基于PBL的《編譯原理》課程教學研究與實踐

　　摘 要： 基于PBL教學模式的特點是以問題為中心，學生為主體，能較好地提高學生分析問題、解決問題的能力。針對目前編譯原理課程教學中普遍存在的學生缺乏主觀能動性、動手能力不強等問題，作者結合教學實際，將PBL新教學模式引入到編譯原理課程教學中，就典型問題設計、圍繞問題重新設計課程教學體系等問題進行了探討和研究，研究表明新教學模式能提高學生自主學習、解決問題的能力，為計算機專業教學改革提供了新的解決思路。
　　關鍵詞： PBL 《編譯原理》課程教學 課程教學體系
　　
　　1.引言
　　計算機專業對學生主動學習和實踐動手能力的要求較高，專業課教學在加強理論學習的同時必須面向設計，以培養學生創造性的思維方式。編譯原理課程是計算機專業的主干課和必修課，同時也是一門實踐性較強的課程，其中編譯器的編寫既有算法分析又有綜合程序設計，涉及高級語言程序設計、形式語言和自動機理論、算法和軟件工程等多門課程的學習。長期以來在編譯原理課程教學中，采取的還是傳統的“老師講、學生記”的填鴨式教學模式，其不足之處是沒有充分發揮學生的主觀能動性，不利于學生自主學習能力的培養。同時由于實踐教學體系不完整，缺少有效的實踐教學手段，學生缺乏對教學內容系統化的認識，動手能力有待進一步提高。
　　基于PBL（Problem Based Learning）的教學模式是近年來在英美等發達國家較為流行的一種教學方法，該模式的主要教學特點是采取以問題為中心、學生為主體的自主學習方式。老師通過提問或給出項目等方式在課前引導學生查閱相關資料；學生采取小組討論、合作等方式集體完成任務；課堂上老師通過讓學生主講等方式達到完成教學內容，提高學生分析問題、解決問題能力的目的。針對目前在編譯原理課程教學中普遍存在的學生缺乏主觀能動性、動手能力不強等問題，筆者擬將PBL新教學模式引入到編譯原理課程教學中，旨在結合專業教學特點，研究PBL典型教學過程如典型問題的設計，并圍繞問題重新設計課程教學體系，為計算機專業教學改革提供新的解決思路。
　　2.基于PBL的《編譯原理》課程教學設計
　　2.1教學模式轉變
　　我于2009年以訪問學者身份赴美國北卡羅來納大學州立大學計算機系，希望通過觀摩國外本科專業課程，學習PBL教學模式及相關的教學方法。北卡羅來納州立大學成立于1789年，位于美國的北卡羅來納州，是美國成立最早的公立大學。PBL典型的教學過程包括：問題提出—組織小組—自主學習—合作交流—展示成果—總結評價。在國外，課堂教學前需要學生自己預習的內容比較多，有時有幾十頁之多；課程安排的實驗環節多，每次做完實習內容還必須找TA（助教）驗收；教學形式多樣，特別注重實踐和團隊的合作。到每學期中間，老師會給每個組布置一個項目，每個組學生自由組合，幾個人一組，老師任命一個組長。然后在剩下的兩個月時間，同學們從最初的方案，程序設計，到最后做PPT，上臺報告，都要合作完成。整個過程非常注重合作精神的培養，經常可以在圖書館看到三五成群的學生坐在一起討論。期間要經常把階段成果發給老師，老師給予相應指導，一起討論實現方案。最后完成報告的提交，老師驗收程序并推薦一個人上臺做PPT工作。學生在做報告期間，其他同學有問題可以隨時舉手，課堂的交互性比較好。最終考核成績由兩部分組成，一部分是老師對小組的評價，一部分是組內各同學之間的相互匿名評分。通過學習觀摩，我深刻體會到這種“學生為主體、問題為中心”的教學模式，在教師的整體把握和指導下，學生能主動地參與到教學的各個環節。但是考慮到國內教學實際，比如教學班較大、學時較少等問題，我們在具體實施時還不能簡單地照搬國外模式，需重點研究如下問題。
　　2.1.1問題和創新型的課程設計
　　如何圍繞課程目標來設計問題并以此引出相關學習內容；設計的項目如何與實際應用接軌，更好地提高學生的學習興趣；如何組織學生獨立完成小型系統的設計、調試工作，使學生更好地將課本知識與實踐活動相結合。這些都是有待研究與解決的課題。
　　2.1.2考核標準的制定研究
　　為保證PBL教學模式的切實貫徹，研究有效的動態評價模式非常必要。通過有機結合教師評價、小組評價、自我評價，從多個角度地對學生學習活動即問題解決過程進行全面、客觀的評價。
　　2.1.3教師觀念轉變
　　開展PBL教學，教師承擔著多種角色的變換，因此對教師的專業能力、實際問題的開發經驗提出了更高的要求。
　　針對上述問題，我們結合教學現狀，在問題設計、教學內容整合、創新型課程設計、考核標準制定等方面做了大量的工作。
　　2.2《編譯原理》課程PBL教學模式設計
　　《編譯原理》課程理論抽象、學習難度大，過去教學重點多放在理論部分，如各類語法分析算法的設計與學習，而實驗環節的設置與安排僅僅只是對理論的初級驗證，往往缺少代表性的編譯器綜合實驗訓練，在一定程度上影響了學生對編譯器設計原理及內部處理機制的深入理解。根據PBL教學模式，問題是PBL教學活動開展的前提，為此我們結合實踐根據教學內容，將問題設計分為單元PBL教學、綜合PBL教學和實踐PBL教學三大類。
　　2.2.1單元PBL教學
