信息論與編碼課程教學(xué)改革的探討與實(shí)踐

（魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264000）

○、引言

信息論與編碼課程是絕大部分高校通信、電子信息類本科專業(yè)的專業(yè)必修課程，是應(yīng)用近代概率統(tǒng)計(jì)方法研究信息的基本性質(zhì)及度量方法，研究信息傳輸、處理等一般規(guī)律的學(xué)科。該課程涉及大量的數(shù)學(xué)知識(shí)，理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，推導(dǎo)計(jì)算眾多，而且應(yīng)用領(lǐng)域極廣、技術(shù)更新極快，這使其成為公認(rèn)的“最難學(xué)”的本科課程之一。本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)實(shí)際教學(xué)中存在的問題并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從信息論與編碼課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段、師資隊(duì)伍建設(shè)、考試命題和考核方式幾個(gè)方面進(jìn)行了改革嘗試，目的在于改善課程教學(xué)質(zhì)量，提高教師教學(xué)水平，以滿足培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型本科人才的要求，更好地提高學(xué)生的競(jìng)爭能力。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

教學(xué)內(nèi)容是整個(gè)課程教學(xué)的核心，其直接影響到人才培養(yǎng)的質(zhì)量。教學(xué)內(nèi)容安排要合理、科學(xué)，能滿足社會(huì)需求。目前，部分高校開設(shè)的信息論與編碼課程只有理論教學(xué)學(xué)時(shí)，而無實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，且學(xué)時(shí)量較少。而實(shí)際上，這是一門理論與實(shí)際工程應(yīng)用并重的課程。我們可以根據(jù)專業(yè)和社會(huì)需求適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。以魯東大學(xué)信息論與編碼課程為例，該課程是魯東大學(xué)電子信息工程、信息工程和通信工程的專業(yè)必修課，理論學(xué)時(shí)48。教學(xué)內(nèi)容涉及的知識(shí)點(diǎn)多，但理論學(xué)時(shí)相對(duì)較少且無實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。在進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容建設(shè)過程中我們采取如下相應(yīng)的措施。

1.教學(xué)內(nèi)容主線必須清晰化。困擾學(xué)生學(xué)習(xí)的問題之一就是知識(shí)點(diǎn)多且散，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生把握不住學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，且易忽略章節(jié)之間的關(guān)聯(lián)。在教學(xué)中，課程內(nèi)容的講述應(yīng)圍繞香農(nóng)信息論，即狹義信息論的“三大基本概念”、“三大編碼定理”和典型編碼方法展開，這便于學(xué)生從整體上把握本課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。理論教學(xué)內(nèi)容框架如下圖所示。

2.教學(xué)內(nèi)容要側(cè)重離散部分，適當(dāng)減少模擬部分內(nèi)容的講述。目前，信息處理和編碼技術(shù)大多是數(shù)字化處理方法，因而在講解信源信道時(shí)，離散信源信道部分內(nèi)容需重點(diǎn)講述，而連續(xù)信源信道因其形式跟離散信源信道類似，只需簡單講述他們之間的關(guān)聯(lián)即可直接給出相應(yīng)結(jié)論。

3.教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)應(yīng)該是基本概念、基本理論和基本方法，應(yīng)用型本科學(xué)習(xí)應(yīng)做到“概念明確清晰，理論推導(dǎo)能懂，典型方法會(huì)用”。教學(xué)中對(duì)基本概念一定要重點(diǎn)講、講清楚，而對(duì)于煩瑣的公式推導(dǎo)計(jì)算，只需讓學(xué)生能看懂推導(dǎo)過程，若遇到類似問題知道用什么方式處理解決即達(dá)到目的。對(duì)于信源信道編碼方法，因其種類繁多，教學(xué)內(nèi)容安排就必須有側(cè)重點(diǎn)，選擇的依據(jù)是既要典型有代表性，又要考慮實(shí)際應(yīng)用情況。比如在信源編碼典型方法中，相比香農(nóng)和費(fèi)諾編碼，赫夫曼編碼應(yīng)重點(diǎn)講述。

4.分專業(yè)開設(shè)，內(nèi)容要側(cè)重性強(qiáng)，避免課程內(nèi)容重復(fù)教學(xué)。按專業(yè)設(shè)置教學(xué)班，授課教師可根據(jù)專業(yè)需求有側(cè)重點(diǎn)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。由于課程課時(shí)較少，應(yīng)考慮先修課程和后續(xù)課程的內(nèi)容與本課程的關(guān)聯(lián)后，再對(duì)教學(xué)內(nèi)容做適當(dāng)取舍。以信息工程專業(yè)為例，在講述信源編碼時(shí)，其先修課程“通信原理”中關(guān)于標(biāo)量量化編碼的內(nèi)容如13折線A律，以及其后續(xù)課程“數(shù)字圖像處理”中涉及的變換編碼內(nèi)容如小波變換，在信息論與編碼課程中均不需詳細(xì)講述。

