建構主義學習理論在信息論與編碼教學中的應用

張艷彬

【摘要】傳統的信息論與編碼的教學方式下，學生感覺課程難度較高，知識掌握不穩固，應用能力差，為此我們將建構主義的學習理論引入教學方式的改進中，注重設立知識點的應用情境，增加學生動手實踐的教學環節，倡導學生在教師指導下自主學習，最后討論了建構主義學習理論應用的一個實例，展示了良好的教學效果.

【關鍵詞】信息論與編碼；建構主義；教學方式

【基金項目】本文得到南京郵電大學教學改革研究項目JG00214JX64的支持.

信息論與編碼是信息、通信、電子類專業的基礎課程，它以概率論和數理統計理論為主要工具，研究通信中的信息處理、存貯和傳輸的基本規律及具體應用.這門課程具有較高的理論性、抽象性和數學要求，在傳統的課堂教學中，教師按照既有體系以理論和技術解析的方式為主向學生傳授知識，學生常感覺難度較高，導致學生逐漸出現厭學情緒.此外，學生常常反映，上課時能聽懂教學內容，給定題目也可正確求解，但不知在實際問題中怎么應用，這反映了學生知識掌握不透徹、不穩固，不能和既有的知識經驗相融合，缺乏將理論應用于實踐問題的能力.為此，我們在現有的課堂教學方式的基礎上，借鑒建構主義學習理論對傳統教學方式進行了改進.

一、基于建構主義的教學方式改進

建構主義學習理論的最早提出者是瑞士的皮亞杰，他是認知發展領域最有影響的一位心理學家.建構主義理論認為所有的知識都是主體本身的認識活動的結果，主體通過自己的經驗來構造自己的理解.對于教學活動，建構主義強調學習者不是空著腦袋進入課堂的，他們已經具有相關的知識經驗，對任何事情都有自己的看法，教師應重視學生自己對各種現象的理解，引導學生豐富或調整自己的理解.借鑒建構主義的學習理論，我們采取了以下方式改進信息論與編碼的教學.

（一）注重設立問題產生和解決的情境

學習情境指為學生提供一個完整、真實的問題背景，以此為支撐物啟動教學.問題構成了建構主義學習的核心.建構主義用問題來驅動學習，而不是充當概念、原理的例子.問題設立和解決應結合學生的已有認識設立.

信息論中大量的理論成果都有現實需求的背景，我們在講授的過程中，注意首先向學生介紹對其研究的總體的現實需求，再結合實際的例子引導和啟發學生思考問題的解決.如，對信源熵的介紹，我們在教學中先提出如何衡量信源信息度量的問題，再以布袋摸球實驗為例引導學生去解決這個問題，最后再引導學生學習自信息量、平均信息量、平均不確定度的概念.

（二）增加學生動手操作和體驗的教學環節

建構主義理論認為，學習者要想完成對所學知識的意義建構，最好的辦法是讓學習者到現實世界的真實環境中去感受體驗，而不僅是聆聽別人的介紹和講解.基于本課程的特點，我們設計了一些運用MATLAB軟件結合理論解決實際問題的內容，這些實際問題或者具有廣泛的應用背景，或者是本課程中涉及的具體工程問題，學生都已具有一定的經驗，如運用最大熵的原理編程實現圖像區域的分割、運用迭代法求取一般的DMC信道的信道容量、Huffman編碼的實現等內容.

（三）組織和引導學生自主學習

自主學習是讓學生進行自我學習、自我探究的學習方式.隨著科技的迅猛發展，多媒體計算機和網絡通信技術的廣泛應用為學生的自主學習提供了條件.倡導自主學習的核心是發揮學生學習的主動性，充分體現學生認知主體的作用.教師的重點是幫助學生如何“學”，應該注意根據課程和學生的特點，把握自主學習的知識點的設立、問題的分解、自主學習的組織安排等問題，在實踐中我們把信源編碼技術、信道編碼技術作為學生自主學習的重點.

二、教學實例分析——以信源編碼技術為例

信源編碼技術的學習是課程的重要部分，傳統的授課方式是依次對各種常用編碼技術向學生做介紹，學生感覺內容較多，不易掌握，也不了解實際用處.為此，我們重新設計這部分內容的學習，規劃以數字圖像的JPEG壓縮標準為框架引導學生學習.首先，給學生布置了和JPEG壓縮的應用和性能相關的一些問題，讓學生課下分組調研.具體有：

（1）調查互聯網上和自己拍攝、處理的圖片涉及的常見格式有哪些；

（2）用圖像軟件把BMP圖像轉換成JPEG格式，比較兩者視覺質量和文件大小的區別；

（3）調研JPEG的壓縮流程.

由于難度不高，學生普遍能完成這些問題的調研，得到和下圖相似的JPEG編碼流程圖，有的學生還對具體的編碼技術進行了了解.JPEG的編碼流程涉及常用的變化編碼、量化編碼、差分預測編碼、游程編碼和熵編碼的技術，這些都屬于學生必須掌握的常見編碼技術，在此框架內我們再向學生介紹相關的技術流程，最后在MATLAB中演示如何實現JPEG文件的保存，這樣學生能把學習內容和已有的圖像使用經驗、自己調研形成的認識、相關的工程應用結合起來，形成的認知更為深入和鞏固，也具有比較強的應用意識和能力.

三、總結

針對信息論與編碼課程教學中出現的學生感覺課程較難，掌握不穩固，應用能力差的現象，借鑒了建構主義學習的理論對現有教學方式進行了改進，在實際問題和學生已有認識的基礎上展開教學內容，同時倡導學生的自主學習活動，增加動手實踐環節，顯著改善了教學效果.

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