OBE模式在編譯原理課程中的實(shí)踐探索

2018-07-21 06:11:12姚衛(wèi)紅任健康

計(jì)算機(jī)教育 2018年7期

畢冉，姚衛(wèi)紅，任健康，劉倩

（大連理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

2016年6月2日國際工程聯(lián)盟大會(huì)全票通過了中國的轉(zhuǎn)正申請(qǐng)，中國成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議的正式會(huì)員。以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向（outcome-based education, OBE）、持續(xù)改進(jìn)是工程教育專業(yè)認(rèn)證推行的三大教育理念。它主張根據(jù)社會(huì)和行業(yè)需求，逆向制訂專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，建立畢業(yè)能力達(dá)成度的評(píng)價(jià)體系，并將評(píng)價(jià)結(jié)果用于該專業(yè)培養(yǎng)的持續(xù)改進(jìn)。OBE教育理念聚焦于工程背景，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，其特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)產(chǎn)出結(jié)果[1-2]。編譯原理是為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握編譯程序的構(gòu)造體系和基本原理，課程致力于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識(shí)掌握編譯器的設(shè)計(jì)方法，奠定解決工程問題的基礎(chǔ)。該課程具有較強(qiáng)的理論性，課程涉及的數(shù)學(xué)模型較抽象，學(xué)生不易理解，學(xué)習(xí)熱情不高[3]。因此，編譯原理作為理論性和實(shí)踐性要求均較強(qiáng)的一門綜合課程，如何高效地組織理論教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)面向產(chǎn)出提高解決復(fù)雜工程問題的能力，是值得探討和解決的關(guān)鍵問題。

1 課程培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)畢業(yè)要求的支撐關(guān)系

與中國工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)全面對(duì)接，畢業(yè)要求應(yīng)涵蓋工程知識(shí)、問題分析、設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方法等12個(gè)方面。編譯原理課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的必修課程之一，所含內(nèi)容既有抽象的數(shù)學(xué)問題，又有較強(qiáng)的理論支撐，涉及問題抽象、基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)3個(gè)形態(tài)[4]?！熬幾g”是將高級(jí)語言描述的程序變換成與之等價(jià)的另一種語言（面向硬件）表達(dá)的程序，在編譯程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，運(yùn)用了很多計(jì)算機(jī)學(xué)科的基本技術(shù)、原理和方法[5]。綜上分析，在面向產(chǎn)出的教育模式中該課程主要支撐以下2個(gè)畢業(yè)要求。

（1）工程知識(shí)：能夠?qū)?shù)學(xué)知識(shí)、自然科學(xué)知識(shí)、工程基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)用于解決計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。

（2）問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜計(jì)算機(jī)工程及其相關(guān)領(lǐng)域的問題，以獲得有效結(jié)論。

扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和工程知識(shí)是解決復(fù)雜工程問題、保證畢業(yè)生研究潛力和創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。這2項(xiàng)通用畢業(yè)要求由專業(yè)課程、專業(yè)實(shí)踐課程和大類平臺(tái)課程等教學(xué)環(huán)節(jié)支撐，通過平時(shí)作業(yè)、書面考試或提交報(bào)告的形式考核，以2年為一個(gè)評(píng)價(jià)周期進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體畢業(yè)要求指標(biāo)分解如下：

（1）能夠?qū)?shù)學(xué)與自然科學(xué)的基本概念運(yùn)用到工程問題的恰當(dāng)表述中（H）。

（2）能夠根據(jù)所學(xué)科學(xué)知識(shí)的基本原理識(shí)別和表達(dá)復(fù)雜計(jì)算機(jī)工程及其相關(guān)領(lǐng)域問題（M）。

（3）能夠正確表述一個(gè)工程問題解決方案并獲得有效結(jié)論（M）。

其中，H表示編譯原理課程對(duì)該指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的畢業(yè)能力為高支撐；M表示該課程對(duì)該指標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的畢業(yè)能力為中支撐。

