信息論與編碼課程教學方法探索

張良

摘要：本文主要探討信息論與編碼實驗教學中存在的問題，提出一定的改革方案。方案的要點以一個涵蓋信源、信道和加密編碼的大作業(yè)串聯(lián)起教學內(nèi)容，該實驗需要全班學生分組協(xié)同完成，小組間依次傳遞實驗數(shù)據(jù)和子程序模塊并進行交流討論，便于形成良好的學習氛圍。授課時讓學生穿插討論和演示實驗的各個步驟，有效保持學生的學習興趣。另外，對一些容易理解的內(nèi)容減少不必要的例題和習題，適當拓展一些學生感興趣的新內(nèi)容，增加課程的信息量和趣味性。

關(guān)鍵詞：信息論與編碼；教學改革；實驗設(shè)計；圖像編碼

中圖分類號：TN911-34 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）39-0127-02

一、引言

信息論與編碼是各高校電子信息類本科專業(yè)廣泛設(shè)置的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程綜合性較強，涉及高等數(shù)學、近世代數(shù)、概率論、隨機過程、密碼學、通信技術(shù)等許多領(lǐng)域，學生學習時用到的知識較多。這門課的香農(nóng)信息論部分可以讓學生對通信理論和技術(shù)有更加深入的理解，而信源編碼、信道編碼和加密編碼則注重實踐應(yīng)用。由于該課程的教學內(nèi)容對于學生畢業(yè)后從事通信領(lǐng)域的科學研究或工程實踐具有廣泛影響，因此，加強信息論與編碼課程的教學研究，提高教師的教學水平，是非常有必要的。[1，2]

二、信息論與編碼課程教學中存在的問題

1.學生的重視程度往往不夠。對于通信工程專業(yè)的學生而言，信息論可說是專業(yè)基礎(chǔ)課中的基礎(chǔ)課，通過信息論的學習可以加深學生對通信原理等其他專業(yè)課內(nèi)容的理解，但在學生看來，信息論學習的好壞并不影響其他課程的學習，從解題的角度來講尤其如此。另外，各高校研究生招生考試時很少將信息論與編碼作為筆試課程，因此，學生如果從實用的角度出發(fā)來判斷一門課的重要性，就會忽視該課程的學習。

2.課程內(nèi)容帶來的問題。信息論中有很多相似并且互相關(guān)聯(lián)的概念，還有一些較為煩瑣的推導(dǎo)證明。比如，信源熵和平均互信息性質(zhì)的證明、一般離散信道的信道容量計算、信息率失真函數(shù)參量表達式的解法等。這些內(nèi)容涉及概率論與隨機過程的知識，比較復(fù)雜、抽象，同時還涉及通信方面的一些專業(yè)知識，在學習的過程中顯得抽象、枯燥，學生接受起來比較困難。[3-7]

三、信息論與編碼課程教學改革存在的問題

從以上特點出發(fā)，各高校任課教師對這門課進行了大量的教學方法研究，所研究的方法涉及教材內(nèi)容的選擇、多媒體課件的制作和使用、互動的課堂教學方法、增加實驗內(nèi)容等。其中，增加實驗內(nèi)容是一項被廣泛提及的重要教改內(nèi)容，可以為這門偏理論的課程增添實踐色彩，從而讓學生認識到信息論與編碼課程內(nèi)容的實用價值。[3-7]毫無疑問，增加實驗內(nèi)容是十分必要的，但如果實驗內(nèi)容選擇不合理或?qū)嶒瀸崿F(xiàn)的難易程度設(shè)定不當，很難達到預(yù)期的教學效果。[8-10]

