《信息論與編碼》課程教學(xué)探討與思考

摘 要：在《信息論與編碼》課程教學(xué)過程中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)和掌握這門課時存在一定的困難。為了提高課程的教學(xué)效果,先行分析產(chǎn)生困難存在的原因，針對不同的因素，根據(jù)本課程的教學(xué)特點,從概念講解，學(xué)習(xí)態(tài)度，學(xué)習(xí)方法及教學(xué)實踐等環(huán)節(jié)，探討克服本課程教學(xué)中的難點、獲得有效的教學(xué)效果的方法。其中,有的方法已被實施,還有的方法將在今后的教學(xué)中試行。已有的教學(xué)實踐結(jié)果表明,在教學(xué)過程這些改革方法的應(yīng)用,將有效提高課程教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：信息論與編碼；教學(xué)效果；教學(xué)改革

信息理論是現(xiàn)代信息科學(xué)的一個重要組成部分，對通信的工程實踐、科學(xué)研究有著廣泛而深入的影響。信息論將信息的傳遞作為一種統(tǒng)計現(xiàn)象來考慮，給出了估算通信信道容量的方法。信息傳輸和信息壓縮是信息論研究中的兩大領(lǐng)域。這兩個方面又由信息傳輸定理、信源－信道隔離定理相互聯(lián)系。信息論有狹義和廣義之分。香農(nóng)（Shannon, 1916-2001）被稱為是“信息論之父”。人們通常將香農(nóng)于1948年10月發(fā)表于《貝爾系統(tǒng)技術(shù)學(xué)報》上的論文“通信的數(shù)學(xué)理論”作為現(xiàn)代狹義信息論研究的開端，它以編碼理論為中心，主要研究信息系統(tǒng)模型、信息的度量、信息容量、編碼理論及噪聲理論等。隨著通信的網(wǎng)絡(luò)化，多用戶信息論得到了飛速發(fā)展,并在實際應(yīng)用中取得重要成果。信息論是通信系統(tǒng)的指導(dǎo)性基礎(chǔ)理論。廣義信息論又稱信息科學(xué)，主要研究以計算機處理為中心的信息處理的基本理論，包括評議、文字的處理、圖像識別、學(xué)習(xí)理論及其各種應(yīng)用。信息論的研究與很多學(xué)科密切相關(guān)，例如，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、控制論、計算機科學(xué)、邏輯學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)、管理科學(xué)等。

目前信息論已被應(yīng)用到更加廣泛的領(lǐng)域，如經(jīng)濟、生物、物理，并產(chǎn)生了一系列的新型分支，如信息路與股票市場、生物信息論、量子信息論等。隨著這些分支的產(chǎn)生，對信息的需求使得人類進入了信息化社會，信息觀念和信息處理能力已成為21世紀(jì)信息人才所必備的基本素質(zhì)，信息論與編碼理論正是信息技術(shù)發(fā)展的基本理論。因此，許多高等院校在電子信息工程，通信工程及網(wǎng)絡(luò)工程開設(shè)《信息論與編碼》為專業(yè)的基礎(chǔ)課。在實際教學(xué)過程中，教師發(fā)覺無論怎樣講解教學(xué)效果不明顯，而且學(xué)生也不愿意學(xué)習(xí)。經(jīng)過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在以下幾個方面：

1 教學(xué)過程中存在的問題

信息論課程對數(shù)學(xué)理論要求較高，所涉及的數(shù)學(xué)知識覆蓋了理工科學(xué)生所學(xué)的大部分數(shù)學(xué)知識，包括：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程以及數(shù)值分析。但是根據(jù)本科教學(xué)大綱安排，隨機過程和數(shù)值分析是不學(xué)的。還有，這門課中存在大量繁瑣又枯燥乏味的公式的推導(dǎo)和證明，使得學(xué)生望而生畏，從而影響了學(xué)生學(xué)好這門課的信心。與許多學(xué)生討論這門課時，發(fā)覺學(xué)生認為信息論就是一些公式和推導(dǎo)，沒有體會到該理論在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用價值，學(xué)非所用，沒有學(xué)習(xí)的必要。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生過度依賴?yán)蠋?，缺乏獨立的思考。老師講的知識是強迫接受。還有，信息概念比較抽象，學(xué)生對其理解不夠，在這種情況下，取得好的教學(xué)效果比較難。目前，現(xiàn)在許多學(xué)校在實踐教學(xué)方面還存在許多問題，有的根本就沒有開設(shè)，有的只是將通信原理的實驗箱拿來為學(xué)生演示。學(xué)生從中沒有學(xué)到任何有關(guān)課程的內(nèi)容。還有就是沒有充分考慮學(xué)生的心理特點、知識結(jié)構(gòu)和個體差異，實踐任務(wù)安排不合理，太難也會打擊學(xué)生的信心。

