聞炳海　劉鵬　王利娥　張超英

[摘 要]《編譯原理》是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。從教學(xué)理念出發(fā)，深入分析了教材、教學(xué)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過(guò)程、鞏固與延伸等主題，提出編譯原理的工程化的教學(xué)方法。實(shí)際結(jié)合“語(yǔ)法分析”一章具體部署實(shí)施過(guò)程。該方法在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中取得了比較好的效果。

[關(guān)鍵詞]編譯原理 教學(xué)方法 工程化教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）02-0126-03

一、引言

編譯所要完成的主要任務(wù)是將高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序翻譯成計(jì)算機(jī)能夠理解的機(jī)器語(yǔ)言?，F(xiàn)代編譯程序所要面對(duì)的經(jīng)常是幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)行的大程序，在編譯原理的研究過(guò)程中形成了大量的概念、理論和算法，這直接造成了編譯原理這門(mén)課很難學(xué)?，F(xiàn)在，編譯原理課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生公認(rèn)的本科階段最難的課程之一，許多學(xué)生覺(jué)得編譯原理難以掌握。本文將工程化的方法引入編譯原理的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)一系列措施將編譯原理的學(xué)習(xí)過(guò)程簡(jiǎn)單化、規(guī)范化，達(dá)到讓學(xué)生學(xué)好編譯原理的目標(biāo)。

二、教學(xué)理念

所謂工程化教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中引入工程的概念，使教學(xué)過(guò)程有明確的時(shí)間安排，有遞進(jìn)的階段目標(biāo)，有可以量化的指標(biāo)，像管理工程項(xiàng)目一樣對(duì)教學(xué)作全程控制。我們要打造工程化的教學(xué)過(guò)程，通過(guò)選擇合適的教材、詳細(xì)考察學(xué)生情況、精心組織教學(xué)內(nèi)容、合理安排課后作業(yè)、設(shè)定逐步提高的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，將學(xué)生引入一個(gè)可以量化的學(xué)習(xí)過(guò)程中。計(jì)算機(jī)科學(xué)有很強(qiáng)的理論背景，編譯原理更以邏輯嚴(yán)密、算法枯燥著稱。要求我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中做到精簡(jiǎn)講解、深入淺出，抓住理論的本質(zhì)講清楚。同時(shí)，計(jì)算機(jī)學(xué)科強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性教學(xué)，編譯原理課程更是圍繞著實(shí)際應(yīng)用而展開(kāi)的。要求我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中激勵(lì)學(xué)生動(dòng)手，重視實(shí)驗(yàn)和課后鍛煉，讓學(xué)生掌握實(shí)際運(yùn)用能力。我們提出了 “精簡(jiǎn)理論、加強(qiáng)實(shí)踐”為中心思想的教學(xué)理念，掌握理論、動(dòng)手實(shí)踐是學(xué)好編譯原理的不二法門(mén)。

三、教材和內(nèi)容

我們選擇的主講教材是清華大學(xué)的張素琴教授主編的《編譯原理》，這是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的教材，發(fā)行量達(dá)到20余萬(wàn)冊(cè)。我們選擇的輔助教材是貝爾實(shí)驗(yàn)室的Alfred等編寫(xiě)的《編譯原理技術(shù)與工具》，這是一本世界著名的編譯原理教材，在編譯原理領(lǐng)域有很高的聲譽(yù)。因?yàn)榉饷娈?huà)了一條龍，所以被大家親切地稱為“龍書(shū)”。主講教材以理論分析為主，內(nèi)容清晰，邏輯嚴(yán)謹(jǐn)；輔助教材有很好的實(shí)踐內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)編譯程序。兩本教材風(fēng)格互補(bǔ)，在章節(jié)編排上有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于在教學(xué)中結(jié)合使用。下面就以“語(yǔ)法分析”一章為例，介紹一下我們?cè)O(shè)計(jì)的工程化教學(xué)過(guò)程。教材上“語(yǔ)法分析”一章主要內(nèi)容包括：LL（1）文法定義、文法判別算法、確定自頂向下分析、遞歸子程序法等。我們給出了一些補(bǔ)充內(nèi)容，包括分析典型的源代碼、自己開(kāi)發(fā)的Yacc范例、自己開(kāi)發(fā)的表達(dá)式語(yǔ)法分析程序等部分。通過(guò)這些案例的分析，讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)如何將理論應(yīng)用到實(shí)際開(kāi)發(fā)，并熟悉流行的編譯輔助工具軟件的使用。

