諶志群 王榮波 黃孝喜

摘? 要： 新工科的迅猛發(fā)展對各高校專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)提出了新要求。以“編譯原理”課程為例，討論了新工科背景下課程改革的方向及途徑。提出以工程案例作為課堂教學(xué)與產(chǎn)業(yè)需求之間的觸點(diǎn)，將課程知識點(diǎn)融入到工程案例中，使學(xué)生理解、掌握課程知識和促進(jìn)創(chuàng)新實(shí)踐能力并進(jìn)。詳細(xì)介紹了一個經(jīng)典理論與新興產(chǎn)業(yè)需求相結(jié)合的工程案例，討論了案例式教學(xué)的特點(diǎn)及其對新工科建設(shè)的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞： 編譯原理; 新工科; 教學(xué)研究; 工程案例; 有限自動機(jī)

中圖分類號：G642.0;TP314? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ? ?文章編號：1006-8228（2020）12-91-03

Abstract： The rapid development of New Engineering has put forward new requirements for specialty construction and curriculum construction in colleges and universities. Taking the course of compiler principle as an example， the direction and approach of the course reform for New Engineering are discussed. The project case is proposed as the interface between classroom teaching and industrial demand， and integrating the course knowledge into the engineering case can make students understand and master the curriculum knowledge， and promote innovation and practice abilities simultaneously. This paper introduces an engineering case combined the classical theory with the demand of emerging industries， and discusses the characteristics of case teaching and its promoting effect on the construction of New Engineering.

Key words： compiler principle; New Engineering; teaching research; engineering case; finite automation

1 新工科發(fā)展對專業(yè)及課程建設(shè)的新要求

為了應(yīng)對新一輪國際科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程技術(shù)人才，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域人才培養(yǎng)，教育部從2017年2月開始在全國高校大力推動新工科建設(shè)，先后發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》、《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》等文件，積極探索工程教育的中國模式和中國經(jīng)驗(yàn)，助力我國高等教育強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施[1-2]。專業(yè)建設(shè)和課程建設(shè)是新工科建設(shè)的“重中之重”，2018年9月，教育部、工信部、工程院聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科 實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》，推動各地著力建設(shè)一批新型高水平理工科大學(xué)、一批產(chǎn)業(yè)急需的新興工科專業(yè)、一批體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)最新發(fā)展的新課程[3]。新工科專業(yè)既涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、數(shù)字媒體技術(shù)等已有的傳統(tǒng)工科專業(yè)，也包括新興產(chǎn)業(yè)催生的新的工科專業(yè)，如數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等?！霸隽績?yōu)化、存量調(diào)整”是新工科專業(yè)建設(shè)的指導(dǎo)方針[4]。新工科專業(yè)建設(shè)應(yīng)主動與新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)的需求相銜接，各高校在主動謀劃設(shè)置“增量”工科專業(yè)的同時，要對“存量”工科專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容進(jìn)行積極調(diào)整，將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，積極引導(dǎo)教師將產(chǎn)業(yè)界的最新應(yīng)用研究成果引入到課堂中。在具體的課程建設(shè)中，需要將培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力、設(shè)計(jì)思維能力和數(shù)字化思維能力等創(chuàng)新發(fā)展能力作為重要的培養(yǎng)目標(biāo)納入教學(xué)計(jì)劃。

2 新工科背景下“編譯原理”課程教改方向與實(shí)現(xiàn)途徑

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是新工科的重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)，“編譯原理”是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課?！熬幾g原理”主要講授編譯器構(gòu)造的基本原理和經(jīng)典算法，是一門公認(rèn)的理論性較強(qiáng)的課程[5]。該課程涉及形式語言與自動機(jī)理論以及由此衍生出的一系列相關(guān)技術(shù)和算法，內(nèi)容比較抽象難懂。另外由于畢業(yè)后很少有人會從事編譯器的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作，因此學(xué)生對學(xué)習(xí)這門課程的積極性普遍不高。但其實(shí)編譯器大部分的實(shí)現(xiàn)技術(shù)不僅僅只能應(yīng)用在編譯器的開發(fā)上，這些技術(shù)在解決多個其他應(yīng)用領(lǐng)域的工程問題時也能得到廣泛應(yīng)用。

