新工科背景下编译原理教学改革研究

2024-01-14高雪瑶张春祥

高教学刊 2024年1期

高雪瑶张春祥

摘要：该文剖释传统编译原理教育教学的缺陷，指出为适应计算机人才能力培养和行业需求，在新工科背景下，面向OBE理念，突出交叉融合，充分利用多種教学平台和教学软件，融合案例教学、启发引导、项目驱动和翻转课堂等教学方法进行线上、线下混合教学。培养学生使用编译知识来解决复杂工程问题的能力和主动学习意识，提高课程教学质量，促使学生专业、素质全面发展。

关键词：编译原理;新工科;案例教学;项目驱动;翻转课堂

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）01-0035-04

Abstract： This paper explains the shortcomings of traditional compilation principle education and points out that in order to meet the needs of computer talent development and industry demand， cross-fusion is emphasized under the background of new engineering and oriented to OBE. Multiple education platforms and softwares are combined in which case-based teaching， heuristic guidance， project-driven and flipped classroom teaching are used for a blended online-offline teaching. The aim is to cultivate students' ability to apply their knowledge of compiler theory to solve complex engineering problems and active learning consciousness， improve the quality of course teaching， promote students' professional and overall development.

Keywords： compilation principle; new engineering; case-based teaching; project-driven; flipped classroom

自2017年2月以来，教育部先后开展了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”行动，发布了“新工科”改革的相关文件，推动探索了中国工程教育模式和中国经验[1]。哈尔滨理工大学立足“双一流”，在新工科背景下，按照持续改进的工程认证思想要求，开启了新工科建设与实践探究。编译原理是计算机专业的一门重要的专业课程，对于培养学生利用计算机语言处理技术进行系统分析和软件设计的能力具有重要的作用[2]。在新工科建设中，对编译原理教学提出了更高的要求。在教学过程中，需要培养学生的计算机实践创新能力和灵活应用编译知识解决现实生活中实际问题的能力，满足专业应用需求。

一传统编译原理教学中存在的问题

编译原理是计算机专业一门重要的专业课，也是后继课程学习的基础。计算机本科生都需要学习这门课程。在公司招聘和学术研究中，编译技术是必不可少的。编译原理课程难度大，知识概念多，内容抽象，算法复杂。很多同学都反映，编译原理是有用的，但就是学不好。其原因是该课程是偏理论的计算机专业基础课，教学方式有别于一般课程[3]。编译原理理论性较强，内容抽象繁杂，导致学生缺乏信心，畏难不前，降低了学习兴趣。在实践环节中，学生不了解其中的原理，不知如何应用，不知为何而学。在教学过程中，发现学生学习缺乏主动性和积极性，课外缺少探索和自主训练。虽然通过了课程考核，但是未掌握编译原理的实质和精髓，只是了解到了一些零碎的知识点，不具备运用编译技术来解决现实生活中的实际问题的能力。其主要原因是理论实践教学内容与学生能力培养目标不适应。主要体现在教学过程缺乏工程性方法和系统性实践与创新[4]。

二新工科视域下编译原理教学改革

新工科人才的突出特征在于其解决复杂工程问题的能力[5]。根据新工科建设理念和要求，哈尔滨理工大学计算机科学与技术专业编译原理教学团队积极开展课程研究和实践。根据产业转型升级和社会发展的要求，以培养学生解决复杂工程问题为目标，根据课程目标重构和优化了编译原理课程的教学内容;综合网络课程资源和教学软件，构建了线上、线下一体化教学模式;面向OBE理念融合多种教学方法进行有效的教学组织，实现了从教师中心向学生中心的转变。