四、學(xué)生情況分析

編譯原理這門(mén)課是為計(jì)算機(jī)專業(yè)本科三、四年級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)的。學(xué)生在學(xué)習(xí)編譯原理之前已經(jīng)學(xué)過(guò)多種編程語(yǔ)言，如VB、VC、Java、Delphi、Html。但是一個(gè)普遍的情況是“多數(shù)學(xué)生沒(méi)有認(rèn)真思考過(guò)，編譯程序的原理和開(kāi)發(fā)方法”。學(xué)生不知道這些編譯軟件是如何設(shè)計(jì)出來(lái)的，更不知道不同編譯程序背后的理論依據(jù)。學(xué)生會(huì)感覺(jué)到編譯原理很神秘。而且編譯原理“難”聲在外，一些學(xué)生對(duì)編譯原理有畏懼心理。這是學(xué)生學(xué)習(xí)《編譯原理》的心理難點(diǎn)。我們要解決的問(wèn)題是：如何為學(xué)生樹(shù)立學(xué)好編譯原理的信心？《編譯原理》這門(mén)課程比較獨(dú)立，理論自成體系，其他先修課程很少涉及編譯方面的內(nèi)容。教材內(nèi)容定義多，概念抽象，形式化的描述難以理解；算法多，步驟復(fù)雜，計(jì)算量大，學(xué)生很容易陷入細(xì)節(jié)問(wèn)題不能自拔，產(chǎn)生困難和厭學(xué)心理。這些情況造成學(xué)生不容易接受編譯原理內(nèi)容，上課時(shí)容易產(chǎn)生惰性心理。這是學(xué)生學(xué)習(xí)《編譯原理》的理論難點(diǎn)。我們要解決的問(wèn)題是：如何讓學(xué)生把理論學(xué)明白、會(huì)運(yùn)用？《編譯原理》的理論學(xué)習(xí)尚且不易，設(shè)計(jì)編譯程序更是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，涉及多方面內(nèi)容，學(xué)生的編程經(jīng)驗(yàn)不足以開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的編譯程序，經(jīng)常會(huì)感覺(jué)不知從何入手。這是學(xué)生學(xué)習(xí)《編譯原理》的技術(shù)難點(diǎn)。我們要解決的問(wèn)題是：如何引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，給同學(xué)們找到一個(gè)很好的切入點(diǎn)？同時(shí)，我們觀察到，學(xué)生主觀上又想學(xué)好編譯原理。因?yàn)橹木幾g高手設(shè)計(jì)了學(xué)生每天使用的編譯程序，比如設(shè)計(jì)了C語(yǔ)言的Ritchie &Thompson、設(shè)計(jì)了C++語(yǔ)言的Bjarne Stroustrup、設(shè)計(jì)了Java語(yǔ)言的James Gosling、設(shè)計(jì)了C#語(yǔ)言的Anders Hejlsberg等等，這些傳奇式的編譯高手受到學(xué)生們的廣泛推崇。學(xué)生耳聞目染知道編譯原理的重要性，對(duì)編譯程序的開(kāi)發(fā)感到好奇。這些都是我們引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的有利因素。在教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們針對(duì)這些教學(xué)難點(diǎn)安排教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，注意幫助學(xué)生克服困難，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

五、教學(xué)目標(biāo)和重點(diǎn)

