面向航空航天特色新工科的編譯原理教學(xué)改革探索

楊志斌，周 勇，王立松

（南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210016）

0 引言

2017 年2 月以來，教育部基于國家近期的戰(zhàn)略發(fā)展要求，積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，尤其針對工業(yè)軟件、系統(tǒng)軟件、人工智能等方面核心技術(shù)人才需求日益迫切的問題，提出培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才［1］。作為行業(yè)特色鮮明的部屬高校和工科優(yōu)勢高校，聚焦國家發(fā)展戰(zhàn)略，努力探索航空航天特色新工科人才培養(yǎng)體系建設(shè)，培養(yǎng)滿足行業(yè)當(dāng)前與未來發(fā)展需要的高素質(zhì)工程人才，是南京航空航天大學(xué)應(yīng)有的職責(zé)［2］。未來航空電子、航天器等安全關(guān)鍵系統(tǒng)呈現(xiàn)軟件定義化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等發(fā)展趨勢，復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境、多變的任務(wù)需求，給這類系統(tǒng)中的軟件研發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)。通用軟件工程人才不能完全勝任相關(guān)工作，因此目前急需培養(yǎng)面向高安全系統(tǒng)領(lǐng)域的軟件工程專門人才［3］。

編譯原理是軟件工程專業(yè)課程體系中的關(guān)鍵課程。其理論課程內(nèi)容比較抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中需要不斷地建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀，課程設(shè)計(jì)又需要學(xué)生具備較強(qiáng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、編程實(shí)現(xiàn)、測試、文檔撰寫等軟件工程能力，因此學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程會有一定難度。同時，編譯原理課程內(nèi)容十分重要，編譯程序的原理、方法和技術(shù)已廣泛應(yīng)用于一些非編譯系統(tǒng)中。近年來，模型驅(qū)動開發(fā)方法逐漸成為航空航天領(lǐng)域軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的重要手段，其中模型轉(zhuǎn)換、代碼自動生成等技術(shù)都是編譯原理知識的具體應(yīng)用。為此，很多學(xué)者對編譯原理課程教學(xué)進(jìn)行了研究。例如，崔光宇［4］總結(jié)了編譯原理教學(xué)現(xiàn)狀，包括學(xué)生對課程的認(rèn)識模糊、編譯原理理論抽象、算法較為復(fù)雜、程序設(shè)計(jì)要求較高等；孫守卿［5］研究基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的編譯原理課程改革，針對課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、考核形式等給出了相應(yīng)措施；劉兵等［6］根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證對復(fù)雜工程問題解決能力的要求，以Clang+LLVM 作為編譯器實(shí)例化案例，以C++語言作為教學(xué)語言，提出一種適合編譯原理課程的實(shí)例化驅(qū)動混合教學(xué)模式；諶志群等［7］設(shè)計(jì)新工科背景下的編譯原理課程工程案例，提出以工程案例作為課堂教學(xué)與產(chǎn)業(yè)需求之間的結(jié)合點(diǎn)，將課程知識點(diǎn)融入到工程案例中。

相比已有工作，本文主要針對航空航天特色新工科背景下的軟件工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)進(jìn)行思考與探索，以編譯原理課程為例，研究面向航空航天領(lǐng)域軟件工程的科研教學(xué)相互促進(jìn)機(jī)制，提出“將科研引入課堂、將學(xué)生帶出課堂”的教學(xué)改革思路，讓學(xué)生帶著“學(xué)有所用”的心態(tài)去上課，從而提升學(xué)習(xí)興趣；給出面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的編譯原理課程改革方案，凝練與重構(gòu)理論教學(xué)主線，提出兩級課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體系，以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力與軟件工程能力，同時提升其解決復(fù)雜工程問題的能力。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效和反饋，表明課程改革有效提高了教學(xué)質(zhì)量。

1 教學(xué)改革總體目標(biāo)

以解決安全關(guān)鍵領(lǐng)域的軟件高可靠性、高安全性問題為目標(biāo)，通過高安全系統(tǒng)軟件工程學(xué)科人才培養(yǎng)，讓學(xué)生從學(xué)會寫小規(guī)模軟件（Student Software）到學(xué)會寫高質(zhì)量大規(guī)模工業(yè)軟件（Industrial Software），并深刻理解只有在軟件工程理論與技術(shù)方面打下良好基礎(chǔ)，才能有效保障軟件的可靠性和安全性。

作為南京航空航天大學(xué)軟件工程專業(yè)的學(xué)生，需要培養(yǎng)兩個通用能力，即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力和軟件工程能力，如圖1 所示。

