基于ChatGPT的留學(xué)生編譯原理課程實踐方法

徐 康，蔣凌云，2，黃海平，陳興國

（1.南京郵電大學(xué) 計算機學(xué)院、軟件學(xué)院、網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著全球化的進(jìn)展和教育國際化的發(fā)展，越來越多非洲、亞洲，甚至歐美的學(xué)生選擇到中國留學(xué)，以獲得更好的學(xué)習(xí)和發(fā)展機會。然而，留學(xué)生在新的學(xué)習(xí)環(huán)境和文化背景下，往往會遇到一系列挑戰(zhàn)和困難。其中之一就是語言障礙，特別是對于非英語國家的留學(xué)生而言，其需要適應(yīng)英語作為教學(xué)語言和交流工具，以及理解英文教材并學(xué)會運用相關(guān)教學(xué)資源。這對于留學(xué)生，尤其是計算機科學(xué)專業(yè)領(lǐng)域的學(xué)生是一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

編譯原理是計算機科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要課程之一，教授學(xué)生編譯器的原理和實現(xiàn)方法［1-2］。該課程主要涵蓋詞法分析、語法分析、語義分析和代碼生成等內(nèi)容。通過學(xué)習(xí)編譯原理，學(xué)生可以理解程序轉(zhuǎn)換過程和計算機語言的底層工作原理，培養(yǎng)其程序設(shè)計和問題解決能力。編譯原理課程通常包含理論學(xué)習(xí)和實踐環(huán)節(jié)兩部分，其中實踐環(huán)節(jié)對于學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)尤為重要［3］。然而，由于留學(xué)生在語言方面的障礙，使其在課程學(xué)習(xí)、交流溝通以及編程實踐等方面會遇到各種問題。因此，有必要對留學(xué)生編譯原理課程的實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，以幫助其克服語言障礙，更好地掌握與應(yīng)用編譯原理知識和技能。

近年來，人工智能技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，其中自然語言處理（Natural Language Processing，NLP）和生成模型的應(yīng)用［4］逐漸成為研究熱點。ChatGPT 作為一種基于預(yù)訓(xùn)練模型的語言生成模型，具有強大的語言理解和生成能力［5］。其可以通過與用戶的對話交互，生成符合語境和邏輯的語句及回答，尤其是ChatGPT 可以將自然語言描述的用戶意圖轉(zhuǎn)換成形式化的程序語言［6］，這為留學(xué)生編譯原理課程的實踐環(huán)節(jié)提供了新的思路和可能性。

ChatGPT 在個性化教學(xué)、課程規(guī)劃、專業(yè)指導(dǎo)等方面具有革新教育的潛力［7-9］，其中Prompt 是可以與ChatGPT 交互的一種自然語言指令，促使ChatGPT 生成編程需求、程序代碼以及計算機編程配套文檔，還可以模擬編程系統(tǒng)的某些行為［10］。因此，設(shè)計一種基于ChatGPT 的編譯原理實踐環(huán)節(jié)改革方法，針對編譯原理實踐環(huán)節(jié)不同階段的問題設(shè)計各種Prompt 模版，為留學(xué)生提供代碼自動糾錯功能以及個性化的學(xué)習(xí)解答和輔導(dǎo)，以促進(jìn)其在編譯原理課程中學(xué)習(xí)和實踐能力的提升。

1 實踐環(huán)節(jié)簡介與現(xiàn)狀分析

1.1 實踐環(huán)節(jié)

編譯原理是一門理論與實踐結(jié)合緊密的課程。通過實驗，使留學(xué)生加深對課內(nèi)所學(xué)有關(guān)編譯過程各階段采用的主要算法、方法和技術(shù)等內(nèi)容的理解，能把編譯原理相關(guān)理論運用到軟件開發(fā)中。在留學(xué)生手動生成詞法分析器及語法分析器的過程中，使其對相關(guān)工作機理有一個詳細(xì)了解，從而提高應(yīng)用程序設(shè)計能力以及分析、解決問題的能力。

1.1.1 教學(xué)目標(biāo)

（1）知識教學(xué)目標(biāo)。目標(biāo)1：使留學(xué)生理解編譯系統(tǒng)工作流程和編譯器各功能模塊設(shè)計原理，能夠利用基本原理和方法識別與分析計算機軟件開發(fā)領(lǐng)域復(fù)雜的工程問題。目標(biāo)2：使留學(xué)生掌握詞法分析器、語法分析器開發(fā)方法，能夠編寫詞法分析程序和語法分析程序，從而對編譯原理相關(guān)理論知識有更深入的理解。