結(jié)合這一章的內(nèi)容，我們制定了四個(gè)遞進(jìn)的教學(xué)目標(biāo)和三個(gè)教學(xué)重點(diǎn)。教學(xué)目標(biāo)包括對(duì)教材內(nèi)容的掌握和學(xué)習(xí)補(bǔ)充延伸的內(nèi)容。第一，掌握教材上的基本原理。包括文法的FIRST集、FOLLOW集和SELECT集的定義和計(jì)算方法、LL（1）文法的定義和判別算法、確定自頂向下分析、遞歸子程序法等內(nèi)容。這些基本理論學(xué)生必須要掌握。第二，學(xué)習(xí)使用語(yǔ)法分析自動(dòng)生成工具。為學(xué)生介紹現(xiàn)在被廣泛使用的工具軟件Yacc。通過(guò)我們自己編寫(xiě)的Yacc程序范例，讓學(xué)生掌握Yacc的結(jié)構(gòu)和用法。第三，掌握經(jīng)典的語(yǔ)法分析的源代碼。通過(guò)分析PL / 0語(yǔ)言的語(yǔ)法分析源代碼，讓學(xué)生了解語(yǔ)法分析的經(jīng)典實(shí)現(xiàn)。第四，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)現(xiàn)語(yǔ)法分析器。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)Yacc代碼和PL / 0語(yǔ)法分析代碼作個(gè)性化的修改和功能添加。通過(guò)這四個(gè)逐步深入的教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生不斷深化學(xué)習(xí)。教學(xué)重點(diǎn)包括了這一章的三個(gè)重要的定義和理論。第一，LL（1）文法的定義。這個(gè)定義包括First集、Follow集和Select集三個(gè)前導(dǎo)定義，每個(gè)定義都是一段形式化的描述，要求講課時(shí)要講清楚形式化定義的本質(zhì)。第二，LL（1）文法的判別算法。算法包括五個(gè)步驟：1.求出能推出ε的非終結(jié)符；2.計(jì)算First集；3.計(jì)算Follow集；4.計(jì)算Select集；5.判定是否是LL（1）文法。其中每個(gè)步驟又是一個(gè)獨(dú)立的算法。整個(gè)算法比較冗長(zhǎng)，教材上用了六頁(yè)描述該算法。我們要用特別的方法讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握。第三，語(yǔ)法分析的遞歸子程序法。遞歸子程序法的思想是對(duì)LL（1）文法中每個(gè)非終結(jié)符編寫(xiě)一個(gè)遞歸過(guò)程，識(shí)別由該非終結(jié)符推出的符號(hào)串。PL / 0語(yǔ)法分析模塊就是采用遞歸子程序算法實(shí)現(xiàn)的。在分析PL / 0語(yǔ)法分析模塊的基礎(chǔ)上，我們還引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手開(kāi)發(fā)自己的語(yǔ)法分析程序。

