摘要:本文论述了计算机学科“编译原理”课程在软件工程专业进行工程化改造的方法和必要性,创建了“编译原理”课程工程化实践教学体系,提出了知识的先期注入、工程化编译理论以及阶梯状迭代工程实践项目的教学方法,从根本上解决了该课程教、学、实践中存在的难讲授、难理解和难开发的“三难”问题,为其他计算机学科核心课程面向软件工程专业的工程化改造提供了一定的理论依据。
关键词:编译原理;软件工程;工程化;知识先期注入;工程化编译理论;阶梯状迭代教学法
中图分类号:G642文献标识码:B
作为信息产业的核心和国民经济信息化的基础,软件产业日益受到国家的高度重视。权威数据显示,我国软件产业每年人才需求量近一百万,然而令人尴尬的是,许多软件企业却招聘不到真正合适的软件人才。信息社会不断增长的软件人才需求与优质软件专业教育供给不足的矛盾已成为计算机高等教育发展面临的一个重要问题。
2001年12月,经国家教育部和国家计委联合发文批准,全国首批35所示范软件学院正式成立,目的是批量培养具有国际竞争能力的高层次、应用型、复合型软件工程人才。自示范软件学院成立以来,我国软件工程教育事业得到了很大发展,学科建设逐步走向成熟,初步实现了与国际学科发展的接轨,软件工程教育实现了历史性跨越。
然而,软件工程是一个迅速发展的交叉性学科,相关的新概念、新技术、新方法不断涌现,这就要求教育机构要不断调整策略,以应对专业的快速变化。尤为突出的是,无论是全国首批35所示范软件学院还是非示范软件学院,大部分都根植于计算机学院,因此很多软件工程专业学科课程体系与计算机科学与技术专业基本相似,而计算机科学与技术专业的教学内容是远远不能适应软件工程学科的发展要求的。
从根本上解决上述问题的关键是,结合中国软件产业和软件学院已有的硬、软件基础设施及办学的具体情况,研究和定制适合本学院特色的软件工程学科的课程设置、教学内容、教学方法,形成一个良好的软件工程学科课程体系,使软件工程教学更具先进性、目的性和系统性,其中对计算机科学核心课程的工程化改造势在必行。
本文将研究计算机学科的“编译原理”课程在软件工程专业如何进行工程化改造,怎样创建适合软件工程专业知识体系要求的“编译原理”实践教学,从而在科学的软件工程学科课程体系的保证下,形成一个融基础理论、实验教学、工程实践为一体的整体化培养机制,以适应软件工程学科教学要求,使软件工程学科教学质量得到不断发展,使软件工程专业教育得到健康稳步发展,培养社会需要的软件人才。
1 “编译原理”的工程化实践教学体系
1.1教育教学理念
工程化实践教学就是树立工程化能力培养与基础理论教学、专业能力培养并重的教学理念,把工程化教学作为人才培养的核心任务之一,通过全面改革软件工程专业的人才培养模式、调整课程体系、充实教学内容、改进教学方法,在教学过程中全面体现能力和职业素质培养的思路,并将软件工程知识内容由浅入深、阶梯状、循序渐进地贯穿在工程化实践教学的各个开发项目中。
基于上述软件工程专业的知识体系、本科课程设置的指导原则以及工程化实践教学教育教学理念,下面将给出“编译原理”课程的工程化实践教学体系。
1.2 “编译原理”的工程化实践教学体系
如图1所示,“编译原理”课程的工程化实践教学体系由六个部分组成:编译原理课程工程化实践教学环境、编译原理理论教学、软件工程能力培养、阶梯状迭代工程实践项目、配套教材和评价体系。构建理念为以计算机科学为基础,以软件工程为核心,以目标应用为导向。
1.2.1 “编译原理”课程工程化实践教学环境
“编译原理”课程工程化实践教学环境由实验室、项目团队、教师讲座以及团队汇报组成。
(1) 实验室。以工程化培养理念指导教学实验室建设,为“编译原理”课程工程化实践教学提供强有力的基础设施支持。提供全天开放机房,机房实行开放型管理。项目开发时间规定为开时间和闭时间,闭时间为固定时间,要求授课教师到机房现场指导,开时间内,学生可以自由选择时间,以小组为单位进行自行讨论、设计,要求实验室人员在现场,以便解决设备问题。机房的使用和维护要有严格的管理制度,保证项目的顺利完成。
(2) 项目团队。将4～5个学生分为一个项目小组,一名组长作为负责人;每名学生分配一台微型计算机,在开发小组中以分工协作的方式完成指定的软件开发任务,完成项目设计报告,并提交完整的软件开发文档和源代码。学生在团队环境下使用最新的软件开发工具,获得较真实的软件开发经验,提高学生在项目规划、队伍组织、工作分配、成员交流等多方面的能力,培养学生团队合作及工程项目研发能力。
