信息論與編碼課程教學(xué)改革探索

王俊平，陳慶東，紀(jì)延俊

(濱州學(xué)院　光電工程系，濱州　256603)

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信息論與編碼課程教學(xué)改革探索

王俊平，陳慶東，紀(jì)延俊

(濱州學(xué)院光電工程系，濱州256603)

摘要通過分析信息論課程教學(xué)現(xiàn)狀，找出課程教學(xué)中存在的問題，從調(diào)整課堂教學(xué)內(nèi)容，引入PBL教學(xué)模式，搭建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，開展全程式考核等方面進(jìn)行教學(xué)改革探索。實(shí)踐表明，教改改善了課程的教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)了學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞信息論與編碼；教學(xué)改革；PBL

信息論與編碼理論是研究信息傳輸和信息處理的基礎(chǔ)理論。信息論對實(shí)際通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已產(chǎn)生了深刻的影響[1]。自20世紀(jì)80年代后，我國大學(xué)本科階段逐漸開設(shè)信息論與編碼課程，特別是通信、電子及信息類專業(yè)。實(shí)踐表明該課程作為信息類的基礎(chǔ)理論課程，可以進(jìn)一步完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，開闊學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

1信息論與編碼課程存在的問題

為了更好地了解課程的教學(xué)現(xiàn)狀，編制了信息論教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查問卷，從教學(xué)方法、教學(xué)模式、學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)態(tài)度、聽課情況和信息論實(shí)驗(yàn)課堂情況等方面進(jìn)行調(diào)查，采用發(fā)放調(diào)查問卷和訪談相結(jié)合的方法，對電子信息專業(yè)及通信工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)信息論與編碼課堂教學(xué)存在以下幾個(gè)方面的問題。

1.1內(nèi)容抽象，脫離實(shí)踐，理論多，應(yīng)用少

信息論與編碼是一門理論性比較強(qiáng)的學(xué)科[1]，是應(yīng)用概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)值分析和隨機(jī)過程等數(shù)學(xué)方法來研究通信系統(tǒng)傳輸?shù)挠行院涂煽啃缘睦碚?。課程涵蓋了大量的應(yīng)用數(shù)學(xué)知識，其中有些數(shù)學(xué)概念復(fù)雜、抽象，甚至在研究生階段才涉及，從而使工科學(xué)生感到學(xué)習(xí)過程枯燥，理論太多，難度很大。

信息論與編碼課程理論性比較強(qiáng)，教師在講授過程中如果僅簡單地推導(dǎo)公式，不能與具體工程應(yīng)用實(shí)際聯(lián)系起來，學(xué)生上課容易無精打采，失去興趣，長此以往會導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)的情緒出現(xiàn)。此外，如果在教學(xué)中以教師為主的理論講解占據(jù)課堂的絕大多數(shù)時(shí)間，非常容易造成理論和實(shí)際應(yīng)用缺乏聯(lián)系的困境。如果在授課的過程中把枯燥的理論公式與實(shí)際的工程應(yīng)用聯(lián)系起來會起到事半功倍的作用。如在講授信息量的有關(guān)問題時(shí)與實(shí)際事件的新聞價(jià)值聯(lián)系在一起；講授編碼知識與實(shí)際移動通信的3G、4G技術(shù)聯(lián)系起來。使學(xué)生融入到問題之中，有機(jī)會參與教學(xué)，掌握學(xué)習(xí)的主動性。

1.2教學(xué)實(shí)驗(yàn)手段單一

實(shí)驗(yàn)是信息論與編碼課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，目前在高校中，信息論實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多為通過一些編程軟件來驗(yàn)證課程所授的一些基礎(chǔ)理論，驗(yàn)證所學(xué)定理和編碼結(jié)論，如Huffman編碼、Shannon編碼、唯一可譯碼判決準(zhǔn)則、信道容量的迭代算法等一些編程實(shí)驗(yàn)，這種方法偏重于計(jì)算機(jī)編程，偏離了實(shí)際的工程應(yīng)用，無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更不利于學(xué)生對這門學(xué)科的理解。

1.3考核方法單一

在理論課程教學(xué)中規(guī)范的考核評價(jià)體系對于準(zhǔn)確衡量教學(xué)效果至關(guān)重要。信息論與編碼課程普遍采用的是傳統(tǒng)考核方法，即學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間里進(jìn)行閉卷測試，用卷面考分的高低來衡量學(xué)習(xí)效果的好壞。這種考核方式容易造成學(xué)生盲目地追求高分，而輕視學(xué)習(xí)過程和應(yīng)用能力的鍛煉。

1.4教材選擇困難

信息論這門課程的開設(shè)最初是在通信專業(yè)學(xué)生的研究生階段，對于現(xiàn)在本科生來說已出版的各種《信息論與編碼》教材的課程體系和內(nèi)容相差不大，但是這些教材都有一個(gè)共性，太抽象、太嚴(yán)謹(jǐn)，無法與本科學(xué)生專業(yè)背景相結(jié)合，缺少與理論知識相結(jié)合的工程案例。

