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摘要:编译原理是计算机科学及相关专业的一门重要的专业基础课。但是长期以来,编译原理教学中存在学习目标不明确,课程理论性强,包含算法多等问题。经过多年实践,对教学方法从明确学习目标、启发式教学、抽象内容具体化、结合编译器实例教学和加强实验环节等五个方面进行了改革和舞践,取得了良好的效果。
关键词:编译原理;教学改革;启发式教学
编译程序是现代计算机系统基本的组成部分之一,它能够将用户编写高级语言程序翻译为计算机所能执行的汇编语言或机器语言那样的低级语言程序,从而实现用户程序的执行。
编译原理是计算机科学及相关专业的一门重要的专业基础课,主要介绍程序设计语言编译程序构造的一般原理、基本设计方法、主要实现技术和一些自动构造工具。通过编译课程的学习,学生可以认识高级语言程序在计算机中的处理本质,提高软件设计素质,开发更完善的应用软件,编译系统软件甚至操作系统。
一、编译原理教学现状及存在的问题
长期以来,由于编译原理这门课程具有较强的理论性和实践性,学生在学习过程中感到内容抽象、算法复杂,难于理解,因此编译原理被普遍看作计算机专业课程中最难学习的课程之一。总结起来,其原因主要是存在以下三个方面的问题。
1.学习目标不明确
不少学生认为学习编译原理的目的就是为了编写构造编译器,而在当前,各大软件公司都已经开发了非常优秀的各种高级语言的编译器,如果再去重复开发已无必要,所以很多学生认为编译原理这门课程缺乏实用价值。
2.课程理论性强
编择原理这门课程内容丰富且抽象,具有严密的逻辑性,除了具有自己的一套独特的理论体系,还涉及了大量的其他理论知识,如形式语言和自动机的理论、集合论、图论等知识。这些理论的学习对于本科生而言有一定的难度。
3.课程包含的算法多而复杂
本课程包含了大大小小十几个算法,如NFA的确定化,DFA的最小化,LL(1)分析算法,LR分析算法等。这些算法大都很复杂,比学生们以前接触的数据结构中的算法要复杂很多,学生们普遍感觉吃力。
二、编译原理教学改革与实践
通过结合多年的编译原理教学实践,针对以上问题,笔者从以下方面人手,进行了教学改革和创新,取得了良好的效果。
1.明确学习目标
有了明确的学习目标,有助于提高学生们主动学习的兴趣,增强教学效果。在编译原理课程开始学习的第一次课,我们就向学生们明确讲述了本课程的重要意义。
第一,能提高计算机思维的能力。对现实问题进行抽象化和形式化表示是进行计算机问题求解的基本途径,计算机科学与技术学科要求学生具有这种抽象化和形式化思维的能力,即计算机思维能力。编译技术集中体现了计算机的思维能力,它采用若干理论和算法解决了高级语言到低级语言的翻译问题,为计算机和人对话提供了可靠的接口。学习编译原理有助于提高这种能力,有助于学生深刻理解高级语言的本质,从而正确使用高级语言。
第二,编译原理对很多领域理论的研究具有深远的意义,如计算机软件技术领域,计算机系统结构领域,人工智能系统的机器学习领域,并行处理技术领域等。在讲解到具体内容的时候,我们注意对其应用的介绍,如:正规式和有穷自动机在文本编辑器中的广泛应用,有穷自动机在字符串查找中的运用,必经节点算法在网络中的运用,由文法来定义网络协议等。
2.启发式教学
在编译原理的教学过程中,我们采用了启发式教学方法,根据教学任务和学习的客观规律,从学生的实际出发,采用多种方式,以启发学生的思维为核心,调动学生的学习主动性和积极性,促使他们积极高效地学习。
具体做法是:改变传统教学中老师讲、学生听的填鸭式教学模式,对于内容较为简单的章节,采取问题解决式教学模式,事先就这些章节提出具有启发式意义的问题,学生在学习中通过解决问题,理解相应的概念、理论,建立良好的知识结构。对于学生在学习的过程中提出的问题,我们不是简单地回答,而是在课题上展开问题的讨论。在讨论的过程中让学生自己总结结论,从而进一步加深对理论知识的理解和认知。
