信息安全課程群中《信息理論與編碼》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

胡康秀， 王兵賢， 王澤文

（東華理工大學(xué)理學(xué)院，江西南昌 330013）

信息是社會(huì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。國(guó)際上圍繞信息的獲取、使用和控制的斗爭(zhēng)愈演愈烈，信息安全成為維護(hù)國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的一個(gè)焦點(diǎn)，各國(guó)都給予極大的關(guān)注和投入［1，2］。東華理工大學(xué)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)暫時(shí)還沒有將信息安全專業(yè)列入人才培養(yǎng)計(jì)劃中，為加強(qiáng)專業(yè)信息類人才的培養(yǎng)，拓寬信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的就業(yè)范圍，提出“信息安全”課程群構(gòu)建［3］，在分析其特征的基礎(chǔ)上，設(shè)立了“信息安全”課程群的框架體系［4］，而且在課程群主干課程的教學(xué)中加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 信息理論與編碼課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

信息理論與編碼是“信息安全”課程群中的核心課程［5，6］，是運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究信息、信息熵、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)壓縮等問題的應(yīng)用學(xué)科理論，內(nèi)容包括信息論基礎(chǔ)、信息壓縮編碼技術(shù)、信息容錯(cuò)技術(shù)和信息安全技術(shù)等［7，8］，理論性強(qiáng)，概念抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣，需要借助于計(jì)算機(jī)仿真來驗(yàn)證相關(guān)的理論，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在該課程整個(gè)教學(xué)過程中顯得極為重要。搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅有助于提高教學(xué)質(zhì)量，還能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。東華理工大學(xué)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)在2009年之前，對(duì)于信息理論與編碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)，重點(diǎn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)工具主要選擇運(yùn)用C#語(yǔ)言。2004年，教育部在普通高校教學(xué)工作評(píng)估指標(biāo)和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中提出了“綜合性”實(shí)驗(yàn)和“設(shè)計(jì)性”實(shí)驗(yàn)兩個(gè)概念，而綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)完全不同于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，它對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵與效果提出了更高的要求［9，10］，尤其對(duì)于信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)來說，要適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，迫切需要大力提高學(xué)生的實(shí)踐和動(dòng)手能力。

2 信息安全課程群中信息理論與編碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的架構(gòu)

東華理工大學(xué)根據(jù)“信息安全”課程群的特征，提倡課程設(shè)置要以培養(yǎng)信息技術(shù)人才為目的，按照基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課三個(gè)層次進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于信息理論與編碼課程，教材方面一直選用北京航空航天大學(xué)出版社出版的《信息技術(shù)基礎(chǔ)》［8］，該教材重點(diǎn)面向工科學(xué)生編寫，對(duì)于信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的學(xué)生，則缺少了很多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的內(nèi)容，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)只能以基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，因此，綜合國(guó)內(nèi)外最新信息論方面的教材，從數(shù)學(xué)的角度自編了《信息理論與編碼》教材，尤其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，特別添加了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（1）單獨(dú)設(shè)置信息編碼訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)課程?！靶畔踩闭n程群強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，信息理論與編碼作為主干課程，必須大力提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位。信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)對(duì)于信息理論與編碼課程的教學(xué)除了理論教學(xué)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)外，另外單獨(dú)設(shè)置了信息編碼訓(xùn)練，并制定了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，而且將其作為一門單獨(dú)的課程進(jìn)行考核。

（2）循序漸進(jìn)，加強(qiáng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的完善。在信息理論與編碼課程理論課教學(xué)過程中，同步的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括二進(jìn)制信息熵的計(jì)算、Huffman編碼、LZW編碼、Shannon編碼等等，編程語(yǔ)言重點(diǎn)以C#為主。但這些實(shí)驗(yàn)只是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)圍繞課本內(nèi)容設(shè)計(jì)算法并實(shí)現(xiàn)，對(duì)于學(xué)生很難實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)信息理論與編碼課程的最終目標(biāo)。因此，在信息編碼訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，重點(diǎn)以綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主，提倡學(xué)生能夠運(yùn)用Matlab等數(shù)學(xué)軟件編程實(shí)現(xiàn)。譬如對(duì)于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“信道容量的迭代計(jì)算”，將其設(shè)置為綜合性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)讓學(xué)生熟練掌握一般信道容量的迭代計(jì)算，實(shí)驗(yàn)要求編寫Matlab程序或者其他語(yǔ)言程序代碼，輸入一個(gè)信道矩陣，輸出最佳輸入概率分布、信道容量、迭代次數(shù)、輸入符號(hào)的個(gè)數(shù)、輸出符號(hào)的個(gè)數(shù)、迭代計(jì)算精度等。對(duì)于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“最大似然譯碼器設(shè)計(jì)”，將其設(shè)置為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)讓學(xué)生在熟練掌握最大似然譯碼思想，并分析（11，7）BCH碼的糾錯(cuò)能力的基礎(chǔ)上，對(duì)于（n，k）線性分組碼中n和k不同的取值，設(shè)計(jì)完成（n，k）BCH碼最大似然譯碼器。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具體見表1。對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以選擇自己熟悉的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言或者數(shù)學(xué)軟件。

表1 綜合性實(shí)驗(yàn)和與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

（3）創(chuàng)造、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件。優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與齊全的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和應(yīng)用軟件是開展實(shí)驗(yàn)課程的必要前提。東華理工大學(xué)“信息安全”課程群主要課程教師組積極搜集資料，建設(shè)和完善網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)資源，信息理論與編碼實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)資源相對(duì)比較完善，主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書等。對(duì)于基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，給出相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的C#語(yǔ)言程序或者M(jìn)atlab代碼，以便學(xué)生在學(xué)習(xí)編碼理論相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)編碼理論中相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有所掌握，這也為后期信息編碼訓(xùn)練課程的開展提供了基礎(chǔ)。

