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編譯原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)論文
編譯原理課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的重要專業(yè)課之一，課程內(nèi)容抽象，理論性較強(qiáng)，學(xué)生普遍反應(yīng)難學(xué)難懂，為此設(shè)置一定課時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，有助于幫助學(xué)生深入理解概念，提高學(xué)生的邏輯思維能力、實(shí)踐動(dòng)手能力，有助于切實(shí)有效地提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。目前編譯原理課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通常是要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較完整的編譯程序，或者將其拆分成詞法分析實(shí)驗(yàn)、語(yǔ)法分析實(shí)驗(yàn)和語(yǔ)義分析實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)部分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的難度，讓很多學(xué)生知難而退，難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。究其原因是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上與學(xué)生的實(shí)際情況之間出現(xiàn)了諸多偏差，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和組織進(jìn)行改進(jìn)，以更好地提高編譯原理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。
1編譯課程實(shí)驗(yàn)的問題
1.1學(xué)生對(duì)課程實(shí)驗(yàn)定位存在認(rèn)知誤區(qū)
在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)編譯原理實(shí)驗(yàn)課程的認(rèn)識(shí)上存在很多誤區(qū)，這些認(rèn)識(shí)誤區(qū)如果不加以及時(shí)糾正，加上課程內(nèi)容抽象、邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)，很容易加重學(xué)生的畏難情緒，產(chǎn)生一系列不利于課程學(xué)習(xí)的消極負(fù)面影響。
一種認(rèn)識(shí)誤區(qū)是簡(jiǎn)單地認(rèn)為編譯原理的學(xué)習(xí)目的就是設(shè)計(jì)和開發(fā)編譯器，認(rèn)為畢業(yè)后很少有從事編譯器研發(fā)的機(jī)會(huì)，所以得出課程學(xué)了沒用的錯(cuò)誤結(jié)論。實(shí)際上編譯原理包括的形式語(yǔ)言、自動(dòng)機(jī)理論等語(yǔ)言定義、翻譯與實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)知識(shí)，可以讓學(xué)生領(lǐng)悟到計(jì)算機(jī)理論的精髓，可以讓學(xué)生從程序編譯的角度重新審視軟件的開發(fā)，有助于提高學(xué)生對(duì)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的認(rèn)識(shí)，對(duì)于今后從事應(yīng)用軟件、語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)甚至系統(tǒng)軟件的開發(fā)等都是非常有好處的。
另一種認(rèn)識(shí)誤區(qū)是將編譯的實(shí)驗(yàn)混淆于普通的程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)沒有放在算法的設(shè)計(jì)、原理的理解上，而是迷失在具體代碼實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)上。編譯原理課程是一個(gè)綜合性的專業(yè)課，編譯程序使用的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法是“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“離散數(shù)學(xué)”以及“算法設(shè)計(jì)與分析”等課程相關(guān)知識(shí)的典型應(yīng)用 ，能夠進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)課程知識(shí)的綜合運(yùn)用和專業(yè)素質(zhì)的提升。
1.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)缺少層次性