比如中间代码优化这个章节,我们首先给出Z--个需要优化的四元式中间代码的例子,指出该代码程序可以由一个等价的、效率更高的、占用空间更小的程序来替换,启发学生思考怎样去优化。学生们经过思考和讨论,提出了优化的多种方法,这时候,教师对这些方法进行了总结和提炼,引出常用的六种代码优化技术,指明优化的重要意义。进而启发学生,这些优化是我们拥有智能的人类去做的,但是计算机没有智能,怎样设计数据结构和算法才能让计算机完成同样的操作呢?带着这个问题,我们开始继续深入探讨局部优化、循环优化等后续内容。
3.抽象内容具体化
编译原理的某些概念非常抽象,学生们不容易理解,只能死记硬背,这样就大大降低了学生们学习的兴趣。在讲解这些编译原理的过程中,我们在现实生活中找到一些实例,通过类比,可以加深学生对概念的理解。
比如,从理论上来讲,编译过程分为词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、目标代码生成等六个阶段,每个阶段都有不同的任务。记住这几个阶段并不难,但是学生们常常搞不清每个阶段的主要任90在教学过程中,笔者举了一个英文句子翻译为中文的例子,帮助学生们区分这六个阶段。翻译过程和编译过程对比如表1所示:
又如,为了让大家更深入地理解二义性文法,我们指出自然语言是有二义性的,并举例,如英文句子“I am told toread a book by Tom,”有两种意思:“有人告诉我读一本Tom写的书”和“Tom告诉我读一本书”。通过类比,使得学生认识由于二义性句子的含义有多种解释,所以编译程序中一般不允许有二义性文法的存在。即使存在二义性文法,也要通过定义优先性等方法消除其二义性。
4.结合编译器实例教学
编译原理从根本上来讲是介绍编译器的工作原理,教材上对于理论的介绍较多,对于实际编译器的介绍较,少口我们在教学过程中,结合了当前流行的c语言编译器如GCC、TC、VC++等来介绍课堂知识,举了大量的程序实例,使学生不仅知其然而且知其所以然,加深了学生对课堂知识的理解,也提高了学生们的编程水平。
例如,目标程序运行时的存储组织章节,有一部分内容介绍栈式存储分配的实现。我们以Vc++编译器为例,编写了一个简单的带有函数调用的程序,通过该编译器的编译命令CL.exe对程序进行编译,生成汇编代码。对比源程序和相应的汇编代码,模拟程序运行,对栈式存储分配的实现作了详细的讲解。学生们不仅学到了课堂内容,而且对C语言的子程序调用方法,传值、传地址的机制有了更加深入的理解,避免以后编写程序时再出现混淆错误。
又如,高级语言的处理过程分为预处理、编译、汇编、装配/连接等四个步骤。为了加深对这四个步骤的具体工作的理解,我们在Linux操作系统下使用GCC编译器,对Hello World程序进行了分步处理,每一步都让学生们查看输入文件和操作后生成的文件,使学生深入掌握编译程序所起的作用。
5.加強实验环节
实验环节在编译原理的教学过程中占有举足轻重的位置,设计的实验共分为两个层次。
(1)在课程学习过程中,设计了几个相互独立的实验,包括词法分析、语法分析和语义分析等实验。因为此时学生们的知识是离散的,只要求他们根据所学的知识模块编写相应的程序,目的是使学生通过思考和动手编写程序深入掌握算法。
(2)在课程学完之后,设计了一个综合性的实验,要求学生们完成一个C语言子集的编译器。这需要学生们把编译原理的大部分知识串接起来,形成一个整体的概念,完成从词法分析到代码生成的整个过程。目的是让学生从总体上把握编译系统的主要功能,提高综合能力。
三、结论
近几年来,我们参考了大量的资料,主要在上述五个方面不断改革和创新,针对知识点的特点选用合适的教学方法,并从细节入手,不断改进教学课件,另外还开发了辅助教学软件,这些都极大地促进了教学水平的不断提高,为课程进一步发展奠定了良好的基础,受到了其他老师和同学们的好评。
参考文献:
[1]张素琴,吕映芝,等,编译原理(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]王柏,杨娟.形式语言与自动机[M]北京:北京邮电大学出版社,2003.
[3]赵晓,张振国.“编译原理”课程教学改革探索[J].陕西教育(高教版),2008,(11)139,49.
