基于教育心理學(xué)的編譯原理課程教學(xué)方法

周汝雁　韓彥嶺　張明華　于慶梅　徐利軍

摘要：針對(duì)編譯原理課程的特點(diǎn)、課程目標(biāo)定位及普遍存在的問題，提出采用人本主義教學(xué)理論和構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論作為指導(dǎo)，通過問題導(dǎo)入和興趣激發(fā)的教學(xué)方法，在提高學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和探究性，發(fā)揮學(xué)習(xí)潛能，學(xué)生學(xué)習(xí)能力和專業(yè)能力培養(yǎng)等方面提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：編譯原理；教學(xué)方法；教育心理學(xué)；人本主義教學(xué)理論；構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論

1、編譯原理的課程目標(biāo)定位及存在問題

編譯原理的課程目標(biāo)定位是讓學(xué)生掌握和理解編譯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作流程以及編譯程序各組成部分的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，從而掌握分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)編譯系統(tǒng)的能力?；谠撜n程目標(biāo)，編譯原理課程的教學(xué)方法一般都是以編譯器原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的講授為主，以簡(jiǎn)單算法設(shè)計(jì)強(qiáng)化對(duì)原理的理解；課程實(shí)驗(yàn)則是通過編譯器分解編程，最終組合完成一個(gè)簡(jiǎn)單的編譯器，或擴(kuò)充一個(gè)簡(jiǎn)單的編譯器。編譯原理是一門理論深度和實(shí)踐要求并重的課程。在學(xué)習(xí)過程中，許多抽象模型、概念和算法學(xué)生難以理解，而構(gòu)造一個(gè)完整編譯器也具有一定挑戰(zhàn)性，學(xué)生容易產(chǎn)生畏難心理，再加上感覺自己將來參與編譯程序開發(fā)工作的可能性不大，學(xué)習(xí)的興趣和積極性不高。由于課程學(xué)習(xí)確實(shí)存在一定的難度，一直是計(jì)算機(jī)專業(yè)中公認(rèn)的難教、難學(xué)課程之一。

2、人本主義教學(xué)理論指導(dǎo)下，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)習(xí)潛能

人本主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)生都具有學(xué)習(xí)的愿望和潛能，在好奇心的驅(qū)使下，在合適的環(huán)境條件下，會(huì)自覺吸收有趣和需要的知識(shí)，當(dāng)學(xué)生了解到學(xué)習(xí)內(nèi)容與自身需要相關(guān)時(shí)，學(xué)習(xí)的積極性更容易激發(fā)；人本主義理論強(qiáng)調(diào)教學(xué)的目標(biāo)在于學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)和促進(jìn)學(xué)習(xí)；認(rèn)為學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)的核心，教師的責(zé)任是協(xié)助學(xué)生最大限度地發(fā)展自己的潛能，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的手段，而如何學(xué)習(xí)則應(yīng)當(dāng)由學(xué)生自己決定，教師扮演的是促進(jìn)者、幫助者、輔助者、合作者的角色。人本主義的課堂教學(xué)模式包括：以題目為中心的課堂討論模型、開放教室的教學(xué)模型、自由學(xué)習(xí)的教學(xué)模型。

在人本主義教學(xué)理論指導(dǎo)下，在本課程的第1節(jié)課上，通過課堂討論及網(wǎng)絡(luò)查找的方式，讓學(xué)生明確編譯原理是怎樣一門課程，主要學(xué)習(xí)哪些知識(shí)，需要用到以前學(xué)到的哪些知識(shí)，編譯原理是否只是講如何編寫編譯器的課程，除編譯器外還有哪些其他應(yīng)用等。讓學(xué)生了解編譯原理課程以介紹程序設(shè)計(jì)語言編譯程序構(gòu)造的基本原理和設(shè)計(jì)方法為教學(xué)目標(biāo)，是一門理論性、實(shí)踐性、技術(shù)性很強(qiáng)的課程，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合。引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地將以往所學(xué)的多門課程的知識(shí)應(yīng)用到本課程中，并讓學(xué)生了解本課程技術(shù)在除編譯器之外的多種應(yīng)用，讓學(xué)生了解編譯技術(shù)在計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息處理、語言和文字處理、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、并行處理等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，將編譯技術(shù)與自己感興趣的研究領(lǐng)域緊密結(jié)合起來，對(duì)編譯原理課程產(chǎn)生興趣。

在第一節(jié)課后布置編寫詞法分析器的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生自主選擇完成過程，可以在詞法分析理論課之前，按3人一組完成實(shí)驗(yàn)，能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)且方法正確的小組可以不再聽詞法分析的理論課，自由安排上課時(shí)間；也可以選擇聽課，在詞法分析授課結(jié)束后完成實(shí)驗(yàn)。采用此方式后大多數(shù)學(xué)生都會(huì)嘗試自主學(xué)習(xí)完成詞法分析器項(xiàng)目，但絕大多數(shù)學(xué)生會(huì)遇到各種問題，而且由于編寫詞法分析器的方法不止一種，在驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)和跟學(xué)生的探討過程和問題解答過程中，學(xué)生就會(huì)覺得還有必要再系統(tǒng)全面地聽課，而且聽課時(shí)非常有目的和針對(duì)性，并且能體會(huì)和總結(jié)出小組和自身在完成實(shí)驗(yàn)過程中的能力和存在的問題，因此采用此方法不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，還能夠充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的作用。