2 提高教學(xué)質(zhì)量的思考及方法

2.1 信息概念要強化，如果學(xué)生對信息的概念不了解，對以后的深入學(xué)習(xí)會造成很大的障礙，因此在課堂上采用多媒體輔助形式和生活中的應(yīng)用實例將信息概念形象化。例如要想使學(xué)生對信息有一定程度的認識，就可以從這樣闡述：客觀世界充滿著信息：天上的星體、地下的礦藏，一切客觀物質(zhì)無不具有自己的特征信息。人類離不開信息：人的五官在不停地感知、接收信息；人的神經(jīng)系統(tǒng)在不停地傳遞信息；人的大腦則在不停地處理與決策信息；人與人之間又在不停地交流信息；人活在世上百分之百時間都在自覺與不自覺地與信息打交道。知識、書本是有用信息的積累：人類依靠知識改造自然，適應(yīng)自然，靠知識促進社會的發(fā)展與進步。信息是組成客觀世界并促進社會發(fā)展的最基本的三大要素之一。三大要素是：物質(zhì)、能量與信息。三要素中物質(zhì)是基礎(chǔ)，是實體。能量是物質(zhì)運動的形式，E=mc2，物質(zhì)可轉(zhuǎn)換成能量，而能量又是改造客觀世界的主要動力。信息：它依附于物質(zhì)和能量，但又不同于物質(zhì)和能量。沒有信息就不能更好地利用物質(zhì)和能量，人類利用信息和知識改造物質(zhì)，創(chuàng)造新物質(zhì)，提高能量利用效率，發(fā)現(xiàn)新能量形式。信息也是客觀存在的，它是人類認識、改造客觀世界的主要動力，是人類認識客觀世界的更高層次。

對信息概念有了認識后，進一步引入關(guān)于怎樣研究信息和描述信息。信息存在于自然界，有也存在于人類社會。哪里有事物，哪里就有事物的運動，同時哪里就產(chǎn)生了信息。在接收者收到信息之前，對它的內(nèi)容是不知道的，具有不確定性，是可以攜帶、存儲及處理，并能夠度量的。根據(jù)這些解釋，舉例子如：有人告訴你許多原來不知道的新內(nèi)容。這些新內(nèi)容就是信息，這些信息是由別人傳遞過來的。再舉個例子，有兩個袋子分別裝100個球，甲袋子裝了50個紅球，50個白球；乙袋子裝25個紅球，25個白球，25個籃球，25個黑球，現(xiàn)從兩個袋子隨意抽出一個球，是紅球，則這兩個消息包含的信息量是不同的。這樣學(xué)生就對信息有個形象的認識。在為后面講解信息的度量時，打下良好的基礎(chǔ)

2.2 教學(xué)角色不同，對待同一事物的看法和觀點就不同。教師從事多年教學(xué)，學(xué)生又是從未接觸過信息論的知識，對第一次接收的新知識的理解與教師所傳授的目的是否一致呢？也就是學(xué)生能否理解課堂上教師所傳授的內(nèi)容？通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，由于學(xué)生自身的基礎(chǔ)與教師存有差別，教師所講授的內(nèi)容與學(xué)生接受的內(nèi)容也有偏差。因此，采用換位思考，讓教師站在學(xué)生的角度去理解、學(xué)習(xí)抽象而晦澀的純理論的知識。這就要采用新的方法去教與學(xué)。教師選取幾個相對簡單移動的環(huán)節(jié)，通過初步的引導(dǎo)，讓學(xué)生自學(xué)并上講臺講課給其他的同學(xué)聽，這樣教師會發(fā)現(xiàn)不同的學(xué)生所講的則重點就不同，而且學(xué)生們還會發(fā)現(xiàn)問題與老師和其他的同學(xué)討論，這樣加深學(xué)習(xí)印象，產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)效果。最重要的是，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的不足和缺點，從而加強補充。