[4]郝爱峰“编译原理”教学探索[J].电脑开发与应用,2008,(12):73-74.
(责任编辑:郝魁府)
关键词:编译原理;教学改革;启发式教学
编译程序是现代计算机系统基本的组成部分之一,它能够将用户编写高级语言程序翻译为计算机所能执行的汇编语言或机器语言那样的低级语言程序,从而实现用户程序的执行。
编译原理是计算机科学及相关专业的一门重要的专业基础课,主要介绍程序设计语言编译程序构造的一般原理、基本设计方法、主要实现技术和一些自动构造工具。通过编译课程的学习,学生可以认识高级语言程序在计算机中的处理本质,提高软件设计素质,开发更完善的应用软件,编译系统软件甚至操作系统。
一、编译原理教学现状及存在的问题
长期以来,由于编译原理这门课程具有较强的理论性和实践性,学生在学习过程中感到内容抽象、算法复杂,难于理解,因此编译原理被普遍看作计算机专业课程中最难学习的课程之一。总结起来,其原因主要是存在以下三个方面的问题。
1.学习目标不明确
不少学生认为学习编译原理的目的就是为了编写构造编译器,而在当前,各大软件公司都已经开发了非常优秀的各种高级语言的编译器,如果再去重复开发已无必要,所以很多学生认为编译原理这门课程缺乏实用价值。
2.课程理论性强
编择原理这门课程内容丰富且抽象,具有严密的逻辑性,除了具有自己的一套独特的理论体系,还涉及了大量的其他理论知识,如形式语言和自动机的理论、集合论、图论等知识。这些理论的学习对于本科生而言有一定的难度。
3.课程包含的算法多而复杂
本课程包含了大大小小十几个算法,如NFA的确定化,DFA的最小化,LL(1)分析算法,LR分析算法等。这些算法大都很复杂,比学生们以前接触的数据结构中的算法要复杂很多,学生们普遍感觉吃力。
二、编译原理教学改革与实践
通过结合多年的编译原理教学实践,针对以上问题,笔者从以下方面人手,进行了教学改革和创新,取得了良好的效果。
1.明确学习目标
有了明确的学习目标,有助于提高学生们主动学习的兴趣,增强教学效果。在编译原理课程开始学习的第一次课,我们就向学生们明确讲述了本课程的重要意义。
第一,能提高计算机思维的能力。对现实问题进行抽象化和形式化表示是进行计算机问题求解的基本途径,计算机科学与技术学科要求学生具有这种抽象化和形式化思维的能力,即计算机思维能力。编译技术集中体现了计算机的思维能力,它采用若干理论和算法解决了高级语言到低级语言的翻译问题,为计算机和人对话提供了可靠的接口。学习编译原理有助于提高这种能力,有助于学生深刻理解高级语言的本质,从而正确使用高级语言。
第二,编译原理对很多领域理论的研究具有深远的意义,如计算机软件技术领域,计算机系统结构领域,人工智能系统的机器学习领域,并行处理技术领域等。在讲解到具体内容的时候,我们注意对其应用的介绍,如:正规式和有穷自动机在文本编辑器中的广泛应用,有穷自动机在字符串查找中的运用,必经节点算法在网络中的运用,由文法来定义网络协议等。
2.启发式教学
在编译原理的教学过程中,我们采用了启发式教学方法,根据教学任务和学习的客观规律,从学生的实际出发,采用多种方式,以启发学生的思维为核心,调动学生的学习主动性和积极性,促使他们积极高效地学习。
具体做法是:改变传统教学中老师讲、学生听的填鸭式教学模式,对于内容较为简单的章节,采取问题解决式教学模式,事先就这些章节提出具有启发式意义的问题,学生在学习中通过解决问题,理解相应的概念、理论,建立良好的知识结构。对于学生在学习的过程中提出的问题,我们不是简单地回答,而是在课题上展开问题的讨论。在讨论的过程中让学生自己总结结论,从而进一步加深对理论知识的理解和认知。
比如中间代码优化这个章节,我们首先给出Z--个需要优化的四元式中间代码的例子,指出该代码程序可以由一个等价的、效率更高的、占用空间更小的程序来替换,启发学生思考怎样去优化。学生们经过思考和讨论,提出了优化的多种方法,这时候,教师对这些方法进行了总结和提炼,引出常用的六种代码优化技术,指明优化的重要意义。进而启发学生,这些优化是我们拥有智能的人类去做的,但是计算机没有智能,怎样设计数据结构和算法才能让计算机完成同样的操作呢?带着这个问题,我们开始继续深入探讨局部优化、循环优化等后续内容。
