基于高互動課堂的編譯原理課程教學改革與實踐探索

摘要：文章針對高等教育課堂中學生積極性不高，以及開展編譯原理教學時遇到的一些普遍性問題，進行了一些教學改革嘗試，包括：開發(fā)彈幕系統(tǒng)激發(fā)學生交流欲望，營造寬松課堂氛圍；利用看似課堂無關(guān)內(nèi)容吸引學生興趣；重構(gòu)教學內(nèi)容，為每個重要知識點設計一條由淺入深的教學路徑；利用特效突出教學重點，減少學生記憶負擔等。實踐表明，上述手段可以有效提高學生上課的積極性與吸收效率。

關(guān)鍵詞：教學改革；編譯原理；課堂注意力；知識重構(gòu)；彈幕

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0001-03

0 引言

編譯原理（以下簡稱本課程）是一門為人與計算機的溝通架設橋梁的學科，其基本目標是設計并實現(xiàn)能將簡單高級語言源程序翻譯成特定底層機器指令序列的翻譯器。作為程序設計基礎課程的重要后繼課程，它使學生深入了解計算機程序的生成原理，進而更好地理解計算機運作原理。同時，作為計算理論等核心課程的先修課，它具有承上啟下的重要作用，應當受到更多重視。然而，由于課程內(nèi)容抽象以及編譯技術(shù)的成熟，學生對本課程的重視程度逐年下降。不但經(jīng)常有學生咨詢課程通過率，甚至學術(shù)界也在探討開設本課程的必要性[1]。

而根據(jù)筆者的親身經(jīng)歷，除了編譯原理外，大部分的理科課堂也都較為沉悶，其中一個重要表現(xiàn)是學生與教師的交互少，教師普遍只能通過點名提問的方法進行低效的互動。學生即便有不理解的內(nèi)容也無法反饋，影響了后續(xù)內(nèi)容的理解，進而造成課堂整體效率低下。盡管目前已有眾多新穎的教學模式，如加拿大的BOPPPS教學模式[2]、加涅九段教學模式[3]等。但在以本課程為例的知識密集型課程中，并沒有應用上述模式的條件，也無法讓學生主動開口。

本文提出兩方面的改善辦法：通過彈幕系統(tǒng)以及教師自身的語言技巧提高師生互動率，從而提高課堂效率；重構(gòu)課程內(nèi)容，讓學生從抽象的課程內(nèi)容中找到興趣與方向感。

1） 學情分析：根據(jù)人才培養(yǎng)計劃，本課程分別為大三下學期軟件工程專業(yè)以及大二下學期的網(wǎng)絡空間安全專業(yè)的學生開設，學生理應普遍完成離散數(shù)學、程序設計基礎、計算機組成原理、操作系統(tǒng)等先導課程的修讀。然而實際上學生的基礎相當不扎實。比如，學生在大一上學期同時修讀離散數(shù)學、程序設計基礎，根本沒有對有向圖進行編程，因此缺乏對算法的深入理解，到本課程開課之時，已基本遺忘該知識。

學情的另一個特點是，課堂師生互動率逐年下降。學生中的絕大部分對老師的提問不愿有表達的欲望，甚至害怕被點名提問。部分相對積極的學生會用較小的音量進行回答，但在被教師鼓勵大聲重復答案時又因膽小而陷入沉默。只有極少數(shù)性格非常外向的同學會與老師進行積極互動。

2） 課程知識體系：針對本校學生的具體情況，筆者為本課程的知識體系簡化如下：（1） 基于數(shù)學原理定義高級編程語言的語法；（2） 通過詞法分析識別源代碼的單詞序列；（3） 通過語法分析重建單詞序列對應的語法樹；（4） 通過計算語法樹語義實現(xiàn)上下文相關(guān)功能與中間代碼生成；（5） 目標代碼生成與優(yōu)化。

