基于CDIO的“信息論與編碼”課程的改革與實(shí)踐

摘要：“信息論與編碼”課程是寧夏大學(xué)電子信息工程、通信工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，由于課程內(nèi)容抽象、公式繁多及數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，在教學(xué)過(guò)程中存在著一些問(wèn)題，影響了課程的教學(xué)效果。課題改革小組基于CDIO 模式，從教學(xué)內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法的改進(jìn)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了該課程的改革探索。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，通過(guò)改革，較好地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：信息論與編碼；CDIO；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：賈艷玲（1980-），女，寧夏銀川人，寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，講師；劉思遠(yuǎn)（1977-），男，寧夏銀川人，寧夏大學(xué)發(fā)展規(guī)劃與學(xué)科建設(shè)處，講師。（寧夏 銀川 750021）

基金項(xiàng)目：本文系寧夏大學(xué)第五屆校級(jí)教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：66）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）05-0093-02

“信息論與編碼”課程是我國(guó)高等學(xué)校信息與通信工程學(xué)科重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，該門(mén)課程主要研究信息傳輸及信息處理過(guò)程中的一般規(guī)律。[1]從學(xué)科性質(zhì)上看，它是一門(mén)綜合性很強(qiáng)且知識(shí)面很寬的課程，不但涉及到通信理論、高等數(shù)學(xué)、概率論及隨機(jī)過(guò)程、現(xiàn)代密碼學(xué)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域，還需要扎實(shí)、廣泛的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。通過(guò)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)，希望學(xué)生能夠掌握香農(nóng)信息論中有關(guān)信息量、信道容量、編碼速率等基本概念和無(wú)失真信源編碼、限失真信源編碼及信道編碼等三個(gè)編碼定理，以及信源編碼與信道編碼的主要實(shí)現(xiàn)方法，滿足數(shù)字通信、信息處理及信息安全等相關(guān)領(lǐng)域工作的要求。[2]

一、現(xiàn)狀分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，限失真信源編碼、信道編碼、信息安全編碼和網(wǎng)絡(luò)信息論等理論在當(dāng)今社會(huì)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，“信息論與編碼”課程的重要性及實(shí)用性也變得越來(lái)越突出。然而，由于該課程內(nèi)容過(guò)于抽象，分析時(shí)要用到大量的數(shù)學(xué)知識(shí)（如無(wú)窮項(xiàng)求和、積分、求導(dǎo)及概率分布等），學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)普遍反映內(nèi)容枯澀難懂，沒(méi)有學(xué)習(xí)興趣，因而達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。[3]

根據(jù)社會(huì)需求以及專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，本課題小組提出了基于CDIO的“信息論與編碼”課程的改革與實(shí)踐，試圖彌補(bǔ)當(dāng)前傳統(tǒng)教育存在的缺點(diǎn)，積極探索改革并設(shè)計(jì)出新的有利于促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“信息論與編碼”課程的全新教學(xué)模式，以期促進(jìn)寧夏大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！保╇姎庑畔㈩?lèi)人才培養(yǎng)改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

二、基于CDIO的“信息論與編碼”課程的教學(xué)改革

1.CDIO 的基本思想及人才培養(yǎng)理念

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是由美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典哥德堡查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家技術(shù)學(xué)院和瑞典林雪平大學(xué)等4所工程技術(shù)大學(xué)提出的一種現(xiàn)代工程教學(xué)理念。[4]其中，C——Conceive，構(gòu)思；D——Design，設(shè)計(jì)；I——Implement，實(shí)施；O——Operate，運(yùn)行。它們是產(chǎn)品生命周期上的四個(gè)環(huán)節(jié)，即 C-D-I-O是產(chǎn)品從研發(fā)到運(yùn)行的周期，在這里分別對(duì)應(yīng)四個(gè)教育和實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)。CDIO模式改革的主要目標(biāo)，是以C-D-I-O的產(chǎn)品生命周期為教育背景，以工程實(shí)踐為載體，培養(yǎng)學(xué)生不但掌握基礎(chǔ)工程技術(shù)知識(shí)，且具有動(dòng)手操作能力，在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中引導(dǎo)創(chuàng)新，并理解研究和技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要影響，承擔(dān)工程科技人才的社會(huì)責(zé)任。[5]