(3) 教师讲座。指导教师在整个的项目开发中纵览全局,项目的开始、结束及中间的每个模块都要进行全面的讲解、引导和组织。教师要系统讲解软件工程知识点和软件技术,统一讲解项目开发过程中学生普遍存在的问题,不断地发现问题,解决问题。
(4) 团队汇报。理论教学中教师唱主角,而工程化实践教学应让学生唱主角,让开发小组自己拟定演讲方案、内容,由教师审核修改后进行汇报演讲。这样可以有效地提高学生总结概括、研究立项、口头表达、演讲和交流沟通的能力,培养学生独立思考、分析问题的能力和创新能力。
1.2.2 “编译原理”理论教学
由知识的先期注入和工程化理论教学组成。
(1) 知识的先期注入。“编译原理”课程的理论性较强,整个课程内容由几个功能模块组成,学生对课程的完全理解应在最后一个模块,即课程结束时。鉴于教学内容的特殊性,应在一门程序设计语言之后安排“CO释程序的面向对象设计与实现”项目,作为前导实践环节,配套教材为《C++实战:解释程序的面向对象程序与设计》。这可以使学生在学习理论之前对程序设计语言的解释执行有较深的理解,由传统的“填鸭式”被动学习转变为学生自主式学习。学生对“编译原理”课程的学习由问“这是什么”变成“这是我需要的什么”,从根本上解决了“编译原理”课程的教学困难。实践表明,这种方法在锻炼学生实践能力的同时先期注入了理论教学需要的解释程序的知识和概念,有很好的教学效果。
(2) 工程化理论教学。编译程序是庞大而复杂的,这使得如何介绍编译原理本身就是一个难题。中外编译原理教材很多,如果从工程化的角度去诠释编译程序的实现过程及其原理,即对一个完整的源程序到目标程序的转换过程进行详细讲解,不失为一个新的途径。我们的配套教材《编译程序的实现原理》的编写形式如下:先给出编译器的输入——一个C语言小程序;再给出编译器的输出——目标机上的目标语言,完成这样的转换需要进行的工作包括词法分析、语法分析等几个功能模块;再针对每个功能模块给出本模块的输入和输出,如词法分析为一个C语言小程序,模块的输出形式为TOKEN链表,完成这样的转换需要进行的工作由理论和实现两部分组成。这种讲述方法实现了五化:
工程化:以对一个完整的源程序到目标程序的转换作为教学载体介绍编译程序的实现及其原理,以反映编译的工程性。
模块化:将一个完整的源程序到目标程序的转换作为总目标,将不同的子转换作为各个子模块的目标,以反映编译的模块性。
链接化:将一个完整的源程序到目标程序的转换所需的知识处理成总目标与子模块、子模块内所需知识点之间的链接,以反映编译的整体性。
需求化:将编译原理内容的平铺直叙转换为实现一个完整的源程序到目标程序的转换的所需知识,解决了编译内容的庞杂、不分主次、叙述冗长的问题。
形式化:将形式语言的内容介绍放置在为完成目标所需知识的位置,突出形式语言的地位、内容及其应用。
1.2.3软件工程能力培养
在工程化实践教学体系中,软件工程能力的培养是至关重要的。
软件工程能力包括软件需求、软件设计、软件构造、软件工程基础结构、软件配置管理、软件维护等知识单元。有些知识单元在早期学习,以促进学习条件的成熟;而有些知识单元的学习需要一定的成熟条件,应该放在后期讲授,如阶梯状迭代工程实践项目是整个教学过程中理论联系实际,培养学生动手能力、观察能力、分析和解决问题能力、团队合作以及创新精神的重要环节。把软件工程知识单元分期、分阶段引入阶梯状不同开发项目的全过程,形成了特色鲜明的工程化实践教育体系,使学生的软件工程能力在实际项目开发中得到锻炼和提升。“编译原理”课程工程化实践项目内容安排如表1所示。
“实践性、个性化、逐步工程化”是工程化人才培养的重要环节,也是学生成为合格软件工程化人才的实践过程。以上教学组织方法既保证了教学的系统性、知识性,又保证了教学案例的先进性和实践性。
1.2.4阶梯状迭代工程实践项目
编译器代码的长度可从10 000行到1 000 000行不等,编写甚至读懂这样一个程序都非易事,更何况是开发,因此编译器的实现比以前任何课程中学生承担的设计要大得多、难得多。纵观国内外大学研究现状,一般都是先设计一个语言,面向过程式或面向对象式,然后对设计的语言进行面向过程或面向对象程序设计方法的开发,早期采用面向过程语言编译器的面向过程开发,如吉林大学计算机科学与技术学院的编译原理实践课程“编译程序的设计与实现”,近期采用面向过程语言编译器的面向对象开发,或是面向对象语言编译器的面向对象开发,如“Modern Compiler Implementation in Java”。无论哪一种,学生都是一次性为具有上百条产生式语法的语言开发编译器,难度极大,这使实践课程的收效甚小。采用阶梯状迭代教学法创建的编译原理课程工程化实践项目从根本上解决了这个问题,配套教材为《编译程序的面向对象程序与实现》。