（4）基于CDIO理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程考核。構(gòu)思—設(shè)計(jì)—執(zhí)行—運(yùn)作（Conceive－Design－Implement－Operate，CDIO）工程教育模式提倡學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)工程技術(shù)能力，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，以零適應(yīng)期走向社會(huì)，適應(yīng)社會(huì)的需要。CDIO教育模式以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)評(píng)估方法和學(xué)習(xí)成果相結(jié)合［12］。從信息理論與編碼理論課程進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)開始，到信息編碼訓(xùn)練中綜合性實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展，將信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)學(xué)生分組，要求10人左右為一大組，并選出1位組長(zhǎng)，2或3人為一小組（由學(xué)生自由結(jié)組）。在基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，要求每一位同學(xué)都要對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)證，然后由主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)老師及大組組長(zhǎng)組成評(píng)估組進(jìn)行綜合打分，最后實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)按照學(xué)校制定課程考核比例參與理論考核成績(jī)的評(píng)定;對(duì)于綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，則要求以大組為單位，每一小組選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，并以課程設(shè)計(jì)報(bào)告的形式進(jìn)行演示、答辯，評(píng)估組進(jìn)行綜合打分，最后分?jǐn)?shù)將作為信息編碼訓(xùn)練課程的成績(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師的能力要求

信息理論與編碼課程實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)老師由“信息安全”課程群中相關(guān)教師組老師擔(dān)任，對(duì)其能力要求主要有以下兩點(diǎn)。

（1）要有扎實(shí)的理論功底和較強(qiáng)的算法設(shè)計(jì)和編程能力。信息理論與編碼課程實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，需要C#語(yǔ)言、Matlab數(shù)學(xué)軟件等，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師不僅要熟練掌握信息理論與編碼課程的相關(guān)理論、明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的要求，而且還要有算法設(shè)計(jì)與分析以及C#語(yǔ)言、Matlab數(shù)學(xué)軟件等較強(qiáng)的編程能力。

（2）要有較強(qiáng)的責(zé)任感。信息理論與編碼課程對(duì)于信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)本科學(xué)生來說，真正要從理論上達(dá)到非常熟練的程度是很難的，而且理論是實(shí)驗(yàn)課開展的基礎(chǔ)。起初驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開展對(duì)于相當(dāng)一部分同學(xué)來說在實(shí)現(xiàn)上已經(jīng)有了一定的困難，再加上信息編碼訓(xùn)練課程的設(shè)置，綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展更是難上加難，這樣在一定程度上會(huì)挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師要有較強(qiáng)的責(zé)任感，積極引導(dǎo)學(xué)生掌握課程相關(guān)基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，舉一反三，讓沒有熟練掌握基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的學(xué)生真正體會(huì)到理論知識(shí)的內(nèi)涵和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的樂趣所在，更好地完成信息編碼訓(xùn)練環(huán)節(jié)驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4 結(jié)語(yǔ)

信息理論與編碼課程是“信息安全”課程群的核心關(guān)鍵課程，對(duì)于學(xué)生選擇信息技術(shù)方向有一定的啟發(fā)和指導(dǎo)作用［13］，其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的加強(qiáng)與完善是課程群實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的一個(gè)主要部分。為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)施針對(duì)性教育，真正地讓實(shí)驗(yàn)室成為創(chuàng)新的搖籃，東華理工大學(xué)“信息安全”課程群教師組將積極探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，為培養(yǎng)信息科學(xué)方向人才做出貢獻(xiàn)。

［1］沈昌祥，張煥國(guó)，馮登國(guó)，等．信息安全綜述［J］．中國(guó)科學(xué)E輯:信息科學(xué)，2007，37（2）:129-150．

［2］Mao W．Modern Cryptography:Theory and Practice［M］．NJ:Prentice Hall PTR，2003:29-37．

［3］胡康秀，王兵賢．“信息安全”課程群的構(gòu)建研究［J］．東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2008，27（1）:270-272．

［4］胡康秀．信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)“信息安全”課程群的特征與框架研究［J］．東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2011，30（2）:169-172．

［5］劉雪冬，劉嵐，王虹．《信息理論與編碼》教學(xué)方法初探［J］．陜西教育，2010（2）:215．

［6］李如瑋，鮑長(zhǎng)春，竇慧晶．信息理論與編碼課程建設(shè)與教學(xué)改革［J］．電子電氣教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（3）:9-10．

［7］張正言，黃煒嘉，張冰．《信息論與編碼》實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（1）:191-193．

［8］周航慈，孫麗華，王仁波，元如林．信息技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

［9］沈忠悅，商亮節(jié)，潘小青，等．精心設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力——以“結(jié)晶學(xué)及礦物學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程為例［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（5）:92-94．

［10］鄭家茂，熊宏齊．開放·創(chuàng)新——實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式［M］．北京:高等教育出版社，2009．

［11］Pyndiah R，Combelles P，Adde P．A very low complexity block turbo decoder for product codes［C］．Communications:The Key to Global Prosperity．1996:101-105．

［12］嚴(yán)波，嚴(yán)春妍，丁治中，等．產(chǎn)品設(shè)計(jì)課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段的改革［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（5）:128-131．

［13］張?jiān)骑w．關(guān)于信息與計(jì)算專業(yè)開設(shè)信息論與編碼的體會(huì)［J］．大學(xué)數(shù)學(xué)，2005，21（3）:35-37．