工科課程中的科學(xué)精神與人文素養(yǎng)教育

劉 冰，秦曉宏，李夢東

（北京電子科技學(xué)院 密碼科學(xué)與技術(shù)系，北京 100070）

1 信息論與編碼課程教學(xué)現(xiàn)狀與背景分析

“師者，所以傳道、受業(yè)、解惑也”[1]。作為一名教師，無論講授的是社會科學(xué)，還是自然科學(xué)，都有為學(xué)生培養(yǎng)優(yōu)秀道德品質(zhì)，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀的責(zé)任與義務(wù)。“傳道”是“受業(yè)”“解惑”的更高要求，也是大學(xué)教育中不可或缺的一部分。為培育理想信念堅(jiān)定、知識本領(lǐng)過硬的新時代青年人才，更要把“德育”貫徹落實(shí)到大學(xué)課堂的日常與細(xì)節(jié)中。在全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)的背景下，高等教育課堂教學(xué)除了進(jìn)行知識傳授以外，還需要進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)精神及人文素養(yǎng)。

在全國高校思想政治工作會議上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)：“高校立身之本在于立德樹人。要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人”[2]。在與北京大學(xué)師生座談時，總書記指出：“要把立德樹人的成效作為檢驗(yàn)學(xué)校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)，真正做到以文化人、以德育人，不斷提高學(xué)生思想水平、政治覺悟、道德品質(zhì)、文化素養(yǎng)，做到明大德、守公德、嚴(yán)私德”[3]。

對課程思政的認(rèn)識，應(yīng)該從更廣泛的角度去理解。通過培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神與人文素養(yǎng)，可以使學(xué)生樹立正確的世界觀與人生觀，從而能夠科學(xué)、理性地看待問題，也能夠使學(xué)生在思考問題的同時，結(jié)合現(xiàn)實(shí)與應(yīng)用從多個角度理解問題的復(fù)雜性，從而作出更加全面的判斷。認(rèn)為此項(xiàng)任務(wù)只是由人文類課程來完成的認(rèn)識是片面的。根據(jù)多年的課堂經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)生的發(fā)展需求，我們認(rèn)為工科類課程同樣具有完成此項(xiàng)任務(wù)的必要性和可行性。

具體到信息論與編碼課程，定位處于從基礎(chǔ)科學(xué)（數(shù)學(xué)、物理）向應(yīng)用技術(shù)（信息技術(shù)）過渡的專業(yè)基礎(chǔ)課程[4-6]，是整個信息科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)和總覽式課程，且其內(nèi)容涉及“信息”“隨機(jī)性”等哲學(xué)和科學(xué)概念，更是在教學(xué)過程中有必要關(guān)注的問題。課程教學(xué)需要達(dá)到“不僅學(xué)會，而且學(xué)通”的目標(biāo)，使其效果不僅局限在課堂內(nèi)和專業(yè)內(nèi)，而且是在后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)，乃至工作和生活中都有所體現(xiàn)；同時，很多理工類課程在教學(xué)、知識展開等方面也存在著一定的相似性和共通性，這也為學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在其他課程中進(jìn)行深入理解和融會貫通作了鋪墊，從而在學(xué)習(xí)相關(guān)知識的過程中串聯(lián)起相關(guān)的知識和能力。

眾所周知，科學(xué)成果的探索和發(fā)現(xiàn)過程并非一路坦途，而是通過漫長的探索和不斷的否定，進(jìn)而逐步靠近真理的過程。在這個過程中，許多探索者敢于提出質(zhì)疑和新的想法，不斷開拓進(jìn)取，為真理的誕生貢獻(xiàn)了力量，也正是在這個過程中，敢于質(zhì)疑的創(chuàng)新精神、絕不放棄的執(zhí)著精神、不斷求索的堅(jiān)韌精神在一代又一代科學(xué)探索者的身上體現(xiàn)出來。如今，在工科課程中，教師可以在課程推進(jìn)過程中為培養(yǎng)學(xué)生的探索和求真品質(zhì)、人文素養(yǎng)等作出更多努力和安排，為培養(yǎng)具有科學(xué)精神和人文素養(yǎng)的學(xué)生作出更大貢獻(xiàn)。

