面向系統能力培養的編譯原理課程創新教學與實踐

王春梅 王曙燕 黃茹

關鍵詞：系統能力；個性化；混合式教學；層次化；深度學習

0 引言

編譯原理課程是計算機類大三開設的專業核心課，內容涵蓋編譯系統各組成部分設計原理和實現技術，編譯程序自動生成工具、自動機理論、數據流分析、反編譯技術等新技術領域中的關鍵知識。旨在讓學生掌握編譯器的構造原理和設計方法的同時，提高對計算機的系統認識，強化系統能力以及計算機復雜工程問題的解決能力。

1 主要面臨的教學問題

1） 求解復雜工程問題的系統能力不足

“編譯系統”是一個具有一定規模和復雜度的系統，學生很難深入、全面地站在系統層面了解編譯器的系統性知識體系構成，無法將涉及的各類算法進行整合、調試和運行[1]，不利于學生解決復雜工程問題的系統能力培養。

2） 抽象的理論內容難以與系統知識有機整合

編譯原理相關理論寬且深，涉及的理論內容抽象復雜難以理解，傳統的教學方法很難讓學生理解理論內容與系統知識的關聯，學生很容易停留在知識本身的記憶，無法真正明白計算機系統結構的工作原理，并將相關系統知識有機整合[2]。

3） 個性化學習需求不能被充分滿足

編譯所涉及的問題形式化描述及其系統的復雜性，即使學生已經掌握了基本問題的求解方法和處理思路，由于前期學習導致學生專業能力參差不齊，在進行實驗系統的設計與實現時，實踐教學無法充分滿足學生個性化發展與學習需求。

2 創新思路

遵循OBE工程教育理念，以教師為主導、學生為主體，依托本課程在中國大學MOOC建設的線上資源，實施“MOOC+翻轉課堂+討論”的教學模式，面向學生系統能力培養，以Clang+LLVM編譯器實例化教學內容，拓展方舟編譯器、并行編譯基礎等，抽象內容形象化，因材施教分層實踐，開展研究型學習等，如圖1所示，采用課前設問、課中探究、課后研討、動手實踐、創新發展5環節系統教學法，依托中國大學MOOC等平臺提供開放式討論，利用現代化智慧教學平臺、工具進行搶答、選人、課堂測試等多元化互動，使學生增加學習興趣的同時，更容易深入理解和清晰把握課程知識點和具體應用，課后完成實驗、拓展練習等，實現智慧平臺下多維互動的混合教學新方法。

3 創新方法與途徑

3.1 面向系統能力的實例化教學

如圖2所示，以Clang+LLVM輕量級編譯器為整體系統架構，架構中相對獨立的子模塊針對編譯過程不同子過程，從整體到局部，為學生提供全局系統概念的同時使學生掌握編譯系統各階段的功能，促進學生理解編譯器整體框架及編譯一般流程，鍛煉學生分析、解決問題以及優化編譯算法的能力，同時提升學生系統設計能力[3]。

3.2 針對抽象理論內容的形象化教學

結合形象化教學，使學生更直觀地理解和接受課程中抽象難以理解的理論內容。例如在講目標代碼在內存中存放和執行的過程，如表1所示，展示了目標代碼生成與運行時的存儲組織原理，同時把計算機組成原理與操作系統中關于程序執行的內容與“編譯原理”課程進行有機整合，形象、生動、直觀[4]。

3.3 滿足個性化發展的分層實踐

根據個人學習能力和需求，選擇不同的操作系統，不同的設計語言，手動生成或自動生成工具，實施滿足學生個性化學習發展需求的分層實踐。

第一層——驗證性實驗。基于不同程序設計語言的分析過程及結果，驗證體會他們的編譯過程。

第二層——設計性實驗。通過設計、編寫并調試詞法分析器，選擇不同語法分析方法設計語法分析器，完成詞法、語法分析的設計性實驗。

第三層——分析性實驗。通過對語法制導翻譯原理的理解，完成語義分析實驗，理解識別出的各種語法成分變換為中間代碼的語義翻譯方法。

第四層——綜合性實驗。以編譯的基本原理和技術為基礎，結合數據結構、操作系統、匯編語言等課程，設計完成針對某一種語言的編譯器[5]，提升程序設計能力，加強系統設計能力。

3.4 促進深度學習的多任務課外研討

將教學過程中無法涵蓋和講授的課程內容進行概括和引導，提供給學生課后自主進行開放式研究和深度學習。如實驗項目中實驗型語言的擴充、錯誤的檢測與處理、符號表的管理等，在學習了理論基礎、原理方法之后，尤其是理解和掌握了編譯程序設計思想后，這些內容的學習完全可以通過自學完成，特別感興趣的學生，還可以進一步研究編譯在自然語言處理等相關領域的應用。

組織學生建立課外興趣小組，互相討論和學習相關技術，定期進行交流研討。例如，通過分析UCC/GCC編譯器源代碼并加寫注釋，每兩周提交一次學習筆記等方式，使學生掌握優秀編譯器的實現過程。團隊完成大作業，并組織講解設計思路、源代碼以及運行結果，提升學生的團隊合作以及溝通表能力。

3.5 全過程多元考核與評價

基于“學本評價”[6]，依托中國大學MOOC、超星學習通，結合過程性評價與期中、期末的結果性評價，利用組間、組內、自我以及教師、助教評價等方式，考評覆蓋學習全過程[7]，如表2。由于編譯課程具有紛繁復雜的知識點，因此對知識點的考核以促進學生主動學習、研究性學習為目的，注重對學習過程的考查。通過課堂討論、上講臺活動、實驗驗收答辯、學生的自評與互評、提交階段性學習報告、“一頁紙”半開卷形式等多種方式進行考核評價。

4 創新成效

如圖3第一期計科2016級試點3個班比非試點4個班的期末和總評均高近2分；第二期由于2020年疫情的原因，2017級均采用線上教學以及線上考試的方式；如圖4第三期計科2018級相較計科2016級試點班，期末成績高出4.6分，但由于加大平時過程考核后，總評僅高0.6分；如圖5軟件2018級試點班相較2016級非試點班，期末和總評成績均高出近6分；如圖6計科、軟件2018級試點班的優秀率占比較2017級線上教學有所提升。滿足學生個性化、多元化、創新性的學習需求的同時穩步提升學生解決復雜工程問題的系統能力。

課程2018年3月上線學堂在線平臺，開設隨堂模式和自主模式，現已開設7期，累計選課人數近0.7萬；2018年9月上線中國大學MOOC，開設6期，累計選課人數近2.5萬，包括視頻53講，單元測試120道，結業考試一套，討論話題及其他資源23個；2020年在學銀在線建立“示范教學包”，目前有161所學校、210位老師引用，410個班級、9507位學生使用。

5 結束語

目前針對復雜工程問題解決的系統能力的評價、考核方法以及系統能力的教學與指導方法還需要進一步探索。另外，教學改革中對學生的工程能力培養欠缺，今后需要將工程能力培養融入學習過程中，否則會出現由于工程難度增加導致實驗完成率低等問題[8]。最后，地方高校大班教學普遍存在，如何在大班有效實施混合式教學也需要關注和探索。