CDIO理念在信息論與編碼課程教學中的應用

高山+馬林華+任宇環+畢篤彥

[摘 要]信息論與編碼課程是電子信息與通信工程專業一門重要的專業基礎課程，具有課程內容抽象、涉及數學基礎知識廣泛，公式復雜眾多及數學推導繁雜的特點。CDIO工程教育模式（構思、設計、實現和運作）繼承和發展了歐美20多年來工程教育改革的理念，系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的十二條標準。該模式注重學生綜合素質及創新能力的培養，激發學生學習的主觀能動性，鼓勵學生交流溝通，培養團隊協作意識。將CDIO理念應用于信息論與編碼課程的教學中，可以解決理論學習與工程實踐能力的失衡問題，培養學生的自主學習能力、團隊意識。

[關鍵詞]信息論與編碼；CDIO；教學探討；教學理念

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0001-04

信息論與編碼課程是我校信息與通信工程專業重要的專業基礎課程之一，是一門運用概率論和數理統計等數學工具來研究各類通信系統的一般規律以及通信系統各組成部分統計特性的綜合性強、涉及學科廣泛的課程。其教學過程既需要學生掌握高等數學、概率與數理統計、隨機過程等基礎課程，還需要學生掌握信號與系統、數字信號處理以及通信原理等專業基礎課程，該課程組成和其他課程的關系如圖1所示。

信息論是現代信息科學的重要組成部分，是現代通信、信息技術飛速發展的理論支撐。人們運用信息論這一工具來認知世界，不斷探索系統的存在方式和運動的變化規律，促進了多個學科領域的飛速發展。

信息論與編碼課程的學習要求學生具有良好的數學基礎。課程涉及積分運算，矩陣運算，群、域、環的概念和理論，數值分析的理論，計算機迭代算法，香農三大定理的證明等，幾乎涵蓋了理工科學生所學的全部數學知識。同時課程中很多概念非常抽象，比如信息、自信息量、平均互信息等，為教學帶來了很大困難。教學過程中學生普遍反映公式定理繁雜枯燥難懂，內容概念抽象難以理解，學習興趣不高。本教學小組嘗試將CDIO理念[2]引入信息論與編碼課程教學實踐中，積極探索并設計出新的有利于促進學生自主學習，提升其創新思維和工程實踐能力的全新教學模式，以提高人才培養質量。

一、CDIO工程教育模式的引入

CDIO是國際工程教育改革的最新成果[2]，至2016年，已有幾十所世界著名大學加入CDIO組織，采用CDIO工程教育理念和教學大綱，取得了良好的教學效果。2016年1月8日至9日， “全國CDIO工程教育聯盟”成立，由此拉開了以培養高級工程專業人才為目標的高等工程教育新模式改革的序幕。

CDIO工程教育理念的引入就是為了打破傳統的教育方式中重理論輕實踐、強調個人學術能力而忽視團隊協作精神、重視知識學習而輕視開拓創新能力的培養等弊端，培養具有較強的工程實踐能力、創新能力、團隊精神、溝通能力的全面發展人才。CDIO體現了系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢。

CDIO包括三個核心文件：一個愿景、一個大綱和十二條標準，CDIO教學大綱包括四個層級，如圖2。

作為成熟的工程教學模式，CDIO制定了十二條標準，為CDIO的改革提供了評價標準和實施指南。

CDIO工程教育模式的本質是“實踐中學習”和“基于工程的教育”的集中體現，可有效解決工程教育中理論學習與工程實踐失衡的問題；注重培養學生主動學習、綜合實踐和創新能力，強調團隊協作意識的培養。CDIO工程教育模式并沒有針對各個專業給出相應的教學標準，它為我們提供的是一種方法論，為教學模式改革指明了方向。

本文試圖將CDIO理念運用于信息論與編碼課程的教學中，探究基于CDIO理念的信息論與編碼課程教學方法。解決傳統教學的弊端，調動學生學習的能動性，培養學生的團隊意識、創新能力，提高學生的綜合素質。