2 問題分析及課程內(nèi)容、主要目標(biāo)設(shè)定

在新的社會環(huán)境和教育理念下，高校培養(yǎng)的學(xué)生既需要具有扎實(shí)的知識基礎(chǔ)和實(shí)踐能力，又需要具有較高的科學(xué)素質(zhì)與人文素養(yǎng)。信息論與編碼作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，要與高校的辦學(xué)定位相結(jié)合，與專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)相符合，使學(xué)生了解信息理論基礎(chǔ)和包含信源編碼、糾錯碼和密碼在內(nèi)的編碼技術(shù)[7-8]。更深入的要求是不僅“知其然”，還要“知其所以然”，培養(yǎng)科學(xué)精神和高水平的人文素質(zhì)。只有打好堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，才有可能在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)過程中達(dá)到一定的高度，因此，除了常規(guī)性的課程建設(shè)內(nèi)容外，還需要重點(diǎn)研究以下問題：如何在理論知識的講授中對學(xué)生進(jìn)行思想政治方面的培養(yǎng)與教育；如何在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；如何培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、正確分析和解決問題的能力；如何培養(yǎng)和提高學(xué)生的實(shí)踐能力等。

對于以上方面，既是各個課程和學(xué)科中普遍存在的問題，又是教師較難解決又至關(guān)重要的問題，可以嘗試從以下幾個方面解決部分問題：首先要避免單一的理論知識講授，而是與思想政治教育相結(jié)合；其次是避免通過強(qiáng)行灌輸?shù)确椒ㄟM(jìn)行，而要在日常中逐步進(jìn)行滲透；第三是調(diào)動學(xué)生的主動性，真正從根本上培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；最后是要培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑，敢于從不同角度思考和尋找答案的精神。

通過課程研究及成果應(yīng)用，可以解決當(dāng)前工科課程教育中重知識輕方法、重技能輕能力的現(xiàn)狀，以信息論與編碼課程為例，探索出一條通過知識教育培養(yǎng)解決問題能力，通過方法傳授啟迪思維方式的道路。高等教育中培養(yǎng)科學(xué)精神和人文素質(zhì)的問題，在人文、思政課程中體現(xiàn)較多，而在工科課程中較少涉及。本研究為此問題的有益探索，可以達(dá)到以下目標(biāo)。

（1）梳理教學(xué)內(nèi)容：與一般意義上的課程相比，各學(xué)校更應(yīng)該緊密圍繞培養(yǎng)目標(biāo)，發(fā)揮學(xué)校特色，因此在教學(xué)內(nèi)容的選擇上會有所取舍，要在教學(xué)中聯(lián)系后續(xù)專業(yè)課內(nèi)容，著重引導(dǎo)學(xué)生深入理解知識原理，培養(yǎng)創(chuàng)新和獨(dú)立思考能力，完善學(xué)生相關(guān)理論體系的構(gòu)建，更為之后更好地應(yīng)用和創(chuàng)新打下深厚的基礎(chǔ)。

（2）改革教學(xué)模式：對于具有嚴(yán)密體系的理論課程來說，教師的講授仍然處于核心地位，但要充分發(fā)揮學(xué)生的主動性。鼓勵學(xué)生在深入理解原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行嘗試性的創(chuàng)新思考，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，在各領(lǐng)域?qū)碚撨M(jìn)行驗(yàn)證或?qū)嶒?yàn)。

（3）改進(jìn)考核手段：對考核方法進(jìn)行改革，包括考試、實(shí)踐、論文等多種形式，重視對思想方法的考查。改進(jìn)考核方式是改變學(xué)生學(xué)習(xí)方式和促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)能力的重要手段和標(biāo)準(zhǔn)，可適當(dāng)減少對知識內(nèi)容以及記憶點(diǎn)掌握的考查，注重學(xué)生獨(dú)立思考能力和深入理解能力的考查等。

3 課程教學(xué)中需要注意的重點(diǎn)問題

在課程教學(xué)過程中，避免簡單地嵌入和生硬地說教，而是緊密依托課程內(nèi)容，在引入、分析和應(yīng)用過程中，引導(dǎo)學(xué)生采用科學(xué)的認(rèn)識方法，潛移默化地提高學(xué)生思想、理論、文化等方面的素質(zhì)，從而達(dá)到思想水平和知識能力的雙提高。在教學(xué)過程中，有以下幾個問題需要重點(diǎn)思考。