其中，模塊1至關(guān)重要，不但要講清楚編譯器的來龍去脈，介紹程序設計語言所使用的正則文法（用于構(gòu)詞）與上下文無關(guān)（用于造句）的基本概念，更要吸引學生興趣，是本課程順利開展的壓艙石。模塊2是利用有限自動狀態(tài)機對正則文法進行具體實現(xiàn)詞法分析。模塊3是通過各種語法分析方法把一維符號串恢復成語法樹。模塊4通過為語義符號增加繼承或綜合屬性與計算語義，從而實現(xiàn)類型檢查、上下文語法檢查功能，以及基于三地址碼的中間代碼生成。模塊5則完成對目標代碼的生成與優(yōu)化。

1 因地制宜的教學理念與目標

基于上述學情，筆者對本課程訂立的教學理念主要包括以下四點：

1） 旁征博引，觸類旁通。為確保學習效果，不僅回顧已學知識點，還擴展相關(guān)的課外知識，以拓寬學生視野。比如，在介紹自動狀態(tài)機時，除了涉及有向圖中的基本概念和求解閉包的算法外，還引入了“生命游戲”的概念。在介紹語言集合的描述方法時，可以引入康托爾的對角線證明法等知識點。

2） 穿針引線，明確線索。由于編譯技術(shù)的復雜性，教材呈現(xiàn)的知識點對初學者比較繁雜。教師應對知識點進行重新串聯(lián)，繪制知識地圖，讓學生明確課程目標是什么，學到的技能解決了什么問題，接下來要解決什么問題。

3） 廣開言路，積極互動。教師應在課堂中營造輕松有序的教學氛圍，讓學生自然地參與互動。其中，讓膽大的學生可以直接開口接上老師的提問，而讓相對放不開的學生利用工具與教師交流。此外在授課過程中，引入一些“教學無關(guān)”的內(nèi)容吸引學生注意力，再通過巧妙的收尾回歸課堂，從而加強印象。

4） 聚焦實際，啟發(fā)思維?？紤]到目前信息行業(yè)的特點，即便是軟件工程專業(yè)的學生，參與實用編譯器開發(fā)的可能性較小。因此，應讓學生著重學習相關(guān)理論或技巧的泛化應用，而不是具體的編譯器開發(fā)。本課程中較為經(jīng)典的思維方法包括：抽象、自動化、遞歸、問題分解以及權(quán)衡[4]。因此應教導學生通過學習正則表達式提高日常文檔的處理效率；或是通過分層、分步驟的分治法，把抽象的大問題逐步解決。

基于上述教學理念，形成適合本校學生的教學目標如下：

1） 知識目標：能復述編譯器五大模塊的核心原理；

2） 能力目標：能通過手動或自動化工具實現(xiàn)針對特定命令語言與機器碼的編譯器；

3） 素質(zhì)目標：能把本課程中的思維方法應用在其他領(lǐng)域，如日常辦公與學習等。

2 面向高互動的教學方法創(chuàng)新

2.1 彈幕輔助教學系統(tǒng)

為了使學生充分參與課堂，筆者與學生合作開發(fā)了一款彈幕系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)理念包括：1） 保護學生隱私。發(fā)言默認匿名，后臺無法直接查到發(fā)言學生的信息，只在必要時候根據(jù)網(wǎng)卡物理地址進行取證。2） 降低使用門檻。一方面，彈幕聊天軟件基于Web構(gòu)建，學生只要掃碼或輸入特定網(wǎng)址即可參與。另一方面，該軟件可運行于任意單機中，與借用彈幕網(wǎng)站資源的方式相比，延遲與使用成本均大幅降低。3） 提供復盤功能。軟件支持對歷史彈幕進行記錄，方便通過數(shù)據(jù)挖掘找出課程中的閃光點與沉悶點，從而在后續(xù)課程中改進。