3.抽象内容具体化
编译原理的某些概念非常抽象,学生们不容易理解,只能死记硬背,这样就大大降低了学生们学习的兴趣。在讲解这些编译原理的过程中,我们在现实生活中找到一些实例,通过类比,可以加深学生对概念的理解。
比如,从理论上来讲,编译过程分为词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、目标代码生成等六个阶段,每个阶段都有不同的任务。记住这几个阶段并不难,但是学生们常常搞不清每个阶段的主要任90在教学过程中,笔者举了一个英文句子翻译为中文的例子,帮助学生们区分这六个阶段。翻译过程和编译过程对比如表1所示:
又如,为了让大家更深入地理解二义性文法,我们指出自然语言是有二义性的,并举例,如英文句子“I am told toread a book by Tom,”有两种意思:“有人告诉我读一本Tom写的书”和“Tom告诉我读一本书”。通过类比,使得学生认识由于二义性句子的含义有多种解释,所以编译程序中一般不允许有二义性文法的存在。即使存在二义性文法,也要通过定义优先性等方法消除其二义性。
4.结合编译器实例教学
编译原理从根本上来讲是介绍编译器的工作原理,教材上对于理论的介绍较多,对于实际编译器的介绍较,少口我们在教学过程中,结合了当前流行的c语言编译器如GCC、TC、VC++等来介绍课堂知识,举了大量的程序实例,使学生不仅知其然而且知其所以然,加深了学生对课堂知识的理解,也提高了学生们的编程水平。
例如,目标程序运行时的存储组织章节,有一部分内容介绍栈式存储分配的实现。我们以Vc++编译器为例,编写了一个简单的带有函数调用的程序,通过该编译器的编译命令CL.exe对程序进行编译,生成汇编代码。对比源程序和相应的汇编代码,模拟程序运行,对栈式存储分配的实现作了详细的讲解。学生们不仅学到了课堂内容,而且对C语言的子程序调用方法,传值、传地址的机制有了更加深入的理解,避免以后编写程序时再出现混淆错误。
又如,高级语言的处理过程分为预处理、编译、汇编、装配/连接等四个步骤。为了加深对这四个步骤的具体工作的理解,我们在Linux操作系统下使用GCC编译器,对Hello World程序进行了分步处理,每一步都让学生们查看输入文件和操作后生成的文件,使学生深入掌握编译程序所起的作用。
5.加強实验环节
实验环节在编译原理的教学过程中占有举足轻重的位置,设计的实验共分为两个层次。
(1)在课程学习过程中,设计了几个相互独立的实验,包括词法分析、语法分析和语义分析等实验。因为此时学生们的知识是离散的,只要求他们根据所学的知识模块编写相应的程序,目的是使学生通过思考和动手编写程序深入掌握算法。
(2)在课程学完之后,设计了一个综合性的实验,要求学生们完成一个C语言子集的编译器。这需要学生们把编译原理的大部分知识串接起来,形成一个整体的概念,完成从词法分析到代码生成的整个过程。目的是让学生从总体上把握编译系统的主要功能,提高综合能力。
三、结论
近几年来,我们参考了大量的资料,主要在上述五个方面不断改革和创新,针对知识点的特点选用合适的教学方法,并从细节入手,不断改进教学课件,另外还开发了辅助教学软件,这些都极大地促进了教学水平的不断提高,为课程进一步发展奠定了良好的基础,受到了其他老师和同学们的好评。
参考文献:
[1]张素琴,吕映芝,等,编译原理(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]王柏,杨娟.形式语言与自动机[M]北京:北京邮电大学出版社,2003.
[3]赵晓,张振国.“编译原理”课程教学改革探索[J].陕西教育(高教版),2008,(11)139,49.
[4]郝爱峰“编译原理”教学探索[J].电脑开发与应用,2008,(12):73-74.
(责任编辑:郝魁府)