1）大背景下的課程定位。

信息論與編碼在課程體系中，位于從數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)課到專業(yè)課的過渡階段。信息論與編碼課程既涉及哲學(xué)中唯心與唯物的概念辨析，又與數(shù)論和近世代數(shù)的內(nèi)容相關(guān)聯(lián)，更是專業(yè)課中相關(guān)知識的底層原理支持。對于大學(xué)一、二年級的新生來說，知識的展開應(yīng)該符合其認(rèn)識規(guī)律。與教學(xué)內(nèi)容的直接切入相比，按照學(xué)科展開規(guī)律進(jìn)行教學(xué)，更能體現(xiàn)知識的發(fā)展脈絡(luò)，便于學(xué)生更加深入地理解，同時提高學(xué)生分析問題的能力。

在教學(xué)開始時，可以引導(dǎo)學(xué)生從哲學(xué)引入，探討“信息”的內(nèi)涵，介紹課程內(nèi)容在認(rèn)識世界中的地位和作用。例如，在認(rèn)識世界的過程中，按照物質(zhì)、能量、信息的順序依次展開，從而使學(xué)生能夠深刻理解信息的客觀性，避免陷入唯心主義。隨后進(jìn)入“科學(xué)”的范疇，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會對物理概念從定性到定量認(rèn)識，利用數(shù)學(xué)工具來抽象地抓住問題本質(zhì)。在信息論的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生逐步體會科學(xué)思想的應(yīng)用，即進(jìn)入“技術(shù)”領(lǐng)域，主要包含三大類編碼：信源編碼、信道編碼和密碼，特別是要介紹編碼定理對算法的引領(lǐng)作用，充分發(fā)揮學(xué)生對于算法優(yōu)缺點(diǎn)的思考判斷能力，使學(xué)生依據(jù)編碼定理進(jìn)一步理解算法的設(shè)計原理，也為修改和完善各種新算法提供理論依據(jù)。

2）基本概念的深入理解。

在課程中，存在著許多基本但卻重要的概念，如“信息”的唯物主義解釋、“隨機(jī)性”的深入理解等。對這些概念的理解程度，直接決定著后續(xù)應(yīng)用的正確性和靈活性。在教學(xué)過程中，特別容易出現(xiàn)的一種偏向是重視數(shù)學(xué)定義，而對概念的物理含義沒有真正理解，如最基本的“信息”概念，一般來說，學(xué)生如果記住信息量的計算方法，即熵公式，即可以應(yīng)付后續(xù)的學(xué)習(xí)，但這并沒有對“信息”的概念有深入的認(rèn)識，未能了解其揭示隨機(jī)性的深刻含義，也就不能將其與后續(xù)在信源編碼定理中的應(yīng)用建立聯(lián)系。學(xué)習(xí)與記憶的過程中重要的是對文本概念與數(shù)學(xué)公式相結(jié)合的深入理解，對每個變量和公式的意義進(jìn)行理解性記憶，才能在后續(xù)的應(yīng)用中選擇合適的公式并全面理解各式表達(dá)。類似的例子還有條件熵和互信息的概念。如果不了解互信息代表的是信道上傳遞的實(shí)際信息，也就難以理解信道容量和信道編碼定理，對后續(xù)各種信道編碼方法的區(qū)別和辨析也就更無從談起，對整個知識體系也會更加混亂，無法真正理解與掌握。

為了更直觀地理解基本概念，特別是概念之下隱藏的物理意義，在解釋時可應(yīng)用類比的方法，將編碼理論中一些較難理解的概念與日常生活中的物品等進(jìn)行類比，便于學(xué)生深入理解更為復(fù)雜的公式意義等[9]，如信道與高速公路、信道容量與水杯容量等。

3）主要關(guān)系的辯證討論。

在哲學(xué)中，會討論許多基本關(guān)系問題，如“物質(zhì)與意識”“科學(xué)與技術(shù)”“思想與方法”等，這些在本課程中都有反映。以“思想與方法”的關(guān)系為例，在信息論與編碼中，三大編碼定理即是思想性的總結(jié)，既指明了研究的方向，同時又給出了衡量標(biāo)準(zhǔn)，而具體編碼算法即為其實(shí)用與實(shí)現(xiàn)，具有多樣性；如信源編碼定理指出熵編碼的手段為壓縮冗余，在無失真的情況下其極限為信源的熵，在這一思想的指引下，有類似霍夫曼編碼、費(fèi)諾編碼等各種不同的壓縮編碼方法，通過考查壓縮后的長度與熵的接近程度可以評判方案的性能；同樣，在講解思想和應(yīng)用的關(guān)系時，可類比“能量守恒定律和永動機(jī)研究”的案例。