2.2 營造寬松課堂氛圍

盡管實踐證明，彈幕系統(tǒng)有效提高了學生參與課堂的積極性，但其副作用也同樣明顯：如果學生只顧著發(fā)彈幕，可能會錯過知識點；如果大部分人認真聽課，彈幕就會偏少，交流又會變少。因此，師生面對面交流仍應是主要的溝通方式。實踐表明，學生普遍反感老師點名提問，而對于老師采用全場式的提問則心理負擔較小但參與感偏弱。因此，筆者首先在日常教學中營造允許出錯的氛圍，在高抬頭率的基礎上通過全場提問結(jié)合眼神交流，鼓勵學生給出自己的獨到見解。如果學生回答錯誤，則先不給出結(jié)果，而是順著其思路推出明顯有問題的結(jié)論，進而傳授歸謬法的思考方法。

3 基于學生興趣的教學內(nèi)容創(chuàng)新

3.1 利用看似無關(guān)事例啟發(fā)興趣

為了有效提升課堂效果，除了運用語言技巧，還需要形式多樣的內(nèi)容進行補充。當講授的概念偏向抽象，（以臺下出現(xiàn)打哈欠作為標志），此時就需要化抽象為具象。通過引入一些看似與課堂無關(guān)的生活案例，可以有效為學生起到放松思維的效果，并增加課堂的趣味性[5]。比如在語言和語法一節(jié)中，為了強調(diào)用有限語法規(guī)則描述句子集合的必要性，本文對自身家居智能化改造經(jīng)歷進行了介紹。首先，通過視頻介紹基于蘋果語音助手Siri的自定義命令功能，其中使用了語音遙控開關(guān)廁所燈與排氣扇的例子吸引學生興趣。隨后通過“自定義命令太多”的問題，引導學生思考如何解決，再到提出一套統(tǒng)一的指令語法，從而引出用有窮刻畫無窮的概念。又比如在講解“正則文法產(chǎn)生式必須具有遞歸終點”時，可通過引出“不使用運動型多用途車（也稱為SUV） 作為主婚車是因為‘有頭沒尾’的不祥寓意”，把重要知識點以輕微偏離課堂內(nèi)容的形式讓學生記住。

3.2 構(gòu)建層層遞進的知識聯(lián)結(jié)

知識的聯(lián)結(jié)可分為課內(nèi)聯(lián)結(jié)與課間聯(lián)結(jié)。其中課內(nèi)聯(lián)結(jié)的目標是讓學生串聯(lián)知識點；而課間聯(lián)結(jié)的目標則是打通不同課程的隔閡，讓學生對知識進行泛化。

1） 課內(nèi)聯(lián)結(jié)。以詞法分析一節(jié)為例，該節(jié)涉及的概念主要包括：正則文法、正則式、有限狀態(tài)自動機。在目前流行的眾多教材中，大部分只介紹了三個概念及其等價性，但沒有說明f44d07fe2d4f95c37878b63ee3c3bcc0其邏輯聯(lián)系與這些概念存在的必要性。首先通過引導讓學生發(fā)現(xiàn)正規(guī)語言使用成本高的問題，引出正規(guī)式概念；在分析如何對正則式定義的符號串進行識別的過程中，用最基本的手段構(gòu)建相關(guān)的處理程序，通過“抽象”對該程序進行邏輯層面的化簡，從而引出有限狀態(tài)自動機就是有向圖應用的結(jié)論。最終為學生闡明了人類腦中的抽象概念通過正則文法表示，為方便表述轉(zhuǎn)化成正則式，為了實現(xiàn)則進一步轉(zhuǎn)化為有限狀態(tài)自動機，最終完成從理論到落地的轉(zhuǎn)化。

正則文法和詞法分析的關(guān)系是本節(jié)的另一大重點。為此，筆者首先引導學生用基礎方法識別五類基本單詞，隨后通過合而治之，并從中歸納出正則文法的性質(zhì)。比如，對關(guān)鍵字、運算符、界限符這三類單詞，由于長度與數(shù)量均確定，因此可以通過字符串匹配的方式輕易識別。對于標識符與常量，這兩類長度與數(shù)量均不確定的單詞，則只能通過正則文法進行識別。但如果分別采用五種方法輪詢判定單詞類型，則處理效率較低。通過文法一節(jié)中組合兩個語言集合得到新文法的思路，引導學生得出"上述任意幾類單詞的組合依然可以用正則文法描述"的基本結(jié)論，再過渡到"正規(guī)語言的并集或乘積運算還是正規(guī)語言，因此可以用一個正規(guī)文法描述五種單詞類型"的結(jié)論。

