工科課程中的科學精神與人文素養(yǎng)教育

劉 冰，秦曉宏，李夢東

（北京電子科技學院 密碼科學與技術系，北京 100070）

1 信息論與編碼課程教學現(xiàn)狀與背景分析

“師者，所以傳道、受業(yè)、解惑也”[1]。作為一名教師，無論講授的是社會科學，還是自然科學，都有為學生培養(yǎng)優(yōu)秀道德品質(zhì)，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀的責任與義務?！皞鞯馈笔恰笆軜I(yè)”“解惑”的更高要求，也是大學教育中不可或缺的一部分。為培育理想信念堅定、知識本領過硬的新時代青年人才，更要把“德育”貫徹落實到大學課堂的日常與細節(jié)中。在全面提高學生綜合素質(zhì)的背景下，高等教育課堂教學除了進行知識傳授以外，還需要進一步培養(yǎng)和提高學生的科學精神及人文素養(yǎng)。

在全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記強調(diào)：“高校立身之本在于立德樹人。要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”[2]。在與北京大學師生座談時，總書記指出：“要把立德樹人的成效作為檢驗學校一切工作的根本標準，真正做到以文化人、以德育人，不斷提高學生思想水平、政治覺悟、道德品質(zhì)、文化素養(yǎng)，做到明大德、守公德、嚴私德”[3]。

對課程思政的認識，應該從更廣泛的角度去理解。通過培養(yǎng)學生的科學精神與人文素養(yǎng)，可以使學生樹立正確的世界觀與人生觀，從而能夠科學、理性地看待問題，也能夠使學生在思考問題的同時，結(jié)合現(xiàn)實與應用從多個角度理解問題的復雜性，從而作出更加全面的判斷。認為此項任務只是由人文類課程來完成的認識是片面的。根據(jù)多年的課堂經(jīng)驗，結(jié)合學生的發(fā)展需求，我們認為工科類課程同樣具有完成此項任務的必要性和可行性。

具體到信息論與編碼課程，定位處于從基礎科學（數(shù)學、物理）向應用技術（信息技術）過渡的專業(yè)基礎課程[4-6]，是整個信息科學與技術的基礎和總覽式課程，且其內(nèi)容涉及“信息”“隨機性”等哲學和科學概念，更是在教學過程中有必要關注的問題。課程教學需要達到“不僅學會，而且學通”的目標，使其效果不僅局限在課堂內(nèi)和專業(yè)內(nèi)，而且是在后續(xù)專業(yè)學習，乃至工作和生活中都有所體現(xiàn)；同時，很多理工類課程在教學、知識展開等方面也存在著一定的相似性和共通性，這也為學生在本課程學習的基礎上，在其他課程中進行深入理解和融會貫通作了鋪墊，從而在學習相關知識的過程中串聯(lián)起相關的知識和能力。

眾所周知，科學成果的探索和發(fā)現(xiàn)過程并非一路坦途，而是通過漫長的探索和不斷的否定，進而逐步靠近真理的過程。在這個過程中，許多探索者敢于提出質(zhì)疑和新的想法，不斷開拓進取，為真理的誕生貢獻了力量，也正是在這個過程中，敢于質(zhì)疑的創(chuàng)新精神、絕不放棄的執(zhí)著精神、不斷求索的堅韌精神在一代又一代科學探索者的身上體現(xiàn)出來。如今，在工科課程中，教師可以在課程推進過程中為培養(yǎng)學生的探索和求真品質(zhì)、人文素養(yǎng)等作出更多努力和安排，為培養(yǎng)具有科學精神和人文素養(yǎng)的學生作出更大貢獻。

2 問題分析及課程內(nèi)容、主要目標設定

在新的社會環(huán)境和教育理念下，高校培養(yǎng)的學生既需要具有扎實的知識基礎和實踐能力，又需要具有較高的科學素質(zhì)與人文素養(yǎng)。信息論與編碼作為信息技術的基礎，要與高校的辦學定位相結(jié)合，與專業(yè)的培養(yǎng)目標相符合，使學生了解信息理論基礎和包含信源編碼、糾錯碼和密碼在內(nèi)的編碼技術[7-8]。更深入的要求是不僅“知其然”，還要“知其所以然”，培養(yǎng)科學精神和高水平的人文素質(zhì)。只有打好堅實的理論基礎，才有可能在進一步的學習過程中達到一定的高度，因此，除了常規(guī)性的課程建設內(nèi)容外，還需要重點研究以下問題：如何在理論知識的講授中對學生進行思想政治方面的培養(yǎng)與教育；如何在教學中激發(fā)學生的學習興趣；如何培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、正確分析和解決問題的能力；如何培養(yǎng)和提高學生的實踐能力等。

