聞炳海　劉鵬　王利娥　張超英

[摘 要]《編譯原理》是計算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)的一個難點。從教學(xué)理念出發(fā)，深入分析了教材、教學(xué)對象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程、鞏固與延伸等主題，提出編譯原理的工程化的教學(xué)方法。實際結(jié)合“語法分析”一章具體部署實施過程。該方法在實際教學(xué)過程中取得了比較好的效果。

[關(guān)鍵詞]編譯原理 教學(xué)方法 工程化教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）02-0126-03

一、引言

編譯所要完成的主要任務(wù)是將高級語言編寫的程序翻譯成計算機(jī)能夠理解的機(jī)器語言?，F(xiàn)代編譯程序所要面對的經(jīng)常是幾十萬、幾百萬行的大程序，在編譯原理的研究過程中形成了大量的概念、理論和算法，這直接造成了編譯原理這門課很難學(xué)?，F(xiàn)在，編譯原理課程是計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生公認(rèn)的本科階段最難的課程之一，許多學(xué)生覺得編譯原理難以掌握。本文將工程化的方法引入編譯原理的教學(xué)過程中，通過一系列措施將編譯原理的學(xué)習(xí)過程簡單化、規(guī)范化，達(dá)到讓學(xué)生學(xué)好編譯原理的目標(biāo)。

二、教學(xué)理念

所謂工程化教學(xué)是指在教學(xué)過程中引入工程的概念，使教學(xué)過程有明確的時間安排，有遞進(jìn)的階段目標(biāo)，有可以量化的指標(biāo)，像管理工程項目一樣對教學(xué)作全程控制。我們要打造工程化的教學(xué)過程，通過選擇合適的教材、詳細(xì)考察學(xué)生情況、精心組織教學(xué)內(nèi)容、合理安排課后作業(yè)、設(shè)定逐步提高的開發(fā)目標(biāo)，將學(xué)生引入一個可以量化的學(xué)習(xí)過程中。計算機(jī)科學(xué)有很強(qiáng)的理論背景，編譯原理更以邏輯嚴(yán)密、算法枯燥著稱。要求我們在教學(xué)過程中做到精簡講解、深入淺出，抓住理論的本質(zhì)講清楚。同時，計算機(jī)學(xué)科強(qiáng)調(diào)實踐性教學(xué)，編譯原理課程更是圍繞著實際應(yīng)用而展開的。要求我們在教學(xué)過程中激勵學(xué)生動手，重視實驗和課后鍛煉，讓學(xué)生掌握實際運(yùn)用能力。我們提出了 “精簡理論、加強(qiáng)實踐”為中心思想的教學(xué)理念，掌握理論、動手實踐是學(xué)好編譯原理的不二法門。

三、教材和內(nèi)容

我們選擇的主講教材是清華大學(xué)的張素琴教授主編的《編譯原理》，這是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的教材，發(fā)行量達(dá)到20余萬冊。我們選擇的輔助教材是貝爾實驗室的Alfred等編寫的《編譯原理技術(shù)與工具》，這是一本世界著名的編譯原理教材，在編譯原理領(lǐng)域有很高的聲譽(yù)。因為封面畫了一條龍，所以被大家親切地稱為“龍書”。主講教材以理論分析為主，內(nèi)容清晰，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)；輔助教材有很好的實踐內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生實際動手設(shè)計編譯程序。兩本教材風(fēng)格互補(bǔ)，在章節(jié)編排上有很好的對應(yīng)關(guān)系，便于在教學(xué)中結(jié)合使用。下面就以“語法分析”一章為例，介紹一下我們設(shè)計的工程化教學(xué)過程。教材上“語法分析”一章主要內(nèi)容包括：LL（1）文法定義、文法判別算法、確定自頂向下分析、遞歸子程序法等。我們給出了一些補(bǔ)充內(nèi)容，包括分析典型的源代碼、自己開發(fā)的Yacc范例、自己開發(fā)的表達(dá)式語法分析程序等部分。通過這些案例的分析，讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)如何將理論應(yīng)用到實際開發(fā)，并熟悉流行的編譯輔助工具軟件的使用。

