基本學科能力培養在編譯原理課程教學中的實現

摘要：編譯原理包含著計算機學科的一些基本知識和典型技術與方法，是計算機科學與技術專業本科教育中的重要技術基礎課程，通過知識的講授、基本方法和技術的介紹，探討典型的問題求解思想方法，使學生掌握“編譯原理”中的基本概念、基本理論、基本方法，在系統級上再認識程序和算法，提升計算機問題求解的水平，增強系統能力，提高計算機學科的基本素質，體驗實現自動計算的樂趣，促進創新能力的培養。

關鍵詞：編譯原理；教學定位；能力培養；素質提高

中圖分類號：G64文獻標識碼：A

文章編號：1672-5913（2007）01-0028-03

編譯原理包含著計算機學科的一些基本知識和典型技術與方法，在計算機科學與技術專業本科教育中占有重要地位。直到1990年，我國只有100來所學校設有計算機專業（2005年已達771所），那個時期，在人們心目中，該課程一直是核心專業課，后來隨著計算機學科的發展，它逐漸變成技術基礎課，目前在絕大多數計算機科學與技術專業中開設。北京工業大學為本科生開設的“編譯原理”是北京市精品課程，在有限的學時內，面向應用型計算機專業人才的培養，根據課程容量和學生特點，選擇適當的知識為載體，不僅介紹典型問題求解方法和技術，更注重計算學科問題求解基本思想、方法的探討，通過研究型教學，培養學生的計算機問題求解能力和創新能力。總體上，希望學生掌握“編譯原理”中的基本概念、基本理論、基本方法，在系統級上再認識程序和算法，提升計算機問題求解的水平，增強系統能力，提高計算機學科的基本素質，體驗實現自動計算的樂趣。下面根據筆者在不同學校里講授此課程的經驗，并結合近些年的一些相關探索，討論有關的問題。

1 課程指導思想

課程設置的基本指導思想非常重要，它決定著課程的基本教學定位，從而決定著總體教學計劃所規定的人才培養目標的落實。在確定時，既要考慮到人才培養的全局，又要考慮學科和課程內容的基本特點，通過對這些特點的體現，來支撐教學目標的實現。

計算學科問題求解的基本思路是“問題、形式化描述、計算機化”，以抽象、理論、設計為其學科形態。編譯原理涉及的是一個適當抽象層面上的數據變換，既有明確的、便于抽象的問題，又有較成熟的理論，而且在限定規模下又容易實現（設計），所以編譯原理是計算機專業本科生的重要專業技術基礎課程，涉及學科的三個形態。除知識外，含有基本問題求解的典型技術和方法。Alfred V.Aho在《編譯原理》的開篇曾寫道“編寫編譯器的原理和技術具有十分普遍的意義，以至于在每個計算機科學家的研究生涯中，本書中的原理和技術都會反復用到”。課程屬于教學計劃中四大系列之軟件技術系列，繼程序設計、數據結構與算法等課程后，從系統級引導學生再認識程序、算法，同時促進學生系統能力的培養。

2 強調能力培養

根據課程設置的基本指導思想，本課程強調以知識為載體，向學生傳授典型問題求解的思想和方法，培養其能力，提高其素質。

* 掌握程序變換基本概念、問題描述和處理方法

這些方法主要有：自頂向下、自底向上、逐步求精、遞歸求解，目標驅動，問題分析、問題的抽象與形式化描述，算法設計與實現，系統構建、模塊化等方法。這些都是本學科最經典、最常用的問題求解與系統設計方法。

* 修養“問題、形式化描述、計算機化”

這一典型的問題求解過程，推進從“實例計算”到“類計算”和“模型計算”的跨越。

計算機學科發展到今天，已經從單一的具體問題求解發展到對一類問題的求解，也就是尋求一類問題的系統求解。完成單一的具體問題求解的計算稱為“實例計算”；完成一類問題系統求解的計算稱為“類計算”。當然，在“類計算”中，一大部分高層次的計算是“模型計算”。這是區分于其他專業學生的重要方面之一。學生的培養，通常都是從“實例計算”開始，逐漸推進到“類計算”，實現學生“計算”理念的跨越。

* 增強理論結合實際能力，獲得更多“頂峰體驗”

“編譯原理”是理論和實踐結合最好的計算機課程之一，不僅含有恰當的理論知識，而且直接涉及到這些理論的實踐，讓學生親歷理論結合實踐的樂趣，使優秀的學生獲得更多的“頂峰體驗”，培養他們理論結合實際的能力。

* 從宏觀到微觀、從微觀到宏觀，培養系統能力

引導學生能夠站在系統的全局去看問題、分析問題和解決問題，并實現系統優化。經驗表明，這種能力是非常重要的，也是比較難培養的。所以在本科教學計劃中，程序設計與算法系列之后安排軟件技術系列課程，實現學生的系統認知、分析、設計和應用能力的培養，并使學生進一步在系統級別上認識程序和算法。編譯原理就是其中一門課程。編譯系統雖然是一個具有相當規模和相當復雜度的系統（含總體結構），但對問題本身分析和處理的分解非常清楚，使得其規模和復雜度可控，宜于讓學生掌握，可以通過教師的引導，來鍛煉學生理解、設計能力，來達到學生系統能力強化培養的目的。