2 課程教學(xué)改革

編譯原理課程的知識(shí)體系一般由詞法分析、語法分析、語義分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生產(chǎn)以及存儲(chǔ)空間管理和錯(cuò)誤處理幾個(gè)章節(jié)組成。上述章節(jié)中，最難理解的部分是詞法分析和語法分析。該課程的各部分內(nèi)容抽象繁雜，理論性較強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該課程缺乏信心，降低了學(xué)習(xí)興趣[6-7]。在課程實(shí)踐過程中，學(xué)生感覺其中的原理晦澀難懂，不知為何而學(xué)、不知用于何處等，很難找到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)一步關(guān)聯(lián)和理解。針對(duì)上述問題，可以進(jìn)行如下幾方面的改革。

1）理論課程定位。

課程教學(xué)目標(biāo)為：學(xué)生通過本課程學(xué)習(xí)編譯原理基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論知識(shí)，掌握扎實(shí)的本專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論知識(shí)，對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求（1）；掌握程序變換基本概念、問題描述和處理方法，培養(yǎng)“問題、形式化描述、計(jì)算機(jī)化”問題求解典型過程，培養(yǎng)計(jì)算思維能力[4]，對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求（2）；理解并熟練掌握詞法分析程序的數(shù)學(xué)模型—有窮狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，掌握自頂向下及自底向上的語法分析方法，理解語法制導(dǎo)翻譯的實(shí)現(xiàn)思想，并具有設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、分析和維護(hù)編譯程序等方面的能力，對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求（3）。最終配合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生具有能夠簡單設(shè)計(jì)編譯程序的能力。在系統(tǒng)級(jí)上再認(rèn)識(shí)程序和算法，提升計(jì)算機(jī)問題求解的水平，增強(qiáng)系統(tǒng)能力，體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的樂趣。

2）實(shí)驗(yàn)課程定位與項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

與理論教學(xué)緊密結(jié)合，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練，加深對(duì)理論知識(shí)的進(jìn)一步理解，把抽象的知識(shí)轉(zhuǎn)化為與實(shí)際相結(jié)合的具體運(yùn)用，使學(xué)生能夠掌握一些常用詞法分析和語法分析的基本設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、分析問題和解決問題的能力。主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)如下：

（1）掌握文法及其所描述的語言（源語言定義）。

（2）對(duì)PL/0語言或自定義語言（如C—子集）完成詞法分析器，主要包括編制一個(gè)能夠分析數(shù)字、標(biāo)識(shí)符、主要運(yùn)算符和主要關(guān)鍵字的詞法分析程序。有能力的學(xué)生可適當(dāng)擴(kuò)充語言定義，如增加數(shù)據(jù)類型、增加for語句、增加函數(shù)調(diào)用等。

（3）掌握計(jì)算機(jī)語言的語法分析程序設(shè)計(jì)（與屬性文法）的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)能進(jìn)行語法分析（并生成三地址代碼，如四元式碼）的編譯程序。

（4）掌握解釋程序的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)中間代碼解釋器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)能對(duì)前述所生成的中間代碼進(jìn)行解釋執(zhí)行的程序。

（5）書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并給出正確和錯(cuò)誤的測(cè)試用例。

3 課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)

目前編譯原理教學(xué)效果的評(píng)價(jià)主要由兩部分組成：一是學(xué)生的考試，考試成績由平時(shí)作業(yè)成績、測(cè)驗(yàn)成績以及期末考試成績組成，這是對(duì)學(xué)生成績的評(píng)定；二是教務(wù)處組織的對(duì)教師教學(xué)效果的評(píng)價(jià)。此外，還應(yīng)建立以產(chǎn)出為導(dǎo)向的課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)，根據(jù)每年的達(dá)成度結(jié)果對(duì)課程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。編譯原理為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的專業(yè)基礎(chǔ)類課程，對(duì)應(yīng)畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)分別為（1）、（2）和（3）。其中，（1）是對(duì)畢業(yè)能力的強(qiáng)支撐，（2）和（3）是對(duì)畢業(yè)能力的中支撐，以試卷、作業(yè)和平時(shí)測(cè)驗(yàn)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，以學(xué)期考試作為評(píng)價(jià)方式，以課堂講授、課后作業(yè)和學(xué)期考試作為達(dá)成途徑。近兩年考題與畢業(yè)能力達(dá)成關(guān)系見表1。