四、學(xué)生情況分析

編譯原理這門課是為計算機(jī)專業(yè)本科三、四年級的學(xué)生開設(shè)的。學(xué)生在學(xué)習(xí)編譯原理之前已經(jīng)學(xué)過多種編程語言，如VB、VC、Java、Delphi、Html。但是一個普遍的情況是“多數(shù)學(xué)生沒有認(rèn)真思考過，編譯程序的原理和開發(fā)方法”。學(xué)生不知道這些編譯軟件是如何設(shè)計出來的，更不知道不同編譯程序背后的理論依據(jù)。學(xué)生會感覺到編譯原理很神秘。而且編譯原理“難”聲在外，一些學(xué)生對編譯原理有畏懼心理。這是學(xué)生學(xué)習(xí)《編譯原理》的心理難點。我們要解決的問題是：如何為學(xué)生樹立學(xué)好編譯原理的信心？《編譯原理》這門課程比較獨立，理論自成體系，其他先修課程很少涉及編譯方面的內(nèi)容。教材內(nèi)容定義多，概念抽象，形式化的描述難以理解；算法多，步驟復(fù)雜，計算量大，學(xué)生很容易陷入細(xì)節(jié)問題不能自拔，產(chǎn)生困難和厭學(xué)心理。這些情況造成學(xué)生不容易接受編譯原理內(nèi)容，上課時容易產(chǎn)生惰性心理。這是學(xué)生學(xué)習(xí)《編譯原理》的理論難點。我們要解決的問題是：如何讓學(xué)生把理論學(xué)明白、會運(yùn)用？《編譯原理》的理論學(xué)習(xí)尚且不易，設(shè)計編譯程序更是一項非常復(fù)雜的工程，涉及多方面內(nèi)容，學(xué)生的編程經(jīng)驗不足以開發(fā)一個簡單的編譯程序，經(jīng)常會感覺不知從何入手。這是學(xué)生學(xué)習(xí)《編譯原理》的技術(shù)難點。我們要解決的問題是：如何引導(dǎo)學(xué)生動手實踐，給同學(xué)們找到一個很好的切入點？同時，我們觀察到，學(xué)生主觀上又想學(xué)好編譯原理。因為著名的編譯高手設(shè)計了學(xué)生每天使用的編譯程序，比如設(shè)計了C語言的Ritchie &Thompson、設(shè)計了C++語言的Bjarne Stroustrup、設(shè)計了Java語言的James Gosling、設(shè)計了C#語言的Anders Hejlsberg等等，這些傳奇式的編譯高手受到學(xué)生們的廣泛推崇。學(xué)生耳聞目染知道編譯原理的重要性，對編譯程序的開發(fā)感到好奇。這些都是我們引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的有利因素。在教學(xué)過程的設(shè)計當(dāng)中，我們針對這些教學(xué)難點安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，注意幫助學(xué)生克服困難，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

五、教學(xué)目標(biāo)和重點

結(jié)合這一章的內(nèi)容，我們制定了四個遞進(jìn)的教學(xué)目標(biāo)和三個教學(xué)重點。教學(xué)目標(biāo)包括對教材內(nèi)容的掌握和學(xué)習(xí)補(bǔ)充延伸的內(nèi)容。第一，掌握教材上的基本原理。包括文法的FIRST集、FOLLOW集和SELECT集的定義和計算方法、LL（1）文法的定義和判別算法、確定自頂向下分析、遞歸子程序法等內(nèi)容。這些基本理論學(xué)生必須要掌握。第二，學(xué)習(xí)使用語法分析自動生成工具。為學(xué)生介紹現(xiàn)在被廣泛使用的工具軟件Yacc。通過我們自己編寫的Yacc程序范例，讓學(xué)生掌握Yacc的結(jié)構(gòu)和用法。第三，掌握經(jīng)典的語法分析的源代碼。通過分析PL / 0語言的語法分析源代碼，讓學(xué)生了解語法分析的經(jīng)典實現(xiàn)。第四，引導(dǎo)學(xué)生動手實現(xiàn)語法分析器。引導(dǎo)學(xué)生對Yacc代碼和PL / 0語法分析代碼作個性化的修改和功能添加。通過這四個逐步深入的教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生不斷深化學(xué)習(xí)。教學(xué)重點包括了這一章的三個重要的定義和理論。第一，LL（1）文法的定義。這個定義包括First集、Follow集和Select集三個前導(dǎo)定義，每個定義都是一段形式化的描述，要求講課時要講清楚形式化定義的本質(zhì)。第二，LL（1）文法的判別算法。算法包括五個步驟：1.求出能推出ε的非終結(jié)符；2.計算First集；3.計算Follow集；4.計算Select集；5.判定是否是LL（1）文法。其中每個步驟又是一個獨立的算法。整個算法比較冗長，教材上用了六頁描述該算法。我們要用特別的方法讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握。第三，語法分析的遞歸子程序法。遞歸子程序法的思想是對LL（1）文法中每個非終結(jié)符編寫一個遞歸過程，識別由該非終結(jié)符推出的符號串。PL / 0語法分析模塊就是采用遞歸子程序算法實現(xiàn)的。在分析PL / 0語法分析模塊的基礎(chǔ)上，我們還引導(dǎo)學(xué)生動手開發(fā)自己的語法分析程序。

