基于层次递进模式的“编译原理”课程教学研究与实践
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512019年3月刊
专业与课程建设Major Construction & Course Construction
0 引言
“编译原理”课程是计算机科学与技术专
业的专业课程，主要讲授计算机系统重要的系统
软件—程序设计语言编译程序的设计原理和实
现技术，其特点是理论抽象、系统性强、实践性
强，理论与实践结合紧密。同时，“编译原理”
课程中的经典算法蕴含着计算机科学中抽象问题、解决问题的思路和方法及形式化的描述等，
可提高学生的专业素养，培养其发现问题、分析
问题和解决问题的能力。“编译器设计的原理和
技术还可用于编译器之外的众多领域。因此，这
些原理和技术通常会在一位计算机科学家的职业
生涯中被多次用到。研究编译器的编写涉及程序
设计语言、计算机体系结构、形式语言理论、算
法和软件工程”[1]。鉴于此，对“编译原理”课
程教学的研究十分重要。
国内外高校一直致力于对“编译原理”课程
的教学内容和教学方式进行研究，根据学校专业
定位和培养目标，设计课程教学内容。斯坦福大
学“编译原理”课程选用“龙书”—《编译原
理技术和工具》作为参考教材，卡耐基梅隆大学
“编译器设计”课程选择“虎书”—《现代编
译原理》作为参考教材[1-4]。虽然选用的参考教材
不同，但课程内容包括形式语言、有限自动机、
词法分析、语法分析、语义分析、代码生成、代
码优化、类型检查等。课程的特点是重理论，更基于层次递进模式的
“编译原理”课程教学研究与实践
于双元，徐金安，丁 丁，陈钰枫
（北京交通大学计算机与信息技术学院，北京 100044）
【摘要】 “编译原理”课程是计算机科学与技术专业的重要专业课程之一，本文针对“编译原理”课程理论性强、抽象性强、实践性强、系统性强的特点，探讨了课程的目标定位，基于层次递进模式从课程教学内容设计、教学方法设计、教学实施等几个方面结合教学实际进行了研究和实践，阐述了相应的教学理解和教学体会。【关键词】层次递进；编译原理；教学设计；教学方法；教学过程【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-5065（2019）03-0051-05
收稿日期：2018-12-30作者简介：于双元（1965—），女，黑龙江佳木斯人，硕士，副教授，硕士生导师，研究方向为分布式计算、机器学习和自然语言处理；徐金安（1970—），男，湖北荆州人，博士，教授，博士生导师，研究方向为自然语言处理和机器翻译；丁丁（1980—），女，内蒙古赤峰人，博士，副教授，博士生导师，研究方向为云计算、大数据；陈钰枫（1981—），女，福建南平人，博士，副教授，博士生导师，研究方向为自然语言处理、机器翻译和信息抽取。基金项目：2017年北京交通大学校级教改项目“‘编译原理’课程教材建设”（项目编号：暂无）。2019年3月刊
52 Industry and Information Technology Education工业和信息化教育
重实践，在考核体系中，斯坦福大学的实验成绩
占总成绩的50%，卡耐基梅隆大学的实验内容甚
至占到总成绩的70%，而且理论教学和实践教学
无论在内容上还是进程上都结合得十分紧密。
“编译原理”课程的理论教学内容、实践教学内
容、教学方式、教学过程等的设计对课程教学目
标的达成十分重要。国内高校结合学校的专业定
位和培养目标，在“编译原理”课程的教学内容
选取和教学方式设计上进行了多方位的研究和实
践[5-7]。
1 理论教学内容设计
“编译原理”课程的特点是抽象理论内容较
多，大多概念和方法基于形式化的描述；同时又
具有较强的实践性，实践内容与理论内容结合十
分紧密；编译过程包括词法分析、语法分析、语
义分析及中间代码生成、代码优化、目标代码生
成5个阶段，具有较强的系统性。因此，根据学
时安排设计精准的教学内容，对学生在课程学时
内理解、掌握课程的核心内容，并在以后的职业
生涯中延展学习十分关键。本文基于层次递进模
式研究并设计了教学内容，更有利于学生循序渐
进、逐步深入地学习。
1.1 理论教学内容设计原则
（1）选取能够体现编译程序设计原理实质
的基本理论和基本方法的内容。如形式语言与自
动机理论，使学生深刻理解和掌握课程的理论基
础，建立形式化方法的基本概念，深化抽象思维
的能力，这也是“编译原理”课程教学的本质
所在。
（2）选取能够体现编译过程实现核心和实现
技术的方法和内容。如LR分析法、语义分析和中
间代码生成等，使学生能够充分体会编译程序设
计核心方法的由来，理解设计思想及技术实现。（3）选取能够体现编译中理论与实践紧密结
合的内容，同步贯穿理论和实践的相关内容。如
实验项目中从词法分析、语法分析、语义分析到
