信息論與編碼課程教學改革的探討與實踐

（魯東大學信息與電氣工程學院，山東 煙臺 264000）

○、引言

信息論與編碼課程是絕大部分高校通信、電子信息類本科專業的專業必修課程，是應用近代概率統計方法研究信息的基本性質及度量方法，研究信息傳輸、處理等一般規律的學科。該課程涉及大量的數學知識，理論性強，內容抽象，推導計算眾多，而且應用領域極廣、技術更新極快，這使其成為公認的“最難學”的本科課程之一。本課程教學團隊針對實際教學中存在的問題并結合實踐經驗，從信息論與編碼課程的教學內容、教學方法和教學手段、師資隊伍建設、考試命題和考核方式幾個方面進行了改革嘗試，目的在于改善課程教學質量，提高教師教學水平，以滿足培養高素質應用型本科人才的要求，更好地提高學生的競爭能力。

一、教學內容的改革

教學內容是整個課程教學的核心，其直接影響到人才培養的質量。教學內容安排要合理、科學，能滿足社會需求。目前，部分高校開設的信息論與編碼課程只有理論教學學時，而無實驗學時，且學時量較少。而實際上，這是一門理論與實際工程應用并重的課程。我們可以根據專業和社會需求適時調整教學內容。以魯東大學信息論與編碼課程為例，該課程是魯東大學電子信息工程、信息工程和通信工程的專業必修課，理論學時48。教學內容涉及的知識點多，但理論學時相對較少且無實驗學時。在進行教學內容建設過程中我們采取如下相應的措施。

1.教學內容主線必須清晰化。困擾學生學習的問題之一就是知識點多且散，這會導致學生把握不住學習的重點，且易忽略章節之間的關聯。在教學中，課程內容的講述應圍繞香農信息論，即狹義信息論的“三大基本概念”、“三大編碼定理”和典型編碼方法展開，這便于學生從整體上把握本課程的內容和學習的重點。理論教學內容框架如下圖所示。

2.教學內容要側重離散部分，適當減少模擬部分內容的講述。目前，信息處理和編碼技術大多是數字化處理方法，因而在講解信源信道時，離散信源信道部分內容需重點講述，而連續信源信道因其形式跟離散信源信道類似，只需簡單講述他們之間的關聯即可直接給出相應結論。

3.教學內容的重點應該是基本概念、基本理論和基本方法，應用型本科學習應做到“概念明確清晰，理論推導能懂，典型方法會用”。教學中對基本概念一定要重點講、講清楚，而對于煩瑣的公式推導計算，只需讓學生能看懂推導過程，若遇到類似問題知道用什么方式處理解決即達到目的。對于信源信道編碼方法，因其種類繁多，教學內容安排就必須有側重點，選擇的依據是既要典型有代表性，又要考慮實際應用情況。比如在信源編碼典型方法中，相比香農和費諾編碼，赫夫曼編碼應重點講述。

4.分專業開設，內容要側重性強，避免課程內容重復教學。按專業設置教學班，授課教師可根據專業需求有側重點地調整教學內容。由于課程課時較少，應考慮先修課程和后續課程的內容與本課程的關聯后，再對教學內容做適當取舍。以信息工程專業為例，在講述信源編碼時，其先修課程“通信原理”中關于標量量化編碼的內容如13折線A律，以及其后續課程“數字圖像處理”中涉及的變換編碼內容如小波變換，在信息論與編碼課程中均不需詳細講述。

5.教學內容應適當引入信息與通信領域的新技術和新理論，以滿足實際需求。因為信息技術發展速度快、應用也非常廣，所以我們對信息論與編碼課程的講解不能僅僅按照現有的課本內容來進行，也要關注新出現的技術和理論，在教學內容上盡量做到能與時俱進。

二、教學方法和教學手段的改革

信息論與編碼課程理論性強且抽象，涉及眾多數學基礎課程，如高等數學、線性代數、概率論、隨機過程等，因而課程學習中面臨大量的公式、推導和計算，這些都會使學生產生畏學、厭學的情緒，達不到好的教學效果。如何在教學中激發學生的學習興趣，如何培養學生發現問題、正確分析和解決問題的能力是教學中亟待解決的問題。在課程教學中我們可以從以下幾個方面著手。