首先，目前各課程大多獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施，知識體系規(guī)劃缺乏系統(tǒng)性，使學(xué)生不能很好地建立完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀念［8］。按照教育部計(jì)算機(jī)類指導(dǎo)委員會給出的定義，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力是指理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體性、關(guān)聯(lián)性、層次性、動態(tài)性和開放性，并綜合運(yùn)用多種知識與技術(shù)完成系統(tǒng)開發(fā)的能力。對于本科生而言，主要體現(xiàn)在能夠自主設(shè)計(jì)一個CPU、操作系統(tǒng)（內(nèi)核）或編譯器。其次，當(dāng)學(xué)生編寫小型軟件時，其往往更關(guān)注于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法層面。按照工程教育認(rèn)證、新工科的要求，學(xué)會解決復(fù)雜工程問題成為本科人才培養(yǎng)的一個重要趨勢［9］。華為公司2019 年1 號文曾經(jīng)提出，需全面提升軟件人才的軟件工程實(shí)踐能力，打造可信的高質(zhì)量產(chǎn)品。航空航天特色新工科培養(yǎng)的人才將來要面對的是面向不同領(lǐng)域的大規(guī)模軟件，可能包括百萬行甚至千萬行代碼，尤其針對航空航天領(lǐng)域的大規(guī)模高可靠軟件，此時軟件工程能力成為一種重要而又通用的能力。

Fig.1 Computer system ability and software engineering ability training for emerging engineering圖1 面向新工科的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力與軟件工程能力培養(yǎng)

編譯原理是軟件工程專業(yè)的重要課程，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生需要具備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀及較強(qiáng)的軟件工程能力，才能解決復(fù)雜的工程問題［10］。筆者在安全關(guān)鍵軟件系統(tǒng)開發(fā)與驗(yàn)證技術(shù)研究中大量使用了編譯原理相關(guān)技術(shù)，因此在具體教學(xué)過程中使課題組的科學(xué)研究與教學(xué)相互促進(jìn)，讓學(xué)生帶著“學(xué)有所用”的心態(tài)去上課，令其學(xué)習(xí)興趣更加濃厚。同時，通過把書本知識與科研實(shí)踐進(jìn)行對比，可提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。另外，凝練與重構(gòu)理論教學(xué)主線，提出兩級課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體系，以鍛煉學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力與軟件工程能力。

2 科研教學(xué)相促改革實(shí)踐

一流的科學(xué)研究與一流的教學(xué)教育是“雙一流”建設(shè)的重要基石，依賴于高水平的科研及教學(xué)創(chuàng)新能力。在教學(xué)實(shí)踐過程中，本文圍繞教學(xué)改革目標(biāo)，實(shí)施“將科研引入課堂、將學(xué)生帶出課堂”的對策，讓學(xué)生感受到“枯燥”“難度大”的編譯原理知識在航空航天領(lǐng)域軟件工程研究或系統(tǒng)開發(fā)中的重要應(yīng)用，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果。

（1）引入機(jī)制方面。課題組研究涉及模型驅(qū)動開發(fā)、形式化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、代碼自動生成、逆向工程、安全關(guān)鍵智能軟件建模與驗(yàn)證等，編譯原理課程中的形式語言、自動機(jī)、編譯過程、編譯優(yōu)化等知識是課題組研究的重要基礎(chǔ)。筆者將自己的研究方法及研究思維方式引入教學(xué)中，訓(xùn)練學(xué)生的科研思維能力。例如，在講解運(yùn)行時存儲空間組織與優(yōu)化技術(shù)時，讓學(xué)生了解時間可預(yù)測多核處理器以及多線程程序分析等方面的研究。每一章都會進(jìn)行總結(jié)，包括基本知識及外延知識。

在實(shí)際教學(xué)過程中，適度調(diào)整理論課程教學(xué)內(nèi)容，減少已有課程中的冗余內(nèi)容，在課程中增加模型驅(qū)動、高安全軟件設(shè)計(jì)等新研究進(jìn)展，并邀請國內(nèi)航空航天研究所的工程師及法國教授到學(xué)校進(jìn)行授課。尤其是在學(xué)期末通過沙龍形式總結(jié)編譯原理課程中實(shí)行的科研與教學(xué)相促機(jī)制的探索，介紹課題組研制的安全關(guān)鍵軟件形式化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證系統(tǒng)（10 萬行代碼規(guī)模）及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，簡要分析系統(tǒng)中使用的編譯技術(shù)，讓學(xué)生體會到編譯原理知識在工程研究或系統(tǒng)開發(fā)中的重要應(yīng)用。