通常的編譯原理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，是將學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的一種高級(jí)語(yǔ)言的詞法和語(yǔ)法進(jìn)行簡(jiǎn)化，作為實(shí)驗(yàn)的模型語(yǔ)言。針對(duì)編譯過程的詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析與中間代碼生成、目標(biāo)代碼生成的四個(gè)重要階段，每個(gè)階段分別設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)題目，最終合成一個(gè)完整的編譯程序。這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的好處是與授課內(nèi)容緊密結(jié)合，模塊分解清晰。但存在的問題是盡管對(duì)高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行了簡(jiǎn)化，每個(gè)實(shí)驗(yàn)仍然存在著一系列的“難度階梯”需要學(xué)生跨越，如果在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上僅從學(xué)科的理論體系上考慮，忽視了學(xué)生知識(shí)和能力水平的不同層次，只是一種理想化的設(shè)計(jì)，執(zhí)行起來(lái)勢(shì)必難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。
以詞法分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例：實(shí)驗(yàn)要求是給出某模型語(yǔ)言的文法規(guī)范，要求編寫該語(yǔ)言的詞法分析程序。輸入源程序文件，輸出關(guān)鍵詞、專用符號(hào)以及其它標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)過程是編寫主函數(shù)getToken，通過從文件中讀取字符到緩沖區(qū)中并由C語(yǔ)言字符的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖流程判斷返回一個(gè)字符（Token）。分析出來(lái)的單詞主要分為關(guān)鍵詞，專用符號(hào)，標(biāo)記符號(hào)等。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)是編譯階段的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在學(xué)生對(duì)編譯程序理解不深，很多思維方式和知識(shí)框架還沒有建立起來(lái)的情況下，給很多學(xué)生設(shè)置了一系列障礙，如形式化語(yǔ)言、有窮自動(dòng)機(jī)的理論等，每一個(gè)障礙對(duì)于初學(xué)者都難度不小，這些問題同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，會(huì)使相當(dāng)大一部分學(xué)生因難度過大而失去學(xué)習(xí)興趣。實(shí)際教學(xué)中學(xué)生對(duì)編譯程序的認(rèn)知是循序漸進(jìn)的，很多概念和原理的理解不可能一步到位。而且學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力水平參差不齊，有的學(xué)生的先導(dǎo)課程如《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》、《高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言》等知識(shí)學(xué)得不牢固，有些甚至已經(jīng)淡忘，因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要首先弄清楚學(xué)生的情況，然后再“對(duì)癥下藥”有側(cè)重點(diǎn)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。
1.3實(shí)驗(yàn)的組織形式比較單一
編譯原理的實(shí)驗(yàn)組織形式通常是在機(jī)房每個(gè)學(xué)生一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)課程開始后教師介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)要求等，然后每人獨(dú)立完成，從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)都由學(xué)生自己進(jìn)行，教師在實(shí)驗(yàn)過程中隨時(shí)解答學(xué)生的疑問，最后學(xué)生調(diào)試完成程序后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)學(xué)生的程序和實(shí)驗(yàn)報(bào)告給出分?jǐn)?shù)。這樣的實(shí)驗(yàn)組織和成績(jī)的評(píng)判形式比較單一，整個(gè)過程由教師主導(dǎo)，能夠訓(xùn)練學(xué)生個(gè)體的獨(dú)立思考能力和動(dòng)手能力，但學(xué)生之間的交流不夠，實(shí)驗(yàn)課的大部分時(shí)間都是學(xué)生埋頭寫程序，實(shí)驗(yàn)課氣氛比較枯燥沉悶，對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的訓(xùn)練不夠。
2實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的改進(jìn)
2.1消除學(xué)生的認(rèn)識(shí)誤區(qū)
針對(duì)學(xué)生簡(jiǎn)單地把編譯原理課程局限在編譯器設(shè)計(jì)上的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，教師在授課和實(shí)驗(yàn)過程中需要注意結(jié)合實(shí)際中運(yùn)用編譯技術(shù)的實(shí)例，比如常用的文本編輯工具中，很多帶有字詞的檢查和校驗(yàn)功能，這就是編譯原理技術(shù)中詞法分析技術(shù)的具體應(yīng)用；很多應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)用戶輸入的字符串進(jìn)行規(guī)則檢查時(shí)常用正則表達(dá)式；網(wǎng)絡(luò)搜索引擎對(duì)文檔資源進(jìn)行特征分析、提取與描述等工作中都用到編譯的相關(guān)知識(shí)……通過各種現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例讓學(xué)生明確編譯原理所學(xué)習(xí)的知識(shí)不僅是計(jì)算機(jī)專業(yè)理論知識(shí)的重要組成，而且編譯程序所使用的一些原理、方法和技術(shù)在非編譯系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)揮了很大作用。