六、教學(xué)過(guò)程

下面詳細(xì)介紹教學(xué)過(guò)程的安排，共分為六個(gè)步驟。第一步：提出問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生去思考。編譯的任務(wù)是將高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序翻譯成計(jì)算機(jī)能夠直接理解的機(jī)器語(yǔ)言，這個(gè)翻譯過(guò)程不是一步完成的。編譯程序在進(jìn)行真正的翻譯和生成目標(biāo)代碼之前，首先要從結(jié)構(gòu)上把握源程序。語(yǔ)法分析的任務(wù)就是從結(jié)構(gòu)上分析程序，保證源程序語(yǔ)法結(jié)構(gòu)正確并分析得到程序的各個(gè)語(yǔ)法成分。讓我們考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，老師是如何判斷小學(xué)生所造的句子語(yǔ)法結(jié)構(gòu)上是否正確？比如，“我是學(xué)生”，我們說(shuō)這個(gè)句子是語(yǔ)法結(jié)構(gòu)正確的。那是因?yàn)槲覀兛梢詫⑦@個(gè)句子分為三部分，“我____是____學(xué)生”，每一部分正確的對(duì)應(yīng)了“主語(yǔ)____謂語(yǔ)____賓語(yǔ)”三種語(yǔ)法成分，所以我們說(shuō)這個(gè)句子是語(yǔ)法正確的。那么，編譯程序是如何對(duì)源程序做語(yǔ)法分析的呢？比如，“if i<10 then n=0 else n=1”，這個(gè)簡(jiǎn)單的程序語(yǔ)句。編譯程序首先從中分析出關(guān)鍵字“if、then、else”，然后分析出表達(dá)式“i<10、n=0、n=1”，表達(dá)式和關(guān)鍵字按正確的形式排列，所以這是一個(gè)語(yǔ)法結(jié)構(gòu)正確的語(yǔ)句。實(shí)際應(yīng)用的編譯程序是能夠處理幾百萬(wàn)行代碼的大程序，它的語(yǔ)法分析方法當(dāng)然更復(fù)雜，比如這一章所涉及的LL（1）文法、遞歸子程序法、預(yù)測(cè)分析法等，都很復(fù)雜。但是，他們都是建立在這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的基本概念之上的，語(yǔ)法分析就是從“結(jié)構(gòu)上分析程序”。在這里我們運(yùn)用“先行組織者”原理，提出問(wèn)題，舉出范例，引導(dǎo)學(xué)生去思考語(yǔ)法分析方法。第二步：精簡(jiǎn)講解，抓住理論的本質(zhì)。例如教材上Follow集的定義為：設(shè)G=（VT，VN，S，P）是上下文無(wú)關(guān)文法，A∈VN，S是開(kāi)始符號(hào)，#是輸入串的結(jié)束符（輸入串括號(hào)），F(xiàn)OLLOW（A）={a|S*→μAβ且a∈VT，a∈FIRST（β），μ∈VT*，β∈V+}，若S *→μAβ且β→ε，則#∈FOLLOW（A）。學(xué)生很難從這樣形式化的描述中看懂Follow集的到底是用來(lái)干什么的。我們?cè)谏险n的時(shí)候就要講清楚，F(xiàn)ollow集就是用來(lái)考察“非終結(jié)符能夠以哪些字符為后繼”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的本質(zhì)。抓住本課程定義抽象，實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到編譯原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。第三步：小題多練，采用搭積木的方式學(xué)習(xí)。教材上用了6頁(yè)來(lái)講解LL（1）文法的判別算法，如果直接將一道習(xí)題交給學(xué)生去完成，學(xué)生顯然難以接受。在講課的時(shí)候，我們先講算法結(jié)構(gòu)，然將一個(gè)大題分為幾個(gè)階段的小題，穿插演練，最后組成一個(gè)完整的解題過(guò)程。讓學(xué)生體會(huì)到雖然整個(gè)算法十分冗長(zhǎng)，但是每一步都很簡(jiǎn)單。第四步：互動(dòng)教學(xué)，讓學(xué)生積極參與。課堂教學(xué)過(guò)程中要鼓勵(lì)學(xué)生提出想法和思路，盡可能對(duì)學(xué)生的發(fā)言給予肯定的評(píng)價(jià)，要密切注意學(xué)生的反饋信息，有針對(duì)性地講解關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。要讓學(xué)生積極參與教學(xué)過(guò)程，跟上我們的講解思路，盡量消除學(xué)生上課的惰性心理。第五步：分組作業(yè)，降低學(xué)生的困難感。將全班同學(xué)劃分為幾個(gè)小組，每組5至7名同學(xué)。對(duì)于同一個(gè)主題，不同小組可以選擇不同方向。比如設(shè)計(jì)C語(yǔ)言文法，可以化為幾個(gè)子集讓不同小組實(shí)現(xiàn)，也可以不同小組完成不同任務(wù)，然后互相討論學(xué)習(xí)。將理論基礎(chǔ)好、動(dòng)手能力強(qiáng)的同學(xué)分配到各個(gè)小組，以先學(xué)帶動(dòng)后學(xué)，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)困難感，避免動(dòng)手能力差的同學(xué)失去信心。第六步：實(shí)際運(yùn)用，DIY自己的語(yǔ)法分析器。給學(xué)生布置一些遞進(jìn)的實(shí)踐項(xiàng)目，比如“設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算的語(yǔ)法分析器”、“學(xué)習(xí)用YACC設(shè)計(jì)C語(yǔ)言語(yǔ)法分析器”、“學(xué)習(xí)用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)法分析器”等。由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，把課堂講授、實(shí)驗(yàn)課和課后鍛煉有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。以上就是我們教學(xué)方法的六個(gè)主題：提出問(wèn)題、精簡(jiǎn)講解、小題多練、互動(dòng)教學(xué)、分組作業(yè)、實(shí)際運(yùn)用。從理論學(xué)習(xí)到動(dòng)手實(shí)踐，有針對(duì)性地解決學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)所遇到的一系列問(wèn)題，為學(xué)生打造一個(gè)循序漸進(jìn)、深入淺出的完整學(xué)習(xí)過(guò)程。