1.講好第一堂課。授課伊始即讓學生明確課程研究的對象、研究的主要內容以及各章節的地位、作用和關聯性；其次，通過具體例子來展現本課程知識在現實生活中的廣泛應用情況，這既可以有效激發學生對本課程的學習興趣，也能讓學生明確學習信息論與編碼課程的必要性和重要性。

2.授課過程中要主線清晰、框架分明。本課程圍繞香農信息論“三大基本概念”、“三大編碼定理”和典型編碼方法展開，并貫穿于整個通信系統模型，在授課過程中要注意把握好整體與局部的關系，避免讓學生“只見樹木不見森林”。

3.簡化推導和證明，用問題和實例來啟發和引導理論講解。比如在講述信息率失真理論時，對為什么現實生活中并不真的需要無失真信息傳輸的問題，我們可以通過現實打電話、放映電影的例子來回答；也可以將最常見的事情抽象為信息論里面的相關知識，比如下棋，通過一方在棋盤中隨機放置棋子，另一方來猜測棋子所在位置，以此來對應自信息量或條件自信息量的概念。

5.注意相關概念的區分，防止學生產生概念上的混淆。信息論與編碼課程中有很多相近的概念，看似一樣，但意義卻不相同，比如信源熵和平均自信息量。因為信源熵是自信息量的數學期望，這就易給學生造成一種錯覺，即這兩個概念是一回事，實際上它們雖然數值相等，但是含義卻不同。信源熵表征信源平均不確定度，信源一定，不管它是否輸出消息這個熵值都是存在的；而平均自信息量是只有當信源輸出消息并被接收后才有意義。

6.發揮學生在教學中的主體作用。在教學中必須重視學習技能的傳授，最好能使學生親身參與知識的探索，這能讓學生獲得深刻的學習體驗和感悟。比如讓學生以興趣小組的形式，自主學習了解最新的信源信道編碼方法并走上講臺進行講解和分析，教師則針對學生的講述內容進行指導、修正和評價。

7.理論教學要與科研實踐相結合，重視學生的實踐精神和創新能力的訓練，更好地激發學生的學習興趣。因此，我們可以針對專業特點設計基于MATLAB的信息論與編碼課程實驗，并按章節教學內容適時發布。比如對信息工程專業，在信源熵內容講完后讓學生嘗試用熵的理論來實現圖像分割；信源編碼內容講完后讓學生用赫夫曼編碼做圖像壓縮。有實驗課時的專業可以在實驗課中實施，沒有實驗課時的專業可以在課后作業中實施。也可以以課程設計或小論文的形式進行，從提出問題、檢索文獻資料、擬定提綱到最后成文，各個環節給予學生適當的指導。

8.授課內容不應局限于所使用的教材。因為教材的編寫出版通常需要較長的周期，它跟不上新理論、新技術的更新速度?？梢栽谡n堂教學過程中注意引導學生養成查閱文獻資料、關注學科最新發展動態的習慣，以提高學生信息檢索和自主學習的能力。

9.注重基礎知識的鞏固和拓展。根據各章具體內容設計課后習題，將習題分為基本題和拓寬題，這樣既滿足了學生鞏固基礎知識的需要，又兼顧了個人能力的提高。其次，可以對作業中體現的問題進行歸納，對普遍性問題集中講解，而個別性問題可以單獨輔導。另外，每周可留出適當的時間跟學生進行面對面的交流討論。

10.教學資源上網，開啟課下教學模式。建設課程網站，學生可以在網站上查看課程簡介，如課程團隊教師情況等，可以下載各種教學文件，如授課課件、微課視頻等，也可以推薦學生本課程相關的自學資料，如電子書籍等。教師可以通過互動欄目答疑或與學生交流討論，并將問題做定期整理、總結和反饋，以此滿足學生課下自主學習的需要，起到有效的輔助教學作用。

三、師資隊伍的建設改革

百年大計，教育為本；教育大計，教師為本。教學內容、教學方法和手段的實施者是教師，師資隊伍的質量將直接影響到教學質量，這是教學改革能否成功實施的基本保證。信息論與編碼課程的特點決定了該課程的教師隊伍應該是高素質、專業化、創新型的教師隊伍。教師隊伍建設改革主要從幾個方面開展。