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，除了原理性實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)學(xué)生的興趣，安排一些應(yīng)用型的實(shí)驗(yàn)，如簡(jiǎn)單的智能輸入法的實(shí)現(xiàn)、識(shí)別某些單詞的簡(jiǎn)單聊天機(jī)器人程序等，這樣的小實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在這些應(yīng)用性趣味實(shí)驗(yàn)中遇到了困難，自然會(huì)進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)教材中的原理，這樣對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握也會(huì)更加牢固。
2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改進(jìn)
國(guó)內(nèi)外的一些經(jīng)典教材中，通常會(huì)采用一種模型語(yǔ)言的編譯程序作為實(shí)例，如呂映芝等人編著的《編譯原理》是以PL/0語(yǔ)言的編譯程序?yàn)榉独珹lfred V. Aho等人編著的《編譯原理》先通過一個(gè)小的編譯程序范例給學(xué)生帶來(lái)對(duì)編譯程序的直觀感受。通過實(shí)例的學(xué)習(xí)，可以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，也可以輔助學(xué)生對(duì)原理加深理解。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以更大地發(fā)揮這些實(shí)例的作用，事先讓學(xué)生閱讀這些實(shí)例的源代碼，然后增加一個(gè)準(zhǔn)備性的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)習(xí)過C、C++或JAVA等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，自行對(duì)詞法規(guī)則和語(yǔ)法規(guī)則的簡(jiǎn)化和裁減，設(shè)計(jì)出適合自己實(shí)驗(yàn)難度的模型語(yǔ)言，并給出文檔描述。通過安排這個(gè)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，促使學(xué)生復(fù)習(xí)必須的基礎(chǔ)知識(shí)，增加學(xué)生查閱資料的能力和閱讀源代碼的能力，在學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)上起一個(gè)鋪墊的作用。
詞法分析、語(yǔ)法分析試驗(yàn)是編譯原理實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，對(duì)一些比較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拆解。詞法分析實(shí)驗(yàn)可以拆分成三個(gè)小實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)源程序掃描器，去除空格和注釋及其他無(wú)關(guān)字符后得到單詞的集合；用自動(dòng)機(jī)識(shí)別無(wú)符號(hào)數(shù)或某類單詞；設(shè)計(jì)識(shí)別關(guān)鍵詞、標(biāo)識(shí)符等其他類型單詞的識(shí)別程序。對(duì)語(yǔ)法分析實(shí)驗(yàn)，可以首先以典型的算術(shù)表達(dá)式文法為例，設(shè)計(jì)一個(gè)算術(shù)表達(dá)式文法的遞歸子程序分析實(shí)驗(yàn)，然后在此基礎(chǔ)上安排其他的語(yǔ)法分析實(shí)驗(yàn)。這樣在內(nèi)容上也分成了若干層次，更加符合由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由特殊到一般的認(rèn)知規(guī)律，也能夠滿足不同知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力水平的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中都能得到鍛煉提高的目的。
實(shí)驗(yàn)難度的設(shè)計(jì)上應(yīng)該體現(xiàn)出層次性，形成“階梯狀”的難度層次。每個(gè)實(shí)驗(yàn)要求分為基本要求、較高要求和探索性實(shí)驗(yàn)要求三個(gè)層次，基本要求即最低要求，所有學(xué)生都能完成的難度，鼓勵(lì)成績(jī)中上的學(xué)生完成較高要求，采用成績(jī)加分、表?yè)P(yáng)等一些激勵(lì)機(jī)制，提高興趣，為一些學(xué)有余力的同學(xué)準(zhǔn)備探索性實(shí)驗(yàn)。既能讓優(yōu)秀的學(xué)生“吃得飽”，也保證讓所有學(xué)生“吃得了”，避免一部分學(xué)生因缺乏難度挑戰(zhàn)失去興趣而另一部分學(xué)生因門檻太高而無(wú)從下手的情況發(fā)生。比如在“利用自動(dòng)機(jī)識(shí)別無(wú)符號(hào)數(shù)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，基本要求是能夠識(shí)別整數(shù)，較高要求是識(shí)別帶小數(shù)的無(wú)符號(hào)數(shù)，更高要求是能識(shí)別帶指數(shù)形式的無(wú)符號(hào)數(shù)，將這一實(shí)驗(yàn)題目分成三個(gè)層次后，不同學(xué)習(xí)水平的學(xué)生都能夠在一個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)自動(dòng)機(jī)這一重要工具也有了初步認(rèn)識(shí)，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
