劉禹鋒 楊帆 劉健

摘要：以學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)為目標(biāo)，對《編譯原理》課程的教學(xué)改革進(jìn)行了研究。在課程知識體系方面，將課程各章節(jié)中涉及的形式化方法進(jìn)行“體系化”融合，并增加其在軟件工程、模式識別、自然語言理解、生物信息學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中擴(kuò)展應(yīng)用的內(nèi)容。在教學(xué)模式方面，從培養(yǎng)目標(biāo)與方式、教學(xué)與考核方式上進(jìn)行了全面的調(diào)整。教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，基于調(diào)整后的知識體系和教學(xué)模式開展教學(xué)，學(xué)生的科學(xué)思維得到了有效培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：編譯原理；科學(xué)思維培養(yǎng)；形式化方法；課程知識體系；教學(xué)模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）06-0144-03

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1引言

隨著深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等熱門研究領(lǐng)域的迅速發(fā)展，相應(yīng)行業(yè)內(nèi)部的競爭日益激烈，對從業(yè)人員的綜合能力提出了較高的挑戰(zhàn)。在此背景下，高校不僅需要培養(yǎng)學(xué)生扎實的理論基礎(chǔ)與實踐技能，還要根據(jù)學(xué)生的實際情況培養(yǎng)一定的科研思維，使其能夠?qū)χR點融會貫通，將歸納、演繹等科學(xué)思想深化落實到具體的問題解決中，掌握終身學(xué)習(xí)能力，從而有效應(yīng)對目前以及將來的各種技術(shù)浪潮?！毒幾g原理》課程是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)中的一門重要基礎(chǔ)課程，具有較強(qiáng)的理論性和綜合性，其知識體系可以較好地培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力以及復(fù)雜問題解決能力[1]。然而，由于課程具有抽象性高，關(guān)聯(lián)知識多[2]，算法難以理解[3]等特點，《編譯原理》也被看作計算機(jī)相關(guān)專業(yè)中“教難、學(xué)難、實驗更難”[4]的一門課程。此外，《編譯原理》課程在具備高度理論性與抽象性的同時也是一門綜合性較強(qiáng)的課程，具有非常廣的知識范圍[5]，其中的每個知識點均與其他課程甚至其他學(xué)科領(lǐng)域有所關(guān)聯(lián)，而傳統(tǒng)《編譯原理》課程中缺乏這種關(guān)聯(lián)性內(nèi)容的傳授，忽略了對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)[6]，導(dǎo)致學(xué)生在掌握了課程知識后由于不了解其實際價值，錯誤地認(rèn)為課程缺乏實用性[7]而缺乏學(xué)習(xí)與鉆研的興趣和動力。針對這些問題，本文以科學(xué)思維培養(yǎng)為目標(biāo)，從課程知識體系優(yōu)化以及教學(xué)模式調(diào)整兩個方面對《編譯原理》課程進(jìn)行教學(xué)改革，在實踐教學(xué)中取得了一定的成效?？傮w而言，本文結(jié)構(gòu)安排如下：第二節(jié)和第三節(jié)分別介紹了《編譯原理》課程知識體系優(yōu)化和教學(xué)模式調(diào)整方面的內(nèi)容；第四節(jié)介紹了課程改革的初步成效；最后對全文進(jìn)行了總結(jié)，并對今后的研究進(jìn)行了展望。

2知識體系優(yōu)化

《編譯原理》的理論基礎(chǔ)是喬姆斯基所建立的形式語言學(xué)，其通過形式化方法為語言的語法結(jié)構(gòu)與語義模型提供了規(guī)范而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋鍪侄?。以形式化方法為基礎(chǔ)，本節(jié)對《編譯原理》課程進(jìn)行知識體系的調(diào)整和優(yōu)化，使原本穿插在各個章節(jié)中的形式化方法從“碎片化”走向“體系化”。具體而言，在詞法分析、語法分析、語義分析等知識點中提取出與形式化方法相關(guān)聯(lián)的概念，并對這些概念進(jìn)行系統(tǒng)化總結(jié)。此外，在課程知識體系中增加一部分關(guān)于形式化方法在軟件工程、模式識別、自然語言理解、生物信息學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中應(yīng)用的內(nèi)容。如圖1所示，左圖描述了傳統(tǒng)《編譯原理》課程的知識體系，主要包括了編譯器開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，右圖虛線框內(nèi)是課程新知識體系所補充的內(nèi)容。課程知識體系的這種調(diào)整一方面可以激發(fā)學(xué)生對《編譯原理》課程的興趣，使學(xué)生了解編譯技術(shù)背后的理論基礎(chǔ)，更深入地理解計算機(jī)學(xué)科各知識點之間的脈絡(luò)關(guān)系，另一方面可以有效地拓寬學(xué)生的知識面，使學(xué)生理解跨領(lǐng)域、跨學(xué)科應(yīng)用的思維方法。