2.3 難理解的知識點采用建模、比喻和舉例的方法進行教學(xué)由于信息論是一門理論性很強的課程，數(shù)學(xué)推導(dǎo)對應(yīng)理解信息論的內(nèi)容是十分重要的，因此在本門課程的教學(xué)過程中，我們的教師還是以傳統(tǒng)的黑板授課為主，在達到結(jié)論性成果后通過適當(dāng)利用多媒體演示一些編碼技術(shù)的實現(xiàn)過程和仿真結(jié)果，這樣能夠達到比較好的教學(xué)效果。另外，通過多媒體建立的學(xué)習(xí)情境進行學(xué)習(xí)，利用生動、直觀的形象有效的激發(fā)聯(lián)想，便于學(xué)生記憶，強化知識學(xué)習(xí)。計算機輔助《 信息論 》課程教學(xué)能夠提高課堂教學(xué)效率，改善課堂教學(xué)效果。除課堂授課外，拿出一些課時進行討論。布置一些習(xí)題由學(xué)生自己準(zhǔn)備，在討論課上由學(xué)生就相關(guān)問題介紹自己的解決方法，大家進行討論，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識，提高他們思考問題和解決問題的能力。

2.4 充分利用網(wǎng)絡(luò)提供更多的教學(xué)資源。建立了課程網(wǎng)站，在網(wǎng)站上提供補充材料，如信息論最新研究的綜述性文章，收集專家的各類報告等等，這些對于學(xué)生了解相關(guān)的應(yīng)用，加深理解信息論概念會起到重要作用。我們還在網(wǎng)上建立交流區(qū)，加強教師和學(xué)生的交流，縮短教師和學(xué)生的距離，將課堂延伸到課外。

2.5 由于“信息論與編碼”課程內(nèi)容需要一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),存在大量的理論證明和推導(dǎo),因此,對于學(xué)生空間想象能力，抽象思維能力和邏輯推理能力等方面要求較高,這也對該課程的教學(xué)提出更高的要求。因此,為了在授課過程中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,促進學(xué)生更好地掌握“信息論與編碼”這門課程,非常有必要進行實踐探討與研究。為了取得較好的教學(xué)效果，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)不同，將實踐的難度分成三個等級。對于基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，采用演示性實踐；中等層次的學(xué)生采用MATLAB仿真手段；對于高等層次的學(xué)生，采用高級語言編程完成通信與編碼的算法。老師不能像以前采用的實踐教學(xué)方法，統(tǒng)一要求統(tǒng)一管理。采用這種因材施教教學(xué)手段，可以激發(fā)各類學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力,充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。同時。還可以將實踐內(nèi)容作為開放性實踐，拓展有需求的學(xué)生的學(xué)習(xí)需要。

本文從“信息論與編碼”在教學(xué)中所產(chǎn)生的問題入手,分析產(chǎn)生教學(xué)的效果差的幾個原因。根據(jù)本課程教學(xué)內(nèi)容的特點,分別從概念講解，學(xué)習(xí)態(tài)度，學(xué)習(xí)方法及教學(xué)實踐等環(huán)節(jié)，探討克服本課程教學(xué)中的難點、獲得有效的教學(xué)效果的方法。其中,有的方法已被實施,還有的方法將在今后的教學(xué)中試行。已有的教學(xué)實踐結(jié)果表明,在教學(xué)過程這些改革方法的應(yīng)用,將有效提高課程教學(xué)效果,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

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作者簡介：杜玉華:1977年生，研究生，2003年畢業(yè)于長江大學(xué)（原江漢石油學(xué)院）地球探測與信息技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)在常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院從事教學(xué)科研工作,講師,研究信號采集與處理方向。