2） 課間聯(lián)結(jié)。以LR分析模型為例，其模型如圖 1（a）所示：總控程序在輸入的激勵下，通過查詢Action 表與Goto表決定內(nèi)部狀態(tài)的變化及輸出；而當從LR 幾種不同的分析方法切換時，只需替換這兩個表格中的內(nèi)容即可，而無需對總控程序進行修改。而在筆者對同一批學生教授《系統(tǒng)安全》中引用驗證監(jiān)控器的概念（如圖 1（b）所示）時，會再次把這個概念引出作對比，通過抽象向?qū)W生證明這兩個同屬于一類設計模式。這樣做除了讓學生加深對相關(guān)概念的印象與聯(lián)結(jié)，還激發(fā)了讓他們對學習高效設計模式的興趣。

3.3 刪繁就簡，突出重點

理科知識可能頁面容量有限造成信息過載的問題，進而降低學生吸收效率[6]。比如課本為了追求敘述上的嚴謹，往往會羅列很多前提條件或邊界條件。如果在PPT上照搬這些內(nèi)容，基礎相對較弱的學生可能難以抓住重點。因此在制作課件時應充分利用排版，字體特效，動畫等技術(shù)突出重點。

以短語概念一節(jié)為例，優(yōu)化前后的PPT如圖 2（a） 所示。如圖 2（b）所示，除了常見的加粗、標紅等強調(diào)手法外，還通過直接刪除或用灰色字體省略不太重要的信息以減輕聽眾的注意力負擔。

詞法分析中正規(guī)式與正規(guī)文法的相互轉(zhuǎn)換也可以采用類似方法。筆者首先展示正規(guī)文法到正規(guī)式的三條基本轉(zhuǎn)換規(guī)則，如圖 3（a）所示。隨后再展示一種課本列舉的正規(guī)式到正規(guī)文法的轉(zhuǎn)換方法，如圖 3（b）所示。最后通過動畫用精簡的三條規(guī)則替代原來中間的冗長部分，向?qū)W生講解如何“把書讀薄”，如圖 3（c）所示。據(jù)學生的現(xiàn)場反應，這些特效確實對他們產(chǎn)生了深刻印象。

4 小結(jié)

本文針對高等學校課堂中學生不積極參與課堂的問題，特別是編譯原理課堂中遇到的教學實踐問題，提出：1） 利用彈幕系統(tǒng)廣開言路；2） 營造寬松課堂氛圍；3） 利用看似無關(guān)內(nèi)容吸引學生注意；4） 構(gòu)建層層遞進的課間、課內(nèi)知識聯(lián)結(jié)；5） 利用多媒體特效減輕學生注意力負擔。據(jù)筆者實踐，上述優(yōu)化實施后，學生參與課堂的積極性顯著提高，對課程的理解也有明顯加深。

參考文獻：

[1] 何炎祥，伍春香.計算機專業(yè)不需要開設編譯原理課程嗎？[J].計算機教育，2009（4）：61-62，85.

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[5] 吳玉莉. 此處無關(guān)勝有關(guān)：初中英語閱讀有效提問教學策略分析[J]. 作文成功之路： 小學， 2017（1）：49-49.

[6] 李露露. 多媒體輔助教學中信息過載問題研究[D].開封：河南大學，2020.

【通聯(lián)編輯：王 力】

基金項目：東莞理工學院2021 年高等教育教學改革項目“面向高互動課堂的理科課堂改革實踐研究”（項目編號：202102042） ；國家青年基金2021 年資助項目“面向矢量圖形版權(quán)認證的可逆水印算法研究”（項目編號：62102085） ；東莞市科技特派員項目“面向大型企業(yè)的網(wǎng)絡安全研究”（項目編號：20221800500772）