（2）帶出機(jī)制方面。首先，構(gòu)建本科生新型導(dǎo)師制，切實(shí)構(gòu)建本科生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室及參與導(dǎo)師科研項(xiàng)目的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)組建機(jī)制、學(xué)術(shù)指導(dǎo)機(jī)制、激勵評價機(jī)制，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和工程實(shí)踐能力。同時依托“高安全系統(tǒng)的軟件開發(fā)與驗(yàn)證技術(shù)”工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立了安全軟件小組。近5 年來，已有30 余名優(yōu)秀本科生在學(xué)習(xí)編譯原理課程的同時參與到課題組科研中，共參加了國家自然科學(xué)基金、國防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目、裝發(fā)重大項(xiàng)目子課題、江蘇省自然科學(xué)基金等課題的研究，并基于項(xiàng)目研究組隊(duì)參加校級科創(chuàng)競賽，起到了切實(shí)的教學(xué)與科研相互促進(jìn)的效果。

其次，由于課題組項(xiàng)目大多是與航空航天研究所聯(lián)合申請并共同完成的，因此學(xué)校進(jìn)一步探索企業(yè)導(dǎo)師的教學(xué)方式。到課題組參與科研的本科生中，有15 位學(xué)生在企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下，到航天804 所、航天706 所、航空631 所等單位進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)習(xí)與交流。

學(xué)生們都感受到從編譯原理課程理論學(xué)習(xí)到進(jìn)入課題組參與實(shí)際科研項(xiàng)目，知識銜接比較順暢，學(xué)有所用，同時又在課題中擴(kuò)展了視野。

3 面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的教學(xué)改革實(shí)踐

為了在編譯原理課程教學(xué)中實(shí)踐“科研教學(xué)相互促進(jìn)”的教學(xué)理念，本文在編譯原理理論教學(xué)與課程設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了改革。

3.1 課程理論教學(xué)

在理論教學(xué)過程中，主要從4 個方面進(jìn)行教學(xué)優(yōu)化：

（1）凝練與重構(gòu)教學(xué)主線。在理論層面，分為語言定義（正規(guī)文法、上下文無關(guān)文法、中間語言、目標(biāo)語言）和機(jī)器識別（有限自動機(jī)識別詞法、下推自動機(jī)識別語法、虛擬機(jī)執(zhí)行中間語言、CPU 執(zhí)行目標(biāo)語言）兩個層次；在編譯程序?qū)崿F(xiàn)層面，與理論知識對應(yīng)，通過程序?qū)崿F(xiàn)的方式逐步實(shí)現(xiàn)文法定義、詞法分析、語法分析、語義分析、中間程序生成、目標(biāo)程序生成等編譯步驟，并在最終的課程設(shè)計(jì)中構(gòu)造一個完整的編譯器，使學(xué)生清晰了解編譯理論與實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

（2）開闊學(xué)生視野。在授課過程中介紹編譯原理知識與主流編譯器的對照，如VC、GCC、LLVM、Clang 等，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（3）強(qiáng)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)思維。梳理編譯原理與程序設(shè)計(jì)、匯編語言、計(jì)算機(jī)硬件（尤其是存儲、多核處理器）、操作系統(tǒng)等課程之間的有機(jī)聯(lián)系。

（4）突出編譯原理在軟件工程，尤其是航空航天領(lǐng)域軟件工程中的應(yīng)用。編譯原理與技術(shù)是模型驅(qū)動開發(fā)方法、模型轉(zhuǎn)換的重要基礎(chǔ)，并擴(kuò)展介紹程序語言的形式語義、編譯器驗(yàn)證等知識。

3.2 課程設(shè)計(jì)

編譯原理課程設(shè)計(jì)主要培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，遵循建構(gòu)主義學(xué)習(xí)論。編譯原理課程采用兩級實(shí)驗(yàn)體系，如表1 所示。

Table 1 Experiments framework of the compiler principles course表1 編譯原理實(shí)驗(yàn)體系

（1）在理論知識學(xué)習(xí)過程中，根據(jù)課程進(jìn)度逐步實(shí)現(xiàn)文法定義、詞法分析、語法分析、語義分析、中間程序生成、目標(biāo)程序生成等編譯步驟，并在課程設(shè)計(jì)中構(gòu)造一個完整的編譯器。其中，詞法分析中的正規(guī)文法與非確定有限自動機(jī)的等價轉(zhuǎn)換、非確定有限自動機(jī)的確定化與最小化，以及語法分析中的自上而下分析LL（1）和自下而上分析LR（0）、SLR（1）必須實(shí)現(xiàn)，其它算法學(xué)生可根據(jù)自己興趣進(jìn)行選擇。平時的編譯模塊實(shí)現(xiàn)過程主要是幫助學(xué)生進(jìn)行理論學(xué)習(xí)，加深對理論知識的理解。

