜態(tài)語義分析和中間代碼生成、運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)組織、代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成。同時(shí)，包括編譯原理的算法設(shè)計(jì)，例如，詞法分析程序的設(shè)計(jì)、不確定的有窮自動(dòng)機(jī)（NFA）到確定的有窮自動(dòng)機(jī)（DFA）的轉(zhuǎn)化、不確定的有窮自動(dòng)機(jī)（NFA）的確定化和DFA的最小化、LL（1）文法的判別、算符優(yōu)先分析算法和LR（0）分析。在構(gòu)建編譯原理課程體系時(shí)，應(yīng)該結(jié)合OBE理念的教學(xué)手段[2]，以啟發(fā)式教學(xué)方法為主，附以必要的互動(dòng)教學(xué)手段，以設(shè)計(jì)開發(fā)編譯器為驅(qū)動(dòng)，融會(huì)貫通多個(gè)編譯知識(shí)點(diǎn)，綜合穿插多個(gè)算法設(shè)計(jì)，聯(lián)合運(yùn)用多項(xiàng)編譯技術(shù)來解決具體問題以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。要以學(xué)生掌握編譯技術(shù)為中心，以培養(yǎng)學(xué)生編譯思維和提高學(xué)生程序設(shè)計(jì)能力為目的，通過開發(fā)編譯器來鞏固學(xué)生所學(xué)到的編譯知識(shí)，通過自主學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握編譯技術(shù)，從而由被動(dòng)學(xué)習(xí)者變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)者。綜合使用騰訊會(huì)議、釘釘直播課程、MOOC課堂、超星直播課程、QQ群和微信群建立線上[3]和線下[4]一體化教學(xué)模式。融合翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法、啟發(fā)式教學(xué)法、案例教學(xué)法、對(duì)比教學(xué)法、討論法、練習(xí)法、直播教學(xué)法、錄播教學(xué)法、自主學(xué)習(xí)法及閱讀指導(dǎo)法提高學(xué)生編譯原理課程的學(xué)習(xí)成效。在教學(xué)大綱中給出編譯原理課程中詞法分析和語法分析大作業(yè)的設(shè)計(jì)要求，將課堂所傳授的理論與大作業(yè)緊密結(jié)合，以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。

（三）? 創(chuàng)建線上線下融會(huì)貫通的一體化教學(xué)模式

面向OBE的人才培養(yǎng)理念要求我們?cè)诰幾g原理的授課過程中，必須堅(jiān)持教、學(xué)、做一體化的原則，將整個(gè)教學(xué)過程從“以教師為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主”。不但教師和學(xué)生之間需要教學(xué)互動(dòng)，而且學(xué)生和學(xué)生之間也需要教學(xué)互動(dòng)，使學(xué)生通過持續(xù)學(xué)習(xí)，深入理解編譯原理的知識(shí)原理和掌握相關(guān)的編譯技術(shù)。編譯原理的教學(xué)活動(dòng)主要包括線上和線下兩種形式。在編譯原理的線上教學(xué)活動(dòng)中，主要是通過各種形式的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和在線互動(dòng)掌握編譯的相關(guān)知識(shí)與技術(shù)，例如，騰訊會(huì)議授課、釘釘直播課程、MOOC課堂[5]、超星課程、QQ群答疑和微信討論等教學(xué)形式。在編譯原理的線下教學(xué)活動(dòng)中，主要是通過面對(duì)面的師生交流來獲取編譯的相關(guān)知識(shí)與技術(shù)，例如，課堂授課、項(xiàng)目實(shí)踐、翻轉(zhuǎn)課堂、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課后答疑等。編譯原理線上線下一體化教學(xué)模式如圖1所示。

編譯原理的線上教學(xué)活動(dòng)與線下教學(xué)活動(dòng)相輔相成，融會(huì)貫通，相互融合，彼此促進(jìn)，使學(xué)生更好地掌握了編譯的原理知識(shí)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。各個(gè)線上教學(xué)活動(dòng)和線下教學(xué)活動(dòng)沒有彼此獨(dú)立的界限，例如，QQ群答疑與課后答疑是討論答疑解答學(xué)生困惑的兩種不同的線上和線下教學(xué)活動(dòng)。

在線上線下一體化教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)以學(xué)生作為主體，采用多種教學(xué)形式，讓學(xué)生從被動(dòng)地掌握編譯知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)地學(xué)習(xí)編譯理論。使學(xué)生由編譯技術(shù)的被動(dòng)接受者變?yōu)榫幾g工具的主動(dòng)構(gòu)建者，切實(shí)保證學(xué)生在編譯原理知識(shí)傳授與學(xué)習(xí)過程中的主體地位。采用課堂授課和騰訊會(huì)議授課完成知識(shí)的傳授，同時(shí)，錄制所講授的課程。在釘釘中直播所錄制的課程，讓學(xué)生做好預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)工作。MOOC課堂、超星課程提供豐富和經(jīng)典的教學(xué)資源[6]，指導(dǎo)學(xué)生選擇性觀看。在觀看MOOC課堂、超星課程時(shí)，通常要精確到小節(jié)課程，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。利用翻轉(zhuǎn)課堂讓學(xué)生帶著問題來更好的學(xué)習(xí)。通過項(xiàng)目實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)來設(shè)計(jì)開發(fā)編譯工具，以加深學(xué)生對(duì)編譯原理知識(shí)的理解和編譯技術(shù)的掌握。利用QQ群答疑、微信討論、課后答疑等形式，讓老師利用多種通信工具進(jìn)行直接與間接、線上與線下的交流，為學(xué)生解答疑難問題。