5.教學(xué)內(nèi)容應(yīng)適當(dāng)引入信息與通信領(lǐng)域的新技術(shù)和新理論，以滿足實(shí)際需求。因?yàn)樾畔⒓夹g(shù)發(fā)展速度快、應(yīng)用也非常廣，所以我們對(duì)信息論與編碼課程的講解不能僅僅按照現(xiàn)有的課本內(nèi)容來進(jìn)行，也要關(guān)注新出現(xiàn)的技術(shù)和理論，在教學(xué)內(nèi)容上盡量做到能與時(shí)俱進(jìn)。

二、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革

信息論與編碼課程理論性強(qiáng)且抽象，涉及眾多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，如高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論、隨機(jī)過程等，因而課程學(xué)習(xí)中面臨大量的公式、推導(dǎo)和計(jì)算，這些都會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生畏學(xué)、厭學(xué)的情緒，達(dá)不到好的教學(xué)效果。如何在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如何培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、正確分析和解決問題的能力是教學(xué)中亟待解決的問題。在課程教學(xué)中我們可以從以下幾個(gè)方面著手。

1.講好第一堂課。授課伊始即讓學(xué)生明確課程研究的對(duì)象、研究的主要內(nèi)容以及各章節(jié)的地位、作用和關(guān)聯(lián)性；其次，通過具體例子來展現(xiàn)本課程知識(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用情況，這既可以有效激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，也能讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)信息論與編碼課程的必要性和重要性。

2.授課過程中要主線清晰、框架分明。本課程圍繞香農(nóng)信息論“三大基本概念”、“三大編碼定理”和典型編碼方法展開，并貫穿于整個(gè)通信系統(tǒng)模型，在授課過程中要注意把握好整體與局部的關(guān)系，避免讓學(xué)生“只見樹木不見森林”。

3.簡化推導(dǎo)和證明，用問題和實(shí)例來啟發(fā)和引導(dǎo)理論講解。比如在講述信息率失真理論時(shí)，對(duì)為什么現(xiàn)實(shí)生活中并不真的需要無失真信息傳輸?shù)膯栴}，我們可以通過現(xiàn)實(shí)打電話、放映電影的例子來回答；也可以將最常見的事情抽象為信息論里面的相關(guān)知識(shí)，比如下棋，通過一方在棋盤中隨機(jī)放置棋子，另一方來猜測(cè)棋子所在位置，以此來對(duì)應(yīng)自信息量或條件自信息量的概念。

5.注意相關(guān)概念的區(qū)分，防止學(xué)生產(chǎn)生概念上的混淆。信息論與編碼課程中有很多相近的概念，看似一樣，但意義卻不相同，比如信源熵和平均自信息量。因?yàn)樾旁挫厥亲孕畔⒘康臄?shù)學(xué)期望，這就易給學(xué)生造成一種錯(cuò)覺，即這兩個(gè)概念是一回事，實(shí)際上它們雖然數(shù)值相等，但是含義卻不同。信源熵表征信源平均不確定度，信源一定，不管它是否輸出消息這個(gè)熵值都是存在的；而平均自信息量是只有當(dāng)信源輸出消息并被接收后才有意義。

6.發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體作用。在教學(xué)中必須重視學(xué)習(xí)技能的傳授，最好能使學(xué)生親身參與知識(shí)的探索，這能讓學(xué)生獲得深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和感悟。比如讓學(xué)生以興趣小組的形式，自主學(xué)習(xí)了解最新的信源信道編碼方法并走上講臺(tái)進(jìn)行講解和分析，教師則針對(duì)學(xué)生的講述內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)、修正和評(píng)價(jià)。