為了顧及學(xué)生程度差別，降低部分學(xué)生自主學(xué)習(xí)的難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)的興趣，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目題目的設(shè)計(jì)不僅有難有易、有選擇性，并且最好具有啟發(fā)性和相關(guān)性。如在詞法分析器（掃描器）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，我們?cè)O(shè)計(jì)了從最簡(jiǎn)單的正規(guī)式r=（a|b）*aa（+1-）1描述語言L（r）的掃描器的構(gòu)造，到網(wǎng)絡(luò)信箱地址正確性檢查，到文本編輯器的單詞正確性檢查和重復(fù)性檢查、XML文檔分析等。題目有難有易，有不同領(lǐng)域的應(yīng)用，學(xué)生可以根據(jù)程度選擇自己感興趣的題目。

詞法分析器相關(guān)的原理和技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，學(xué)生便不會(huì)在上課之初就產(chǎn)生畏難心理，在后續(xù)課程中和構(gòu)造語法分析器、語義分析器和優(yōu)化器的實(shí)驗(yàn)過程相似，也可以收到很好的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3、認(rèn)知理論及構(gòu)建主義學(xué)習(xí)原理指導(dǎo)下，“問題”導(dǎo)入，循序漸進(jìn)，深入理解課程內(nèi)容

認(rèn)知理論認(rèn)為人腦是一個(gè)信息加工系統(tǒng)，當(dāng)人處于清醒狀態(tài)時(shí)，不斷地對(duì)來自外部環(huán)境的刺激信息進(jìn)行加工處理，認(rèn)知心理學(xué)有關(guān)信息加工的觀點(diǎn)認(rèn)為：?jiǎn)栴}解決在信息加工過程中占有非常重要的作用。認(rèn)知理論在教育中的應(yīng)用形成了構(gòu)建主義學(xué)習(xí)觀，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀的提出人布魯納認(rèn)為如果學(xué)習(xí)者能主動(dòng)構(gòu)建自己的理解，學(xué)習(xí)將更有力度；學(xué)習(xí)者的認(rèn)知發(fā)展水平或先前的知識(shí)對(duì)新的學(xué)習(xí)起到非常重要的作用，教師應(yīng)當(dāng)幫助學(xué)生將之前的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)與新的更抽象的或符號(hào)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來。

隨著以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，隨著腦科學(xué)有關(guān)人的高級(jí)認(rèn)知機(jī)制研究成果的呈現(xiàn)，當(dāng)代教學(xué)理論中基于情境認(rèn)知與情境學(xué)習(xí)的理論研究和實(shí)踐模式的開發(fā)正受到越來越多研究者的關(guān)注和教育工作者的重視。情境學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)情境的極端重要性，重視主動(dòng)探索操作與經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)互動(dòng)參與和分享，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者從邊緣參與到核心參與的文化適應(yīng)過程。當(dāng)前常見的情境學(xué)習(xí)理論的應(yīng)用形式是基于問題的學(xué)習(xí)，也被稱為拋錨式教學(xué)。它強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，但更側(cè)重于給學(xué)生提供有意義的現(xiàn)實(shí)問題，并要求學(xué)生以合作探究的方式來共同尋找解決方案。

基于問題的課堂教學(xué)方法在教學(xué)實(shí)施過程中，教師采用以下幾個(gè)步驟協(xié)助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)：①提出問題；②引導(dǎo)學(xué)生了解問題；③組織并協(xié)助學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和小組探討；④形成個(gè)人思想并進(jìn)行小組交流；⑤教師分析和評(píng)估問題，并進(jìn)行補(bǔ)充講解。我們通過問題設(shè)置和課程的精心設(shè)計(jì)，讓學(xué)生明確每節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并通過問題進(jìn)行課程銜接，讓學(xué)生循序漸進(jìn)更好地理解和掌握編譯技術(shù)的主要理論基礎(chǔ)。例如，在講解通過狀態(tài)圖代碼化構(gòu)造詞法分析程序時(shí)，先提出如下問題：①正則表達(dá)式可以對(duì)什么進(jìn)行描述？②NFA是做什么用的？③用什么方法可以把正則表達(dá)式轉(zhuǎn)換成等價(jià)的NFA？④DFA與NFA的區(qū)別是什么？⑤用什么方法可以將NFA確定化為DFA？⑥為何要最小化DFA？如何最小化？⑦如何將狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換為代碼？讓學(xué)生分組學(xué)習(xí)和討論，一個(gè)小組提問其他組回答的方式進(jìn)行課堂教學(xué)，學(xué)生通常能正確地給出簡(jiǎn)潔概括性的答案，但不能給出具體的解決過程，這樣教師再對(duì)解決步驟進(jìn)行詳細(xì)講解，學(xué)生就會(huì)非常準(zhǔn)確而且牢固地掌握相關(guān)知識(shí)。學(xué)生在這些問題的解答過程中會(huì)自然而然地將以上問題中的正則表達(dá)式、NFA、DFA與詞法分析程序構(gòu)造有機(jī)聯(lián)系起來：正則表達(dá)式→NFA→DFA→最小化DFA→代碼，能夠使用正則表達(dá)式對(duì)程序設(shè)計(jì)語言詞法單元的模式進(jìn)行描述、用Thompson結(jié)構(gòu)法能將正則表達(dá)式轉(zhuǎn)換成等價(jià)的NFA、用子集法能將NFA確定化為DFA、將DFA最小化可簡(jiǎn)化程序代碼，從而理解和掌握詞法分析程序構(gòu)造技術(shù)和過程。endprint