目标代码生成的实验型语言编译程序的实现，使
学生深刻领会理论对实践的指导作用。
1.2 理论教学内容设计
根据设计原则，本文设计了层次递进模式的
教学内容总体结构，如图1所示。
教学内容可归纳为理论基础、原理方法、技
术实现3个递进层次，理论基础是编译原理依托的
原理；原理方法是编译程序设计的原理和方法，
涵盖“编译原理”课程的经典问题；技术实现是
编译程序依托原理方法在实现时采用的技术和
手段。
经典问题
理论基础原理方法编译程序实现
编译程序设计技术实现
图1 层次递进模式的教学内容总体结构
（1）在理论基础方面，主要包括：①符号串
的概念、文法的形式定义；②语言的形式定义；
③推导与归约的形式定义；④语法树和二义性；
⑤句型和句子、短语的基本概念和意义；⑥简单
短语、句柄的基本概念和意义；⑦有限自动机的
形式定义等。其中，符号串、句子、句型的概念
是理解编译程序的输入—源程序的关键；句型
与句子的关系、符号串与源程序的关系、句子与
源程序的关系；文法和语言的形式化描述是形式
化方法理解的关键；推导与归约、语法树与二义
性是词法分析方法、语法分析方法设计的最直接
的理论基础；句子、句型及句型中的概念是词法
分析、语法分析中理解分析方法的关键。
首先，以符号串、句子和源程序为例，编
译程序是对符号串进行分析，句子是符号串的子532019年3月刊
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集，而正确的源程序是句子，错误的源程序不是
句子。所以，编译程序的根本任务是判定用户书
写的源程序是不是文法中合法的句子。这样，就
把基础理论与编译程序的设计联系起来，而不是
单纯地介绍基础理论。
其次，以最左推导和规范归约为例，最左推
导是词法分析中左线性正则文法状态转换图、语
法分析中递归下降分析方法和LL（1）分析方法
的理论基础；规范归约是词法分析中右线性正则
文法状态转换图、简单优先分析、算符优先分析
（所谓的规范归约）、LR分析的理论基础。
（2）在原理方法方面，主要内容包括：①正
则文法到状态图的转换；②正则表达式到有限自
动机的转换；③递归下降分析方法；④LL（1）
分析方法；⑤算符优先分析法；⑥LR分析法；
⑦语义分析、目标代码结构分析；⑧目标代码生
成寄存器分配算法等。这些原理与方法是词法分
析、语法分析、语义分析及中间代码生成、目标
代码生成设计思想的核心。尽管很多教材不再介
绍算符优先分析法，但是其中“最左素短语”概
念的由来，对于培养学生解决问题的能力是有
益的。
首先，以正则文法到状态图转换为例，词法
分析所识别的单词符号由正则文法描述，而由正
则文法构造状态转换图、状态转换图识别符号串
的过程是词法分析程序的设计依据。同时，这一
过程的理论基础是最左推导和规范归约，也是句
型分析中的自上而下分析和自下而上分析的设计
依据。有限自动机也是词法分析自动生成工具的
理论依据。
其次，以LR分析法为例，LR分析法是自下向
上的语法分析方法，可解决大部分无二义性的上
下文无关文法，其核心思想是规范归约过程，所
以寻找当前句型的句柄是LR分析的关键所在。LR
分析方法也是语法分析自动生成工具设计的理论
依据。
（3）在技术实现方面，侧重理论与实践的
紧密结合，主要包括：①词法分析程序的实现； ②递归下分析程序的编写和First、Follow集合的
构造；③LL（1）分析中分析表的构造和总控程
序的设计；④算符优先分析最左素短语的确定与
算符优先矩阵构造；⑤LR分析中分析表的构造及
LR分析器的构造；⑥语义分析中目标代码结构的
分析与语义动作的添加；⑦目标代码生成中四元
式引用信息和活跃信息的建立及寄存器分配方法
等。作为编译程序实现的技术方法，这些技术方
法使学生在理论课程学习的同时，同步完成实验
型语言编译程序的设计与实现。
首先，以LL（1）分析为例，LL（1）分析
的理论基础是最左推导，为了实现无回溯无左递
归的最左推导过程，在技术上需要构造LL（1）
分析表，建立分析栈，设计总控程序，进而实现
LL（1）分析。
其次，以LR（0）分析为例，LR（0）分析的
理论基础是规范推导，为了实现这种规范推导过
程，在技术上需要构造LR（0）分析表，建立分析
栈，设计总控程序，进而实现LR（0）分析。
2 实践教学内容设计
2.1 实践教学设计原则
编译程序是计算机重要的系统软件，“编
译原理”课程主要讲授编译程序的构造原理和实
现，因此其实践环节（从抽象理论到设计方法再
到技术实现的研究过程）是必不可少的，否则学
生无法真正领会编译原理的实质，也无法体会计
算机解决问题的基本方法。实践教学的设计原则
是与理论教学紧密结合，同步实现编译过程的每
个阶段。
2.2 实践教学内容设计
为完成实验型语言的编译程序设计的主要阶
段，课程安排了6个实验项目：①词法分析程序设
