信息、控制與計算課程的泛課堂教學(xué)方法探析

陳曉明

摘要：分析了大信息時代信息、控制與計算課程的特點以及信息、控制與計算教學(xué)實踐中存在的難點和問題，并針對這些問題，提出了一種泛課堂的教學(xué)方法。該教學(xué)方法包括課堂理論學(xué)習(xí)、課后仿真驗證、期末課程報告和課余實踐深化等四個課內(nèi)和課外教學(xué)環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)充分結(jié)合信息、控制與計算這一課程的特點，利用了課內(nèi)和課外兩個層面的效用，環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，可以有效發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。實踐結(jié)果表明，該教學(xué)方法有效提高了教學(xué)質(zhì)量，在培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力方面均取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法;信息;控制與計算;泛課堂化;創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0124-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Investigation of A Generalized Classroom Teaching Method for the Course of Information， Control and Computation

CHEN Xiao-ming

（College of Information Science and Electronic Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China）

Abstract： This paper analyzed the characteristics of the course of Information， Control and Computation and investigated the difficult issues in the practical teaching in the era of big information. To solve these difficulties， we proposed a generalized classroom teaching method for the information， control and computation course， including theoretical learning in class， simulation and testing after class， class report at the end of a term， and project practice outside the class. These stages of the generalized classroom teaching method were accordant with the characteristics of the information， control and computation course， and made use of the utilities both in and outside class. Thus， the proposed teaching method can simulate the main role of the teacher and arouse the activity of the students. Practical results shown that this method can improve the teaching quality effectively， and can obtain a favorable effect on the thinking， working and innovation ability of the students.

Key words： teaching method; information; control and computation; generalized classroom; creative practice

1 信息、控制與計算課程體系的特點

隨著大信息時代的到來，各種新的信息技術(shù)不斷涌現(xiàn)，并且這些信息技術(shù)也展現(xiàn)出了深度融合的趨勢[1]。在當(dāng)前的本科教學(xué)過程中，大部分的信息類課程都進(jìn)行獨立的教學(xué)。例如，在通信類教學(xué)中，主要講授信息與編碼理論，控制類專業(yè)的學(xué)生主要學(xué)習(xí)控制論[2]，而計算機(jī)學(xué)院的學(xué)生則側(cè)重于計算理論的學(xué)習(xí)[3]。然而，未來的信息技術(shù)常常涉及多學(xué)科的交叉融合，當(dāng)前分專業(yè)教學(xué)的模式已無法適應(yīng)信息技術(shù)發(fā)展的需要，嚴(yán)重限制了學(xué)生的發(fā)展空間和能力提升。在這種情況下，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院在全國率先開展了信息、控制與計算這一電子信息類專業(yè)引導(dǎo)性核心課程。

如圖1所示，信息、控制與計算課程以信息作為基本的研究對象，在給出信息的內(nèi)涵和基本表征形式的基礎(chǔ)上，分別講授信息傳遞、信息轉(zhuǎn)換和信息執(zhí)行的規(guī)律和方法，分別對應(yīng)通信理論、計算理論和控制理論。這樣，信息、控制與計算課程以信息的流動為基本主線，將信息的產(chǎn)生、變化、傳輸、處理和應(yīng)用等過程有機(jī)串聯(lián)起來，使得學(xué)生對現(xiàn)代信息處理技術(shù)有了一個完整的了解和掌握。

2 信息、控制與計算課程教學(xué)實踐存在的問題

筆者在信息、控制與計算課程的教學(xué)，以及在指導(dǎo)與這一課程相關(guān)的本科畢業(yè)設(shè)計的過程中，發(fā)現(xiàn)信息、控制與計算課程存在著以下一些問題：

1） 知識系統(tǒng)偏重于經(jīng)典理論，缺乏最新的理論成果

本課程涉及的通信、控制與計算學(xué)科都有很多經(jīng)典的理論，這些理論構(gòu)建出了本學(xué)科的基本理論體系。然而，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，本課程涉及的三個學(xué)科都發(fā)展出了大量新的理論和技術(shù)。例如，5G和B5G通信技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域研究的前沿，控制領(lǐng)域正在向網(wǎng)絡(luò)化控制方向演進(jìn)，而計算機(jī)領(lǐng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)已受到各行各業(yè)極大的關(guān)注。因此，需要在這一課程的教學(xué)中，將經(jīng)典理論和最新成果結(jié)合起來，使得學(xué)生了解信息技術(shù)涉及的各個方面的演進(jìn)過程，從而能夠更好地理解最新理論成果的優(yōu)缺點及其發(fā)展趨勢。