（2）在最后的課程設(shè)計(jì)中，使學(xué)生對編譯過程有比較完整的認(rèn)識，能夠快速地對整個編譯程序進(jìn)行重構(gòu)、改進(jìn)、優(yōu)化與測試，進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、答辯表達(dá)、文檔撰寫等能力。

兩級實(shí)驗(yàn)體系體現(xiàn)了理論課程與課程設(shè)計(jì)之間的緊密聯(lián)系。第一級實(shí)驗(yàn)主要是在理論課授課過程中，學(xué)生逐步動手實(shí)現(xiàn)編譯過程中的關(guān)鍵算法，第二級實(shí)驗(yàn)是在前者的基礎(chǔ)上，完成編譯器的架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化與測試。

針對復(fù)雜工程能力培養(yǎng)問題，一方面，編譯器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本身就是一個復(fù)雜的工程問題，通過課程設(shè)計(jì)，學(xué)生逐漸體會使用軟件工程化思想進(jìn)行編譯器實(shí)現(xiàn)；另一方面，在編譯器代碼優(yōu)化與測試階段，給學(xué)生講解軟件安全性、可靠性在航空航天領(lǐng)域的重要性，代碼優(yōu)化、嚴(yán)格測試及編譯器驗(yàn)證等工作都是提高航空航天軟件質(zhì)量的有效手段。

4 教學(xué)改革結(jié)果反饋

通過連續(xù)5 年在南京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院軟件工程專業(yè)的編譯原理課程中實(shí)施教學(xué)改革，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)成效與學(xué)習(xí)反饋，表明教學(xué)改革很好地提高了教學(xué)質(zhì)量。以2020 年度為例，如表2、表3 所示，編譯原理理論考試80 分以上的人數(shù)占比為67.2%，且“工程知識”和“問題分析”的畢業(yè)要求達(dá)成度分別為0.755 269 和0.830 24。

Table 2 Statistical data of the scores of compiler principles（2020）表2 2020 年軟件工程專業(yè)編譯原理課程成績統(tǒng)計(jì)

Table 3 Achieved degree of the compiler principles course（2020）表3 2020 年軟件工程專業(yè)編譯原理課程達(dá)成度分析

每一學(xué)年都會收集學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，用于持續(xù)改進(jìn)教學(xué)。學(xué)生的主要反饋內(nèi)容包括：在循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過程中將編譯原理知識一點(diǎn)點(diǎn)融會貫通，由零化整，逐步了解編譯具體過程并具備了構(gòu)造一個簡單編譯器的能力；通過每一章的作業(yè)對課堂上學(xué)到的知識進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固，更加深入地理解了編譯原理；通過平時的實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，將在其它課程上學(xué)到的知識（如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成原理等）聯(lián)系起來，親自動手編程，鍛煉了自己的系統(tǒng)開發(fā)能力；通過編譯原理課程的學(xué)習(xí)，感受到了編譯的重要性和培養(yǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力對一個軟件工程專業(yè)學(xué)生的必要性；學(xué)術(shù)沙龍以及到課題組參與科研的形式，有助于了解編譯理論知識在科研中的實(shí)際應(yīng)用，學(xué)以致用才能學(xué)得更好。

5 結(jié)語

本文以航空航天特色新工科背景下軟件工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，以編譯原理課程為例，研究面向航空航天領(lǐng)域軟件工程的科研教學(xué)相促機(jī)制，實(shí)施“將科研引入課堂、將學(xué)生帶出課堂”的教學(xué)改革思路，讓學(xué)生帶著“學(xué)有所用”的心態(tài)去上課，令其學(xué)習(xí)興趣更加濃厚；開展面向復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的編譯原理課程改革，凝練與重構(gòu)理論教學(xué)主線，提出兩級課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)體系，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力與軟件工程能力，從而提升其解決復(fù)雜工程問題的能力。根據(jù)學(xué)生成績與學(xué)習(xí)反饋，表明課程改革有效提高了教學(xué)質(zhì)量。本文提出的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)雖然以軟件工程學(xué)科的編譯原理課程為例，但在一定程度上也適合于其它課程及其它學(xué)科。