* 開展研究型教學，培養學生的創新能力

開展研究型教學，挖掘知識背后的內容，通過講授思想、方法，模擬大師們的創新思維，培養學生的創新意識和創新能力。

3 教學基本要求

編譯原理的基本內容是比較成熟的，其理論性強，同時還可以設計出適當的實踐活動與之配合，既有基本的問題求解，又是一個具有相當規模的系統，加上它描述的形式化，又有利于強化學生“計算機問題求解”的基本能力培養。雖然形式化給學生學習帶來了一定的理解困難，但是只要克服了這一困難，學生才能取得更具意義的進步。因此，要求學生掌握基本的理論和分析方法，并學習如何實現這些理論和方法，在實踐過程中進一步理解這些理論和分析方法。充分體現本學科理工結合、理論與實踐緊密結合的特點。

經過本課程的教學，使學生掌握一些基本概念、基本理論和基本方法。特別是通過教師的講授，使學生能夠對這些基本概念和理論有更深入的理解，有能力將它們應用到一些問題的求解中。要注意對其中一些基本方法的核心思想的分析，使學生能夠掌握其關鍵。

* 基本知識

理論部分包括：教學目的、基本術語、系統結構；正則語言、上下文無關語言、二義性、派生樹；詞法描述模型及分析實現； LL分析、遞歸下降分析、算符優先分析、LR分析；語法制導翻譯、屬性文法、翻譯模式、中間代碼生成；符號表、靜態存儲分配、動態存儲分配；基本優化方法。刪除狀態矩陣法和有關理論證明，將原始的制導翻譯改為屬性翻譯，增加目標驅動，強調中間代碼生成，弱化代碼優化和目標代碼生成。

實踐部分：在學生掌握基本原理的基礎上，在編譯程序總體結構的導引下，通過設計出詞法分析器、語法分析器，語義分析與中間代碼生成器，構建一個限定高級語言的翻譯器（能夠將賦值語句、條件語句、循環語句翻譯成中間代碼的基本翻譯系統）。學生需完成相關算法和數據結構的設計，自行選擇語言完成實現，最后提交規范的實驗報告，對實驗進行刻畫和分析。

* 能力培養

通過將教育教學研究、科學研究成果用于課程教學，通過研究型教學，強調能力培養。從提出問題，到求解思路分析，再到用符號表示問題及其求解算法，進一步培養學生抽象表示問題的能力和對“一類”問題進行求解的意識和能力；從系統的角度向學生展示編譯系統，同時考慮各子系統的實現與聯系，通過不同級別的抽象和問題的分治，培養學生的系統意識和能力。

4 努力體現先進教育理念

開展研究型教學，通過知識的講授介紹基本方法，培養學生的學科能力，課堂努力再現大師們的問題求解思考過程，引導學生思考，體驗思考和求解問題的樂趣。培養學生的學科能力、創新能力；從具體問題求解到系統構建，向學生傳授基本學科方法，培養其系統能力；配合對實踐循序漸進的引導，提高學生的學習興趣，進一步提高學習效果；提出深層問題、擴展問題，列舉輔助材料，鼓勵和引導學生開闊視野，主動探索，培養其學習興趣、創新意識和創新能力。發揮對計算機技術優勢，利用多媒體技術，制作與教材配套課件，通過抽象內容的可視化，展現內部處理過程。如，在關鍵處以字符為單位進行動作切換，以重現算法過程。多媒體配合板書，增加課程信息量，提升教學效果。同時發揮網絡優勢，通過網站和學院開通網絡教學Digiclass，多途徑開展教學。

5 搞好示范

大力推進課程教學改革，努力探索課程內容和教學方法的改進。通過實驗班教學，探索在教學內容和方法上的改革，使實驗班及其教學能夠對普通班的教學有一個示范、帶頭作用。

針對學生的不同情況，因材施教。對實驗班同學來說，他們的接受能力要強一些，雖然執行的是相同的教學大綱，但是，教師根據他們的實際情況，補充了一些內容，對有些內容有更高的要求。例如，鼓勵他們在課外更好地閱讀參考書，教師加強對他們的輔導。03級實驗班的同學就有不少人仔細閱讀著名計算機科學家和教育家Alfred V.Aho所著的《編譯器：原理、技術與工具》，并可以隨時找課程組的任何教師討論有關問題。再例如，給實驗班講編譯自動生成技術，介紹有關軟件工具，鼓勵他們在實踐中擴展編譯系統的功能。對于普通班同學，則注意適時地加強習題的講解以及上機輔導，使他們更好地理解課程的基本內容，同時也鼓勵他們中的優秀學生向實驗班看齊，提高對自己的要求。

6 課程特色

經過多年的建設和調整，本課程形成了如下特色。

1) 傳授基本方法，培養學科能力

以知識為載體，傳授自頂向下、自底向上、逐步求精、遞歸求解，目標驅動，問題分析、問題的抽象與形式化描述，算法設計與實現，系統構建、模塊化等方法，培養基本學科能力。

2) 挖掘來源，培養創新能力

挖掘知識背后的豐富內容，通過向學生描述問題的求解思路，讓學生體驗大師們的思維，減少學生的死記硬背，培養學生的思維能力和創新能力。例如，從 LR分析法的思想根源，剖析LR分析法的精髓。

3) 重視系統觀念，培養系統能力

系統能力是應用型計算機人才之長，通過不同級別上的抽象和虛擬系統的建立，用一個適當規模和復雜度的系統的設計與實現貫穿整個課程，將學生的視角從“程序級”提高到系統級。

4) 注重實驗，培養實踐能力

實現生成一個“小語言”中間代碼的編譯器，在總體結構指導下，通過其分解為“詞法分析器設計與實現”、“語法分析器設計與實現”、“語義分析與中間代碼器設計與實現”，引導學生在有限學時內完成實驗，促進對基本原理的理解和實踐能力的培養。

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投稿日期：2006-10-10

作者簡介：蔣宗禮（1956年10月），男（漢族），河南，教授，研究方向：網絡計算，操作系統，計算機專業教育。