1.加強師德師風的建設，這是高校教師隊伍建設的永恒主題。教師對學生的影響不僅在于知識的傳授還在于品德的培養，高素質的教師隊伍是提高人才培養質量的根本保證。教師只有具備較高的思想政治素質、職業理想和職業道德水平，才能真心熱愛教育，從而優質實施教育。

2.教師要從根本上轉變教育教學理念，課程改革的核心思想應該是“一切為了學生更好的發展”，最終的目的是為了能夠培養出更符合社會發展需要的人才。教師只有明確和認同了進行課程改革的重要性、必要性和迫切性，才能更積極自覺地投入到課程改革建設中去，從而達到更好的教育教學效果。

3.教師要樹立終身學習的觀念，注重自身知識結構的完善。信息論與編碼課程涉及大量數學知識，且應用領域廣泛，技術更新快，這就要求教師不僅要有扎實的專業知識，還要熟識相關學科、交叉學科的知識，并且能夠根據實際情況適時完成知識的更新。

4.與相關企業合作開展師資培訓，培養“雙師型”教師。信息論與編碼課程與實際緊密相連，“紙上談兵”根本滿足不了課程教學需求，只有當教師具備一定的企業實踐經驗，能真正做到理論與實踐的有效結合，才能確保課程改革的成功實施?？梢酝ㄟ^校企互動來培養和提高教師的工程實踐能力，然后在教學環節中具體展現實施出來。這樣既可以有效地提升教師的教學水平，也有利于教師從實踐中進一步凝練研究課題，實現教研的良性循環。

5.加強本課程教師間的交流學習。定期組織教學團隊內聽課、評課活動，從細節層面切實提高教學水平。同樣，也可以組織教學團隊成員參加兄弟院校同類課程的教學觀摩、教學研討等交流學習活動，吸取經驗，取長補短。

6.進一步優化課程教學團隊的師資結構?？梢酝ㄟ^多種渠道和方式吸引人才加入教學團隊，使團隊形成較合理的老中青梯隊，且高學歷者能夠占較大的比例。再有就是教學團隊中要有學科帶頭人和學術骨干，教學團隊的學緣結構也要力求合理。

四、考試命題、考核方式的改革

課程教學改革的成功與否要有一定的檢驗標準，何種方式的考核能更真實的反映學生掌握知識的情況是我們需要進一步探討的問題。以魯東大學信息論與編碼課程為例，本課程的考核由平時成績和期末考試成績構成，兩者分別占總成績的40%和60%，其中平時成績包括出勤、課堂表現和作業完成情況，期末考試采用閉卷筆試，集體命題的方式。由于魯東大學信息論與編碼課程并沒有設置實驗學時，所以學校沒有將實驗成績加入到課程考核成績比例分配中，而信息論與編碼課程的特點決定了實踐能力的重要性。因而在此基礎上我們嘗試對考核方式和考試命題做出適當調整，目的是進一步凸顯學生學習情況過程評價和實踐能力評價。

1.在平時成績評定中，我們量化、細化了課堂表現的考評，把學生的課堂表現比如課堂回答問題的情況等換算成具體的加分項，以此調動學生課堂學習的積極性和主動性。

2.加大課后作業在平時成績中的考評比重。設計作業由基礎任務和實驗任務兩部分組成，基礎任務主要精選自課后習題，而實驗任務則實時根據章節教學內容和專業特點發布，這需要學生根據教師設計的題目去查資料，學習并編程實現。這兩部分的內容都將在習題課中進行有針對性的講解和指導。

3.期末考試的命題要涵蓋教學大綱的主要知識點。并將試題分為三類題型：一是基礎題，以考查學生對基本概念、方法的掌握情況；二是綜合題，以考查學生綜合分析問題和解決問題的能力；三是實踐題，以考查學生的應用能力。

五、結束語

本文從教學內容、教學方法和手段、師資隊伍建設、命題和考核方式四個方面對信息論與編碼課程教學改革進行了探討。實踐表明，信息論與編碼課程教學改革應以提高學生能力為重點，知識源自課堂卻不應拘于課堂。只有讓學生覺得學習信息論與編碼能“學以致用”，才能真正提升學生學習的積極性和主動性，從而達到更好的教學效果。