4）更廣泛的應(yīng)用場景。

信息論與編碼是信息類的專業(yè)基礎(chǔ)課，雖然其主要為后續(xù)專業(yè)課程打基礎(chǔ)，擁有廣泛的應(yīng)用，但其應(yīng)用也并不局限在專業(yè)和學(xué)科之中，而是在生活中有著廣泛應(yīng)用。通過對生活中應(yīng)用的舉例說明，學(xué)生能夠?qū)φn程中的基本概念與含義有更深入的理解。

例如，在介紹熵與條件熵的關(guān)系時，以學(xué)生非常關(guān)心的考試答疑為例：從復(fù)習(xí)之前的最大不確定性，到復(fù)習(xí)后不確定性的降低，伴隨著熵的降低，學(xué)生獲得一定的信息量；直到看到試卷的一刻，熵降為零，獲得全部信息量。通過類似例子，可以引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)的方式展開思維。信息論相關(guān)知識在生活實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，尋找生活實(shí)踐中的事件，用科學(xué)和數(shù)學(xué)的方式將其標(biāo)記化、公式化表示出來，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對課程內(nèi)容的深入理解。

4 教學(xué)效果

信息論與編碼課程為后續(xù)專業(yè)課程的展開打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過課程建設(shè)，我校也取得了一定成果。

從短期來看，厘清了為后續(xù)專業(yè)課程服務(wù)、有學(xué)院特色的、重視思想方法培養(yǎng)的課程教學(xué)內(nèi)容，形成了教學(xué)大綱，對內(nèi)容進(jìn)行精選，完成相關(guān)教材選定、課件設(shè)計工作；深入對理論課的理解，完善課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，完成編碼理論課程的實(shí)驗(yàn)講義；為提高對課程內(nèi)容的熟練度，注重練習(xí)，完成編碼理論習(xí)題冊的編寫；探討學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式，深入掌握課程精髓。

從長期來看，本課程建設(shè)將總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，爭取建設(shè)成精品型課程；征詢后續(xù)課程意見，針對本校教學(xué)實(shí)際，進(jìn)一步凸顯特色，形成適合使用的講義，為進(jìn)一步出版教材做好準(zhǔn)備；通過理論課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)，提高學(xué)習(xí)和研究能力；與學(xué)生管理部門配合，實(shí)現(xiàn)教書育人目標(biāo)。

通過課程的建設(shè)，預(yù)期將在內(nèi)容上更加貼近專業(yè)需求，同時具備學(xué)校特色；在形式上更加靈活和具有效率；在效果上有明顯的提高。通過對科學(xué)精神和人文素養(yǎng)的培養(yǎng)和關(guān)注，摸索一條有效的方法，從而在后續(xù)的教學(xué)中采用并進(jìn)行推廣，為該課程的體系完善和內(nèi)容充實(shí)打下基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

信息論與編碼課程是信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在整個課程體系中起著重要的作用。傳授知識技能的同時培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和人文素養(yǎng)，從而培養(yǎng)綜合素質(zhì)高、全面發(fā)展的人，是對課程教學(xué)的更高要求。課程教學(xué)組長期從事相關(guān)課程的教學(xué)和教研，團(tuán)隊(duì)成員參與省級精品課程等的建設(shè)工作，獲得多項(xiàng)省部級獎勵，完成了多項(xiàng)相關(guān)教研項(xiàng)目。學(xué)校特別重視學(xué)生思想政治教育，因此課程組在完成專業(yè)知識、能力培養(yǎng)之外，在課程思政方面也進(jìn)行了有益的嘗試，提倡在專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程中滲透學(xué)生思想政治的教育，在教學(xué)中貫徹“立德樹人”的思想觀念，力求在潛移默化中將學(xué)生培養(yǎng)為有理想、有學(xué)問、有才干的全面發(fā)展的新青年。希望通過本研究能夠拋磚引玉，帶動工科課程中思想政治教育的開展。