近兩年的課程達(dá)成度見圖1，在進(jìn)行達(dá)成度評(píng)價(jià)過程中，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)存在的問題是：目標(biāo)（1）相關(guān)的工程基礎(chǔ)知識(shí)掌握較好，而（2）相關(guān)的問題表達(dá)能力和（3）相關(guān)的復(fù)雜計(jì)算機(jī)工程解決能力較弱。

該課程是偏理論的計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)方式有別于一般課程，學(xué)生需要一定的適應(yīng)期。目前的理論課程和實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容設(shè)置與最新的學(xué)科發(fā)展和學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)不適應(yīng)，主要體現(xiàn)在：①注重原理性的知識(shí)，缺乏工程性的方法；②注重分析式的教學(xué)，缺乏系統(tǒng)性的實(shí)踐與創(chuàng)新。鑒于2015年的達(dá)成度指標(biāo)，2016年秋季學(xué)期開始著力解決以上問題，主要采取了如下途徑：在教學(xué)模式上，提出了面向工程的編譯原理教學(xué)模式，構(gòu)思“工程牽引—問題驅(qū)動(dòng)—分析引入—學(xué)用結(jié)合”教學(xué)法，建立“應(yīng)用—問題—分析—?dú)w納”的教學(xué)模式。

表1 近兩年考題與畢業(yè)能力達(dá)成關(guān)系表

圖1 近兩年考題與畢業(yè)能力達(dá)成度對(duì)比圖示

實(shí)現(xiàn)問題牽引式教學(xué)，改變重理論弱應(yīng)用、重分析少歸納的狀況，提升學(xué)生對(duì)問題的抽象能力和分析能力。例如，在引入NFA(不確定的有窮自動(dòng)機(jī))實(shí)例時(shí)，為學(xué)生講解NFA是如何識(shí)別非負(fù)偶整數(shù)的。對(duì)于給定的整數(shù)，圖2給出的NFA似乎具有“智能”，對(duì)于給定的非負(fù)偶數(shù)，給出的NFA總能“自適應(yīng)地”找到到達(dá)終態(tài)的路徑。然而，這種智能導(dǎo)致不能夠依據(jù)NFA設(shè)計(jì)確定的程序?qū)崿F(xiàn)非負(fù)偶數(shù)的識(shí)別。NFA的不確定性使FA的設(shè)計(jì)變得簡單，然而這種不確定性導(dǎo)致NFA的程序化變得不可能。因此，要將NFA確定化，轉(zhuǎn)化為與其等價(jià)的DFA。最終，根據(jù)DFA設(shè)計(jì)能夠識(shí)別非負(fù)偶數(shù)的算法并實(shí)現(xiàn)。在講解DFA時(shí)，會(huì)通過更多的實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)每個(gè)DFA都對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的算法，可用于解決一類問題。問題牽引教學(xué)方式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升自我思考的能力，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的樂趣。

圖2 識(shí)別非負(fù)偶整數(shù)NFA圖示

例如，在LR文法分析引入過程中，可以先給出指定語句的語法分析樹；其次，在語法樹上給出LR分析的過程，逐步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)LR分析的本質(zhì)，即找到句柄，最后，在當(dāng)前語法樹上標(biāo)記出何為最左直接短語（句柄）。這種以實(shí)例為引入的教學(xué)方式使學(xué)生從被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)思考，提高創(chuàng)新和問題解決能力[6]。此外，在課堂作業(yè)中適當(dāng)增加工程實(shí)際問題的討論與分析，能提升學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)熱情。

4 結(jié) 語