任務驅動下的信息論與編碼課程的教學實踐

（長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023）

○、引言

信息論與編碼是電子信息工程、通信工程等信息相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程。該課程向下聯(lián)系電子信息類的基礎課程，向上聯(lián)系編碼理論、量子信息論等高年級及其研究生課程，在信息鏈的處理環(huán)節(jié)中有著舉足輕重的地位［1］。同時，該課程涉及許多數(shù)學知識，比如微分積分運算、概率論及統(tǒng)計理論、矩陣論、數(shù)值算法等，是一門理論內容豐富、數(shù)學推導嚴密且實踐性強的課程。

然而，對于本門課程，傳統(tǒng)的教學模式將理論和實踐脫離，使得在理論教學的時候，學生面對枯燥乏味的數(shù)學推導提不起興趣；而在實驗教學的時候，學生卻又沒有足夠的理論作為支撐［2-3］。

面對如此現(xiàn)狀，國內外學者對信息論與編碼這一課程做了大量的探索和研究。比如，高山、馬林華等提出了以云計算輔助教學為基礎，將SPOC教學模式及CDIO教育理念應用到信息論與編碼課程中［4-5］；趙晨將Matlab中的通信系統(tǒng)工具箱應用到該課程中，使理論知識和仿真結合起來［6］；張秋聞等從課堂教學、上機實驗、課程考核等教學環(huán)節(jié)對該課程提出了一系列的改革措施［7］，這些研究都取得了一定的教學效果。

為了進一步激發(fā)學生的學習興趣，我們課題組從理論教學和實驗教學入手，分析本課程教學內容，總結其特點，將任務驅動法融入信息論與編碼的教學中，對課程的教學做了一些探索與研究，逐步獲得了成效。

一、任務驅動法的內涵及在信息論與編碼課程應用中的作用

現(xiàn)代教學理念中的功能教學理念認為，動機是引發(fā)人行為的原因或機理。因此，為了讓學生主動學習，提高其主觀能動性，最關鍵的是激發(fā)其學習的興趣。任務驅動法就是實驗性、實踐性與操作性較強的一種教學方法［8-9］。它是指在教學過程中以任務來引領整個教學過程，引導學生探索、研究、分析和解決問題，從而培養(yǎng)學生自主學習能力和創(chuàng)新能力的一種教學方法。其設計思想是以學生為中心，任務為主導，教師在教學活動中提出問題和相關任務，引導學生展開討論、探索、研究，以完成任務。

對于信息論與編碼課程教學來說，引入任務驅動法后，可以讓學生真正參與到課堂中來，而不再是教師滿堂灌。即通過設計合適的任務，讓學生在完成任務的過程中，去理解應用理論知識。更關鍵的是該方法還能培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。完成任務后，學生得到了滿足感和成就感，進一步激發(fā)了學習的興趣和動力，形成了良性循環(huán)。

二、信息論與編碼課程的主要內容和特點

信息論與編碼是一門理論性和實踐性都強的課程，其主體結構如圖1所示，分為信息論部分和編碼部分。

圖1 信息論與編碼的主要內容

（一）信息論與編碼課程的主要內容

信息論與編碼課程的前半部分主要介紹了信息論的基礎內容即信源、信道以及二者之間的聯(lián)系，由此研究在信息可以度量的前提下，如何分析和理解信息及其傳輸?shù)膯栴}。該部分涉及信息度量的方法、信息的特性、信息的傳輸性質及其速率、信道容量以及干擾對信息傳輸?shù)挠绊憽?/p>

信息論與編碼課程的后半部分主要介紹了信息論的三大編碼定理以及幾種常見的編碼方式，其目的在于如何以有效的、可靠的、安全的方式傳輸信息，其對應的編碼方式分別為信源編碼、信道編碼和加密編碼。研究這三種編碼方式的目的是使通信系統(tǒng)達到最優(yōu)。

（二）信息論與編碼課程的特點

從整體上來講，信息論與編碼是一門理論性比較強的課程，不易理解，與之聯(lián)系的數(shù)學工具也比較多。這使得學生在學習的過程中因數(shù)理基礎不夠扎實而產生畏難的情緒，而且大部分學生即使認真學了也不知道如何應用。此外，該課程要求學生有很強的動手實踐能力，這就需要設計一些與本課程相關的任務，讓學生了解課程的應用領域，激發(fā)其學習興趣。