　　編譯原理課程有很多經典算法，單元PBL教學內容的設計以課程經典算法的理論學習和軟件設計為主。如手工生成PASCAL語言詞法分析器，應用FLEX自動生成詞法分析器，應用算符優先法實現逆波蘭表達式分析，利用BISON編寫逆波蘭表達式計算器等具有代表性的教學內容，我們讓學生在理解掌握課程詞法分析、語法分析等經典算法的基礎上，通過小型項目的設計達到熟悉設計流程，體會軟件工程思想的目的。
　　2.2.2綜合PBL實驗教學
　　傳統實驗教學主要偏重編譯程序各階段的實現，較少涉及完整編譯器項目構造。考慮到學生實際設計能力，我們構建了基于框架—插件式的編譯原理創新型實驗平臺，通過該平臺實現了綜合PBL實驗教學。平臺以TINY語言為高級語言，以MIPS匯編語言為低級語言，實現從TINY到MIPS的編譯器構造。
　　創新型實驗平臺提供詞法分析、LR（1）語法分析、語義分析（類型檢查）、代碼生成、代碼優化等五個模塊，其中每個模塊被設計為一個單獨的插件。任務分配時，不同的小組完成編譯器不同模塊的設計；具體實現時，學生并不需要考慮其他模塊的設計與實現，只要專心設計完成相應的插件，就能得到一個完整的編譯程序。
　　2.2.3實踐PBL教學
　　綜合實踐的主要目的是提高學生應用編譯技術解決實際問題的能力，以此為基礎開展本科生畢業設計。我們在2008、2009屆畢業生中以形式語言和自動機理論為基礎，開展相關實踐設計。設計內容包括《基于元胞自動機的城市演化》、《基于L系統的植物花序仿真方法研究》等。學生通過將課本知識與實踐活動相結合，達到綜合實踐、學以致用的目的。
　　2.3 PBL教學模式實施
　　通過上述問題設計，在此基礎上我們采取分組實踐形式具體實施PBL教學模式，每組由5—6名學生組成。分組后老師首先幫助學生明確問題主要研究內容、任務具體分配及驗收方式等。在問題提出階段，老師以引導為主，讓學生明確問題，引導學生通過網絡、圖書館等各種渠道搜集相關設計資料；在任務分配階段，由組長制定開發計劃，選擇開發平臺，提出設計方案，分配組員具體設計工作，老師在該階段重點檢查設計方案的合理性；在具體設計與代碼實現階段，由學生完成詳細設計包括代碼編碼、測試、集成等工作，老師在該階段主要進行組內工作協調等；問題完成后，老師組織學生進行編碼測試、分組答辯、結果評比等多種形式展示設計結果。
　　
　　該教學模式分別在06、07兩屆學生中小范圍嘗試，從實施情況看，課堂氣氛活躍，學生普遍反映通過自主學習，合作開發，課堂講解等多種教學形式，更好地理解了算法。這同時也為教師組織教學、考核評價提出了更高的要求。
　　2.4 PBL教學模式考核標準研究
　　傳統編譯原理課程考核主要采用筆試形式，而新PBL教學模式形式多樣，因此標準的制定應強調評價的多元性，即將教師評價、小組評價和自我評價等有機結合起來，保護每個學生積極參與的熱情，避免吃“大鍋飯”的現象，保證PBL教學模式能夠切實有力地貫徹。
　　為多角度地了解學生的學習活動，考查根據每次討論學生發言的次數、質量、最終提交的書面報告及每個學生在問題實現過程所做的貢獻進行，最終成績應該包括兩部分，一部分是老師對小組的評價，一部分是組內各同學之間的匿名相互評分，通過對問題設計實現的整個過程進行全面、客觀的評價，保證PBL教學的效果。基于新教學模式考核標準研究還有待在今后的教學中進一步地摸索、改進。
　　3.結語
　　基于PBL的教學模式的特點是以問題為中心，以學生為主體，我們圍繞PBL典型教學過程，將PBL新教學模式引入到編譯原理課程教學中，根據實際教學情況總結了一些經典案例，開發了與之相關的創新型實驗平臺，并重新設計了課程教學體系。這種啟發引導為主的教學模式，能夠提高學生自主學習、合作開發、解決問題的能力。但是教學方法、教學手段的改革是一個長期的過程，其中教學模式的轉化是根本出發點，課程內容的優化、組合，以及教學方法的改革是個長期的過程。這些還需要我們根據教學實際情況，及時調整優化并在以后的教學實踐中摸索，進一步提高教學水平，為計算機專業教學改革提供新的解決途徑。
　　
　　參考文獻：
　　［1］毛玉萃.編譯原理實驗課的實踐探索［J］.大連大學學報，2004，25，（6）.
　　［2］曹瓊.淺淡編譯原理實驗課程教學［J］.計算機教育，2007，（18）.
　　［3］劉遠興.“基于問題的教學”在軟件類課程教學中的實踐與探討［J］.考試周刊，2010，（12）.
　　［4］王改芳，龔君芳，李圣文，張冬梅.《編譯原理》課程實踐教學改革探索［J］.實驗技術與管理，2009，（12）.
　　［5］朱文華，王榮波.基于建構主義的編譯原理實踐教學研究［J］.杭州電子科技大學學報（社科版），2008，（4）：67-70.
　　［6］舒忠梅，李文軍，周曉聰.編譯原理教學改革實踐初探［J］.中山大學學報（自然科學版），2007，（S2）：101-104.
　　［7］溫世浩.PBL和非PBL畢業生的綜合能力比較.復旦教育論壇，2006，（02）.
　　［8］李樹香，甘萍，田野.問題導向教學法與傳統教學法的比較研究.中國高等醫學教育，2008，（03）.