侯書東，常家琦，劉 恒

(安徽工業(yè)大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 馬鞍山 243002)

編譯原理作為計算機類專業(yè)的傳統(tǒng)核心課程，對學生專業(yè)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)具有重要意義。編譯原理課程的重要性在于：編譯器的開發(fā)是計算機軟件開發(fā)的一個綜合；解決問題的思想方法有利于計算思維的培養(yǎng)，對于計算機專業(yè)素養(yǎng)形成十分必要[1]。

一、傳統(tǒng)編譯原理課程教學中存在的問題

計算機類專業(yè)本科生學習本專業(yè)的第一門語言課程是C語言。C語言由于其類型不安全性，容易出現(xiàn)一些難以捉摸的錯誤，使得學生難以定位和解決問題。如果能讓學生根據(jù)編譯器提供的提示信息，精確定位程序中的錯誤類型和位置，把編譯原理中所學用于實際C語言編程需求，這既完成了課程的教學內(nèi)容，也提升了學生的軟件編程和系統(tǒng)分析的能力。

從普通高等院校的編譯原理教學實際出發(fā)，其課程覆蓋范圍一般僅限于編譯器的前端，即詞法分析、語法分析和語法制導翻譯等內(nèi)容[2]。這其中包括大量抽象且邏輯復雜的理論知識點，如形式語言理論、正規(guī)式、有限自動機、上下文無關(guān)文法、屬性文法和語法制導翻譯等。傳統(tǒng)的教學方式強調(diào)知識點的灌輸，讓學生解決孤立的單一問題，缺乏各知識點之間的關(guān)聯(lián)。這種“只見樹木，不見森林”的教學方式會極大地削弱學生的學習積極性，導致整體效果不佳。

理論教學的重要性不言而喻，然而面對當前社會“碎片化學習”，要確保授課效果的高質(zhì)量，需要對課堂內(nèi)容的選擇和教學方式的安排進行精心設(shè)計。尤為重要的是激發(fā)學生的學習熱情，實現(xiàn)從被動接受到主動學習過程的角色轉(zhuǎn)換。

二、以實踐為導向的互助式編譯原理教學

(一)理論與實踐相銜接

理論知識的來源一般都有其確定的問題背景。脫離實際問題來進行理論教學，對學生實際能力的提升沒有益處。編譯原理課程中的大量理論知識，存在一種銜接遞進的關(guān)系，每個知識點的引入和拓展，都是對于現(xiàn)實遇到問題的解決路徑再現(xiàn)。因此，整個授課過程就在重現(xiàn)這種解決方案演變的變化歷程。而實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵之處，是教師從之前的“站到講臺前”變到現(xiàn)在的“坐在學生中”。這一變化絕不僅僅是簡單地將所有問題留給學生，從“講授”變成“答疑”，而是從問題設(shè)計、思考啟迪、討論引導到過程管理等各方面都對教師提高了要求。特別是現(xiàn)代高級語言發(fā)展日新月異，各種新問題層出不窮，如何在面對開放性的未知問題時，從系統(tǒng)和整體的角度給出學生解決問題的方式方法，而不是給出具體每個問題的回答[3]，這是對教師能力的一種新考驗。

計算機類專業(yè)課程教學的目的，歸根結(jié)底是以培養(yǎng)和提升學生們現(xiàn)實動手能力為主題。“考試高分”僅是手段，“實踐高手”才是目的。通過精心設(shè)計的問題場景，激發(fā)學生的學習興趣，逐步引導討論內(nèi)容，得到初步解決方案，再層層優(yōu)化，最后比較與經(jīng)典方法的優(yōu)劣之處。這樣的理論與實踐交叉的教學方式，可以讓學生從根源上理解并掌握理論技術(shù)的來龍去脈，避免繁雜的死記硬背以及理論與實踐脫節(jié)，在實踐中學習和總結(jié)規(guī)律。

在編譯原理課程教學里，以詞法分析為例闡述如何從正規(guī)式構(gòu)造等價自動機的內(nèi)容必不可少。在先修的高級語言課程中，學生只需知道如何運用正規(guī)式。而在本課程學習中，則需進一步掌握正規(guī)式的實現(xiàn)原理。正規(guī)式的實現(xiàn)方式主要有非確定有限自動機(NFA)和確定有限自動機(DFA)兩種引擎方式。在教學過程中，常規(guī)流程都是給定正規(guī)式，構(gòu)造其NFA，在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化為DFA，最后進行最簡化處理。這在無形中向?qū)W生暗示了DFA才是詞法分析實現(xiàn)的最終手段，其實不然，兩種引擎方式各有其優(yōu)缺點和應(yīng)用場景。DFA是文本主導，執(zhí)行速度快，可以確保匹配最長的可能字符串，滿足結(jié)果一致性。NFA是表達式主導，需要反復的吃、吐字符，存在著大量的回溯過程，速度慢。但是其特性豐富，可以捕獲子表達式匹配和匹配的反向引用。子表達式編寫方式不同，對于DFA是無差異的，但是對NFA的控制方式是不同的。如果能從編碼實現(xiàn)的角度考慮這兩種方式的異同，啟迪學生的獨立思考能力，其教學效果要明顯優(yōu)于枯燥的理論知識傳授。