信息論與編碼課程的知識層次比較清晰，結構聯(lián)系較為緊密。信息論研究的是通信系統(tǒng)中的要素對信息傳輸?shù)挠绊?，為了提高傳輸?shù)男市枰M行合適的編碼，而本課程后半部分就是研究編碼問題。因此，前后兩部分的知識點由通信系統(tǒng)的傳輸效率這根紐帶連接在一起，通過設計相應的任務，將有助于從整體上理解該課程的架構。

由此可知，任務驅動法特別適用于信息論與編碼課程的教學。

三、任務驅動下的信息論與編碼課程教學

任務驅動法一般分為三個部分，即任務的設計、任務的實施與任務的反饋機制。

（一）任務的設計

如何設計任務在任務驅動法中是非常關鍵的，其任務設計主要遵循以下五個原則［10］：①與知識點密切聯(lián)系。該方法中所設計的任務需要涵蓋教學內容的知識點，學生通過完成任務能夠獲取知識與技能。②與學生的興趣密切相關。任務設計應以提高學生的學習興趣為目的，讓學生明白通過完成任務能獲取一個有意義的結果，使其獲得滿足感與成就感。③有層次性。任務需要難易程度適中，以保證大部分學生能夠完成，并且還要為學生留出一些發(fā)揮的空間。④有可操作性。所設計的任務在學生當前的學習基礎上應當是能夠完成的。⑤有連貫性。任務的設計需要考慮前后知識點、各個任務之間的要求，層層遞進，引導學生逐漸深入到課程中。依據知識映射圖，如圖2所示，教師可以設置相應的任務與知識點之間的聯(lián)系，比如：

圖2 知識映射圖（針對任務驅動法）

與信源編碼知識點對應的任務可以設定為如何有效地傳輸一篇電文。由這個任務可以引出信源編碼的幾種編碼辦法，比較幾種信源編碼的效率，從而引出信源編碼的兩個定理，讓學生在任務完中學習信源編碼方法，加深對信源編碼效率的理解，進而理解信源編碼是針對傳輸有效性的一種編碼方式。

與加密編碼知識點對應的任務可以設定為在當前學生所關注的諜戰(zhàn)劇中，如何安全地發(fā)報而不被敵方破解。由這個任務可以引出加密編碼，引導學生去學習加密標準、加密算法等知識點，進而理解加密編碼是提高通信系統(tǒng)安全性的有效辦法。

（二）任務的實施

任務驅動法在課程教學中的目的是讓學生在完成任務的過程中去學習知識，鞏固知識，而不僅僅是讓學生以完成任務為目的。在實施的過程中，教師需要全程參與。首先，通過分析課程內容，將知識融入各個學習任務中。其次，在課堂上提出任務，引導學生學習完成任務所需的新知識，并在這個過程中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。對于解決不了的問題，教師再從旁協(xié)助指導。最后，學生根據學到的內容去完成任務，并完成總結報告。

（三）任務的反饋機制

任務驅動法在信息論與編碼課程教學實施過程中，教師需要掌握學生在整個學習過程中的表現(xiàn)，包括對知識的掌握情況、任務的完成進度、學生的興趣發(fā)展等。具體來說就是，在設計任務時，需要為總任務及其每一個子任務設立教學目標，然后依據教學完成情況對目標的完成度進行評價；接著根據評價結果進行進一步的匯總及其對比，由此對下一任務的實施進行必要的修改和調整，這個修改和調整的范圍包括對任務的內容、任務的難易程度、任務的目標等。

評價可以采用主觀評價和客觀評價綜合評價教學效果［11］。主觀評價主要有教師對整個任務完成過程中學生的表現(xiàn)情況的評價，包括興趣濃厚程度、主動性等方面，還有學生的自評?？陀^評價是根據各項打分指標得出的評價，如用小測試考查學生通過這個任務對知識的掌握情況。通過二者綜合，能夠真實客觀地反映出實際的教學效果，以便對任務驅動法進行進一步改善和提高。