2.3實(shí)驗(yàn)組織形式的改進(jìn)
在實(shí)驗(yàn)的組織上可以采用協(xié)同式學(xué)習(xí)，以小組為單位，通過教師所提供的實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行分析、討論，明確需要解決問題的方法，經(jīng)過一系列的協(xié)同學(xué)習(xí)活動(dòng)，完成既定的任務(wù)，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。這種組織形式可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和學(xué)生之間的相互交流和相互學(xué)習(xí)。因?yàn)閷W(xué)生之間的年齡相仿、認(rèn)知水平相似，交流起來(lái)會(huì)更加順暢和有效。在這個(gè)過程中能夠提高學(xué)生的參與感，而且通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決困難，會(huì)給學(xué)生更多的積極反饋和成就感。
在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，要便于學(xué)生進(jìn)行協(xié)同工作，具有可操作性和合作性，確保小組中每個(gè)成員的任務(wù)飽滿。在小組分配上，根據(jù)學(xué)生的興趣讓其自由結(jié)合小組，再根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力做適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)學(xué)生的性格特質(zhì)等不同特點(diǎn)讓其在小組中承擔(dān)不同角色，如設(shè)計(jì)人員、開發(fā)人員、文檔撰寫人員以及兼任的匯報(bào)答辯人員等。實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段是協(xié)同模式中最重要的一個(gè)階段，在這個(gè)階段小組要對(duì)下達(dá)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行分析，明確任務(wù)的基本要求，掌握解決問題的方法及需要具備的知識(shí)，在教師的幫助指導(dǎo)下進(jìn)行小組的內(nèi)部分工及職責(zé)的落實(shí)，進(jìn)行協(xié)同學(xué)習(xí)，同時(shí)教師要對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行及時(shí)的檢查和指導(dǎo)，直到最終共同完成小組的任務(wù)。
傳統(tǒng)的獨(dú)立模式的實(shí)驗(yàn)中對(duì)學(xué)生的評(píng)定比較簡(jiǎn)單，根據(jù)個(gè)人的完成情況給出成績(jī)。采用分組式協(xié)同模式后，實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)判要做相應(yīng)的調(diào)整，不僅要考核每個(gè)學(xué)生自己承擔(dān)的任務(wù)完成情況，還要考核小組共同完成情況。考核的內(nèi)容仍然包括程序和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，但除了對(duì)每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成的程序模塊進(jìn)行檢查外，還需要對(duì)小組共同完成的整個(gè)任務(wù)情況進(jìn)行驗(yàn)收，可以采用匯報(bào)和答辯的形式進(jìn)行，每個(gè)小組推選答辯人在面對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，然后接受教師和其他小組的提問并進(jìn)行答辯，最終成績(jī)的評(píng)定除了個(gè)人評(píng)定之外還有小組評(píng)定，對(duì)小組成績(jī)進(jìn)行排序以鼓勵(lì)小組間的競(jìng)爭(zhēng)。
3總結(jié)
為了在編譯原理實(shí)驗(yàn)課中達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)：采用應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的興趣，消除對(duì)課程的認(rèn)識(shí)誤區(qū)；重新設(shè)計(jì)和組織實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更加符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律；采用協(xié)同方式組織實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力。這些改進(jìn)措施已經(jīng)在教學(xué)實(shí)踐中采用，結(jié)果表明有助于降低學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的困難，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。
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