3 教學(xué)模式調(diào)整

教學(xué)模式調(diào)整是課程教學(xué)改革的主體內(nèi)容之一。本文從培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方式、教學(xué)方式以及考核方式四個方面討論《編譯原理》課程教學(xué)模式上的改革內(nèi)容，涵蓋了一門專業(yè)主干課程在教學(xué)模式改革上所涉及的不同維度。圖2給出了《編譯原理》課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式與改革后教學(xué)模式的對比。從兩者的對比上可以看出，改革后的教學(xué)模式在吸取了傳統(tǒng)教學(xué)模式可取之處的基礎(chǔ)上以科學(xué)思維培養(yǎng)為目的進(jìn)行了較為全面的調(diào)整。下面對主要調(diào)整內(nèi)容進(jìn)行介紹。

3.1 培養(yǎng)目標(biāo)

《編譯原理》課程的傳統(tǒng)培養(yǎng)目標(biāo)主要是使學(xué)生理解編譯技術(shù)，并培養(yǎng)其使用編譯技術(shù)進(jìn)行編譯器開發(fā)的能力。在改革后的教學(xué)模式中，培養(yǎng)目標(biāo)更加注重知識的系統(tǒng)化，并充分考慮系統(tǒng)化知識和實際工程應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)性，基于清晰明朗的知識脈絡(luò)使培養(yǎng)目的更加科學(xué)明確，即科學(xué)思維建立以及編程實踐能力培養(yǎng)的有機(jī)融合。

3.2 培養(yǎng)方式

《編譯原理》課程知識點具有較高的抽象性，學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)和接受能力有所不同，因此在改革后的教學(xué)模式中使用分層培養(yǎng)的方式進(jìn)行教學(xué)開展。對于基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，以編譯器前后端知識為主要教學(xué)內(nèi)容，重點考查學(xué)生對基本概念的掌握情況，保證每個學(xué)生在課程結(jié)束時都具有小型編譯器的開發(fā)能力。在這部分學(xué)生而言，擴(kuò)展知識中的形式化理論及其與其他學(xué)科的交叉應(yīng)用方面的作用在于其對于知識脈絡(luò)的強(qiáng)化以及對科學(xué)思維的初步了解；對于基礎(chǔ)比較扎實的學(xué)生，在掌握編譯器前后端知識的前提下，鼓勵其對所學(xué)理論知識進(jìn)行進(jìn)一步的總結(jié)和思考，嘗試對現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)，編程方面可實現(xiàn)相應(yīng)的交叉應(yīng)用，吸納學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)入相應(yīng)實驗室中開展具體研究。

3.3教學(xué)方式

在改革后的教學(xué)模式中，教學(xué)的實施以實際工程案例為基礎(chǔ)而開展。具體而言，課前為學(xué)生構(gòu)建應(yīng)用場景，提出實際工程問題，并提供相關(guān)的參考文獻(xiàn)供學(xué)生查閱；在課堂教學(xué)中，通過啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生思考并解決實際問題，可以嘗試在課堂中使用互動式案例教學(xué)法[8]；課后鼓勵學(xué)生嘗試對已有方法進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)。此外，加強(qiáng)實驗考核要求，培養(yǎng)學(xué)生使用編程工具解決復(fù)雜問題的能力，學(xué)會根據(jù)實際需求進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)而有效的開發(fā)。

《編譯原理》課程中大量知識點屬于理論計算機(jī)科學(xué)的研究領(lǐng)域，因此可以對這些知識點進(jìn)行歸納和總結(jié)，并探討其實際工程應(yīng)用。在詞法分析中，對正規(guī)式與有窮自動機(jī)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行延伸，使學(xué)生不僅可以掌握正規(guī)式與有窮自動機(jī)的原理，理解其在詞法分析過程中的地位和作用，還可以觸類旁通地將其應(yīng)用于軟件開發(fā)過程中。例如，在實現(xiàn)一個搜索功能模塊時，正規(guī)式可以用來匹配字符串，實現(xiàn)模糊或精準(zhǔn)查詢；在語法分析相關(guān)知識點的教學(xué)中，學(xué)生不僅需要理解語法分析中的各種自頂向下與自底向上方法，還需理解喬姆斯基體系，了解語言與文法在計算機(jī)領(lǐng)域中的地位與作用，掌握形式化語言在工程中的應(yīng)用方法，鼓勵學(xué)生對現(xiàn)有方法進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)。例如，可以嘗試使用形式化方法實現(xiàn)不同自然語言之間的翻譯，并與基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的翻譯方法進(jìn)行性能上的對比。此外，還可以在課堂中設(shè)置部分開放式學(xué)術(shù)問題，鼓勵學(xué)生使用科學(xué)的思維方法進(jìn)行學(xué)術(shù)探索。

