提高信息論與編碼課程的教學質量

人類社會的生存和發(fā)展離不開對信息的獲取、傳遞、處理、再生、控制和利用。尤其在人類進入高度信息化的21世紀以來，移動、互聯(lián)網(wǎng)通信，多媒體、計算機和空間技術等信息技術獲得了人類難以想象的發(fā)展。這些應用領域中，只要是涉及信息的存儲、傳遞和處理就要用到Shannon信息理論，人們對于信息的概念和基本理論已不再感到陌生、抽象和難以理解，并開始意識到學習和掌握信息理論的重要性[1]。

在此形勢下，信息論與編碼作為信息與計算科學專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，其課程內容主要是運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計的方法來研究信息、信息熵、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、密碼學、數(shù)據(jù)壓縮等問題，從而提高信息系統(tǒng)的可靠性、有效性、保密性和認證性，使得信息系統(tǒng)達到最優(yōu)化。

一目前教學中存在的問題

從2000年數(shù)學學科成立信息與計算科學專業(yè)以來，很多高等院校該專業(yè)都在開設信息論與編碼這門課程，但目前還處于起步階段，其課程體系結構建設還需要進一步鞏固和完善，目前存在的主要問題包括以下三個方面。

1基礎知識

信息論與編碼課程，其核心內容是Shannon信息論，其基本理論和主要內容是信源與信道編碼定理，這些都是近代信息處理的理論基礎，具有深刻而又嚴格的數(shù)學描述與證明[2]。其中復雜的定理證明難免會讓學生感到枯燥，甚至會對課程的學習產(chǎn)生抵觸情緒，增加教學難度。

2授課方式和內容

多數(shù)高校的信息論與編碼課程均以講授為主，采用板書或多媒體課件形式授課。由于客觀上受到課程內容多，學時少的限制，因而造成部分院校采用填鴨式的教學方法，偏重理論，缺少新例。另外，有些教師的課件完全就是所選教材的電子版，無任何凝練，使學生在課堂上感到抬頭看課件和低頭看教材沒什么大的區(qū)別，課堂上師生缺乏互動，學生學習勁頭大打折扣，甚至作業(yè)也抄襲應付了事。此外，每年的授課內容難以做到與時俱進，缺乏對經(jīng)典理論的創(chuàng)新應用和相關知識前沿動態(tài)方面的了解，使得學生很難將知識點與其在實際生活中的應用相聯(lián)系，無法保質保量地達到課程的培養(yǎng)目標。

3實踐環(huán)節(jié)

多數(shù)高校對于該課程都是重理論輕實踐的，很少涉及信息處理的實驗內容。所以，多數(shù)學生動手能力很差，只會紙上談兵。其實，信息與編碼理論是一門理論與實踐并重的學科，教師應多給學生展示并讓其嘗試相關理論的實踐和應用，以此提高學生學習的興趣，加深對基礎理論內容的理解。

二提高教學質量的措施

上述問題嚴重制約了學生分析問題、解決實際問題的能力，很難達到信息論與編碼課程作為信息與計算科學專業(yè)主干課程的作用。如何有效解決這些問題、提高教學質量，需要我們信息論與編碼課程的教師從教材選定、課堂內容設置、授課方法、實驗展示與上機操作等諸多環(huán)節(jié)去探索和改進。針對以上問題，根據(jù)我在信息論與編碼課程教學上的實際經(jīng)驗和我實地了解的兄弟院校的相關情況，認為要達到信息論與編碼課程的教學目標，應該從以下幾個方面進行改進和提高：

1教材悉心選取，文獻恰當補充

信息理論是當代國內外大學相關專業(yè)重要的基礎專業(yè)課程。自20世紀80年代以來，國內外使用的教材就有30多種，因此，為信息與計算科學專業(yè)的學生選擇一本適合本專業(yè)特色的國家級規(guī)劃性教材尤為重要。必須考慮在理論知識的介紹上要深入淺出，概念要清晰，內容要豐富詳實，系統(tǒng)性和可讀性要強，并要具有實際的應用價值，同時也應考慮學生的自身的學習能力與學校的客觀教學環(huán)境，因地制宜選擇教材。此外，由于該課程的教學僅54學時，部分章節(jié)內容須學生課后自學，所以，教材也要易于學生自學。

另外，對于這些高年級的學生，必須培養(yǎng)他們閱讀相關的國內外文獻的能力。教師為他們介紹一些有價值的經(jīng)典文獻書籍也是必要的。比如，一直以來我都會為我的學生推薦Thomas M.Cover所著的“Elements of Information Theory”原版作為首選的參考書，它是美國很多一流大學的首選教材。它在時間上雖不是最新的，但從內容的覆蓋面來講仍有優(yōu)勢，且迄今仍有一定的先進性。幾年來的教學也已印證，它對拓寬學生的視野確實大有益處。

2理論知識詳略得當，實際應用與時俱進

信息論與編碼涉及很多數(shù)學問題，包括概率論與數(shù)理統(tǒng)計、隨機過程、近世代數(shù)等，其概念公式和定理證明很多淹沒在繁雜的數(shù)學推導中。因此，數(shù)學工具的使用和數(shù)學推導過程的介紹要恰到好處，取舍得當。既不要過于簡化，又不要拘泥于數(shù)學細節(jié)。比如，對那些巧妙、值得借鑒但又篇幅過長的定理證明過程，給學生大致的思路框架便可。

授課教師應將講清概念放在第一位，最好采用通俗的文字，聯(lián)系目前實際通信系統(tǒng)，用較多的例題和圖來形象地闡述基本概念、基本理論及實現(xiàn)原理，且能深入淺出，使學生很快得其要領。然后，再讓學生用剛學到的知識原理去親自解決一些實際的小例子，使得師生在思維上進行“接力”，知識上迅速地“傳導”。