美國哥倫比亞大學(xué)的Alfred V.Aho教授在其經(jīng)典名著《編譯器：原理、技術(shù)與工具》前言部分寫道“編寫編譯器的原理和技術(shù)具有十分普遍的意義，以至于在每個計(jì)算機(jī)科學(xué)家的研究生涯中，該書中的原理和技術(shù)都會反復(fù)被用到”[6]。對于學(xué)習(xí)“編譯原理”這門課的學(xué)生來說，除了可以通過課程學(xué)習(xí)掌握一些具體的基本理論、技術(shù)和算法之外，還能培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)學(xué)科通用的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，如問題抽象與形式化描述、復(fù)雜問題算法分析與設(shè)計(jì)、自頂向下逐步求精、自底向上分步求解等。我們認(rèn)為在新工科發(fā)展形勢下，“編譯原理”課程教學(xué)應(yīng)改變以往過于重視理論教學(xué)、相對忽視工程應(yīng)用的傾向，應(yīng)以新工科建設(shè)為契機(jī)，重新梳理課程教學(xué)內(nèi)容，提取與當(dāng)前新興產(chǎn)業(yè)工程應(yīng)用緊密結(jié)合的知識點(diǎn)，并圍繞這些知識點(diǎn)設(shè)計(jì)新的教學(xué)方案。針對“編譯原理”課程理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，新的教學(xué)方案可以以工程案例為載體，通過設(shè)置各種工程情境，將知識點(diǎn)融入到一個個的工程項(xiàng)目中，并指導(dǎo)學(xué)生從工程師的視角體驗(yàn)和看待工程。這樣一方面可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解掌握，另一方面還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。這種基于案例的教學(xué)方法在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，還可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和解決復(fù)雜工程問題的能力，而這正是新工科建設(shè)對人才培養(yǎng)的基本要求。

3 “編譯原理”課程工程案例設(shè)計(jì)示例

高級語言編譯過程分為詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等幾個步驟。在教學(xué)實(shí)踐中，我們?yōu)榫幾g重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵知識點(diǎn)都設(shè)計(jì)了工程案例，下面介紹我們設(shè)計(jì)的詞法分析部分的案例。

詞法分析是編譯的第一個階段，詞法分析器的構(gòu)造是建立在描述高級語言單詞符號識別過程的有限自動機(jī)的基礎(chǔ)上的。有限自動機(jī)是一種數(shù)學(xué)模型，分為非確定的有限自動機(jī)（NFA，Nondeterministic Finite Automata）和確定的有限自動機(jī)（DFA，Deterministic Finite Automata）。有限自動機(jī)作為一種形式化工具，在多個工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。我們設(shè)計(jì)的案例是采用DFA來對網(wǎng)上購物平臺的購物過程進(jìn)行形式化描述。

近些年來“網(wǎng)購”已成為一種新的生活方式，天貓、京東等網(wǎng)上購物平臺已成為很多人日常生活中不可或缺的組成部分。網(wǎng)上購物平臺的異步交易方式與傳統(tǒng)實(shí)體商店的面對面交易模式不同。通過網(wǎng)上購物平臺進(jìn)行交易首先要解決一個買方和賣方彼此不信任的問題。這個問題通常借助一個獨(dú)立可信的第三方平臺來解決。這個第三方平臺以自身的信用確保買賣雙方的貨款和貨物的交易安全，同時解決網(wǎng)上支付問題，因此這個第三方平臺又是一個網(wǎng)上支付平臺，典型的平臺有支付寶和微信支付?；诘谌街Ц镀脚_的網(wǎng)上購物交易流程如圖1所示。

