“信息論”課程教學體系改革的探索與實踐

【摘要】針對信息論課程教學存在的問題，進行了課程教學體系的改革。提出了調整培養方案、優化教學內容改革、改進教學手段的改革方案，并開展了三年的教學實踐。實踐結果表明教學改革激發了學生的學習興趣，提高了學生學習的自主性、理論水平和實踐能力，取得了較好效果。

【基金項目】中國石油大學（華東）2010年校級重點教學改革項目：通信工程專業課程軟硬件一體化教學模式研究與實踐（基金編號JY-A201007）。

【關鍵詞】信息論 培養方案 教學內容 教學方法

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）03-0241-02

在2010年教育部制定的《高等學校電子信息科學與工程類本科指導性專業規范（試行）》中，《信息論》課程被規定為通信工程專業基礎知識體系之一[1]。該課程是通信工程專業的一門核心專業基礎課程，目前幾乎所有高校的通信工程專業本科都開設了該課程。

信息論主要目的是提高通信系統的可靠性、有效性和安全性，以達到系統的最優化。本課程的教學任務是使學生獲得有關信息的基本知識及信道傳輸信息的基本理論，為學生今后可能從事廣義的信息系統設計提供一定的理論基礎及方向性指導[2]。

該課程理論性強、涉及眾多學科、概念抽象、需要廣泛的數學基礎，是一門“難教”、“難學”、“難考”的課程。目前，教學中普遍存在一些問題，如：課堂教學以講授基本概念和理論為主，忽略了理論在相關通信技術中的廣泛應用，使得學生對課程的重要性認識不足；長期采用“填鴨式”教學模式，學生易形成依賴性的思維方式，缺乏學習興趣與動力；缺乏實踐、互動環節，造成理論與實際脫節等等[3]。

為了解決上述問題，達到教學規范的培養目標，適應行業對人才的需求，配合我校“通信專業課程軟硬件一體化教學模式研究與實踐”的教學改革項目的進行，我們課程教研組進行了以培養具有扎實理論基礎和創新精神人才為目的的教學體系改革。在培養方案、教學方法、教學內容等方面進行了探索和實踐，并取得了初步成效。

1.培養方案的調整

作為通信工程專業重要的專業基礎課，在國內重點院校的本科培養計劃中，一般是將該課程安排在大二下學期或者大三上學期。這樣安排的好處是，該門課程所要用到的數學類課程如線性代數、概率論與數理統計、隨機過程等剛結束，學生對數學知識較熟悉，對信息論中復雜的公式和繁瑣的數學證明，掌握起來相對容易；教師授課時對數學知識的回顧較少，提高了教學效率。但這樣的安排也使學生在學習信息論課程時，還未接觸通信原理、無線通信、移動通信、光纖通信等專業基礎課和專業課，對具體的通信系統的組成、功能的原理和應用一無所知，學生普遍反映在信息論課程學習過程中感到概念抽象，“看不見、摸不著、理解不了”，因此對課程中的分析方法和基本理論不能很好的理解和應用，這嚴重影響了學生的學習熱情和教學效果。

對此，我們在培養計劃的制定上進行了創新性的改革，從2007級起將信息論課程安排在大四上學期開設，從2013級起計劃將其安排在大三下學期開設。經過三年的教學實踐，通過對通信工程專業270名本科生進行“信息論”教學調查，結果表明：有一半以上的學生表明學習其他專業基礎課和專業課，對理解如信源熵、信道容量、編碼速率等這些抽象概念和香農三大定理的本質和意義有很大幫助；有200名左右的學生認為學習信息論這門課有助于認識通信的本質，對專業基礎課和專業課的學習有巨大的理論指導意義；幾乎所有的學生都認為這門課很重要。顯然，問卷結果表明，我們對培養計劃的調整是適應該課程的特點，符合人的認識規律的，有助于提高學生的學習興趣和教學效果。

2.教學內容改革

信息論是一門理論性和應用性很強的學科，其研究內容已廣泛的應用于多媒體技術、網絡技術、無線電通信技術、信息安全等領域。通信工程專業信息論課程的理論框架側重于經典的香農信息論，主要講授通信系統的一般模型、信息的度量、信源編碼、信道容量、信道編碼等內容。