2信息論與編碼課程教內(nèi)容和方法改革探索

本文針對課程教學(xué)過程存在的問題并結(jié)合授課實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在對濱州學(xué)院現(xiàn)有的課程培養(yǎng)方案進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，從調(diào)整教學(xué)大綱、PBL課堂教學(xué)模式、搭建仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺、全程式考核方式4方面對該課程進(jìn)行了改革嘗試，對學(xué)生的知識應(yīng)用與水平創(chuàng)新能力進(jìn)行了重點(diǎn)培養(yǎng)。

2.1調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，深入淺出，深化概念理解，少推導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用軟件IBM SPSS Statistics 21.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用軟件Origin 7.5及Design-Expert 8.0進(jìn)行制圖和數(shù)據(jù)分析。質(zhì)構(gòu)測定重復(fù)6次，其他實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

工科本科生面對繁多的定理、公式證明會不知所措。我們嘗試在教學(xué)過程中對課程內(nèi)容做適度調(diào)整：將大部分精力用于講授基本概念和含義，適當(dāng)簡化甚至省略那些繁瑣枯燥的數(shù)學(xué)定理證明過程，可以推薦學(xué)有余力的學(xué)生閱讀相關(guān)參考材料。

在信息論與編碼教學(xué)中，主要內(nèi)容可用一句話概括為：“一個(gè)概念，三個(gè)定理”。就是信息熵的概念和3個(gè)編碼定理：信息的度量、無失真信源編碼、信道容量和信息的可靠傳輸、信息率失真理論。在這些理論中，信息的度量是基本概念，是其他章節(jié)的基礎(chǔ)，把重點(diǎn)放在物理意義的講授方面，讓學(xué)生從具體的物理現(xiàn)象來理解抽象概念[2]。比如在講授“信息量和熵”這兩個(gè)概念時(shí)，以“擲骰子”的案例代替理論推導(dǎo)和證明。

對于信源與信道章節(jié)，在教學(xué)過程中進(jìn)行有選擇的講解，將重點(diǎn)放到離散信源和離散信道部分，同時(shí)弱化教學(xué)內(nèi)容中關(guān)于連續(xù)信源與連續(xù)信道部分的講解，將連續(xù)信源與連續(xù)信道部分看成是離散的特殊形式，這樣就可以避免學(xué)生由于缺乏信號處理、隨機(jī)過程等基礎(chǔ)知識而難以理解連續(xù)部分的理論。

在教學(xué)內(nèi)容上還需要做到與時(shí)俱進(jìn)，信息論編碼理論和技術(shù)是在不斷發(fā)展進(jìn)步的，在講述課本基本內(nèi)容基礎(chǔ)之上，可以適量引入移動通信系統(tǒng)的一些知識，如分組碼、Turob碼、FDMA、TDMA、CDMA、GSM、MIMO和4G等一些移動前沿知識。在講授這些新技術(shù)時(shí)，不從理論上過多分析，重點(diǎn)講述新技術(shù)的用途和影響。通過在實(shí)驗(yàn)中仿真無線通信系統(tǒng)，多方面介紹信道編碼技術(shù)，使學(xué)生對這些技術(shù)感興趣，有更好的認(rèn)知和理解[3]。

2.2實(shí)現(xiàn)PBL教學(xué)模式改革。

PBL(problembasedlearning)教學(xué)法是1969年由美國神經(jīng)病學(xué)教授Barrows在加拿大的麥克瑪斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)院首創(chuàng)的一種新的教學(xué)模式[4]。PBL教學(xué)法樹立以學(xué)生為中心、教師為引導(dǎo)、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)理念，注重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

目前，PBL的教學(xué)方法已在國內(nèi)一些高等院校逐漸推廣應(yīng)用，主要應(yīng)用于理論教學(xué)。

PBL教學(xué)法貫徹以“學(xué)生為主體，以問題為中心”的原則，在教師的整體把握和指導(dǎo)下強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動參與。通過“向?qū)W生提出問題—學(xué)生小組探究問題，解決問題—教師進(jìn)行總結(jié)評價(jià)”3個(gè)步驟結(jié)合工程實(shí)踐、計(jì)算機(jī)模擬、案例、調(diào)研報(bào)告等形式，將課程所要講述的重點(diǎn)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個(gè)實(shí)際問題。課堂上向?qū)W生提出問題，學(xué)生以小組的形式對問題進(jìn)行討論，查閱資料，闡述自己的觀點(diǎn)，然后以小組為單位拿出解決問題的方案，最終老師結(jié)合課程的教學(xué)內(nèi)容對所提出問題作解答并引申，講解此類問題涉及的教學(xué)內(nèi)容。通過該方法將信息論與編碼中晦澀難懂的理論知識轉(zhuǎn)化為具有工程背景的實(shí)際問題，讓學(xué)生在簡單輕松的實(shí)例中去尋求問題的答案。