7.理論教學(xué)要與科研實(shí)踐相結(jié)合，重視學(xué)生的實(shí)踐精神和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，我們可以針對(duì)專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)基于MATLAB的信息論與編碼課程實(shí)驗(yàn)，并按章節(jié)教學(xué)內(nèi)容適時(shí)發(fā)布。比如對(duì)信息工程專業(yè)，在信源熵內(nèi)容講完后讓學(xué)生嘗試用熵的理論來實(shí)現(xiàn)圖像分割；信源編碼內(nèi)容講完后讓學(xué)生用赫夫曼編碼做圖像壓縮。有實(shí)驗(yàn)課時(shí)的專業(yè)可以在實(shí)驗(yàn)課中實(shí)施，沒有實(shí)驗(yàn)課時(shí)的專業(yè)可以在課后作業(yè)中實(shí)施。也可以以課程設(shè)計(jì)或小論文的形式進(jìn)行，從提出問題、檢索文獻(xiàn)資料、擬定提綱到最后成文，各個(gè)環(huán)節(jié)給予學(xué)生適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

8.授課內(nèi)容不應(yīng)局限于所使用的教材。因?yàn)榻滩牡木帉懗霭嫱ǔＰ枰^長的周期，它跟不上新理論、新技術(shù)的更新速度。可以在課堂教學(xué)過程中注意引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成查閱文獻(xiàn)資料、關(guān)注學(xué)科最新發(fā)展動(dòng)態(tài)的習(xí)慣，以提高學(xué)生信息檢索和自主學(xué)習(xí)的能力。

9.注重基礎(chǔ)知識(shí)的鞏固和拓展。根據(jù)各章具體內(nèi)容設(shè)計(jì)課后習(xí)題，將習(xí)題分為基本題和拓寬題，這樣既滿足了學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的需要，又兼顧了個(gè)人能力的提高。其次，可以對(duì)作業(yè)中體現(xiàn)的問題進(jìn)行歸納，對(duì)普遍性問題集中講解，而個(gè)別性問題可以單獨(dú)輔導(dǎo)。另外，每周可留出適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跟學(xué)生進(jìn)行面對(duì)面的交流討論。

10.教學(xué)資源上網(wǎng)，開啟課下教學(xué)模式。建設(shè)課程網(wǎng)站，學(xué)生可以在網(wǎng)站上查看課程簡介，如課程團(tuán)隊(duì)教師情況等，可以下載各種教學(xué)文件，如授課課件、微課視頻等，也可以推薦學(xué)生本課程相關(guān)的自學(xué)資料，如電子書籍等。教師可以通過互動(dòng)欄目答疑或與學(xué)生交流討論，并將問題做定期整理、總結(jié)和反饋，以此滿足學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)的需要，起到有效的輔助教學(xué)作用。

三、師資隊(duì)伍的建設(shè)改革

百年大計(jì)，教育為本；教育大計(jì)，教師為本。教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段的實(shí)施者是教師，師資隊(duì)伍的質(zhì)量將直接影響到教學(xué)質(zhì)量，這是教學(xué)改革能否成功實(shí)施的基本保證。信息論與編碼課程的特點(diǎn)決定了該課程的教師隊(duì)伍應(yīng)該是高素質(zhì)、專業(yè)化、創(chuàng)新型的教師隊(duì)伍。教師隊(duì)伍建設(shè)改革主要從幾個(gè)方面開展。

1.加強(qiáng)師德師風(fēng)的建設(shè)，這是高校教師隊(duì)伍建設(shè)的永恒主題。教師對(duì)學(xué)生的影響不僅在于知識(shí)的傳授還在于品德的培養(yǎng)，高素質(zhì)的教師隊(duì)伍是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的根本保證。教師只有具備較高的思想政治素質(zhì)、職業(yè)理想和職業(yè)道德水平，才能真心熱愛教育，從而優(yōu)質(zhì)實(shí)施教育。

2.教師要從根本上轉(zhuǎn)變教育教學(xué)理念，課程改革的核心思想應(yīng)該是“一切為了學(xué)生更好的發(fā)展”，最終的目的是為了能夠培養(yǎng)出更符合社會(huì)發(fā)展需要的人才。教師只有明確和認(rèn)同了進(jìn)行課程改革的重要性、必要性和迫切性，才能更積極自覺地投入到課程改革建設(shè)中去，從而達(dá)到更好的教育教學(xué)效果。

3.教師要樹立終身學(xué)習(xí)的觀念，注重自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的完善。信息論與編碼課程涉及大量數(shù)學(xué)知識(shí)，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，技術(shù)更新快，這就要求教師不僅要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要熟識(shí)相關(guān)學(xué)科、交叉學(xué)科的知識(shí)，并且能夠根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)完成知識(shí)的更新。

