饒文碧，王云華，林 泓，汪祥莉

（武漢理工大學計算機科學與技術(shù)學院，湖北武漢 430070）

0 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在教育行業(yè)的不斷滲透，教育教學方式正發(fā)生著巨大變革。云課堂作為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的典型教學形式受到了廣泛關(guān)注，為計算機教育發(fā)展提出了新思路和方法［1］。

編譯原理課是計算機學科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是國際ACM 教程和IEEE 計算機學科的主干教程［2］，國內(nèi)外高校一直致力于對編譯原理課程的教學內(nèi)容和教學方式進行研究。國外知名大學編譯原理課程的教學特點是重理論、更重實踐，在考核體系中，斯坦福大學的實驗成績占總成績的50%，卡耐基梅隆大學的實驗內(nèi)容甚至占到總成績的70%，而且理論教學和實踐教學無論在內(nèi)容上還是進程上都結(jié)合得十分緊密［2-3］。國內(nèi)高校也非常重視課程教學研究，北京航空航天大學根據(jù)編譯原理課程特點和對學生接受能力的分析，提出將整個編譯原理課程知識體系的講授過程分為編譯器的手工編寫和自動化生成兩遍的教學方式，并取得較好的教學效果［4］；北京交通大學研究和設(shè)計了層次遞進模式的編譯原理課程教學方式，有利于學生逐步深入地學習［2］；北京理工大學將虛擬實驗引入編譯原理課程，完善了課程實驗體系［5］；同濟大學提出從實踐平臺創(chuàng)建和考核方面進行思考和改革，重視過程監(jiān)督，利用GitHub 平臺使實踐考核更為公正［6］；中國科技大學提出結(jié)合LLVM 的編譯原理課程實踐方案［7］；東北大學提出慕課與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的混合式教學方式［8］。雖然各高校對編譯原理課程的教學改革作了大量研究和探索，但基于云課堂、自建慕課和在線實驗實施的在線教學案例還很少。

2020 年受疫情影響，廣大教師積極響應“停課不停學”號召，采用線上遠程授課方式進行教學。本文針對當前課程教學方式改革需求，以有效保證線上課程教學質(zhì)量為目標，運用云課堂教學理念，在已有編譯原理線上線下混合式教學經(jīng)驗基礎(chǔ)上，積極探索基于云課堂的在線課程教學方式實施的有效方法。如何在基于云課堂的課程建設(shè)中，建立一套教學內(nèi)容豐富多層、教學形式多元互補、線上與線下貫通、兼容性強的課程模型，如何實施有效的基于云課堂的課程教學手段，確保課程能滿足不同層面的學生在云端的學習需求，這些都是云課程教學中需要思考的問題。

1 基于云課堂的編譯原理在線課程模型

武漢理工大學編譯原理課程一直采用線上線下混合式教學方式，已建成編譯原理SPOC 課程和線上實驗資源。本學期實施全流程的線上教學，編譯原理網(wǎng)絡(luò)在線課程建設(shè)模型如圖1 所示，由SPOC 課程及其資源、線上云課堂和在線實驗3 部分構(gòu)成。

圖1 編譯原理線上課程教學實施模型

1.1 編譯原理SPOC 課程資源及其云服務(wù)平臺

圍繞編譯原理課程知識體系，將教學內(nèi)容中的核心知識要素已制作成模塊化、專題化的數(shù)字資源，同時發(fā)布在愛課程和武漢理工大學在線教育綜合網(wǎng)絡(luò)教學平臺上。課程資源包含圍繞核心知識點制作的視頻、教案課件和習題等形式，同時為了有效保證SPOC 課程質(zhì)量，還設(shè)置討論題、在線作業(yè)和測驗等評價方法，以督促和檢查學生的學習過程。目前已經(jīng)用于軟件工程專業(yè)2015、2016、2017 級、數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)2018 級的編譯原理線上線下混合式教學中。SPOC 線上教學資源建設(shè)是基于云課堂的在線課程教學實施基礎(chǔ)，編譯原理課程的SPOC 教學資源可以直接用于編譯原理在線課程教學中。

1.2 云課堂及其云服務(wù)平臺

云課堂的建設(shè)目標是建立一個不受時空限制的學習環(huán)境，它將傳統(tǒng)課堂的交互性強、課堂氣氛活躍等特點與網(wǎng)絡(luò)課程傳播廣、可重復學習等特點相結(jié)合，主要面向本校學生相近專業(yè)學生開放。武漢理工大學編譯原理線上云課堂保留1 節(jié)課45 分鐘，設(shè)計的側(cè)重點是在學習內(nèi)容基礎(chǔ)上讓學生獲取更深厚的知識和更復雜的技能，實施案例式、啟發(fā)式等多種教學方法。目前，編譯原理課程建立線上云課堂依托的云服務(wù)平臺主要通過“慕課堂+騰訊會議”方式進行線上課堂教學與互動。