3.4考核方式

傳統(tǒng)的《編譯原理》課程的考核方式一般以期末閉卷考試為主（60%-70%），平時成績?yōu)檩o（30%-40%），考試題目由概念題為主，側(cè)重考查學(xué)生對于詞法語法分析過程的理解程度，平時成績由出勤率、課堂表現(xiàn)等環(huán)節(jié)組成。由于課堂表現(xiàn)等方面存在量化方面的難度，學(xué)生的成績主要取決于期末考試。通過與部分計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的交流發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)考核方式下，學(xué)生對于《編譯原理》課程的主要學(xué)習(xí)方式以習(xí)題為主，對原理的掌握不夠牢固，甚至有一部分學(xué)生為了應(yīng)付考試而在沒有理解知識點的情況下機(jī)械地記憶LR分析表等難點，從而背離了課程學(xué)習(xí)的初衷。與之對比，改革后的考核方式對平時與期末的學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行完全的定量化考核。平時成績中對出勤率、作業(yè)完成情況、課堂表現(xiàn)、實驗報告等各環(huán)節(jié)均設(shè)置了相應(yīng)的等級和分?jǐn)?shù)。例如，課堂表現(xiàn)可以根據(jù)學(xué)生的參與度設(shè)置A、B、C三個等級，每個等級對應(yīng)不同的分值。在期末考核中，試卷更加側(cè)重于考察使用課程知識點解決實際工程問題的能力。例如，語法分析方法的考察并不要求學(xué)生寫出所有分析表的所有內(nèi)容，而要求學(xué)生在充分理解分析表的基礎(chǔ)上分析該文法與分析方法的匹配程度并給出改進(jìn)方向，更全面地考查學(xué)生對于程序語法分析方法理解深度和科學(xué)思維方法的掌握情況。

4課程改革成效

基于課程知識體系的優(yōu)化以及教學(xué)模式的調(diào)整，我們在《編譯原理》課程的實踐教學(xué)中取得了初步的成效。首先，背景知識的融入有效激發(fā)了學(xué)生對課程知識的興趣，因此課堂的參與度（例如課程出勤率和課堂互動性）明顯提升，在考試難度不變的情況下通過率穩(wěn)步提高；其次，通過課程的關(guān)聯(lián)知識學(xué)習(xí)，學(xué)生還對本學(xué)科其他研究方向有了初步的理解，學(xué)生的知識面得到了提高。最后，經(jīng)過課程知識的深度挖掘和廣度擴(kuò)展，學(xué)生的科學(xué)思維得到了一定的培養(yǎng)，在面對新問題時，可以主動想到使用形式化方法解決問題的思路。例如，有些學(xué)生在做畢業(yè)設(shè)計時能夠從當(dāng)前主流編譯系統(tǒng)所存在的問題出發(fā)，以解決用戶痛點為目的，提出編譯系統(tǒng)性能的優(yōu)化方法并進(jìn)行有效驗證。

5 結(jié)論

在新工科背景下，人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新和改革是高校的一個重點任務(wù)，教師需要根據(jù)時代發(fā)展需要對傳統(tǒng)教學(xué)模式進(jìn)行變革。針對《編譯原理》課程傳統(tǒng)教學(xué)模式所存在的問題，本文基于科學(xué)思維培養(yǎng)的目標(biāo)對《編譯原理》課程的教學(xué)改革進(jìn)行了研究，為課程知識體系以及教學(xué)模式提出具體調(diào)整方案。在知識體系方面，優(yōu)化重點在于課程的深度和廣度拓展，在原體系中融入形式化方法及其在其他領(lǐng)域中應(yīng)用的內(nèi)容；在教學(xué)模式方面，基于案例式教學(xué)，使用分層培養(yǎng)模式因材施教，并使用科學(xué)的量化考核機(jī)制，保證學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維方法，學(xué)會將歸納、演繹等思想運用在實際問題的解決中，掌握終身學(xué)習(xí)能力。然而，目前課程改革也存在著不足之處：改革的成效主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)態(tài)度較為端正的那部分學(xué)生，而對于一部分學(xué)習(xí)態(tài)度有較大問題的學(xué)生而言效果不夠理想。因此，在今后的研究中，課程改革的重點在于教學(xué)成效的全面性，尤其是對于后進(jìn)生的幫助上，在端正其學(xué)習(xí)態(tài)度的同時注重其興趣的培養(yǎng)，使其掌握正確的科學(xué)思維，在層出不窮的技術(shù)浪潮中保持良性發(fā)展。

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