以編譯原理課程教學中語法分析中的算符優(yōu)先分析為例，在討論終結(jié)符之間的優(yōu)先關(guān)系時，與傳統(tǒng)認知是有一定區(qū)別的。此處有必要回顧“離散數(shù)學”中對于“關(guān)系”的定義?；仡櫤愕汝P(guān)系的定義，需要同時滿足自反性、對稱性和傳遞性。顯然，算符之間的優(yōu)先關(guān)系是可以不滿足這三種性質(zhì)的。以四則運算為例，存在+>+，即加號的優(yōu)先級是大于加號的，不滿足自反性。同時，由于(=)，而不存在)=(，所以不滿足對稱性。另外，同時存在+<(、(<+和+>+同時成立，不符合傳遞性的性質(zhì)。這中間的區(qū)別就在于不僅需要考慮待比較的兩個算符，算符出現(xiàn)的先后順序也至關(guān)重要。至此，算符之間的優(yōu)先級，與自然數(shù)的大小比較、或者與線程調(diào)度中的優(yōu)先級等概念中的區(qū)別之處自然顯現(xiàn)。這也引出了后續(xù)算符優(yōu)先函數(shù)的方便與不足之處。這種先后課程之間知識點的貫通，既加深了對已有知識的理解，同時也更新了知識圖譜。

(二)編譯器設(shè)計實現(xiàn)方案

編譯原理課程教學理想情況，學生應(yīng)該能夠獨立自主完成小型編譯系統(tǒng)的構(gòu)造。實際教學中，學生只需吃透關(guān)鍵的幾條原理知識，如NFA的確定化，LL(1)文法中FIRST和FOLLOW集合的構(gòu)造，LR(1)文法中識別活前綴DFA構(gòu)造等，基本上已經(jīng)滿足了課程考試要求。然而，僅靠理論學習對實現(xiàn)一個基礎(chǔ)編譯器來說是遠遠不足的。相比較于學生對理論知識的接受程度，學生自主動手完成編譯系統(tǒng)的能力缺乏就更為明顯。如何面對全體學生，制定出一套適用的實踐方案，是課程實際效用的關(guān)鍵。

對于編譯原理課程復雜實現(xiàn)機理可以在后續(xù)過程中逐步展開，串聯(lián)起數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、組成原理等一系列關(guān)聯(lián)課程，讓其學而有物。對于學有余力的學生，可以提高要求，讓其完成類C編譯器。對于確實難以獨立完成的，最基本的要求是可以復現(xiàn)課程演示的四則運算。要求不同，體現(xiàn)在設(shè)計語言的復雜度不同。囿于師資力量薄弱，對于編譯器的設(shè)計要求以前端為主，關(guān)于目標代碼生成了解即可，不做具體要求。

以布爾表達式的翻譯模式為例，通過語法制導翻譯內(nèi)容的學習，對于條件表達式中的短路規(guī)則的設(shè)計初衷已了然于胸。然而如何最小化跳轉(zhuǎn)語句的出現(xiàn)，掌握回填技術(shù)的使用，乃至初涉獨立于機器的優(yōu)化過程，對于編譯器實現(xiàn)質(zhì)量的優(yōu)劣影響至遠。僅僅明白基本原理的應(yīng)用，缺乏對軟件實現(xiàn)細節(jié)的敏感度和執(zhí)行效率的考量，很難滿足實用性的要求。特別是在面對“流量決定一切”的時代，用戶體驗對于產(chǎn)品品質(zhì)的要求日益挑剔，任何細節(jié)之處的忽略都可能面臨致命的打擊。不求功能的復雜全面，但求體驗的流暢舒適，在系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的全過程中，將用戶需求作為第一位，對于端正學生的學習和工作態(tài)度，是一次很好的鍛煉機會。

三、結(jié)語

通過精心設(shè)計的問題引導與自動化編譯工具，逐步展開編譯器設(shè)計的主要內(nèi)容，教學既不失課程的專業(yè)性要求又吸引了學生的興趣點，能有效提升學生的綜合實踐能力。在后續(xù)教學改革中，借助慕課、反轉(zhuǎn)等多樣教學形式，增加課堂討論、啟發(fā)、互動的過程，最大限度地激發(fā)學生的學習熱情，仍需不斷地探索和嘗試。