作為一門理論與應用并重的學科，既要保證理論的完整性和系統(tǒng)性，又要突出理論研究面向應用的性質。所以，教師要實時地儲備大量面向應用的實例、與時俱進的創(chuàng)新思想和學科的最新前沿動態(tài)，來豐富你的課堂，吸引學生的注意力，和學生產(chǎn)生思維上的互動，切勿啃老本，否則新鮮知識總會黔驢技窮。比如，2008年我在講授信道數(shù)學模型及其分類這節(jié)時，又恰逢幾天前（2008年4月25日23時35分）我國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號01星”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，于是就在課堂上和學生共同分享了新華網(wǎng)上的這則嶄新的圖文消息，沒想到引起了學生對衛(wèi)星發(fā)射和信道知識的大討論，課堂氣氛尤為活躍。又如我在哈工大課程考察期間，老師用當時最新的報道———“喬布斯的成與敗”來作為信息技術概論的開篇，吸引了全班所有學生仔細聆聽。這些都讓我體會到學生的興趣所在和對知識的渴望。

3課堂習題啟發(fā)講解，課后作業(yè)異人異題

課堂上，要啟發(fā)學生積極思考問題?，F(xiàn)在的學生多數(shù)都是喜歡挑戰(zhàn)自我。所以，要不時地拋出一些實際應用的小問題，使學生能帶著問題學，啟發(fā)性地引導他們自己去解決，使其產(chǎn)生學習的興趣，激發(fā)出他們學習的情感，引導學生自主地學習。比如，在講解線性碼的一個關于標準生成矩陣和校驗矩陣的定理時，按常規(guī)方法是先給出定理內容，也就是給出了結論，讓學生去被動驗證便可。但我認為學生應該有能力推導出定理的結論，于是在我的啟發(fā)下，學生自己構造出了定理的結論，也感受到成功帶給他們的那份喜悅和自信。有時也可以鼓勵學生自己去設計類似的一些小問題，在同學間討論解決，取得了良好的課堂效果。

課后的作業(yè)，作為知識的進一步鞏固也不容忽視。對于學生必須要熟練的掌握具有普遍性的問題，可以作為共同作業(yè)。但對于那些個性化的可以激發(fā)他們創(chuàng)造性思維的問題，可異人異題，也可避免抄襲現(xiàn)象的發(fā)生。比如，哈工大信息與計算科學專業(yè)的老師在給學生布置信息論作業(yè)時，就采用異人異題的方法，且作業(yè)不拘泥于一本教材，他悉心挑選了很多有趣且具有挑戰(zhàn)性的習題。這一點，很值得借鑒和學習。

4實驗精心設計，上機積極配合

信息論與編碼是理論與應用都很強的一門學科，上機實驗是其重要組成部分。教師應該精心挑選幾個典型的實驗（如有、無失真的數(shù)據(jù)壓縮，各種圖像變換等）在課堂上為學生講解和展示，使學生盡快學習并了解信息處理的典型方法，同時，讓學生了解將Shannon理論研究成果轉換為IT技術與產(chǎn)品的過程。

對于學生上機實驗的內容要合理地設計和安排，要圍繞信息理論的核心內容進行，要有驗證性、綜合性和設計性的特點，使學生通過實驗加深對信息理論核心內容的理解，提高解決實際問題的能力，并能熟練掌握至少一種常用的數(shù)學軟件。實驗設計的作業(yè)一定要保證異人異題，最好要求學生將自身的特征提取后融入設計，達到防偽且獨立編程的效果。

5注重學科特點，培養(yǎng)著眼未來

信息論與編碼在通信理論、統(tǒng)計學、計算機科學、概率論以及投資理論等領域都有廣泛應用。作為信息與計算科學專業(yè)的一門高年級專業(yè)基礎課，可以根據(jù)學科和學生自身的特點，在課程即將結束時，引導學生按照自己的興趣，將所學的知識應用到密碼學、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)壓縮、檢測理論或估計理論中，嘗試解決一些相關的實際問題。學生在畢業(yè)設計或畢業(yè)論文選題、收集資料時就不會感到茫然和不知所措。與其被動地接受指導教師所列題目，不如學生提早選擇一個更適合自己的論文內容，做起來也會得心應手、游刃有余。同時，也培養(yǎng)了學生學習的獨立性和自主性，為日后的順利就業(yè)或者繼續(xù)深造打下良好的基礎，對打造更多服務于社會的復合型人才大有益處。

總之，“信息論與編碼”是針對目前信息的存儲、傳遞和處理的各種需求而設置的課程，通過對信息與計算科學專業(yè)開設的“信息論與編碼”課程現(xiàn)狀的分析，結合教學實踐，總結了一套提高該課程教學效果的方案。經(jīng)過幾年來的課堂教學和實踐操作，已經(jīng)取得了初步成效?！靶畔⒄撆c編碼”是一門具有理論性、系統(tǒng)性、強實踐性的學科，其教學改進和完善是一個不斷探索和積累的過程，但只要抓住信息與計算科學專業(yè)教學資源的特點，因材施教，同心協(xié)力，必將培養(yǎng)出理論知識過硬，動手操作能力強，應用靈活的專業(yè)復合型人才。

參考文獻

[1]傅祖蕓.信息論—基礎理論與應用（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2011.

[2]沈世鎰.信息論-基礎與應用[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3]傅祖蕓.信息論—基礎理論與應用（第二版）（M）.北京：電子工業(yè)出版社， 2008.

[4]ThomasM.Cover.ElementsofInformationTheory2ndEdition[M].Wiley-Interscience， 2006.