“信息論”教學(xué)研究

李威

摘要：文章研究了電子信息類本科生“信息論”課程教學(xué)的改革?！靶畔⒄摗笔歉叩葘W(xué)校電子信息類的專業(yè)課程，與“通信原理”、“數(shù)字信號(hào)處理”等其他專業(yè)類課程構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體，對(duì)學(xué)生對(duì)整體專業(yè)學(xué)習(xí)框架的理解和邏輯能力的訓(xùn)練起到至關(guān)重要的作用。結(jié)合教育部提出建立系統(tǒng)化的人才培養(yǎng)體系和各高校的教學(xué)現(xiàn)狀，作者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)實(shí)踐等方面提出了一些建議，以期對(duì)“信息論”課程教學(xué)起到一定建設(shè)性的作用。

關(guān)鍵詞：“信息論”;系統(tǒng)化教學(xué);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）50-0139-02

我國(guó)電子信息類產(chǎn)業(yè)的銷售收入在逐年增長(zhǎng)，行業(yè)的從業(yè)人員數(shù)量也在不斷增加，電子信息類產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支撐作用日漸顯著。尤其近年來國(guó)際上對(duì)我國(guó)發(fā)起的貿(mào)易戰(zhàn)，讓國(guó)家對(duì)相關(guān)專業(yè)人才的培養(yǎng)更加重視了。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和石墨烯等新興產(chǎn)業(yè)的興起，電子信息類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，電子信息類產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)面臨著新的挑戰(zhàn)[1]?！靶畔⒄摗倍ㄎ挥诟叩葘W(xué)院電子信息類的專業(yè)課程，適用于電子信息類的電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)、通信工程、微電子科學(xué)與工程、光電信息科學(xué)與工程、信息工程機(jī)器等專業(yè)。近年來，國(guó)內(nèi)很多高校對(duì)電子信息類專業(yè)課程體系進(jìn)行了大力改革，從系統(tǒng)集成的角度來看，“信息論”與“通信原理”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“信號(hào)與系統(tǒng)”等課程更合理地構(gòu)成課程體系。相對(duì)于通信類和計(jì)算機(jī)類其他的專業(yè)課程，“信息論”從數(shù)學(xué)的角度來處理通信、存儲(chǔ)、安全等方面的問題，讓學(xué)生對(duì)整體的知識(shí)框架有更深的認(rèn)識(shí)，找出各個(gè)課程之間的聯(lián)系，訓(xùn)練他們的邏輯思維，并鍛煉他們將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)語言的能力。然而在實(shí)際教學(xué)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)“信息論”的課程教學(xué)很容易出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象，要么過于偏向理論教學(xué)，復(fù)雜而枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)讓學(xué)生望而卻步;要么過于偏向于實(shí)踐，許多公式在沒有給學(xué)生講清楚的情況下直接拿來用，學(xué)生對(duì)定理的來源和公式的推導(dǎo)一無所知。而且“信息論”課程與“通信原理”有部分內(nèi)容出現(xiàn)了明顯的重疊，這不僅浪費(fèi)資源，而且對(duì)學(xué)生的邏輯思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度培養(yǎng)沒有任何幫助。因此，我們必須結(jié)合相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)的需求以及課程的特點(diǎn)和整理的課程體系指定合理的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索精神，掌握扎實(shí)的理論知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐能力，形成符合高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)的教學(xué)模式。