如图1和图2所示,编译原理课程工程化实践项目内容包括“C0解译程序的面向对象设计与实现”,“C1编译程序的面向对象设计与实现”,“C2编译程序的面向对象设计与实现”,“C3编译程序的面向对象设计与实现”。整体项目的源语言定义为C语言的子集,采用阶梯状迭代教学法后,将源语言定义为C0、C1、C2、C3,Cn是Cn-1的扩展。
编译原理课程工程化实践项目的优点有:
(1) 起点低:降低了开发难度。学生根据自己的实际水平选择源语言级别,有不同收效。从根本上解决了软件开发水平低的学生对编译程序开发望而生畏甚至放弃的问题。
(2) 阶梯上升:项目内容的选择不是零散的、随机的、重叠的,而是相互关联的。纵向为编译理论,是主要内容;横向为软件工程,是辅助内容。主要内容将难点分散,处理成阶梯状;辅助内容也将难点分散,同样处理成阶梯状。
(3) 迭代发展:每一个项目需求是前一个项目的扩展,因此,每一次的软件开发可以看作是前一次开发的迭代,使学生面对大型软件开发项目中最难处理的用户需求不断变更的问题,最大程度地使用重用技术。所有项目的开发承上启下、循序渐进、阶梯状迭代发展,为研究和学习软件生产线新技术埋下伏笔。
(4) 知识渗透:将软件工程核心内容及工程化软件开发思想由浅入深逐步渗透到各个项目中,每个项目具有不同级别的培养目标,学生从不同项目循序渐进地掌握工程化软件开发理念,降低了工程化软件开发的难度。
阶梯状迭代工程实践项目发挥了学生的主体意识,给学生足够的空间,激发了学生的活力与创新思维,并培养了学生的“三个能力”(自我管理能力、组织策划能力、社会实践能力)和“五种意识”(责任意识、服务意识、创新意识、团队意识、竞争意识)。
1.2.5配套教材
编译原理课程工程化实践教学配套教材共有3部,前导教材《C++实战:解释程序的面向对象程序与设计》与“编译原理”理论教学知识的先期注入配套;《编译程序的实现原理》与“编译原理”工程化理论教学配套;《编译程序的面向对象程序与实现》与阶梯状迭代工程实践项目配套,3部教材前后关联且各呈完整体系。本套教材为清华大学出版社“编译原理及其实践课程的工程化教学课群研究”立项项目,已出版1部,另2部明年中旬出版。
1.2.6评价体系
编译原理课程的工程化实践教学评价体系包括对学生工程素质和对教学体系的评价。
学生工程素质的评价采用过程化考核管理标准,即把工程化能力和职业素质引入学生工程素质的评价体系,加大工程化实践环节的比重,形成专业理论知识和实践能力并重的考核体制,将期末一张试卷定成绩的考评机制改为由工程化实践项目、随堂测验、论文、面试、考试、团队等多种形式相结合的评价机制,防止实验抄袭现象。编译原理课程考核采取理论知识和工程化实践项目完成情况的综合考核方式,工程化实践项目根据项目设计报告、软件开发文档、源代码和运行系统的质量进行考核,学生成绩以登记评定方式给出。
教学体系的评价采用回馈化考核管理标准,即把企业回馈和毕业生回馈引入教学体系的评价。对企业和毕业生进行跟踪调查,通过收集企业和学生的反馈指导教学和实践项目的设置和修订,形成良性循环,为进一步提高教学质量打下坚实基础。
2结论
软件工程是集计算机科学与技术、数学、经管等多学科的交叉性学科。作为一名软件工程教育者,我们必须建立一套具有自身特色的工程化人才培养体系,培育具有国际竞争力的一流软件产业高级/高端人才,结合软件工程人才的学科交叉性、偏重实用、职业定位等特点,系统深入地研究软件产业对技术型、管理型的人才需求,注重学生综合能力和专业素质的培养,才能在计算机系统、软件工具、软件工程和管理上循序渐进地提高学生的能力。
参考文献:
[1] Aho, Alfred V., Ravi Sethi, Jeffrey Ullman. Compilers: Principles, Techniques and Tools[M]. Reading, MA: Addison-Wesley, 1986.
[2] Appel, Andrew W. Modern Compiler Implementation in Java[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press,1997.
[3] Kenneth C. Louden. Compiler Construction: Principles and Practice[M]. PWS Publishing Company,1997.