2） 知識體系紛繁復(fù)雜，且具有較高的理論深度

本課程涉及通信、控制與計算學(xué)科等多個知識點，且把它們有機(jī)的融合起來，因此本學(xué)科的知識體系具有極高的復(fù)雜性。由于理論的層層遞進(jìn)，如果學(xué)生無法掌握前面的知識點，將造成后續(xù)學(xué)習(xí)的無法進(jìn)行，并且使得學(xué)生開始厭倦或者放棄學(xué)習(xí)。

3） 知識理論和實際應(yīng)用脫鉤，無法驅(qū)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

本課程注重學(xué)生對理論的學(xué)習(xí)和掌握。但是，信息技術(shù)是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)習(xí)。如果學(xué)生不清楚理論知識如何應(yīng)用到實際系統(tǒng)中，就無法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也無法幫助學(xué)生真正掌握這些知識的要點和細(xì)節(jié)。

3 泛課堂教學(xué)方法

泛課堂的教學(xué)方法將課堂教學(xué)與課外實踐結(jié)合起來，可以幫助學(xué)生較好地掌握這門課程的理論及其應(yīng)用。下面簡要介紹筆者所提出的泛課堂教學(xué)方法。

3.1 課堂理論學(xué)習(xí)

課堂教學(xué)是理論學(xué)習(xí)的主要形式。對于每節(jié)課的45分鐘，需要充分發(fā)揮教師的教和學(xué)生的學(xué)的正向交互和反向引導(dǎo)。首先，在正向交互方面，主要是利用老師的講解過程解析各個知識點的內(nèi)涵及其相互聯(lián)系;其次，在反向引導(dǎo)階段，就是要把老師和學(xué)生的位置調(diào)換過來，學(xué)生成為課堂講解的主角，而老師則成為知識的受眾或者評委。在這個過程中，由掌握了一定知識點的學(xué)生對課程的課程理論進(jìn)行講解，或者由多個學(xué)生組成一個小組對某一知識點進(jìn)行深入的內(nèi)涵式討論。這種把老師和學(xué)生的角色進(jìn)行正向和反向調(diào)換的過程，十分有利于理論性課程的學(xué)習(xí)，特別對引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性具有十分重要的作用。

3.2 課后仿真驗證

如前所示，信息、控制與計算課程是一門專業(yè)引導(dǎo)課，涉及很多的技術(shù)和算法。如果只是通過理論推導(dǎo)，很難對各種技術(shù)有一個深入的理論，也無法直觀地感受到各種技術(shù)的優(yōu)缺點。因此，在課程的學(xué)習(xí)中有必要加入對各種技術(shù)的仿真驗證。在仿真驗證的過程中，一方面可以對各種算法的細(xì)節(jié)有一個深入的了解，另一方面也可以幫助學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)算法。為了便于學(xué)生掌握，本課程主要安排學(xué)生在課后利用MATLAB仿真工具對各種技術(shù)和算法進(jìn)行仿真驗證[4]。圖2是一個典型的MATLAB仿真圖，其對波分復(fù)用、空分復(fù)用和時分復(fù)用這三種無線通信的多接入技術(shù)的和速率性能進(jìn)行了仿真。由這一仿真圖，學(xué)生可以了解到各種技術(shù)在不同信噪比條件下的性能，也可以看出這些技術(shù)相互之間的優(yōu)缺點。因此，課后的仿真驗證是課題教學(xué)的一個必要補(bǔ)充。

3.3 課余實踐深化

本課程所涉及的所有理論和技術(shù)都經(jīng)過了長期的驗證和測試，因此都可以應(yīng)用到實際的信息系統(tǒng)中。在教學(xué)的最后一個環(huán)節(jié)，筆者提出進(jìn)行課余的實踐深化。具體而言，將所有的學(xué)生分成多個實踐小組，每個實踐小組圍繞通信、計算和控制中的某個主題搭建一個硬件平臺，并設(shè)計相應(yīng)的軟件算法實現(xiàn)某一信息處理功能。例如，圖3給出了一個物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺系統(tǒng)。在搭建這一平臺系統(tǒng)后，學(xué)生可以利用Labview軟件對物聯(lián)網(wǎng)涉及的通信、控制和計算等算法進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，從而對本課程知識的實際應(yīng)用有一個完整深入的理解，保質(zhì)保量的到達(dá)本課程的教學(xué)目標(biāo)。

4 總結(jié)

本文基于信息、控制與計算課程的特點和在教學(xué)及相關(guān)本科畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)的若干問題展開研究，提出了一種泛課堂的教學(xué)方法。實踐結(jié)果表明，這種泛課堂的教學(xué)方法有利于學(xué)生對本課程的理論和應(yīng)用有一個完整的理解和掌握，也可以為學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力培養(yǎng)提供有效的手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 商書元.信息技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[2] 張嗣瀛，高立群.現(xiàn)代控制理論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3] 周志華.機(jī)器學(xué)習(xí)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[4] 王文博.OPNET Modeler與網(wǎng)絡(luò)仿真[M].北京：人民郵電出版社，2003.

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