如針對偽隨機(jī)序列，可以先向?qū)W生提出一個(gè)實(shí)際問題——當(dāng)軍事演習(xí)過程中利用移動通信系統(tǒng)進(jìn)

行通信，如何來防止軍事信息泄密？當(dāng)學(xué)生給出解決方案時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生將“數(shù)字通信系統(tǒng)的加密”這種解決方案和偽隨機(jī)序列的應(yīng)用相對應(yīng)起來，由此引出偽隨機(jī)序列提高通信系統(tǒng)安全性的理論說明。在講授率失真函數(shù)時(shí)，可以先從神舟八號的視頻傳輸系統(tǒng)說起，讓學(xué)生課下查找視頻壓縮的相關(guān)資料。此外，教師還可以針對工程實(shí)際，提一些相對較為復(fù)雜的問題，讓學(xué)生通過課下查找資料尋求答案，比如Turbo編譯碼在3G/4G中的應(yīng)用，一組高效的LDPC碼空間通信方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.3構(gòu)建仿真教學(xué)平臺。

仿真教學(xué)是信息論與編碼課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，搭建仿真教學(xué)平臺服務(wù)于PBL教學(xué)模式。針對一些工程實(shí)踐的實(shí)際問題，學(xué)生可以通過Matlab和SystemView等仿真實(shí)驗(yàn)平臺，做出仿真，找出問題的解決方案，教師從而進(jìn)行延伸教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固所學(xué)的理論知識及知識點(diǎn)[5]。另外，采用諸如VisualC和Delphi等開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

2.4全程式考核

為了更好地推動和實(shí)施PBL教學(xué)模式，提高平時(shí)考核所占比重，為鼓勵學(xué)生積極參與課堂教學(xué)，對學(xué)生提出問題和回答問題等情況分別予以加分，教師將其量化記錄在平時(shí)成績中?？荚囋囶}中不能只要求學(xué)生熟練使用公式進(jìn)行機(jī)械計(jì)算，還應(yīng)該注重考核學(xué)生對基本概念、原理和方法的掌握情況，考查學(xué)生綜合分析問題的能力?？刂瓶荚嚦煽冊趯W(xué)生的期末綜合成績中所占比重，余下分值由平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績構(gòu)成。

3結(jié)束語

通過改革教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容，將PBL教學(xué)模式引進(jìn)信息論與編碼課程教學(xué)中，將內(nèi)容枯燥、理論多、應(yīng)用少，學(xué)生難以理解，學(xué)習(xí)積極性差的課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個(gè)具體的實(shí)際問題，開展PBL教學(xué)模式設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，轉(zhuǎn)被動為主動，激發(fā)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)意識，提高了教學(xué)效果。同時(shí)通過搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺，開展全程式考核，對信息論與編碼課程進(jìn)行改革，對培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，改善課程的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量具有很大的意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳前斌，蔣青，于秀蘭；信息論基礎(chǔ)[M]北京：高等教育出版社，2007：1-2

[2]田寶玉，楊潔，賀志強(qiáng)，等；信息論基礎(chǔ)[M]北京：人民郵電出版社，2008：6-7

[3]王育民，李輝，梁傳甲；信息論與編碼理論[M]北京：高等教育出版社，2004：1-8

[4]張華；PBL教學(xué)法在高職院校教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].河北：河北師范大學(xué)，2008： 4-5

[5]王春生，姚云生.信息論教學(xué)實(shí)踐研究[J]大學(xué)數(shù)學(xué)，23(2)：21-24.

Exploration on the Course Teaching Reform of Information Theory and Coding

WANG Junping，CHEN Qingdong，JI Yanjun

(DepartmentofOptoelectronics，BinzhouUniversity，Binzhou256603，China)

AbstractThrough the analysis of the current teaching situation of information theory，we find out the existing problems in the course teaching.We carry out the teaching reoform from the following aspeets;adjwst classroom teachiy conterrts,in troduce teaching mode of problem based learning(PBL),establish teaching pletform of simulation experiment,and entive-process evalution.The practice shows that teaching refrms improve the teaching quality and students’ cultivestion qualitoy,and promotes the cultivation of applied and innovative abilities.

Key wordsinformation theory and coding; teaching reform; PBL

收稿日期:2014-06-29；修改日期: 2014-08-19

基金項(xiàng)目：濱州學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(BYJYWZ201338)；山東省教育科學(xué)規(guī)劃“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目(2013GZ001)；“光學(xué)”涪州學(xué)院校級精品課程(BZXYJRKC2011)；山東省本科高校教學(xué)改革項(xiàng)目(2015M027)；濱州學(xué)院教研項(xiàng)目(BYJYYB201427)。

作者簡介：王俊平(1980-)，女，碩士，講師，主要從事信息論和移動通信等方面的教學(xué)及研究工作。

中圖分類號G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.034