網(wǎng)上購物的具體步驟如下。①商品瀏覽：買家向賣家網(wǎng)站發(fā)送商品瀏覽請求。②商品推送：賣家網(wǎng)站向買家推送商品信息。③訂單確認(rèn)：買家選定商品并下單，同時選擇第三方支付平臺。④訂單提交：賣家網(wǎng)站生成支付訂單并提交給第三方支付平臺。⑤貨款支付：買家登錄第三方支付平臺，確認(rèn)為訂單支付貨款。⑥支付響應(yīng)：第三方支付平臺把支付成功信息發(fā)送給買家和賣家。⑦發(fā)貨確認(rèn)：賣家發(fā)貨，提交發(fā)貨信息。⑧收貨確認(rèn)：買家收到貨物，向第三方支付平臺發(fā)送收貨確認(rèn)信息。⑨交易完成：第三方支付平臺把貨款轉(zhuǎn)移至賣家的賬號中。

在交易中涉及買家、賣家（網(wǎng)站）、第三方支付平臺及與第三方支付平臺簽約的銀行、發(fā)送貨物的物流/快遞等主體。在交易過程中還可能出現(xiàn)取消訂單、退款等操作。用一個形式化方法來描述整個交易過程，是開發(fā)網(wǎng)上購物平臺的基礎(chǔ)。交易過程中存在若干個狀態(tài)，完成某個操作或者發(fā)生某個事件之后可觸發(fā)當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)，整個交易過程可以使用一個確定的有限自動機(jī)（DFA）來描述，如圖2所示。

有限自動機(jī)由McCulloeh和Pitts在1943年提出，距今已有70多年，可以說是一種很“古老”的數(shù)學(xué)模型，而網(wǎng)上購物平臺是近些年興起的“新生事物”。我們從這個案例中可以看到，貌似過時的理論同樣可以在新興領(lǐng)域煥發(fā)出新的生機(jī)。

除了以上DFA的應(yīng)用案例，我們還設(shè)計(jì)了廣義LR分析方法在自然語言語法分析中的應(yīng)用、屬性文法在句法模式識別中的應(yīng)用等案例。有些案例是啟發(fā)式的，利于引導(dǎo)學(xué)生作進(jìn)一步的深入探索。這些案例以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級密切相關(guān)，與新工科的人才培養(yǎng)需求深度契合。案例式教學(xué)實(shí)質(zhì)上是一種啟發(fā)式和探究式教學(xué)方法，它使得教學(xué)過程從封閉走向開放，從填鴨式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動參與型教學(xué)。通過一個個的案例，學(xué)生除了掌握課程要求的基本知識之外，還激發(fā)了興趣、開闊了視野、培養(yǎng)了創(chuàng)新思維能力。這種案例式教學(xué)方法在我們實(shí)際的教學(xué)過程中取得了令人滿意的效果。

4 結(jié)束語

專業(yè)和課程是新工科建設(shè)的基石。在“問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)、問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容”這一新工科專業(yè)與課程建設(shè)行動綱領(lǐng)指引下，各高校及產(chǎn)業(yè)界正將我國的新工科建設(shè)推向一個新的更高的階段。新工科背景下的專業(yè)建設(shè)和課程改革，要以促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展、培養(yǎng)新一代創(chuàng)新型工程師為根本目標(biāo)，而實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)是連接理論與應(yīng)用的橋梁，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新發(fā)展能力的重要途徑。實(shí)踐教學(xué)的最佳載體是工程案例，我們認(rèn)為可以將工程案例作為課堂教學(xué)與產(chǎn)業(yè)需求之間的觸點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)工程案例并納入課程教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。工程案例的設(shè)計(jì)既要與課程重要知識點(diǎn)相結(jié)合，又要與最新的產(chǎn)業(yè)化需求相結(jié)合。工程案例可以是啟發(fā)式的，不必面面俱到描述所有的工程細(xì)節(jié)。基于工程案例的教學(xué)模式是培養(yǎng)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的、創(chuàng)新實(shí)踐能力強(qiáng)的高素質(zhì)新工科人才的可行途徑。本文以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的“編譯原理”課程為例，介紹了一個工程案例的設(shè)計(jì)過程，并討論了案例式教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)以及對新工科人才培養(yǎng)的作用。希望本文的探索能為新工科背景下的其他傳統(tǒng)工科專業(yè)的課程建設(shè)提供參考和借鑒。

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