六、教學(xué)過程

下面詳細(xì)介紹教學(xué)過程的安排，共分為六個步驟。第一步：提出問題，引發(fā)學(xué)生去思考。編譯的任務(wù)是將高級語言編寫的程序翻譯成計算機(jī)能夠直接理解的機(jī)器語言，這個翻譯過程不是一步完成的。編譯程序在進(jìn)行真正的翻譯和生成目標(biāo)代碼之前，首先要從結(jié)構(gòu)上把握源程序。語法分析的任務(wù)就是從結(jié)構(gòu)上分析程序，保證源程序語法結(jié)構(gòu)正確并分析得到程序的各個語法成分。讓我們考慮一個簡單的例子，老師是如何判斷小學(xué)生所造的句子語法結(jié)構(gòu)上是否正確？比如，“我是學(xué)生”，我們說這個句子是語法結(jié)構(gòu)正確的。那是因為我們可以將這個句子分為三部分，“我____是____學(xué)生”，每一部分正確的對應(yīng)了“主語____謂語____賓語”三種語法成分，所以我們說這個句子是語法正確的。那么，編譯程序是如何對源程序做語法分析的呢？比如，“if i<10 then n=0 else n=1”，這個簡單的程序語句。編譯程序首先從中分析出關(guān)鍵字“if、then、else”，然后分析出表達(dá)式“i<10、n=0、n=1”，表達(dá)式和關(guān)鍵字按正確的形式排列，所以這是一個語法結(jié)構(gòu)正確的語句。實際應(yīng)用的編譯程序是能夠處理幾百萬行代碼的大程序，它的語法分析方法當(dāng)然更復(fù)雜，比如這一章所涉及的LL（1）文法、遞歸子程序法、預(yù)測分析法等，都很復(fù)雜。但是，他們都是建立在這樣一個簡單的基本概念之上的，語法分析就是從“結(jié)構(gòu)上分析程序”。在這里我們運(yùn)用“先行組織者”原理，提出問題，舉出范例，引導(dǎo)學(xué)生去思考語法分析方法。第二步：精簡講解，抓住理論的本質(zhì)。例如教材上Follow集的定義為：設(shè)G=（VT，VN，S，P）是上下文無關(guān)文法，A∈VN，S是開始符號，#是輸入串的結(jié)束符（輸入串括號），F(xiàn)OLLOW（A）={a|S*→μAβ且a∈VT，a∈FIRST（β），μ∈VT*，β∈V+}，若S *→μAβ且β→ε，則#∈FOLLOW（A）。學(xué)生很難從這樣形式化的描述中看懂Follow集的到底是用來干什么的。我們在上課的時候就要講清楚，F(xiàn)ollow集就是用來考察“非終結(jié)符能夠以哪些字符為后繼”這樣一個簡單的本質(zhì)。抓住本課程定義抽象，實際應(yīng)用簡單的特點，讓學(xué)生認(rèn)識到編譯原理其實很簡單。第三步：小題多練，采用搭積木的方式學(xué)習(xí)。教材上用了6頁來講解LL（1）文法的判別算法，如果直接將一道習(xí)題交給學(xué)生去完成，學(xué)生顯然難以接受。在講課的時候，我們先講算法結(jié)構(gòu)，然將一個大題分為幾個階段的小題，穿插演練，最后組成一個完整的解題過程。讓學(xué)生體會到雖然整個算法十分冗長，但是每一步都很簡單。第四步：互動教學(xué)，讓學(xué)生積極參與。課堂教學(xué)過程中要鼓勵學(xué)生提出想法和思路，盡可能對學(xué)生的發(fā)言給予肯定的評價，要密切注意學(xué)生的反饋信息，有針對性地講解關(guān)鍵知識點。要讓學(xué)生積極參與教學(xué)過程，跟上我們的講解思路，盡量消除學(xué)生上課的惰性心理。第五步：分組作業(yè)，降低學(xué)生的困難感。將全班同學(xué)劃分為幾個小組，每組5至7名同學(xué)。對于同一個主題，不同小組可以選擇不同方向。比如設(shè)計C語言文法，可以化為幾個子集讓不同小組實現(xiàn)，也可以不同小組完成不同任務(wù)，然后互相討論學(xué)習(xí)。將理論基礎(chǔ)好、動手能力強(qiáng)的同學(xué)分配到各個小組，以先學(xué)帶動后學(xué)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)困難感，避免動手能力差的同學(xué)失去信心。第六步：實際運(yùn)用，DIY自己的語法分析器。給學(xué)生布置一些遞進(jìn)的實踐項目，比如“設(shè)計最簡單的四則運(yùn)算的語法分析器”、“學(xué)習(xí)用YACC設(shè)計C語言語法分析器”、“學(xué)習(xí)用C語言實現(xiàn)一個簡單的語法分析器”等。由簡單到復(fù)雜，把課堂講授、實驗課和課后鍛煉有機(jī)地結(jié)合起來。以上就是我們教學(xué)方法的六個主題：提出問題、精簡講解、小題多練、互動教學(xué)、分組作業(yè)、實際運(yùn)用。從理論學(xué)習(xí)到動手實踐，有針對性地解決學(xué)生學(xué)習(xí)時所遇到的一系列問題，為學(xué)生打造一個循序漸進(jìn)、深入淺出的完整學(xué)習(xí)過程。