CDIO模式采用了以成果為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)理念，有清晰的培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)和實(shí)施流程。目前已經(jīng)有來(lái)自全世界30多個(gè)國(guó)家的大學(xué)加入了CDIO國(guó)際組織，并在各自的工程院系實(shí)施CDIO模式。[6]我國(guó)很多高等院校也開(kāi)展了多種形式、多種層次的CDIO模式下的工程教育實(shí)踐，目的是根據(jù)培養(yǎng)應(yīng)用型人才要求，結(jié)合不同院校各自專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，提高學(xué)生進(jìn)行工程實(shí)踐的能力，并通過(guò)課堂、實(shí)驗(yàn)室和實(shí)踐基地的合理有序設(shè)置保證培養(yǎng)計(jì)劃的實(shí)施?？梢哉f(shuō)，CDIO模式具有一定的普遍適應(yīng)性，它既能培養(yǎng)高水平、高層次的創(chuàng)新型人才，也同樣適用于大眾化的工程教育專(zhuān)業(yè)，完全符合我國(guó)對(duì)工程科技類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的要求。

2.課程教學(xué)改革

（1）課程教學(xué)內(nèi)容改革。依據(jù)學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀和我校本科生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，參考其他院校相關(guān)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)和做法，課題改革小組在已有課程理論體系下，有針對(duì)性地對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革和更新。一方面，由于現(xiàn)在信息的存儲(chǔ)、傳輸、處理等過(guò)程絕大多數(shù)都采用數(shù)字化處理，而且信息的數(shù)字化處理具有原來(lái)模擬處理不可比擬的優(yōu)勢(shì)，[7]所以筆者在課程內(nèi)容的選擇上適當(dāng)減少了連續(xù)信源的信息熵分析、連續(xù)信道的容量計(jì)算等方面的內(nèi)容，加大了離散信源信息量、離散信道容量模型及計(jì)算等方面的內(nèi)容；另一方面，為了加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，筆者長(zhǎng)期關(guān)注出現(xiàn)的新技術(shù)和新理論（如多天線MIMO系統(tǒng)、協(xié)作無(wú)線通信、認(rèn)知無(wú)線電和壓縮感知等），將新技術(shù)和新理論不斷添加到教學(xué)內(nèi)容中，依托課程內(nèi)容基礎(chǔ)理論知識(shí)，結(jié)合仿真實(shí)例，對(duì)出現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行講解，使學(xué)生能夠在理解基礎(chǔ)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上不斷跟蹤新技術(shù)。

（2）課堂教學(xué)方法改革。對(duì)于“信息論與編碼”這門(mén)理論性較強(qiáng)、數(shù)學(xué)性知識(shí)較多的課程來(lái)說(shuō)，如何培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就顯得尤為重要。課題小組按照CDIO模式的基本理論，發(fā)揮多媒體輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，以知識(shí)點(diǎn)為中心，采用把問(wèn)題、理論、應(yīng)用融合起來(lái)的教學(xué)方法，從以下幾方面進(jìn)行了嘗試：

1）在課程教學(xué)內(nèi)容改革的基礎(chǔ)上，精選授課內(nèi)容，提高上課效率。例如：信源編碼中的差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、增量調(diào)制和離散余弦變換等內(nèi)容與通信原理課程的相關(guān)內(nèi)容重復(fù)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不大，所以在授課時(shí)，筆者避開(kāi)已有的重復(fù)內(nèi)容，重點(diǎn)講授小波變換編碼及預(yù)測(cè)編碼等學(xué)生未學(xué)過(guò)的內(nèi)容，教學(xué)時(shí)學(xué)生表現(xiàn)出了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

2）課堂教學(xué)中盡量從問(wèn)題或案例出發(fā)引出概念和理論，把課程核心內(nèi)容的工程實(shí)際應(yīng)用展示給學(xué)生。例如：在講授信息率失真函數(shù)時(shí)，可以選擇告訴學(xué)生，由于以下三個(gè)原因：理想的無(wú)干擾信道不存在；實(shí)際的信源往往是連續(xù)信源，具有無(wú)窮大信息量，只有信道的傳輸速率為無(wú)窮大，才能實(shí)現(xiàn)消息無(wú)失真?zhèn)鬏?，而這是不可能的；對(duì)于接收者而言，也沒(méi)有必要徹底消除失真，所以消息的傳輸允許存在一定的失真，來(lái)引出信息率失真函數(shù)的概念。也可以選擇在PPT上放映圖1（視覺(jué)暫留示意圖），讓學(xué)生自己來(lái)體會(huì)看到了什么，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，進(jìn)而引出視覺(jué)暫留的概念，然后擴(kuò)展到視覺(jué)暫留的實(shí)際應(yīng)用，如熟悉的走馬燈、電影等。最后告訴學(xué)生這些都是因?yàn)橄⒌膫鬏斣试S存在一定的失真，來(lái)引出信息率失真函數(shù)的概念。采用第二種方式后，學(xué)生對(duì)信息率失真函數(shù)的掌握比第一種方式要深刻的多。