對于以上方面，既是各個課程和學科中普遍存在的問題，又是教師較難解決又至關重要的問題，可以嘗試從以下幾個方面解決部分問題：首先要避免單一的理論知識講授，而是與思想政治教育相結(jié)合；其次是避免通過強行灌輸?shù)确椒ㄟM行，而要在日常中逐步進行滲透；第三是調(diào)動學生的主動性，真正從根本上培養(yǎng)學生的學習興趣；最后是要培養(yǎng)學生敢于質(zhì)疑，敢于從不同角度思考和尋找答案的精神。

通過課程研究及成果應用，可以解決當前工科課程教育中重知識輕方法、重技能輕能力的現(xiàn)狀，以信息論與編碼課程為例，探索出一條通過知識教育培養(yǎng)解決問題能力，通過方法傳授啟迪思維方式的道路。高等教育中培養(yǎng)科學精神和人文素質(zhì)的問題，在人文、思政課程中體現(xiàn)較多，而在工科課程中較少涉及。本研究為此問題的有益探索，可以達到以下目標。

（1）梳理教學內(nèi)容：與一般意義上的課程相比，各學校更應該緊密圍繞培養(yǎng)目標，發(fā)揮學校特色，因此在教學內(nèi)容的選擇上會有所取舍，要在教學中聯(lián)系后續(xù)專業(yè)課內(nèi)容，著重引導學生深入理解知識原理，培養(yǎng)創(chuàng)新和獨立思考能力，完善學生相關理論體系的構(gòu)建，更為之后更好地應用和創(chuàng)新打下深厚的基礎。

（2）改革教學模式：對于具有嚴密體系的理論課程來說，教師的講授仍然處于核心地位，但要充分發(fā)揮學生的主動性。鼓勵學生在深入理解原理的基礎上進行嘗試性的創(chuàng)新思考，發(fā)揮學生的主觀能動性，在各領域?qū)碚撨M行驗證或?qū)嶒灐?/p>

（3）改進考核手段：對考核方法進行改革，包括考試、實踐、論文等多種形式，重視對思想方法的考查。改進考核方式是改變學生學習方式和促進學生培養(yǎng)能力的重要手段和標準，可適當減少對知識內(nèi)容以及記憶點掌握的考查，注重學生獨立思考能力和深入理解能力的考查等。

3 課程教學中需要注意的重點問題

在課程教學過程中，避免簡單地嵌入和生硬地說教，而是緊密依托課程內(nèi)容，在引入、分析和應用過程中，引導學生采用科學的認識方法，潛移默化地提高學生思想、理論、文化等方面的素質(zhì)，從而達到思想水平和知識能力的雙提高。在教學過程中，有以下幾個問題需要重點思考。

1）大背景下的課程定位。

信息論與編碼在課程體系中，位于從數(shù)學、物理等基礎課到專業(yè)課的過渡階段。信息論與編碼課程既涉及哲學中唯心與唯物的概念辨析，又與數(shù)論和近世代數(shù)的內(nèi)容相關聯(lián)，更是專業(yè)課中相關知識的底層原理支持。對于大學一、二年級的新生來說，知識的展開應該符合其認識規(guī)律。與教學內(nèi)容的直接切入相比，按照學科展開規(guī)律進行教學，更能體現(xiàn)知識的發(fā)展脈絡，便于學生更加深入地理解，同時提高學生分析問題的能力。

在教學開始時，可以引導學生從哲學引入，探討“信息”的內(nèi)涵，介紹課程內(nèi)容在認識世界中的地位和作用。例如，在認識世界的過程中，按照物質(zhì)、能量、信息的順序依次展開，從而使學生能夠深刻理解信息的客觀性，避免陷入唯心主義。隨后進入“科學”的范疇，引導學生學會對物理概念從定性到定量認識，利用數(shù)學工具來抽象地抓住問題本質(zhì)。在信息論的基礎上，讓學生逐步體會科學思想的應用，即進入“技術”領域，主要包含三大類編碼：信源編碼、信道編碼和密碼，特別是要介紹編碼定理對算法的引領作用，充分發(fā)揮學生對于算法優(yōu)缺點的思考判斷能力，使學生依據(jù)編碼定理進一步理解算法的設計原理，也為修改和完善各種新算法提供理論依據(jù)。

2）基本概念的深入理解。

在課程中，存在著許多基本但卻重要的概念，如“信息”的唯物主義解釋、“隨機性”的深入理解等。對這些概念的理解程度，直接決定著后續(xù)應用的正確性和靈活性。在教學過程中，特別容易出現(xiàn)的一種偏向是重視數(shù)學定義，而對概念的物理含義沒有真正理解，如最基本的“信息”概念，一般來說，學生如果記住信息量的計算方法，即熵公式，即可以應付后續(xù)的學習，但這并沒有對“信息”的概念有深入的認識，未能了解其揭示隨機性的深刻含義，也就不能將其與后續(xù)在信源編碼定理中的應用建立聯(lián)系。學習與記憶的過程中重要的是對文本概念與數(shù)學公式相結(jié)合的深入理解，對每個變量和公式的意義進行理解性記憶，才能在后續(xù)的應用中選擇合適的公式并全面理解各式表達。類似的例子還有條件熵和互信息的概念。如果不了解互信息代表的是信道上傳遞的實際信息，也就難以理解信道容量和信道編碼定理，對后續(xù)各種信道編碼方法的區(qū)別和辨析也就更無從談起，對整個知識體系也會更加混亂，無法真正理解與掌握。