1.3 在線實驗及其服務(wù)平臺

很多專業(yè)課程教學不僅包含理論課，還包含實驗環(huán)節(jié)，因此在線課程需要考慮在線實驗設(shè)計。由于實驗環(huán)節(jié)強調(diào)的是動手能力提升，因此在線實驗建設(shè)更具挑戰(zhàn)性。不同專業(yè)課程對在線實驗建設(shè)具有不同的特點，綜合而言主要包括實驗教學資源和運行平臺建設(shè)。

武漢理工大學編譯原理在線實驗教學是依托希冀（CG）計算機實驗教學一體化平臺進行，在線實驗資源包括：自編的線上實驗指導書和支持編譯技術(shù)程序在線評測的實驗作業(yè)題。

2 編譯原理在線課程教學方法探索

2.1 編譯原理在線云課堂設(shè)計與教學實施

在進行編譯原理在線課堂教學設(shè)計時，針對學生可線上通過SPOC 等方式完成課程基礎(chǔ)知識點學習的特點，將在線課堂設(shè)計定位為：梳理基礎(chǔ)知識點，強化核心知識點的學習，并采用啟發(fā)式、案例式、探究式等多種教學形式展開問題導向的教與學，引導學生不僅掌握知識點，還可以站在計算機系統(tǒng)的角度去理解所學知識點對解決問題的支撐作用。

2.1.1 啟發(fā)式教學方式

編譯原理課程中所展現(xiàn)的理論和方法是計算機專業(yè)課程中典型的可開展啟發(fā)式教學的內(nèi)容，也是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題能力的較好案例。在教學過程中，結(jié)合編譯原理知識本身的特點，采用問題探究與思維啟發(fā)結(jié)合的方式傳授知識。問題探究與思維引導啟發(fā)式思想示意圖如圖2 所示，其中，問題探究部分主要通過在線課堂（慕課堂+騰訊會議）進行適量的直播而完成，而思維啟發(fā)的過程則是通過在線直播梳理貫通相應知識點+SPOC 相應知識點視頻學習來完成。如為了進行確定的自頂向下語法分析，分析其實施的文法特點，提出LL（1）文法并設(shè)計判斷算法，然后分析基于LL（1）文法的確定自頂向下語法分析的實現(xiàn)策略，提出兩種程序?qū)崿F(xiàn)策略。這部分的學習涉及SPOC 知識點4 個，借助在線直播課堂完成對該問題的探究分析和解決問題的思維引導。

圖2 問題探究與思維引導啟發(fā)式思想示意圖

2.1.2 案例探究式教學方式

編譯原理課程是以編譯器為案例組織教學的，因此案例式教學模式在編譯原理課程教學中具有先天優(yōu)勢。此外，在編譯原理課程中所涉及的原理、方法和技術(shù)在軟件工程的很多領(lǐng)域得到應用，因此這些應用案例學習對加深學生對知識的理解，提升實踐能力具有重要作用。

以編譯器為案例進行教學，設(shè)計和制作了編譯系統(tǒng)典型算法原理知識、算法實現(xiàn)、案例應用講解等網(wǎng)絡(luò)教學資源，在線課堂教學中注重采用案例驅(qū)動的“核心知識點—算法實現(xiàn)案例—編譯模塊實驗”三點一線貫通教學，并引導學生線上閱讀學習更多相關(guān)資源，結(jié)合課程實驗完成案例的綜合實現(xiàn)或應用。

利用編譯技術(shù)應用案例進行教學，在線課堂教學中提出編譯技術(shù)應用案例的學習要求，并對基于知識點群的編譯技術(shù)應用方案進行思路梳理，引導學生線上閱讀學習相關(guān)資源，進行在線課堂中的互動討論。如：在編譯原理課程的網(wǎng)絡(luò)教學平臺中，引入“有窮自動機在事務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中的應用”教學案例，提供在線學習素材。在線課程教學中將介紹該案例的背景、應用價值、依據(jù)的基本原理、所涉及的知識點，引導學生更好地理解和學習網(wǎng)絡(luò)教學平臺提供的案例資源，并組織學生成立線上研討小組，針對相應選題進行資料的收集匯總，展開問題分析、研究方法、論據(jù)等方面的研討，使得學生在研討中掌握將自動機技術(shù)應用于解決復雜工程問題的思路與方法，同時通過開展案例研究型教學，促進學生積極思考，在學習、探索、分析、思考和體驗過程中得到鍛煉。