4.與相關(guān)企業(yè)合作開展師資培訓(xùn)，培養(yǎng)“雙師型”教師。信息論與編碼課程與實(shí)際緊密相連，“紙上談兵”根本滿足不了課程教學(xué)需求，只有當(dāng)教師具備一定的企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能真正做到理論與實(shí)踐的有效結(jié)合，才能確保課程改革的成功實(shí)施。可以通過校企互動(dòng)來培養(yǎng)和提高教師的工程實(shí)踐能力，然后在教學(xué)環(huán)節(jié)中具體展現(xiàn)實(shí)施出來。這樣既可以有效地提升教師的教學(xué)水平，也有利于教師從實(shí)踐中進(jìn)一步凝練研究課題，實(shí)現(xiàn)教研的良性循環(huán)。

5.加強(qiáng)本課程教師間的交流學(xué)習(xí)。定期組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)內(nèi)聽課、評(píng)課活動(dòng)，從細(xì)節(jié)層面切實(shí)提高教學(xué)水平。同樣，也可以組織教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員參加兄弟院校同類課程的教學(xué)觀摩、教學(xué)研討等交流學(xué)習(xí)活動(dòng)，吸取經(jīng)驗(yàn)，取長補(bǔ)短。

6.進(jìn)一步優(yōu)化課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)的師資結(jié)構(gòu)。可以通過多種渠道和方式吸引人才加入教學(xué)團(tuán)隊(duì)，使團(tuán)隊(duì)形成較合理的老中青梯隊(duì)，且高學(xué)歷者能夠占較大的比例。再有就是教學(xué)團(tuán)隊(duì)中要有學(xué)科帶頭人和學(xué)術(shù)骨干，教學(xué)團(tuán)隊(duì)的學(xué)緣結(jié)構(gòu)也要力求合理。

四、考試命題、考核方式的改革

課程教學(xué)改革的成功與否要有一定的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，何種方式的考核能更真實(shí)的反映學(xué)生掌握知識(shí)的情況是我們需要進(jìn)一步探討的問題。以魯東大學(xué)信息論與編碼課程為例，本課程的考核由平時(shí)成績和期末考試成績構(gòu)成，兩者分別占總成績的40%和60%，其中平時(shí)成績包括出勤、課堂表現(xiàn)和作業(yè)完成情況，期末考試采用閉卷筆試，集體命題的方式。由于魯東大學(xué)信息論與編碼課程并沒有設(shè)置實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，所以學(xué)校沒有將實(shí)驗(yàn)成績加入到課程考核成績比例分配中，而信息論與編碼課程的特點(diǎn)決定了實(shí)踐能力的重要性。因而在此基礎(chǔ)上我們嘗試對(duì)考核方式和考試命題做出適當(dāng)調(diào)整，目的是進(jìn)一步凸顯學(xué)生學(xué)習(xí)情況過程評(píng)價(jià)和實(shí)踐能力評(píng)價(jià)。

1.在平時(shí)成績?cè)u(píng)定中，我們量化、細(xì)化了課堂表現(xiàn)的考評(píng)，把學(xué)生的課堂表現(xiàn)比如課堂回答問題的情況等換算成具體的加分項(xiàng)，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

2.加大課后作業(yè)在平時(shí)成績中的考評(píng)比重。設(shè)計(jì)作業(yè)由基礎(chǔ)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)任務(wù)兩部分組成，基礎(chǔ)任務(wù)主要精選自課后習(xí)題，而實(shí)驗(yàn)任務(wù)則實(shí)時(shí)根據(jù)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容和專業(yè)特點(diǎn)發(fā)布，這需要學(xué)生根據(jù)教師設(shè)計(jì)的題目去查資料，學(xué)習(xí)并編程實(shí)現(xiàn)。這兩部分的內(nèi)容都將在習(xí)題課中進(jìn)行有針對(duì)性的講解和指導(dǎo)。

3.期末考試的命題要涵蓋教學(xué)大綱的主要知識(shí)點(diǎn)。并將試題分為三類題型：一是基礎(chǔ)題，以考查學(xué)生對(duì)基本概念、方法的掌握情況；二是綜合題，以考查學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力；三是實(shí)踐題，以考查學(xué)生的應(yīng)用能力。

五、結(jié)束語

本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、師資隊(duì)伍建設(shè)、命題和考核方式四個(gè)方面對(duì)信息論與編碼課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討。實(shí)踐表明，信息論與編碼課程教學(xué)改革應(yīng)以提高學(xué)生能力為重點(diǎn)，知識(shí)源自課堂卻不應(yīng)拘于課堂。只有讓學(xué)生覺得學(xué)習(xí)信息論與編碼能“學(xué)以致用”，才能真正提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。