接下來(lái)我們以語(yǔ)法分析為例，介紹一下如何引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐語(yǔ)法分析理論。第一，一步一步教學(xué)生如何用Yacc創(chuàng)建語(yǔ)法分析項(xiàng)目，詳細(xì)介紹每個(gè)步驟的含義。第二，一步一步教學(xué)生配置VC環(huán)境用于語(yǔ)法分析項(xiàng)目的編譯，詳細(xì)每個(gè)環(huán)境參數(shù)的作用。學(xué)生在實(shí)踐的時(shí)候遇到的最主要的困難就是如何使用工具軟件，我們通過(guò)詳細(xì)的講解幫助學(xué)生邁出語(yǔ)法分析的第一步。第三，用簡(jiǎn)單的例子講解Yacc的結(jié)構(gòu)和用法，讓學(xué)生體會(huì)語(yǔ)法分析其實(shí)不神秘。第四，把我們自己寫(xiě)的文法范例在課堂上和同學(xué)們一起編寫(xiě)、調(diào)試、運(yùn)行，實(shí)時(shí)展現(xiàn)不同文法分析的結(jié)果。第五，將我們自己用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的表達(dá)式語(yǔ)法分析程序作為補(bǔ)充練習(xí)，讓學(xué)生去修改、添加功能，體會(huì)語(yǔ)法分析的思路。整個(gè)過(guò)程充分考慮了學(xué)生的能力培養(yǎng)，難度逐步加大，階段目標(biāo)明確，便于在教學(xué)過(guò)程中實(shí)施。

七、教學(xué)效果

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，編譯原理的工程化教學(xué)方法取得了較好的教學(xué)效果，學(xué)生保持較高的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生評(píng)教一直保持較高的分?jǐn)?shù)。在課堂上，學(xué)生能夠積極的參與教學(xué)過(guò)程，把握知識(shí)脈絡(luò)并掌握知識(shí)點(diǎn)；在課余時(shí)間里，學(xué)生能夠較好的完成作業(yè)并進(jìn)行探索和學(xué)習(xí)。通過(guò)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)編譯原理，學(xué)生對(duì)軟件開(kāi)發(fā)有了深入認(rèn)識(shí)，了解了程序優(yōu)化和并行計(jì)算的方法和重要性，為編寫(xiě)高效、高質(zhì)量的代碼打下了基礎(chǔ)。此外，本文第一作者以“編譯原理的工程化教學(xué)”為主題參加廣西師范大學(xué)第三屆“青年教師說(shuō)課比賽”，獲得了理科組第一名的好成績(jī)；并指導(dǎo)本科生以“基于泛型編程的編譯器研究”為題目申請(qǐng)并獲得廣西師范大學(xué)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)基金資助。

八、結(jié)語(yǔ)

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，我們首先幫助學(xué)生端正學(xué)習(xí)態(tài)度，破除《編譯原理》難學(xué)的迷信。然后采用精簡(jiǎn)講解、小題多練等方式，讓學(xué)生體會(huì)理論并不深?yuàn)W。在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，設(shè)計(jì)由易到難的實(shí)踐項(xiàng)目，在此過(guò)程中打造屬于同學(xué)們自己的編譯程序，培養(yǎng)學(xué)習(xí)成就感。最終達(dá)到懂得理論、學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)、學(xué)好《編譯原理》這個(gè)總目標(biāo)。作為教學(xué)的鞏固與延伸措施，我們會(huì)引導(dǎo)同學(xué)做更多的實(shí)踐。比如C語(yǔ)言的語(yǔ)法分析、SQL語(yǔ)言的語(yǔ)法分析、嘗試使用C++的Boost.Spirit開(kāi)發(fā)包等等。同時(shí)，和學(xué)生一起參與開(kāi)發(fā)過(guò)程，用電話、Emai等方式與同學(xué)保持密切聯(lián)系，及時(shí)解答同學(xué)們學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。不但要讓學(xué)生學(xué)懂理論、學(xué)會(huì)運(yùn)用，更要讓學(xué)生記得牢固。

我們將整個(gè)教學(xué)過(guò)程看作是一個(gè)工程項(xiàng)目，將工程中目標(biāo)明確、量化管理的特點(diǎn)引入到編譯原理的教學(xué)過(guò)程中，收到了比較好的教學(xué)效果，也受到了學(xué)生的歡迎。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張素琴，呂映芝，蔣維杜，戴桂蘭.編譯原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] Alfred等著，李建中等譯.編譯原理技術(shù)與工具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[責(zé)任編輯：黃緊德]