（2）能力教學(xué)目標(biāo)。目標(biāo)1：使留學(xué)生具有一定的自學(xué)能力和信息獲取能力。目標(biāo)2：使留學(xué)生具有系統(tǒng)能力，能站在系統(tǒng)的全局去看問題、分析和解決問題。目標(biāo)3：使留學(xué)生具有設(shè)計、實現(xiàn)和闡述研究方案的能力。

1.1.2 實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容學(xué)時分配與基本要求如表1所示。

Table 1 Hour allocation and basic principle of experiments表1 實驗內(nèi)容學(xué)時分配與基本要求

1.2 現(xiàn)狀分析

在傳統(tǒng)的留學(xué)生編譯原理課程中，實踐環(huán)節(jié)往往存在一些問題和挑戰(zhàn)。首先，語言障礙是留學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)中遇到的主要問題之一。留學(xué)生由于語言的限制，難以理解與運用編譯原理相關(guān)概念和技術(shù)。其可能面臨閱讀和理解英文教材、與教師和同學(xué)進(jìn)行討論與交流的困難［11］。以南京郵電大學(xué)計算機學(xué)院的留學(xué)生為例，首先，學(xué)生大多來自非英語國家，對于英文資料的理解存在一定困難；其次，實踐環(huán)節(jié)往往缺乏個性化的指導(dǎo)和支持［12］。每個留學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和自身水平不同，但傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)通常無法滿足學(xué)生個性化的需求，可能導(dǎo)致一些留學(xué)生在實踐項目中遇到困難時無法得到及時的幫助和指導(dǎo)。

此外，編譯原理的實踐項目通常需要學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊合作，共同解決復(fù)雜的問題。然而，由于語言和文化差異，留學(xué)生可能面臨與教師和同學(xué)之間的溝通障礙，從而影響團(tuán)隊合作和項目完成效果。另外，編譯原理課程實踐項目通常缺乏實際的應(yīng)用場景，導(dǎo)致留學(xué)生無法在短期內(nèi)將所學(xué)知識應(yīng)用到實際問題的解決中。同時，傳統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)缺乏實時反饋，對于新手程序員來說，難以及時對程序進(jìn)行調(diào)試和糾錯［2，13］。

因此，針對以上問題，有必要對留學(xué)生編譯原理課程的實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，以提供更好的學(xué)習(xí)環(huán)境支持，幫助留學(xué)生更好地掌握與應(yīng)用編譯原理相關(guān)知識和技能。

2 基于ChatGPT的交互式編譯原理實踐環(huán)節(jié)

為了解決留學(xué)生編譯原理課程實踐環(huán)節(jié)中存在的問題，本文提出一種基于ChatGPT 的交互式編譯原理實踐環(huán)節(jié)實現(xiàn)方法，旨在為留學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)支持和指導(dǎo)，以促進(jìn)其學(xué)習(xí)和實踐能力的提升。

Prompt 作為發(fā)送給ChatGPT 等預(yù)訓(xùn)練大模型的指令，用于強制執(zhí)行規(guī)則、自動化流程，以確保生成輸出的質(zhì)量（和數(shù)量）［14］。針對留學(xué)生對編譯原理課程內(nèi)容以及Chat-GPT Prompt［15-16］熟悉程度不一致的問題，設(shè)計一套編譯原理編程實踐專用的Prompt 模版［14］，覆蓋編譯原理編程各類常見問題，協(xié)助留學(xué)生生成各類問題的Prompt，以提供個性化的指導(dǎo)。通過與ChatGPT 進(jìn)行對話交互，留學(xué)生可以提出問題、尋求解釋和示例代碼等支持，而ChatGPT 將根據(jù)其預(yù)訓(xùn)練的知識和語義理解能力，生成相應(yīng)的回答。

Prompt 模板主要包括兩大模塊，即基本功能實現(xiàn)模塊和代碼調(diào)試模塊。其中，基本功能實現(xiàn)模塊旨在引導(dǎo)學(xué)生在編譯器實踐中完成必要的基本功能，包括正確解析源代碼、進(jìn)行語義分析、生成目標(biāo)代碼或中間代碼等，如表2 所示。代碼調(diào)試模塊可以輔助學(xué)生在編程實踐環(huán)節(jié)中，針對遇到的各種類型報錯進(jìn)行代碼調(diào)試，保證代碼能夠正常運行，如表3所示。

Table 2 Prompt template of lexical analysis表2 詞法分析Prompt模版

Table 3 Prompt template of syntax analysis表3 語法分析Prompt模版

下文以詞法分析錯誤代碼調(diào)試為例：

當(dāng)詞法分析器無法識別某些詞法單元時，學(xué)生可以根據(jù)自己熟悉的語言書寫下列相關(guān)代碼調(diào)試Prompt。以英文為例：