一、“信息論”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“信息論”是電子信息類學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，是研究信息的度量問題和關(guān)注信息如何能有效地、可靠地、安全地從信源傳輸?shù)叫潘薜囊婚T課程。學(xué)習(xí)該課程的目的是讓我們從本質(zhì)上理解大數(shù)據(jù)時(shí)代所遇到的各種信息，提取出有用的信息并會(huì)操控信息，理解信息壓縮的極限，信息傳輸?shù)臉O限以及安全通信的界限?！靶畔⒄摗钡膬?nèi)容本身具有很強(qiáng)的理論性，掌握該課程將會(huì)對(duì)學(xué)生的邏輯性思維訓(xùn)練和后續(xù)課程的學(xué)習(xí)均有幫助。但是大多數(shù)院校在“信息論”的教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生的要求就不是很高，很多定理公式并沒有給學(xué)生深入講解，例如信道容量和信息率失真函數(shù)的極值求解，定長(zhǎng)編碼和變長(zhǎng)編碼的理論支撐，編碼與香農(nóng)熵之間的關(guān)系，以及推導(dǎo)這些定理公式所用到的高等數(shù)學(xué)工具（例如拉格朗日乘子法）等。在“信息論”的基礎(chǔ)理論教學(xué)方面，學(xué)生的反映普遍不太積極，面對(duì)復(fù)雜的定理公式推導(dǎo)學(xué)生和教師缺少互動(dòng)。教學(xué)內(nèi)容的過分理論化導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練缺失。教學(xué)內(nèi)容的過分面面俱到，反而沒有突出知識(shí)重點(diǎn)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候沒辦法做到有的放矢。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中由于過分關(guān)注考試的分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)態(tài)度扭曲，在知識(shí)能力和考試分?jǐn)?shù)之間舍本逐末。傳統(tǒng)的教學(xué)考核方式讓學(xué)生在面對(duì)新知識(shí)的時(shí)候確實(shí)有足夠的探索精神，但這已經(jīng)不能滿足新時(shí)代對(duì)電子信息類人才培養(yǎng)的需求，必須對(duì)其進(jìn)行改革。

二、“信息論”課程教學(xué)研究

1.優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，緊扣本科生培養(yǎng)目標(biāo)?！靶畔⒄摗笔且婚T偏向于理論性質(zhì)的課程，因此課程的教學(xué)應(yīng)當(dāng)以概念出發(fā)，用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行展開，讓學(xué)生在掌握基本概念的同時(shí)會(huì)用數(shù)學(xué)語言來描述實(shí)際遇到的問題。因此課程的重點(diǎn)包含基本概念的理解，還包括課本中對(duì)定理的來源，定理推導(dǎo)的邏輯過程的理解。讓學(xué)生明白所學(xué)到的任何知識(shí)均有明確的理論依據(jù)。另外還要求學(xué)生掌握信息論科學(xué)中常用到的數(shù)學(xué)工具，例如凸函數(shù)、凹函數(shù)在求極值方面的應(yīng)用，拉格朗日乘子法在求多變量系統(tǒng)的最優(yōu)解中的應(yīng)用。例如在講到“信道”這一章中求和信道的信道容量問題。教師在課堂上應(yīng)該先對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行基本的剖析，從信道容量的基本公式出發(fā)，為該問題的正確求解指明一條路。然后讓學(xué)生在課堂上相互討論，利用所教的數(shù)學(xué)工具求出信道容量。和信道的信道容量求解相對(duì)于常見的對(duì)稱信道、準(zhǔn)對(duì)稱信道，在難度上增加了一個(gè)等級(jí)，沒有那么容易直觀地看到最終結(jié)果。學(xué)生在解題過程中遇到困難的時(shí)候，可以調(diào)動(dòng)他們思考的積極性。在最終解決該問題后學(xué)生對(duì)方法的掌握肯定會(huì)更牢靠，而且增加了他們?cè)谟龅诫y題以及新知識(shí)時(shí)候的信心和勇氣。當(dāng)然并不是所有的問題均要通過這種方法，讓學(xué)生在思考問題的時(shí)候張弛有度，既不會(huì)覺得新知識(shí)沒有挑戰(zhàn)性，又不會(huì)覺得太困難而失去積極性。