接下來我們以語法分析為例，介紹一下如何引導(dǎo)學(xué)生動手實踐語法分析理論。第一，一步一步教學(xué)生如何用Yacc創(chuàng)建語法分析項目，詳細(xì)介紹每個步驟的含義。第二，一步一步教學(xué)生配置VC環(huán)境用于語法分析項目的編譯，詳細(xì)每個環(huán)境參數(shù)的作用。學(xué)生在實踐的時候遇到的最主要的困難就是如何使用工具軟件，我們通過詳細(xì)的講解幫助學(xué)生邁出語法分析的第一步。第三，用簡單的例子講解Yacc的結(jié)構(gòu)和用法，讓學(xué)生體會語法分析其實不神秘。第四，把我們自己寫的文法范例在課堂上和同學(xué)們一起編寫、調(diào)試、運(yùn)行，實時展現(xiàn)不同文法分析的結(jié)果。第五，將我們自己用C語言開發(fā)的表達(dá)式語法分析程序作為補(bǔ)充練習(xí)，讓學(xué)生去修改、添加功能，體會語法分析的思路。整個過程充分考慮了學(xué)生的能力培養(yǎng)，難度逐步加大，階段目標(biāo)明確，便于在教學(xué)過程中實施。

七、教學(xué)效果

在實際教學(xué)過程中，編譯原理的工程化教學(xué)方法取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生保持較高的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生評教一直保持較高的分?jǐn)?shù)。在課堂上，學(xué)生能夠積極的參與教學(xué)過程，把握知識脈絡(luò)并掌握知識點；在課余時間里，學(xué)生能夠較好的完成作業(yè)并進(jìn)行探索和學(xué)習(xí)。通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)編譯原理，學(xué)生對軟件開發(fā)有了深入認(rèn)識，了解了程序優(yōu)化和并行計算的方法和重要性，為編寫高效、高質(zhì)量的代碼打下了基礎(chǔ)。此外，本文第一作者以“編譯原理的工程化教學(xué)”為主題參加廣西師范大學(xué)第三屆“青年教師說課比賽”，獲得了理科組第一名的好成績；并指導(dǎo)本科生以“基于泛型編程的編譯器研究”為題目申請并獲得廣西師范大學(xué)創(chuàng)新性實驗基金資助。

八、結(jié)語

在整個教學(xué)過程中，我們首先幫助學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，破除《編譯原理》難學(xué)的迷信。然后采用精簡講解、小題多練等方式，讓學(xué)生體會理論并不深奧。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生動手實踐，設(shè)計由易到難的實踐項目，在此過程中打造屬于同學(xué)們自己的編譯程序，培養(yǎng)學(xué)習(xí)成就感。最終達(dá)到懂得理論、學(xué)會設(shè)計、學(xué)好《編譯原理》這個總目標(biāo)。作為教學(xué)的鞏固與延伸措施，我們會引導(dǎo)同學(xué)做更多的實踐。比如C語言的語法分析、SQL語言的語法分析、嘗試使用C++的Boost.Spirit開發(fā)包等等。同時，和學(xué)生一起參與開發(fā)過程，用電話、Emai等方式與同學(xué)保持密切聯(lián)系，及時解答同學(xué)們學(xué)習(xí)過程中遇到的問題。不但要讓學(xué)生學(xué)懂理論、學(xué)會運(yùn)用，更要讓學(xué)生記得牢固。

我們將整個教學(xué)過程看作是一個工程項目，將工程中目標(biāo)明確、量化管理的特點引入到編譯原理的教學(xué)過程中，收到了比較好的教學(xué)效果，也受到了學(xué)生的歡迎。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張素琴，呂映芝，蔣維杜，戴桂蘭.編譯原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] Alfred等著，李建中等譯.編譯原理技術(shù)與工具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[責(zé)任編輯：黃緊德]