由于信息論課程涉及的內容多、縱向內容深、外延廣、應用性強，40學時的理論課教學無法全面講解信息論經典知識內容，必須本著重基礎、重實踐、順應行業發展和市場需求的指導思想，合理整合和規劃教學內容[4]。

2.1教學內容密切聯系實際

在將信息的基本概念和度量計算方法傳授給學生的同時，還必須努力培養學生對專業的興趣，拓寬專業知識視野。因此，在教學內容的選擇上一定要將基本理論與實際應用緊密聯系。

在當今高度信息化時代，只要涉及到信息的存儲、傳輸和處理就要用到香農的三大定理，涉及到信源壓縮與信道編碼技術。在授課中內容中可簡單介紹常用的壓縮格式和算法如：MP3音頻格式、CIF視頻格式、LZW壓縮算法等。MP3是MPEG-1壓縮標準中的第3層，是一種針對數字音頻的有損壓縮格式，按照這部分標準做成的硬件就稱為“MP3”，MP3格式的音頻文件回放音質與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降，而文件被壓縮，利于傳輸和存儲?？捎嬎阋幌翪IF視頻格式的碼率352*288像素/幀*8bit/像素*3*25幀/秒=60825600b/s。這樣學生充分認識到在實際應用中信源壓縮對于信息的存儲和傳輸的重要性，理解了這是提高通信有效性的前提。

2.2與其他課程廣泛聯系、有機融合

信息論課程的外延很廣，因此，教學內容中要突出和強調本課程與其他專業課（如衛星通信、多媒體技術、互聯網技術等）聯系與融合，這樣，課程與課程之間不再是離散的信息孤島，而是有框架組織和脈絡調理的信息樹[5]。

例如，在講授限失真信源編碼內容的，要注意強調在通信原理中講授的脈沖編碼調制的內容。同時，也可以用衛星通信中衛星視頻轉發器為例，過去電視轉發器中一路模擬電視信號一般占用一個轉發器帶寬。采用數字壓縮技術后，在一個轉發器帶寬內可傳送多套數字電視節目（4～10套）。這是因為一路普通的數字電視信號，采用碼率為3/4卷積碼和RS碼級聯編碼、升余弦平方根濾波和QPSK調制后，占用帶寬約為5.1MHZ，約占1個轉發器帶寬（如轉發器帶寬為36MHZ）的1/7，這樣極大地節省了轉發器帶寬資源[6]。

通過這種特意的引導，學生不知不覺中把不同課程的知識融會貫通，理解了信息論作為通信的基本理論對其他通信技術的理論指導意義和應用價值，學生的反饋信息表明這極大地提高了學生的學習熱情；教師也反映這有助于端正學生的學習態度，優化教學效果。

3.教學方法探索

埃德加·富爾在被譽為當代教育思想發展中的一個里程碑的《學會生存》一書中指出：教育既有培養創造精神的力量，也有壓抑創造精神的力量，這說明了教學方法改革的重要性。

3.1教師引導、學生參與有機結合

必須改變傳統信息論教學方法中，教師“講”，學生“聽”，學生被動跟著教師走的局面。結合信息論課程的特點，對于基本概念和理論的學習，可以以教師引導為主，但必須認識到學生才是教育的主體，教育的目的是為了讓學生學會如何思考。

參與式教學法是能夠有效貫徹理論與實踐相結合教學原則，體現學生主體性的教學方法，它能夠引導學生以信息論基本理論為基礎，圍繞實際問題應用所學理論展開對學習討論。在參與式教學實踐中，應當注意在選取問題時盡量選用較新的、應用廣泛的技術；積極參與的學生可獲得平時成績的額外加分，并計入最后總評成績。

例如，在循環碼的教學中，我們讓學生在課下查閱CD唱片中差錯控制機制，理解RS碼的作用，推薦一到兩名學生在課程上詳細講解一下其工作原理，然后教師進行點評和補充。在信道編碼內容結束后，教師先簡單介紹一下密碼編碼內容，可讓學生先查閱DES和RSA兩種算法的資料，在課堂上就其安全性進行分組討論。最后，師生共同總結出這兩種算法不是“絕對安全”，當量子計算機出現時，兩種加密算法都能在有效的時間內被破解，必須使用量子加密算法來保證密碼編碼的絕對安全性。