（一）重构和优化编译原理课程的教学内容

新工科是高等工程教育教学改革的新范式，其核心目标是提升高等工程人才培养质量，积极回应新时代对于卓越工程师的迫切需求，旨在培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，支撑产业转型升级。为了适应新工科人才培养的要求，应该在OBE理念的指导下，以学生获得的最终能力为中心，反向推导制订所需的教学内容。在编译原理课程的教学设计中，教师的教学内容应该满足学生最终获得能力的要求。在编译原理课程开设之前，学生已经学过程序设计语言、计算机基础和组成原理等课程，有一定的程序设计能力，具备了一定的计算机存储分配与管理知识[6-7]。对于能力培养目标贡献较大的内容，应该分配更多的学时进行讲解。对于简单和已经具有前期知识铺垫的内容，在教学上可以采用学生自主学习或引入案例进行做中学或做中复习的方式。课前，教师布置任务让学生查阅资料进行自学。课堂上，采用翻转授课方式让学生去讲解，然后教师进行点评。区分知识重要程度，突出重点，避免课堂上知识的简单重复性学习，以提高学习效率。同时，以学生为中心，不断调整优化教学内容，以适应培养目标和毕业要求，保证满足人才培养的要求。

编译原理是一门原理抽象，实践性强，知识模块关联紧密的课程，刻画了编译的整个流程。选用合适的案例进行讲解能够将编译技术的抽象原理形象地展示出来，便于学生更好地去學习，同时对于培养学生综合运用课程知识解决复杂问题是很有好处的，可以帮助学生形成更加完整紧凑的知识体系。在教学过程中，通过演示案例来讲解对应的编译知识点。根据教学内容来选择典型性、可行性和浓缩性的案例。与学生一起分析、讨论和扩展案例，让学生亲自动手去操作和实现案例，启发学生改进和创新案例。鼓励学生大胆尝试，学以致用。根据学生掌握的情况，完善教学案例，调整教学方法，激发学生学习编译原理的兴趣。通过演示案例程序吸引学生的注意力，让他们体会到如何利用编译技术来解决实际问题。同时，提供案例实现代码，让学生通过比照代码来提高自己的编程能力。

（二）构建线上、线下一体化教学模式

在线课程为教学过程提供了一个融合丰富学习内容的基础性教育平台。MOOC平台提供了很多编译原理的在线课程，可以作为学生自主学习的资料。在教学过程中，借助MOOC平台和网络资源，整合不同教学方式，使学生学习更具灵活性和主动性。

科学建设线下资源如教材、辅导性学习资料、习题集等，丰富学生的学习资源，提高学生的学习效率。同时，着力对线上资源进行系统化的建设和优化。线上资源包括MOOC课堂、教学视频、知识图谱、教学大纲、教学进度表、教案、教学PPT和教学案例、微信群和腾讯课堂等。在教学时，教师选择已有的名师慕课、自建课程和在线直播会议等形式进行线上教学和互动讨论，学生也可以进行自主在线学习。教与学变得更加灵活，不受时间和场地对教学的限制。教学资源主要由教师提供，学生可以参与其中。教师录制教学视频，分享到课程群中，让学生进行课前自主学习。为了便于学生学习，每一段视频不要过长，最好是2～3个知识点就录制一段视频。增加一个小测验，以检验学生的学习效果。针对编译技术的迅猛发展，教师可以录制视频介绍其最新进展，将课程内容与现实应用紧密结合，提高学生学习兴趣。融合多种网络课程资源和教学平台有效开展线上教学活动，如图1所示。

教师在腾讯会议、钉钉中直播课程，和学生进行课堂研讨、对话互动。同时，利用MOOC课堂发布预习PPT和教学视频，进行课堂测试、课后测试，使用MOOC课堂的签到功能来管理课堂。借助MOOC课堂的统计功能观察学生实时学习情况，及时调整教学内容和教学方法。运用腾讯QQ与微信群来通知消息，进行讨论和一对一的答疑等。