（四）? 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)

編譯原理是一門專業(yè)性和實(shí)踐性極強(qiáng)的課程。整個(gè)編譯原理課程的知識(shí)點(diǎn)都圍繞著一個(gè)編譯器而展開。編譯器主要包括詞法分析器、語法分析器、語義分析器、中間代碼生成程序、中間代碼優(yōu)化程序和目標(biāo)代碼生成程序。講解文法和語言、詞法分析等教學(xué)內(nèi)容，主要是為了實(shí)現(xiàn)詞法分析器；講解自頂向下語法分析、自底向上優(yōu)先分析、LR分析等教學(xué)內(nèi)容，主要是為了實(shí)現(xiàn)語法分析器；講解語法制導(dǎo)的語義計(jì)算、靜態(tài)語義分析等教學(xué)內(nèi)容，主要是為了實(shí)現(xiàn)語義分析器；講解中間代碼生成、運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)組織等教學(xué)內(nèi)容，主要是為了實(shí)現(xiàn)中間代碼生成程序；講解代碼優(yōu)化等教學(xué)內(nèi)容，主要是為了實(shí)現(xiàn)中間代碼優(yōu)化程序；講解目標(biāo)代碼生成等教學(xué)內(nèi)容，主要是為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼生成程序。學(xué)習(xí)編譯原理最好的方式是結(jié)合教師課堂講授的知識(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)編譯器。通過分解編譯器，逐步運(yùn)用所學(xué)過的相關(guān)知識(shí)與技術(shù)來完成編譯器各個(gè)組成模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。讓學(xué)生在編譯器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，深刻地理解所學(xué)過的編譯知識(shí)及其背后的運(yùn)行機(jī)理。實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)包括大作業(yè)、實(shí)驗(yàn)課[7]、項(xiàng)目實(shí)踐[8]。在大作業(yè)中，給學(xué)生一個(gè)高級(jí)程序語言的詞法規(guī)范，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該高級(jí)程序語言的自動(dòng)分詞工具；在實(shí)驗(yàn)課中，給學(xué)生高級(jí)程序語言的語法規(guī)范，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該高級(jí)程序語言的自動(dòng)語法分析工具；在項(xiàng)目實(shí)踐中，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該高級(jí)程序語言的編譯器。項(xiàng)目實(shí)踐是以大作業(yè)和實(shí)驗(yàn)課的結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行的，三者相輔相成，絕不重復(fù)。

（五）? 基于OBE的編譯原理課程考核評(píng)價(jià)

基于OBE的編譯原理課程考核評(píng)價(jià)[9]的目標(biāo)是：綜合平時(shí)成績與期末成績，結(jié)合理論考核與實(shí)踐考核，從多角度出發(fā)，采用多種形式度量學(xué)生學(xué)習(xí)掌握編譯原理的知識(shí)與技術(shù)情況，以促進(jìn)學(xué)生更有效地學(xué)習(xí)編譯原理這門課程。

結(jié)合哈爾濱理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的實(shí)際情況，遵循OBE理念，其課程考核對(duì)課程目標(biāo)的支撐見表1。其中，課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2、課程目標(biāo)3如下。

課程目標(biāo)1：能夠基于編譯程序構(gòu)造的一般原理，通過文獻(xiàn)研究等方式，針對(duì)某種高級(jí)語言編譯程序的解決方案進(jìn)行調(diào)研。

課程目標(biāo)2：能夠根據(jù)某種高級(jí)語言的語法規(guī)則，選擇詞法分析方法和主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)詞法分析程序。

課程目標(biāo)3：能夠基于編譯的一般過程，利用詞法分析、語法分析、語法制導(dǎo)翻譯、有窮自動(dòng)機(jī)和正則表達(dá)式等編譯理論和方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)語言處理系統(tǒng)中各種通用的分析和翻譯技術(shù)，設(shè)計(jì)特定語言的編譯程序。

編譯原理課程考核包括形成性評(píng)價(jià)和期末考核評(píng)價(jià)。其中，形成性評(píng)價(jià)占40%，期末考核評(píng)價(jià)占60%。

在教學(xué)過程中，隨時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，根據(jù)學(xué)生的反饋?zhàn)鞒鼋虒W(xué)調(diào)整，促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)，與編譯原理教學(xué)過程同步進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)主要包括課堂表現(xiàn)、大作業(yè)、項(xiàng)目實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)[10]等。其中，課堂表現(xiàn)包括課堂討論、學(xué)生筆記、回答問題等。

期末考核評(píng)價(jià)既要重視考察學(xué)生對(duì)編譯原理的基本概念、基本方法、基本原理的掌握程度及靈活應(yīng)用能力，又要考察學(xué)生的綜合運(yùn)用編譯技術(shù)分析和解決實(shí)際問題的能力。

期末考試題型主要包括基本概念、原理理解、運(yùn)用題型、綜合分析和設(shè)計(jì)題。

三? 結(jié)束語

為提高編譯原理課程的教學(xué)質(zhì)量，本文基于OBE理念設(shè)計(jì)了教學(xué)大綱，將OBE理念融入課程體系的構(gòu)建過程，創(chuàng)建了線上線下融會(huì)貫通的一體化教學(xué)模式，實(shí)施了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的實(shí)踐教學(xué)，制定了基于OBE的課程考核評(píng)價(jià)體系。將教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用于哈爾濱理工大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的編譯原理教學(xué)之中，教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生能夠更好地理解編譯知識(shí)，更好地掌握和應(yīng)用編譯技術(shù)，實(shí)際動(dòng)手能力得到了提升。

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