四、本文提出的教改方案和實驗設(shè)置方法

本文提出的信息論與編碼教改方案主要包括以下一些內(nèi)容。

1.適當調(diào)整講授順序，保證編程實驗有充足的時間。教學順序的調(diào)整具有可行性。編碼部分與香農(nóng)信息論有一定的獨立性，學習香農(nóng)信息論以前，學生在通信原理課程中就已經(jīng)初步學習過有關(guān)編碼的部分內(nèi)容，因此可以將編碼部分的教學內(nèi)容適當提前。這種調(diào)整有其必要性。一方面，信息論與編碼的實驗利用計算機即可完成，不需要特殊的實驗裝置和設(shè)備，因而一般可以作為課外作業(yè)布置給學生。按照原來的授課順序，講完信道編碼時，只剩下最多兩周的時間留給學生做編碼實驗，時間少，自然無法進行課堂討論。另一方面，編碼部分講完后，學生即開始分組討論并動手做實驗，在以后的課堂中，適當安排一些小段的時間來討論實驗中遇到的具體問題，讓各個小組在課堂上講解和演示實驗結(jié)果，其他學生給出評價，從而形成良好的學習氛圍。

2.以分組協(xié)作的形式完成一個大的實驗，串連起編碼部分的教學內(nèi)容，凸顯其實用性。所設(shè)計的實驗是對一個16×16的圖像塊進行壓縮編碼，處理過程涵蓋信源編碼、信道編碼和加密編碼，其中信源編碼是混合編碼，包括變換編碼、預(yù)測編碼、游程編碼以及熵編碼，信道編碼和加密編碼采用常用的典型編碼方法。采用這樣一個實驗方案有兩個優(yōu)點：第一，實驗中，數(shù)據(jù)在小組間順序傳遞，每一個小組都把自己處理完的結(jié)果給下一組，下一小組以此為輸入再做進一步的處理，這種聯(lián)系使得小組之間必須進行交流，除了完成本組任務(wù)以外，還須了解和關(guān)注其他小組的工作。第二，與單步驟的實驗方案相比，該方案能夠讓學生看清各種編碼方法在整個系統(tǒng)中的位置和作用。第三，整個任務(wù)具有一定的深度，任務(wù)被分解后，每個小組的工作量又都可以設(shè)計得比較合理，不會讓學生望而生畏。

3.對授課內(nèi)容及其重點的調(diào)整。講解香農(nóng)信息論時，要改變對定理證明過程的教學方法，盡量減少不必要的例題和習題，擴展一些學生感興趣的信息理論和技術(shù)，讓學生參與，增加課程的趣味性和吸引力。①香農(nóng)信息論中有一些定理和性質(zhì)的推導(dǎo)過程比較煩瑣，將這些推導(dǎo)過程整理成單獨的演示文檔，對學生可能看不太懂的地方加上詳細注釋，將整理好的文檔放在Bb平臺上，或者隨堂給學生，讓感興趣的學生課后研讀。②一些問題和計算對于大學四年級的學生來說非常容易理解，沒有任何難度，應(yīng)當避免做過多的例題和習題。比如，自信息和信源熵的計算，這些題目往往偏于概率計算，沒有必要進行反復(fù)練習。③用每次課的最后10～15分鐘，陸續(xù)對各小組的實驗過程和結(jié)果進行討論。實驗方案見圖1。

實驗過程分編碼、解碼以及擴展內(nèi)容三部分，按照學生人數(shù)細分成小的任務(wù)步驟，相應(yīng)地將學生分為若干小組，每個小組3～4人，大致讓每個小組平均有兩次任務(wù)。對于人數(shù)較多的班級，可以在擴展的部分適當增加一些實驗內(nèi)容。圖1給出的是以9個小組的劃分方式進行實驗時編碼端的工作分配情況。

五、結(jié)論

我們已經(jīng)將本文所提方法用于我校大學四年級學生以及研究生的教學，達到預(yù)期效果。研究生班級人數(shù)一般較少，每個小組通常只有一名學生，而本科教學班級人數(shù)較多，每個小組至少有3名學生，更容易形成好的學習氛圍。

參考文獻：

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