二、CDIO理念指導下的課程教學特點

通過對CDIO三個核心文件——一個愿景、一個大綱和十二條標準的學習，本文認為在CDIO工程教學模式指導下的教學實踐具有以下特點：

（一）突出工程實踐

CDIO教學模式的核心思想是“實踐中學習”。即從完成工程項目中學習，不斷總結實踐中的經驗，將理論與實踐聯系起來，做到知與行的結合，將直接經驗（實踐）的獲得與間接經驗（理論教學）的學習相結合。

因此，在信息論與編碼課程教學設計的過程中，教師要注重工程實踐的設計。比如要求學生自己設計一個特定的通信系統，并且給出其信道容量；鼓勵學生將書本知識轉化為解決工程問題的方法，并將實踐所獲得的知識與經驗有效運用于理解書本知識。

（二）強調相互關聯

CDIO標準中的背景環境強調關聯性，這是CDIO非常重要的方法論。學生通過完成項目，總結歸納解決問題的理論支撐，在加深對書本知識理解的同時也提高了解決問題的能力。這種能力不是知識的堆砌，而是知識在實踐中的升華，體現了“實踐中學習”的本質。

因此，基于CDIO理念的信息論與編碼課程在教學過程中工程實踐（研討、文獻閱讀、仿真實驗等）和理論知識學習的設計與組織強調相互關聯、相輔相成，將瑣碎的知識點通過項目實踐串聯起來，完成項目的同時加深對知識的理解。

（三）體現主觀能動性

CDIO工程教育模式強調在教與學過程中以學生為中心，以此來調動學生學習的積極性和主動性，這和建構主義理論不謀而合。

因此，基于CDIO理念的信息論與編碼課程教與學的過程要充分激發學生的學習熱情，引導學生自主學習。學生主動建構知識將取代傳統的以教師為主的知識講授。

（四）強調宏觀整體化

CDIO標準在課程設計和教學手段方面都體現了整體觀念，實質上體現的是系統論的核心思想。

因此，基于CDIO理念的信息論與編碼的教學課程設計要立足于整體，注重各知識點之間的關聯，將教學內容優化整合，體現一體化，以達到最優的教學效果。

（五）評價方式多元化

依據CDIO的十二條標準，教師應采用與之相適應的考核方法來評價學習效果。

因此，基于CDIO理念組織的課程教學在評價考核方面應具有多元化特點。其中，包括考核手段多元化和評價主體多元化。

三、CDIO理念指導下的教學活動模式構建

CDIO理念下的教學活動設計和組織是在“實踐中學習”理念的指導下，基于項目實踐進行的。學生在完成項目的過程中能更加深入地理解理論知識，同時提升將理論應用于實踐的能力。

因此，CDIO理念在信息論與編碼課程教學中的應用是以學生為主導、以工程實踐為導向、以項目為驅動，在完成項目的過程中加深對知識的理解，再將積累的知識用于解決工程實踐問題。

基于此，教學組進行了課程教學活動組織模式的架構和課時分配。

（一）課程教學活動組織模式的架構

結合信息論與編碼課程內容的特點，教學組構建了課程教學實施過程中各知識模塊通用的教學流程模式，如圖3。

課外自主學習環節要求學生對教學內容進行資料查詢、收集整理完成課前預習。借助網絡資源完成自主學習，比如上海交通大學、西安電子科技大學、國防科技大學的信息論國家精品課程、MIT 開放課程，stanford 的信息論課程等。教師在課外自主學習環節，應給出本次課的重點和難點，為學生查詢相關資料提供指導。

知識講解環節不再是傳統教學的灌輸模式，而是針對學生自主學習時的盲點或理解不正確的地方進行詳細重點的講解，自主和互動式學習將提高學生學習課程的積極性和主動性。

以“教”為中心的教學，缺乏自主創新意識，難以調動學生學習的能動性，學生無法感受學習的樂趣以及解決問題的成就感。因此，一級實訓項目以個人獨立完成的形式進行，主要完成文獻閱讀、撰寫讀書報告、總結歸納自主學習過程中的難點疑點等任務。