3）創(chuàng)新教學(xué)手段，合理安排黑板板書(shū)教學(xué)與多媒體教學(xué)比例。“信息論與編碼”課程內(nèi)容覆蓋面廣，信息量很大，采用多媒體輔助教學(xué)可以擴(kuò)大教學(xué)信息量，提高教學(xué)效率，但是也不能一味以多媒體教學(xué)為主，要防止出現(xiàn)機(jī)械放映PPT現(xiàn)象。對(duì)重要的公式，仍然要進(jìn)行黑板板書(shū)推導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生同步思考。

4）以課程學(xué)習(xí)小組、在線答疑等形式輔助課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（3）加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。我校的“信息論與編碼”課程以前主要集中于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，沒(méi)有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。課題小組在離散信源信息量、Huffman編碼、分組碼以及卷積碼的編譯等需要重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)增加了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)（如表1所示）。通過(guò)仿真工具M(jìn)ATLAB和System View對(duì)以上知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，不但促使學(xué)生很好地掌握了MATLAB和System View等工具的編程方法，增強(qiáng)了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，且鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立、自主學(xué)習(xí)的目的。

表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求

序號(hào)題目?jī)?nèi)容及要求

1信息的度量掌握利用MATLAB求解離散信源信息量的方法

2Huffman編碼進(jìn)一步熟悉Huffman編碼過(guò)程；掌握利用MATLAB實(shí)現(xiàn)Huffman編碼的方法

3線性分組碼編碼進(jìn)一步熟悉線性分組碼的編碼過(guò)程；掌握利用MATLAB實(shí)現(xiàn)以（7，4）、（7，3）線性分組碼為代表的線性分組碼的編碼方法

4卷積碼編碼進(jìn)一步熟悉卷積碼的編碼過(guò)程；掌握利用MATLAB實(shí)現(xiàn)卷積碼的編碼方法

5信道容量的迭代計(jì)算進(jìn)一步熟悉信道容量的迭代算法；掌握利用MATLAB實(shí)現(xiàn)信道容量迭代計(jì)算的方法

（4）課程考核模式和評(píng)價(jià)體系改革。為了達(dá)到課程評(píng)價(jià)的合理性和科學(xué)性，課題小組改革了單純的閉卷筆試考核方法，逐步過(guò)渡到了采取筆試、實(shí)驗(yàn)以及研究報(bào)告相結(jié)合的考核方式，提高了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)在總成績(jī)中的比例，并且開(kāi)發(fā)了知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣、數(shù)量充足、難易搭配合理的“信息論與編碼”課程試題庫(kù)。

三、結(jié)束語(yǔ)

課題小組在我校2009級(jí)和2010級(jí)通信工程、電子信息工程專(zhuān)業(yè)中進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐，教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，通過(guò)改革，較好地提高了課堂教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。當(dāng)然，課程教學(xué)改革不可能一蹴而就，是一個(gè)長(zhǎng)期的、不斷探索和逐步完善的過(guò)程，在以后的教學(xué)中，仍需要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況因材施教，具體問(wèn)題具體分析，最終達(dá)到提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞湘賓，徐偉業(yè).信息論與編碼課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010，（3）.

[2]曹雪虹，張宗橙.信息論與編碼[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]鄧稼先.信息論與編碼課程教學(xué)改革探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（29）.

[4]楊玥.基于CDIO教育理念的“Web程序設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革[J].黑龍江科技信息，2011，（9）.

[5]許燕平.CDIO工程教育模式對(duì)大學(xué)生人格特征及CDIO能力的影響[J].職業(yè)技術(shù)教育，2013，（20）.

[6]雷環(huán)，湯威頤，Edward F. Crawley.培養(yǎng)創(chuàng)新型、多層次、專(zhuān)業(yè)化的工程科技人才[J].高等工程教育研究，2009，（5）.

[7]鄒東堯，賈平.“信息論與編碼”課程教學(xué)改革探討[J].中國(guó)電力教育，2010，（13）.

（責(zé)任編輯：王意琴）