编译原理课程教学实践探究

侯书东，常家琦，刘 恒

(安徽工业大学 计算机科学与技术学院，安徽 马鞍山 243002)

编译原理作为计算机类专业的传统核心课程，对学生专业系统能力的培养具有重要意义。编译原理课程的重要性在于：编译器的开发是计算机软件开发的一个综合；解决问题的思想方法有利于计算思维的培养，对于计算机专业素养形成十分必要[1]。

一、传统编译原理课程教学中存在的问题

计算机类专业本科生学习本专业的第一门语言课程是C语言。C语言由于其类型不安全性，容易出现一些难以捉摸的错误，使得学生难以定位和解决问题。如果能让学生根据编译器提供的提示信息，精确定位程序中的错误类型和位置，把编译原理中所学用于实际C语言编程需求，这既完成了课程的教学内容，也提升了学生的软件编程和系统分析的能力。

从普通高等院校的编译原理教学实际出发，其课程覆盖范围一般仅限于编译器的前端，即词法分析、语法分析和语法制导翻译等内容[2]。这其中包括大量抽象且逻辑复杂的理论知识点，如形式语言理论、正规式、有限自动机、上下文无关文法、属性文法和语法制导翻译等。传统的教学方式强调知识点的灌输，让学生解决孤立的单一问题，缺乏各知识点之间的关联。这种“只见树木，不见森林”的教学方式会极大地削弱学生的学习积极性，导致整体效果不佳。

理论教学的重要性不言而喻，然而面对当前社会“碎片化学习”，要确保授课效果的高质量，需要对课堂内容的选择和教学方式的安排进行精心设计。尤为重要的是激发学生的学习热情，实现从被动接受到主动学习过程的角色转换。

二、以实践为导向的互助式编译原理教学

(一)理论与实践相衔接

理论知识的来源一般都有其确定的问题背景。脱离实际问题来进行理论教学，对学生实际能力的提升没有益处。编译原理课程中的大量理论知识，存在一种衔接递进的关系，每个知识点的引入和拓展，都是对于现实遇到问题的解决路径再现。因此，整个授课过程就在重现这种解决方案演变的变化历程。而实现这一目标的关键之处，是教师从之前的“站到讲台前”变到现在的“坐在学生中”。这一变化绝不仅仅是简单地将所有问题留给学生，从“讲授”变成“答疑”，而是从问题设计、思考启迪、讨论引导到过程管理等各方面都对教师提高了要求。特别是现代高级语言发展日新月异，各种新问题层出不穷，如何在面对开放性的未知问题时，从系统和整体的角度给出学生解决问题的方式方法，而不是给出具体每个问题的回答[3]，这是对教师能力的一种新考验。

计算机类专业课程教学的目的，归根结底是以培养和提升学生们现实动手能力为主题。“考试高分”仅是手段，“实践高手”才是目的。通过精心设计的问题场景，激发学生的学习兴趣，逐步引导讨论内容，得到初步解决方案，再层层优化，最后比较与经典方法的优劣之处。这样的理论与实践交叉的教学方式，可以让学生从根源上理解并掌握理论技术的来龙去脉，避免繁杂的死记硬背以及理论与实践脱节，在实践中学习和总结规律。

在编译原理课程教学里，以词法分析为例阐述如何从正规式构造等价自动机的内容必不可少。在先修的高级语言课程中，学生只需知道如何运用正规式。而在本课程学习中，则需进一步掌握正规式的实现原理。正规式的实现方式主要有非确定有限自动机(NFA)和确定有限自动机(DFA)两种引擎方式。在教学过程中，常规流程都是给定正规式，构造其NFA，在此基础上转化为DFA，最后进行最简化处理。这在无形中向学生暗示了DFA才是词法分析实现的最终手段，其实不然，两种引擎方式各有其优缺点和应用场景。DFA是文本主导，执行速度快，可以确保匹配最长的可能字符串，满足结果一致性。NFA是表达式主导，需要反复的吃、吐字符，存在着大量的回溯过程，速度慢。但是其特性丰富，可以捕获子表达式匹配和匹配的反向引用。子表达式编写方式不同，对于DFA是无差异的，但是对NFA的控制方式是不同的。如果能从编码实现的角度考虑这两种方式的异同，启迪学生的独立思考能力，其教学效果要明显优于枯燥的理论知识传授。

以编译原理课程教学中语法分析中的算符优先分析为例，在讨论终结符之间的优先关系时，与传统认知是有一定区别的。此处有必要回顾“离散数学”中对于“关系”的定义。回顾恒等关系的定义，需要同时满足自反性、对称性和传递性。显然，算符之间的优先关系是可以不满足这三种性质的。以四则运算为例，存在+>+，即加号的优先级是大于加号的，不满足自反性。同时，由于(=)，而不存在)=(，所以不满足对称性。另外，同时存在+<(、(<+和+>+同时成立，不符合传递性的性质。这中间的区别就在于不仅需要考虑待比较的两个算符，算符出现的先后顺序也至关重要。至此，算符之间的优先级，与自然数的大小比较、或者与线程调度中的优先级等概念中的区别之处自然显现。这也引出了后续算符优先函数的方便与不足之处。这种先后课程之间知识点的贯通，既加深了对已有知识的理解，同时也更新了知识图谱。

(二)编译器设计实现方案

编译原理课程教学理想情况，学生应该能够独立自主完成小型编译系统的构造。实际教学中，学生只需吃透关键的几条原理知识，如NFA的确定化，LL(1)文法中FIRST和FOLLOW集合的构造，LR(1)文法中识别活前缀DFA构造等，基本上已经满足了课程考试要求。然而，仅靠理论学习对实现一个基础编译器来说是远远不足的。相比较于学生对理论知识的接受程度，学生自主动手完成编译系统的能力缺乏就更为明显。如何面对全体学生，制定出一套适用的实践方案，是课程实际效用的关键。

对于编译原理课程复杂实现机理可以在后续过程中逐步展开，串联起数据结构、操作系统、组成原理等一系列关联课程，让其学而有物。对于学有余力的学生，可以提高要求，让其完成类C编译器。对于确实难以独立完成的，最基本的要求是可以复现课程演示的四则运算。要求不同，体现在设计语言的复杂度不同。囿于师资力量薄弱，对于编译器的设计要求以前端为主，关于目标代码生成了解即可，不做具体要求。

以布尔表达式的翻译模式为例，通过语法制导翻译内容的学习，对于条件表达式中的短路规则的设计初衷已了然于胸。然而如何最小化跳转语句的出现，掌握回填技术的使用，乃至初涉独立于机器的优化过程，对于编译器实现质量的优劣影响至远。仅仅明白基本原理的应用，缺乏对软件实现细节的敏感度和执行效率的考量，很难满足实用性的要求。特别是在面对“流量决定一切”的时代，用户体验对于产品品质的要求日益挑剔，任何细节之处的忽略都可能面临致命的打击。不求功能的复杂全面，但求体验的流畅舒适，在系统设计实现的全过程中，将用户需求作为第一位，对于端正学生的学习和工作态度，是一次很好的锻炼机会。

三、结语

通过精心设计的问题引导与自动化编译工具，逐步展开编译器设计的主要内容，教学既不失课程的专业性要求又吸引了学生的兴趣点，能有效提升学生的综合实践能力。在后续教学改革中，借助慕课、反转等多样教学形式，增加课堂讨论、启发、互动的过程，最大限度地激发学生的学习热情，仍需不断地探索和尝试。