课前、课中和课后综合利用多种教学平台，有利于取长补短，最大效率地发挥各种平台的优势，提高教师授课质量。综合运用纸质的、电子的、文字的、图片的和视频的教学资料，从不同视角全方位传授教学内容，丰富授课形式，可以最大限度地调动学生的学习主动性，提高学生的学习效果。一种教学资料在不同的教学平台上会有着不同的教学效果。一种教学平台在使用不同的教学资料时会有着不同的授课质量。在一种教学平台上，可以使用多种形式的教学资料。一种形式的教学资料，可以在多种教学平台上使用。在实际教学过程中，应该认真总结教学经验，寻找每种教学平台上适用的多种教学资料。将要讲授的教学内容，按照章节组织。根据各部分内容的特点，选择适用的教学平台和对应形式的教学资料。课前、课后可以实现教学平台和资料形式的频繁切换，以调动学生学习的积极性。在授课过程中，应该尽量减少教学平台和教学资料形式变换的次数，在最短的教学时间内传授更多的教学内容。多种教学平台和多种教学资料需要相互结合，最大程度地发挥出平台与资料的教学效果。在授课过程中，应该经常召开课程组内教师的教学研讨会，针对教学平台和教学资料问题开展讨论。根据学生的反馈情况，进行适时的调整。

（三）融合多种教学方法进行有效的教学组织

为了培养出合格的创新型新工科人才，需要对现有的教学方式进行升级[8-9]。线上线下教学采用什么样的教学方法是教学成败的关键所在。要围绕学生达成学习成果来进行整个教学设计与实施，了解学生学什么和如何学，引导学生进行有效学习。针对编译原理课程的特点，分阶段有效利用线上、线下教学资源，综合使用多种教学方法来提高学生自主学习能力和学习效果。使学生从知识被动获取者变为主动获取者，满足新工科人才培养的要求。将翻转课堂教学法[10]、启发式教学法、案例教学法、自主学习法、对比教学法、练习法、讨论法、录播教学法、直播教学法和阅读指导法渗透于各个阶段。编译原理的重要知识点及对应的教学方法，如图2所示。编译原理包括文法和语言、词法分析、语法分析、语义分析、符号表和存储组织等部分。每部分又包含多个知识点。针对每个知识点的具体情况和学生的程度，选择合适的教学方法。综合运用这些教学方法，使其相互渗透，取长补短以充分发挥它们的优势。在教学实践中，总结教学经验，根据学生的反馈，不断更新优化编译原理知识点与教学方法之间的对应关系，以达到理想的教学效果。

课前预习是课程学习之前的必要环节，除了预习教材上的内容，线上资源也是预习的学习资料。在上课之前，老师可以上传课前导学内容，引导学生根据教学目标进行有效的自主学习，学习上传的资料，学习上传的视频资源等。教师采用讨论法引导学生在QQ群和微信群中讨论。教师指导学生阅读学习资料和观看教学视频进行课前预习，要求学生绘制出这堂课的知识结构图，注重激发学生学习兴趣，培养学生发散性思维、归纳及总结能力。鼓励学生自主预习课程内容，利用小测试来检验课前学习效果。

课中采用直播教学法讲授编译原理的知识点。采用翻转课堂教学法让学生讲解简单知识点，使用讨论法引导学生思考发言，教师进行点评。对疑难和重要的知识点，采用启发式教学、案例教学和对比教学方法进行精讲、慢讲和重点讲，可以随时向学生提问，学生也可通过教学平台即时反馈。借助案例将编译原理的理论授课与实践教学相连通。将案例转化为通识性教学知识点，引导学生理解所使用的编译技术和具体应用方式。在向学生解析案例的过程中，梳理技术路线，从而降低学生掌握知识点的门槛，提高人才培养兼容性。同时，串联前期基础案例，实现案例设计性复现，注重“学”与“用”之间的关联，提高了教学实用性。在不破坏人才培养方案的情况下，授课过程采用案例教学法，丰富扩展了教学内容，使所传授的内容与学生能力培养相适应。

课后，要求学生重新观看授课视频、慕课、参考书籍等资料。为学生进行课程内答疑，开展课程外延性讨论指导。课程组群内的多名教师可以对学生的问题给出及时回复和指导。开启腾讯会议进行师生小范围答疑和讨论，也可以通过QQ聊天单独进行。要求学生在教学平台上提交作业，组织学生参加专业的学科竞赛。