2.改進(jìn)教學(xué)方法，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度。大多數(shù)高校目前主流的教學(xué)方式是板書和多媒體教學(xué)。板書教學(xué)的過程一般是以教師為主導(dǎo)地位，學(xué)生跟著教師的思路，好處是教師可以按照自己的課堂節(jié)奏來帶動(dòng)學(xué)生。這種方法適合有感染力以及個(gè)人魅力的任課教師，但是大多數(shù)教師不具備這樣的能力。而且學(xué)生一旦跟不上教師的節(jié)奏，接下來便會(huì)對(duì)所有的知識(shí)跟不上。而多媒體授課的特點(diǎn)是直觀，教師可以有更多的時(shí)間去講解課本上的知識(shí)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行知識(shí)的延伸。對(duì)于“信息論”這樣理論性很強(qiáng)的課程，如果全靠多媒體幻燈片來呈現(xiàn)知識(shí)，那么很多同學(xué)便不會(huì)對(duì)知識(shí)有很強(qiáng)的感同身受，學(xué)習(xí)的熱情和對(duì)知識(shí)的理解程度也會(huì)大打折扣。因此我們應(yīng)該結(jié)合這兩種教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)以及學(xué)生的自身素質(zhì)，尋找更適合該課程的教學(xué)方法。任課教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)教學(xué)大綱將課程的知識(shí)點(diǎn)按照重要性和難度進(jìn)行劃分，對(duì)于簡(jiǎn)單的概念可以直接用幻燈片來呈現(xiàn)，最后能將這些知識(shí)點(diǎn)用一個(gè)邏輯框架聯(lián)系起來，讓學(xué)生從宏觀的角度去理解知識(shí)的構(gòu)架。對(duì)于一些具有挑戰(zhàn)性的問題，可以選取一部分在課堂上由任課教師帶領(lǐng)學(xué)生一起去推導(dǎo)，讓學(xué)生感受知識(shí)創(chuàng)造的過程。留一部分作為學(xué)生的課后作業(yè)，讓他們帶著課堂上所學(xué)到的方法在課后進(jìn)一步鞏固。

3.重視實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。任何與實(shí)際脫離的教學(xué)都不能算是成功的教學(xué)，人才的培養(yǎng)離不開個(gè)人實(shí)踐能力的培養(yǎng)。“信息論”雖然是一門理論性課程，但是該課程也是為實(shí)際應(yīng)用提供幫助，例如特殊問題的理論最優(yōu)解，信源的無失真編碼和限失真編碼的Matlab程序?qū)崿F(xiàn)，信道編碼包括線性分組碼、循環(huán)碼、和卷積碼的Matlab程序?qū)嵗取．吘箤W(xué)生學(xué)習(xí)每門課程的時(shí)間有限，不可能讓學(xué)生掌握所有問題的處理方法。因此可以將這些具有代表性問題的解決方法教給學(xué)生，從而讓學(xué)生更好地適應(yīng)未來的學(xué)習(xí)和工作。對(duì)于“信息論”的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要選好實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，制定出切實(shí)可行的課程大綱，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，讓實(shí)踐內(nèi)容更加貼近高等院校學(xué)生的知識(shí)背景和生產(chǎn)實(shí)際。在實(shí)踐的過程中要保持與學(xué)生的溝通交流，在遇到困難的時(shí)候適當(dāng)?shù)亟o予指導(dǎo)，并鼓勵(lì)學(xué)生通過自己的努力去查找相關(guān)文獻(xiàn)和解決方法。讓學(xué)生按照固定人數(shù)自由組隊(duì)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)可以自由分配任務(wù)進(jìn)行合理分工，從而促進(jìn)學(xué)生的討論。讓學(xué)生自行對(duì)問題進(jìn)行切割，將一個(gè)大的問題分割成許多有機(jī)組成的小份，并描述出這些問題之間的邏輯關(guān)系。在每解決一個(gè)問題之后，以團(tuán)隊(duì)為單位對(duì)這些問題進(jìn)行總結(jié)，整理出解決問題的方法以及解決問題的心得。通過這種傳遞式的實(shí)踐教學(xué)手段，可以充分地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際創(chuàng)新能力。

三、結(jié)語

高等學(xué)校教育強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的建立系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐創(chuàng)新能力，“信息論”是電子信息類專業(yè)課程中同時(shí)包含很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性內(nèi)容的基礎(chǔ)課程，對(duì)學(xué)生后續(xù)的科研學(xué)習(xí)以及以后的職業(yè)發(fā)展起著很大的作用。新的人才培養(yǎng)模式，對(duì)“信息論”教學(xué)的改革提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這需要教師不僅要具備本學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，還要不斷學(xué)習(xí)新的教學(xué)技能和教學(xué)方法，提高自身業(yè)務(wù)水平，滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)全能型的電子信息類人才的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙生妹.信息論基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.