為了更直觀地理解基本概念，特別是概念之下隱藏的物理意義，在解釋時可應用類比的方法，將編碼理論中一些較難理解的概念與日常生活中的物品等進行類比，便于學生深入理解更為復雜的公式意義等[9]，如信道與高速公路、信道容量與水杯容量等。

3）主要關系的辯證討論。

在哲學中，會討論許多基本關系問題，如“物質(zhì)與意識”“科學與技術”“思想與方法”等，這些在本課程中都有反映。以“思想與方法”的關系為例，在信息論與編碼中，三大編碼定理即是思想性的總結(jié)，既指明了研究的方向，同時又給出了衡量標準，而具體編碼算法即為其實用與實現(xiàn)，具有多樣性；如信源編碼定理指出熵編碼的手段為壓縮冗余，在無失真的情況下其極限為信源的熵，在這一思想的指引下，有類似霍夫曼編碼、費諾編碼等各種不同的壓縮編碼方法，通過考查壓縮后的長度與熵的接近程度可以評判方案的性能；同樣，在講解思想和應用的關系時，可類比“能量守恒定律和永動機研究”的案例。

4）更廣泛的應用場景。

信息論與編碼是信息類的專業(yè)基礎課，雖然其主要為后續(xù)專業(yè)課程打基礎，擁有廣泛的應用，但其應用也并不局限在專業(yè)和學科之中，而是在生活中有著廣泛應用。通過對生活中應用的舉例說明，學生能夠?qū)φn程中的基本概念與含義有更深入的理解。

例如，在介紹熵與條件熵的關系時，以學生非常關心的考試答疑為例：從復習之前的最大不確定性，到復習后不確定性的降低，伴隨著熵的降低，學生獲得一定的信息量；直到看到試卷的一刻，熵降為零，獲得全部信息量。通過類似例子，可以引導學生以科學的方式展開思維。信息論相關知識在生活實踐中有著廣泛的應用，尋找生活實踐中的事件，用科學和數(shù)學的方式將其標記化、公式化表示出來，可以進一步加深學生對課程內(nèi)容的深入理解。

4 教學效果

信息論與編碼課程為后續(xù)專業(yè)課程的展開打下了堅實的基礎。通過課程建設，我校也取得了一定成果。

從短期來看，厘清了為后續(xù)專業(yè)課程服務、有學院特色的、重視思想方法培養(yǎng)的課程教學內(nèi)容，形成了教學大綱，對內(nèi)容進行精選，完成相關教材選定、課件設計工作；深入對理論課的理解，完善課內(nèi)實驗環(huán)節(jié)，完成編碼理論課程的實驗講義；為提高對課程內(nèi)容的熟練度，注重練習，完成編碼理論習題冊的編寫；探討學生自主學習模式，深入掌握課程精髓。

從長期來看，本課程建設將總結(jié)教學經(jīng)驗，爭取建設成精品型課程；征詢后續(xù)課程意見，針對本校教學實際，進一步凸顯特色，形成適合使用的講義，為進一步出版教材做好準備；通過理論課的學習，培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)，提高學習和研究能力；與學生管理部門配合，實現(xiàn)教書育人目標。

通過課程的建設，預期將在內(nèi)容上更加貼近專業(yè)需求，同時具備學校特色；在形式上更加靈活和具有效率；在效果上有明顯的提高。通過對科學精神和人文素養(yǎng)的培養(yǎng)和關注，摸索一條有效的方法，從而在后續(xù)的教學中采用并進行推廣，為該課程的體系完善和內(nèi)容充實打下基礎。

5 結(jié) 語

信息論與編碼課程是信息類專業(yè)的基礎課程，在整個課程體系中起著重要的作用。傳授知識技能的同時培養(yǎng)學生的科學精神和人文素養(yǎng)，從而培養(yǎng)綜合素質(zhì)高、全面發(fā)展的人，是對課程教學的更高要求。課程教學組長期從事相關課程的教學和教研，團隊成員參與省級精品課程等的建設工作，獲得多項省部級獎勵，完成了多項相關教研項目。學校特別重視學生思想政治教育，因此課程組在完成專業(yè)知識、能力培養(yǎng)之外，在課程思政方面也進行了有益的嘗試，提倡在專業(yè)知識的學習過程中滲透學生思想政治的教育，在教學中貫徹“立德樹人”的思想觀念，力求在潛移默化中將學生培養(yǎng)為有理想、有學問、有才干的全面發(fā)展的新青年。希望通過本研究能夠拋磚引玉，帶動工科課程中思想政治教育的開展。