I encountered an unrecognized lexical unit.What steps can I take to debug the lexer and identify the problem？

根據(jù)Prompt（1），可以向ChatGPT 發(fā)送指令，如圖1所示。

Fig.1 Prompt for error checking of lexical analysis圖1 詞法分析錯誤檢查Prompt

ChatGPT 通過對源代碼的分析，給出了錯誤檢查的建議，可以幫助學(xué)生進(jìn)行代碼修改，如圖2 所示。這里的答案輸出也可以選擇學(xué)生熟悉的語言，以解決留學(xué)生中對于英文和中文都不熟悉的情況。同時，如果對于給出的方案不滿意，由于ChatGPT 具有上下文理解的能力，可在現(xiàn)有會話中繼續(xù)追加Prompt，直至得到正確的方案來修正代碼。

Fig.2 Solution provided by ChatGPT圖2 ChatGPT給出的解決方案

在實踐環(huán)節(jié)中，留學(xué)生可以利用ChatGPT 進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)。學(xué)生可以向ChatGPT 提出問題，如概念理解、代碼調(diào)試和項目指導(dǎo)等，而ChatGPT 將根據(jù)其預(yù)訓(xùn)練的知識，生成相關(guān)的回答。通過與ChatGPT 的對話交互，留學(xué)生可以獲得個性化的學(xué)習(xí)支持和指導(dǎo)，幫助其克服語言障礙，更好地理解與應(yīng)用編譯原理知識。

3 改革實踐效果

在2022-2023 第二學(xué)期，通過對南京郵電大學(xué)2020 級留學(xué)生計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的兩個班級進(jìn)行試點分析，發(fā)現(xiàn)留學(xué)生本科三年級學(xué)生在編程基礎(chǔ)整體不強的情況下，基本可以在ChatGPT 的輔助下完成編譯原理課程中的詞法分析和語法分析兩個課內(nèi)實驗，并且學(xué)習(xí)效果較之前學(xué)期有明顯改善。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）課程參與主動性增強。編譯原理的實踐環(huán)節(jié)不再是編程“老手”才能完成的事情，一些編程經(jīng)驗不足的學(xué)生，通過使用Prompt 與ChatGPT 進(jìn)行互動，在編程的同時，可以補充理論課程中的知識盲點。編程能力一般的學(xué)生，可以通過ChatGPT 的輔助完成基本功能；編程能力較強的學(xué)生，可以在基本功能的基礎(chǔ)上，利用ChatGPT 實現(xiàn)優(yōu)化的功能。

（2）學(xué)習(xí)知識邊界和學(xué)習(xí)模式的變化。在編譯原理實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生不再單純完成任務(wù)式地實現(xiàn)要求的基本功能，ChatGPT 龐大的知識體系和創(chuàng)造性可以擴(kuò)寬學(xué)生的知識邊界。學(xué)習(xí)不再是單純的“教師—學(xué)生—教材”三位一體的枯燥模式，更多的是探索、嘗試和頭腦風(fēng)暴，教師更多地指導(dǎo)學(xué)生如何正確使用Prompt從大模型中尋找答案。

（3）完成情況和學(xué)習(xí)效果。留學(xué)生獲取知識的渠道已不僅局限于書本，而且有互聯(lián)網(wǎng)中專業(yè)的網(wǎng)站（如Github）以及博客（如Quora）等，信息源多而雜。ChatGPT 為留學(xué)生提供了精煉的知識，同時也為留學(xué)生生成了很多創(chuàng)造性的內(nèi)容。

4 結(jié)語

本文旨在探討基于ChatGPT 的留學(xué)生編譯原理課程實踐環(huán)節(jié)改革方法。首先，基于ChatGPT 的自動化輔導(dǎo)系統(tǒng)可為留學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)支持和指導(dǎo)。學(xué)生可以根據(jù)提供的模板設(shè)計Prompt 向系統(tǒng)提問并獲得符合語境和邏輯的回答，幫助其克服語言障礙，更好地理解和應(yīng)用編譯原理知識。留學(xué)生通過參與實踐項目，不僅能夠應(yīng)用所學(xué)的編譯原理知識解決實際問題，而且能夠與團(tuán)隊成員合作，共同分析和解決復(fù)雜問題。改革方案提供了個性化的學(xué)習(xí)支持和實踐經(jīng)驗，有效促進(jìn)了留學(xué)生在編譯原理課程中學(xué)習(xí)和實踐能力的提升。