二級實訓項目以小組的形式進行，項目內容的設計要貼近學生的專業方向，引導鼓勵學生運用書本上的知識解決工程實踐中的問題。在此過程中，教師需要向學生提供與實踐項目相關的資料等，引導幫助學生尋找解決問題的途徑和方法。

小組在協作探究后完成相應的任務，每組選出一個代表在課堂上進行展示與匯報，和其他同學分享學習成果和經驗，可以進行組內互評、小組之間互評。教師要對整節課的綜合情況進行評價、總結。課后，學生要撰寫學習交流心得。

在一級項目和二級項目中，教師要將高級編程語言（C/C++、Java 等）、仿真軟件（Matlab）和信息論與編碼課程結合起來開展適當的實驗教學。例如在第8章和第9章中利用C 語言來實現Huffman編碼、Fano編碼、卷積碼、循環碼的程序設計及調試工作；在第6章中，可設計通過Matlab 仿真軟件來驗證采用不同的譯碼準則得到的平均錯誤概率等實驗。這樣的實驗教學不僅讓學生加深了對理論知識的理解，還鍛煉了學生的編程能力，有利于激發學生學習的主觀能動性，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

最后，教師將每組總結的疑難問題和重點知識進行整理，對整節課知識進行系統化梳理總結。

（二）課時分配

CDIO工程教育模式的本質是“實踐中學習”和“基于工程的教育”的集中體現。從信息論與編碼課程的內容來看，其強調基礎性和實用性，包括信息論基礎知識（理論）和香農三大定理（實踐）兩大部分內容。該策略不適于信息論基礎知識（理論）部分的學習。因此，基礎知識部分的學習采用教師講授的方式進行，而香農三大定理（實踐）部分采用CDIO模式進行。

結合信息論與編碼課程課時的安排，以兩個教學周為一個學習任務周期來分配課時。

教學活動組織模式和課時分配依據以學生為中心的理念設計，真正“以學生為中心” 更好地實現“因材施教”?？s短教師講授的時間，整個過程更多地關注學生的參與。教師由原來講臺上的“圣人”轉變為教學活動中的“教練”，而學生由原來臺下被動的接受者轉變為主動的參與者。

四、教學評價方式

課程教學評價是教學活動中的重要環節，既具有反饋功能，又具有導向功能。CDIO理念強調學生綜合能力培養，該觀念貫穿課程設置和教學過程的始終。因此，評價方法要能客觀全面地衡量學生的綜合能力。

基于此，信息論與編碼課程的考核釆用 “多樣化、多角度全過程考核，多元化全方位評價”的方式，教師評價、小組互評和學生自評相結合。教師是教學活動的組織者和指導者，教師評價可以客觀、全面地把握學生整體的學習情況。小組間互評可以激發競爭意識以及各組內成員間的交流互動。個人自評有助于學生進行自我反思和總結，評價內容多元化，不再拘泥于單一的筆試，而是將閱讀筆記、小組討論、專題研討、論文撰寫均作為評價方面。

學生成績=期末筆試（60%）+課堂互動交流（15%）+實驗報告（論文、閱讀筆記）撰寫（15%）+小組研討（15%）+創新性（5%）。為了充分調動學習過程中學生的積極性，對于有創新觀點的學生可以額外加分。期末筆試可以考查學生對于理論知識的掌握；實驗報告（論文、讀書筆記）的撰寫則可體現學生的實際動手能力及知識的運用能力，很好地反映學生熟練應用軟件的程度。

五、結語

以往的教學實踐和相關文獻顯示，信息論與編碼課程的教學中存在兩個核心問題：一是課程內容抽象枯燥，教學手段單一，難以調動學生學習的主觀能動性；二是現行的考核方式單一，導致學生在理論知識掌握與工程實踐能力上的失衡。

針對這些問題，本教學小組將近年來頗受關注的CDIO教學模式引入信息論與編碼課程教學中，注重學生綜合實踐能力和創新能力的培養，強調學生自主學習，突出團隊協作意識。當然，課程教學改革是一個需要不斷探索和逐步完善的過程，不可能一蹴而就。在以后的教學中，仍要“以學生為中心”， “因材施教”，最終達到提高教學效果、培養學生創新能力的目的。

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[責任編輯：劉鳳華]