三建立公平、高效和科学的课程评价体系

在新工科建设背景下，需要使用清晰可实施的评价体系来度量各个教学环节。真实、合理和科学的课程评价方式能够反映出教学中所存在的问题，度量毕业要求是否达成，为持续改进教学方法和调整教学内容提供依据。评价体系应该注重检查学生对编译知识的掌握程度和应用能力，包括课前自主预习情况、课后作业、课堂表现、实验、实践项目和期末考试环节等。利用MOOC课堂的统计功能查看学生教学视频观看时长、测试题完成情况和测试得分等信息。将这些信息作为过程性考核的依据。为了公正、清晰评价每一个学生的学习结果，需要制定评价表。注重评价学生的主要方面，以达到激励和引导学生学习的目的。评价标准和原则要清晰，评价体系要公开，同时评价过程需要具有持续改进性。

使用课程达成度来度量学生对编译知识点的掌握情况。在评价过程中，增加过程性考核的比例，减少期末考核的比重。将教学过程中的各项考核指标都计入过程性考核成绩之中，主要包括情感态度、学习表现、平时作业和课堂测试等。这种以学生作为课程主体的评价方式，有利于提高学生学习的主观能动性，激发学生的学习热情。

编译原理课程的原理性和应用性都很强，而且是紧密相关的。在考核时，既要注重编译知识掌握情况的考察，又要重视上机实践环节的考查。实践环节不但能够反映学生对基本知识点的理解程度，而且能够反映出学生对编译器结构以及对高级程序语言的综合掌握程度。加大对学生实践能力的评价，包括实验课、项目实践等。应该建立多元化的实践成绩评价体系，按照项目组的形式来开发编译器以及辅助支持工具，并根據开发结果来进行综合性评价。鼓励学生参与大学生创新创业项目，倡导学生参加“挑战杯”和“互联网+”大赛，引导学生将所学的编译知识运用到实践活动中，培养学生的创新能力。在课程评价中，注重实践能力考核，促进学生的全面发展。

每周组织课程组教师集体教学研讨1次，分析学生在各个阶段的学习成效。根据分析结果，对教学内容甄选、教学方法优化设计、翻转课堂实施、课后答疑组织和学习内容等进行集体讨论，并根据学生的信息反馈作出及时的教学调整。

四结束语

本文通过分析目前编译原理教学中存在的问题，面向OBE理念，重构和优化教学内容，融合多种教学方法来组织教学活动，开展线上、线下一体化教学。最后给出了基于OBE理念的编译原理课程评价体系。将教学设计应用于哈尔滨理工大学计算机专业的编译原理教学之中，学生的学习成绩有了明显提高，动手能力获得了进一步增强。

参考文献：

[1] 刘莹，阎绍泽，殷皓.基于新工科的校内外协同育人模式探索与实践[J].中国大学教学，2021（4）：13-16.

[2] 史涯晴.突出编程能力培养的编译原理课程教学改革[J].计算机教育，2022（9）：105-108.

[3] 杜莹，韩道军，袁彩虹.编译原理线上混合式教学方法研究[J].计算机教育，2021（6）：20-23.

[4] 邢建国.“编译原理”课程的教学改革实践[J].中国信息技术教育，2023（10）：96-99.

[5] 陈语时，刘琳婧，张世邦.新工科项目化课程：内涵、要素、特征[J].高教学刊，2023（2）：126-129.

[6] 武瑛，张丽华.新工科背景下基于混合式教学的编译原理课程教学改革[J].电脑知识与技术，2019，15（1）：169-170.

[7] 黄贤英，曹琼.新工科背景下《编译原理》的重定位思考与实施[J].福建电脑，2017，33（9）：78，80.

[8] 杨志斌，周勇，王立松.面向航空航天特色新工科的编译原理教学改革探索[J].软件导刊，2021，20（10）：232-235.