2.2 基于云平臺的編譯原理在線實驗實施

編譯原理在線實驗教學是依托希冀（CG）計算機實驗教學一體化平臺而開展，希冀（CG）平臺充分利用計算機學院現(xiàn)有的云計算基礎(chǔ)設(shè)施，打造計算機實驗在線虛擬機房。本課程利用希冀（CG）平臺提供的在線實驗環(huán)境、在線實驗過程監(jiān)測和在線實驗教學資源管理等功能，為學生提供了不受時間與空間限制的實驗環(huán)境，為保障編譯原理課程全流程線上教學打下了基礎(chǔ)?；谙＜剑–G）云平臺的編譯原理在線實驗已經(jīng)于2019 年在數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術(shù)專業(yè)的教學中得以實施。

（1）線上實驗指導書與線上實驗作業(yè)題。將自編的實驗講義上傳至該平臺指導學生實驗，主要包括詞法分析、語法分析、語義分析、代碼生成等編譯過程主要階段的實驗指導［8］。與實驗指導書相配套，設(shè)計覆蓋主要知識點和不同難易度的在線實驗作業(yè)，指導學生完成實驗作業(yè)要求的程序設(shè)計，并在希冀（CG）平臺上傳代碼。

（2）線上實驗評測管理。借助希冀（CG）平臺的代碼自動實時評判功能可對學生提交的代碼進行功能和性能方面的測試，并給出綜合得分。程序自動評判結(jié)果不僅僅告知正確與否，更側(cè)重對程序的全面分析，包括性能分析、代碼風格檢查、靜態(tài)分析、錯誤原因分析等，幫助和引導學生寫出高質(zhì)量的程序。

圖3 基于希冀（CG）云平臺的編譯原理在線實驗自動實時評判

2.3 編譯原理課程在線課程考核方式

武漢理工大學編譯原理課程考核一般包括：平時成績、課內(nèi)實驗成績和理論考試成績。

對于基于云課堂的編譯原理在線課程，平時成績由線上課程考勤、在線測試、在線作業(yè)和SPOC 在線學習情況共同評判；課內(nèi)實驗成績可以采用基于云平臺的編譯原理在線實驗及其自動實時評判給出。

線上理論考試中如何防替考，防作弊是關(guān)鍵。一方面可以使用騰訊會議視頻監(jiān)考+監(jiān)考老師錄制視頻方式實現(xiàn)“云考試”，操作簡單。在考試過程中，學生加入騰訊會議，并用手機攝像頭拍攝考試環(huán)境，教師可以在騰訊會議中通過查看實時視頻畫面進行監(jiān)考，同時教師可以開啟屏幕錄制工具，記錄考生動態(tài)。另一方面，考試命題要增強綜合性和靈活性，同時可采用考題間隔發(fā)布控制每一題的解答時間，從而擠掉學生可能出現(xiàn)不規(guī)范行為的時間。

3 效果分析

對比實施基于云課堂的在線教學模式前后教學效果，得出如下結(jié)論：

（1）在課后問卷調(diào)查中，針對“你對本課程在線教學方式是否滿意？”，有28%的學生選擇“很滿意”，48%的學生選擇“滿意”，21%的學生選擇“一般”，由此可以看出，學生對基于云課堂的在線教學方式大多是認同的。

（2）基于云課堂的在線教學體系內(nèi)含SPOC 教學，增加了網(wǎng)絡(luò)課程學習情況、在線作業(yè)評測，激勵了學生自主學習的積極性，同時也適應個性化教學模式。此外，學生對在線課堂進行全程錄制視頻或語音也很方便，有助于學生課后復習，加深對課程內(nèi)容的理解。

（3）由于實施了編譯原理在線實驗，學生可以在提交截止日期前反復上傳實驗作業(yè)代碼，并得到程序自動評判分數(shù)，這極大地提升了學生進行代碼優(yōu)化的積極性，學生完成的編碼質(zhì)量較高，實驗收獲較以前更大。

4 結(jié)語

云課堂建設(shè)符合現(xiàn)代高等教育發(fā)展趨勢，具有靈活、交互性強、可重復等特點，滿足學生個性化、自主學習需求，能夠通過教學資源最大化和有效利用提高在線課程教學質(zhì)量。本文探索了編譯原理課程理論、實驗和考核全棧式線上教學解決方案，其中，SPOC 課程資源+云課堂+在線實驗的多元融合教學模式已經(jīng)在教學過程中進行了實踐，在這次抗擊新冠肺炎疫情期間具有出色表現(xiàn)，下一步將深入研究在線教學的過程考核體系，促進教學目標更好達成。