實踐結果表明，這樣的授課方法不僅活躍了課堂氣氛，發揮了學生的自主學習精神；更重要的是培養了學生獲取知識的能力和探索精神，掌握了科學的方法和思維方式，培養了科學素養。

3.2把握課程特點，精心組織教學

信息論是從數學的角度研究通信中的信息存儲、傳輸、處理的一門科學，所有理論都是在一定的數學模型上實現，因此概念抽象、數學推導復雜。傳統的教學方法是，先給出數學模型，然后推導定理和推論，最后用一兩個例子驗證結論。但長期的教學實踐表明，這種教學方法完全不符合人的認知習慣，使學生難以理解，失去信心。

為此，首先給出具體例子，由例子得出一般模型，然后在模型基礎上推導出定理和推論[7]，最后用例子驗證結論，即從“具體”到“抽象”再到“具體”，這符合人的認知習慣。例如，在講解信源熵的概念時，我們先給出一個常用的摸球的例子，一個布袋內放100個球，80個紅球，20個白球，隨機摸一個球，猜測其顏色，求平均摸一次球所能獲得信息量。x1，x2分別表示事件：摸出的球是紅球和摸出的球是白球；p（x1），p（x2）分別表示，摸一次球，紅球和白球出現的概率；隨機摸取n次后（每次摸出一個球后放回袋中），總共獲得的信息量為：np（x1）I（x1）+np（x2）I（x2），其中I（x1），I（x2）為摸一次球，結果分別是紅球和白球所獲得的信息量；這個可以得到平均隨機摸一次球所獲得的信息量為：H（X）=[np（x1）I（x1）+np（x2）I（x2）]=p（xi）I（xi）。由此，可以順理成章的引出熵的定義式；并且從該例中可以看出，信息熵是從平均意義上來表征信源的總體特性的一個量，它表征信源的平均不確定性[8]。

通過這樣的精心組織教學，通俗易懂、水到渠成地讓學生理解了抽象概念的物理意義，并且印象深刻，受到學生的廣泛好評。

4.結語

本文針對信息論課程的特點和目前教學中普遍存在的問題，在培養方案、教學內容、教學方法等方面做了積極的探索，提出了可行的方案，并進行了教學實踐。

通過在中國石油大學（華東）計算機與通信工程學院的通信工程專業2007-2009級1、2、3班共270人進行的教學實踐，從反饋結果來看，這三屆學生的信息論課程理論考試成績比上3屆學生的平均分分別提高了4.52分、3.96分、6.78分；有200人左右認為教學內容安排合理、信息豐富、與實際應用聯系緊密；有220人左右認為該課程教學效果好，對該課程很感興趣；有80人左右認為該課程的學習對今后從事相關的研究工作是有幫助的。

這說明信息論課程教學改革和實踐取得了初步的成效，其中的一些方法和思路對其他課程的教學改革具有一定借鑒價值，值得推廣。當然，這次信息論課程教學改革的探索和實踐才剛剛開始，今后還要在教學模式、實驗教學、考核方式等方面進行深入的探索，以取得更好的教學效果，培養出適合信息時代需求的專業型人才。

參考文獻：

[1]教育部高等學校電子信息科學與工程類專業教學指導分委員會. 高等學校電子信息科學與工程類本科指導性專業規范（試行）[M]. 北京：高等教育出版社，2010：24-60.

[2]張振榮，岳岫峪，鄭嘉利. 《信息論》課程教學改革探索[J]. 中國電子商務，2011（12）：133-133.

[3]唐琳. “信息論基礎”課程優化教學初探[J]. 赤峰學院學報（自然科學版）， 2010（26）11：194-196.

[4]謝正光，章國安，張士兵. 信息論與編碼課程教學探索與實踐[J]. 2008，11：127-128.

[5]張雅南，王頂. 《信息論與編碼》課程的教學感言[J].中國電力教育，2008，3：82-83.

[6]高宏峰，彭勃.信息論基礎課程教學改革探究[J].洛陽師范學院學報，2010，29（2）：160-161.

[7]王春生，姚云飛.信息論教學實踐的探究[J].大學數學，2007，23（2）：21-24.

[8]周蔭清.信息理論基礎（第3版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：10-18.

作者簡介：

李莉，女，講師，研究方向為計算機網絡與通信技術、低壓電力線載波通信技術。

殷志強，男，高級工程師，研究方向為計算機網絡、數據庫技術。