語法分析需要掌握上下文無關(guān)文法及其設(shè)計(jì)，然后掌握語法分析技術(shù)，其中自頂向下的語法分析或自底向上的語法分析方法的劃分都較容易理解和接受，自頂向下的語法分析中的手工構(gòu)造LL（1）分析器的方法中涉及文法約束條件和分析表的構(gòu)造，比較繁瑣，較難理解。我們?cè)O(shè)計(jì)了如下問題引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)：①含有左公因子的文法在編程時(shí)會(huì)引起什么問題？②含有左遞歸的文法在編程時(shí)會(huì)引起什么問題？③怎樣的文法是LL（1）文法？④FIRST集和FOLLOW集的作用是什么？如何計(jì)算？⑤分析表如何構(gòu)造？通過對(duì)這些題目的探討和講解，學(xué)生就能夠理解構(gòu)造無回溯的自頂向下的語法分析器，要求文法必須是LL（1）文法；凡是含有左公因子的文法會(huì)造成程序的回溯，而含有左遞歸的文法會(huì)造成程序的死循環(huán)，通過消除左遞歸、提取左公因子大部分非LL（1）文法可以改寫為L(zhǎng)L（1）文法；文法中產(chǎn)生式A→a，在分析表構(gòu)造中的填寫的位置取決于FIRST（a），當(dāng)FIRST（A）含8時(shí)，還取決于FOLLOW（A）。在上述問題的探究和理解過程中，學(xué)生會(huì)將以上問題有機(jī)聯(lián)系起來形成手工構(gòu)造LL（1）分析程序的方法和步驟為：消除左遞歸并提取左公因子、FIRST集和FOLLOW集的構(gòu)造和LL（1）分析表的構(gòu)造。

盡管在授課中采用的課堂形式不盡相同，但基于問題的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)和問題的解決都是圍繞疑問、案例或方案組織，隨著問題的展開和問題解決不斷出現(xiàn)進(jìn)展，可以較好地輔助學(xué)生的學(xué)習(xí)。在語法制導(dǎo)翻譯、目標(biāo)代碼生成和優(yōu)化等課堂教學(xué)中采用基于問題的課堂教學(xué)方法也取得了很好的教學(xué)效果。

在采用問題導(dǎo)入的教學(xué)方式時(shí)，課堂提出的問題要精心設(shè)計(jì)，構(gòu)思巧妙的問題能夠激發(fā)學(xué)生的思考，啟發(fā)學(xué)生的探索和發(fā)現(xiàn)，從而獲得知識(shí)。為了達(dá)到最佳教學(xué)效果，在問題的提出上注重考慮了以下兩點(diǎn)：第一，在設(shè)計(jì)問題時(shí)力求精練適當(dāng)。所提問題需是重點(diǎn)、難點(diǎn)，能引起疑問和爭(zhēng)議，避免太難學(xué)生無法解答，也不能太易學(xué)生無需思考和探究。第二，設(shè)計(jì)問題具備有序性、相關(guān)性和啟發(fā)性，由于編譯程序的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大的系統(tǒng)工程，相關(guān)技術(shù)即便是分解成多個(gè)階段，每一部分內(nèi)容包含的概念、原理和算法依然比較多，具有多學(xué)科聚焦的特點(diǎn)，因此提出的問題要具備有序性、相關(guān)性和啟發(fā)性，不僅能貫穿前后知識(shí)點(diǎn)，起到主線的作用，還要通過問題的探究由表象到本質(zhì)、由已知到未知，讓學(xué)生掌握相關(guān)原理和技術(shù)。

4、結(jié)語

根據(jù)編譯原理課程理論性強(qiáng)、抽象性高、邏輯思維嚴(yán)密、算法復(fù)雜度大，學(xué)生畏難、理解困難的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中采用人本主義教學(xué)理論和認(rèn)知理論及構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論作為指導(dǎo)，在充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的前提下，通過問題導(dǎo)人的教學(xué)方法，結(jié)合不同形式的教學(xué)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生自由、積極主動(dòng)地參與到學(xué)習(xí)過程中，在更深層次上提升了學(xué)生的計(jì)算機(jī)專業(yè)素養(yǎng)。endprint