四、任務驅動法在信息論與編碼課程教學的實踐

信源的有效性編碼是信息論與編碼課程中非常重要的一個知識點。該部分知識點較多，理論性強，包含了信息論三大編碼定理中的兩個定理。因此本文以該部分為例說明任務驅動法在信息論與編碼課程教學的實踐。

（一）設計任務

現(xiàn)以電文的編碼與譯碼為背景論述將如何有效地傳輸信息作為任務，引導學生學習信源編碼等相關知識。選擇電文的編碼與譯碼的主要原因是：①電文的編碼與譯碼會在很多影視劇中出現(xiàn)，學生非常熟悉，自然就會對此產生興趣，樂于參與其中。②電文的編碼、譯碼與信源編碼知識聯(lián)系密切，而且后續(xù)的信道編碼、加密編碼可以在此基礎上進一步深化及拓展。

（二）實施任務

1.引出信源編碼的概念

由于信源符號之間存在著相關性以及不均勻性，這就使得信源或多或少地存在著冗余度。而信源編碼的主要目的就是提高編碼效率，減少信源的冗余度。因此，信源編碼實質上就是針對信源輸出符號序列的概率統(tǒng)計特性，尋找合適的算法把信源輸出序列編碼為最短碼字序列的方法。換句話說，信源編碼的具體辦法有兩個：一個是使符號出現(xiàn)概率均勻化，另一個是解除符號序列中各個符號之間的相關性。

2.提出任務

設置問題場景：大洋彼岸有同學們想見的親人，受限于相關條件，只能給他傳輸信息，如何有效地傳輸信息（盡可能在最短的時間內傳輸更多你的心里話），這些需要傳輸?shù)男畔⑽覀冇靡欢斡⑽恼鹿?jié)代替，那么如何將這段英文章節(jié)有效地傳輸?shù)酱笱蟮谋税?？提出任務后，引導學生學習編碼部分，包括等長編碼和變長編碼，要求學生用等長編碼和變長編碼實現(xiàn)所提供的英文章節(jié)的編碼。學生在完成任務的過程中會發(fā)現(xiàn)，等長編碼和變長編碼之間有著不一樣的效率，甚至變長編碼之間也有著不一樣的效率，從而引發(fā)他們思考：①等長編碼和變長編碼的效率為何不一樣？②信源編碼的效率到底能提升到多少？教師接著引導他們繼續(xù)學習信源編碼中的兩大定理即無失真信源編碼定理和限失真信息編碼定理。

在學生學習新知識完成任務的過程中，教師應該一直在旁監(jiān)督，一方面把握學生完成任務的進度；另一方面協(xié)助指導他們應對解決不了的問題或者一些較難的知識點。對于“信源編碼”這一章節(jié)來說，需要教師協(xié)助指導的難點問題主要有以下三個：①等長編碼定理中符號序列的編碼有助于提高編碼效率的主要原因。②變長編碼定理與定長編碼定理的聯(lián)系及區(qū)別。③兩大編碼定理和前面章節(jié)的聯(lián)系。

3.任務總結

對本部分的學習情況進行總結主要依據以下幾點：①學生任務的完成質量。②學生在完成任務中的表現(xiàn)，包括學習的自主性、積極性以及和老師的互動表現(xiàn)等。③列出知識點和任務分析調查表，重在了解學生對知識點掌握的自我評估以及學生對這個任務的評價。綜合分析總結這幾點，為后面改進教學提供參考。

五、結語

當前高等教育教學強調綜合性、創(chuàng)新性與實踐性，因此，高校教師都在不斷探索有效的教學方法。對于工科類課程來說，一方面有較多的復雜的數(shù)學知識，要求學生具備很強的數(shù)理基礎，學生學起來不易理解且覺得極為枯燥；另一方面，這類課程要求學生具有很強的動手能力。因此，相較于其他學科，工科類課程更難找到有效的教學方法。

信息論與編碼是一門典型的工科類課程。因此，筆者通過引入任務驅動法，以提高學生學習的主觀能動性，激發(fā)其學習的興趣。實踐表明，該方法不僅能讓學生在完成任務的過程中學到知識，而且能培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，從而增強他們的自信心，取得很好的教學效果。