以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的《信息科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革

李薇 劉海濤 祁銳

摘? 要：文章分析了《信息科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題，結(jié)合我校學(xué)員培養(yǎng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)型，以滿(mǎn)足部隊(duì)需求為目標(biāo)，以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向提出了具體的改革措施。實(shí)踐結(jié)果表明學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性顯著提高，信息技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力明顯增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：信息論;編碼理論;思維導(dǎo)圖;教學(xué)改革;創(chuàng)新能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）14-0124-04

Abstract： This paper analyzes the main problems existing in the teaching of the course "Foundation of Information Science"， and puts forward specific reform measures based on the transformation of the training target of students in our school， aiming at meeting the needs of troops and oriented at the training of innovative ability. The practice results show that the students' learning enthusiasm is significantly improved， and the application ability and innovation ability of information technology are significantly enhanced.

Keywords： information theory; coding theory; mind mapping; teaching reform; the innovation ability

信息化是中國(guó)特色軍事變革的本質(zhì)與核心，為順應(yīng)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍隊(duì)院校逐步加強(qiáng)了信息處理、信息安全與保密、信息技術(shù)等內(nèi)容的教學(xué)，學(xué)員的信息處理能力得到了提高，但也明顯存在著信息類(lèi)課程教學(xué)內(nèi)容偏重理論、與專(zhuān)業(yè)結(jié)合不夠緊密，信息理論教學(xué)與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)員的信息技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力不強(qiáng)等問(wèn)題。

《信息科學(xué)基礎(chǔ)》是我校信息與計(jì)算科學(xué)專(zhuān)業(yè)的必

修課，該課程是一門(mén)理論和應(yīng)用緊密結(jié)合的課程，有較強(qiáng)的工程實(shí)踐背景，其中的香農(nóng)信息論是信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，編碼理論在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)安全保密等方面有著重要的應(yīng)用，課程學(xué)習(xí)對(duì)培養(yǎng)和提高學(xué)員的信息處理能力有重要作用。但在教學(xué)實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)存在著學(xué)員學(xué)習(xí)積極性不高、缺乏合適的教材、教學(xué)大綱重理論、忽略實(shí)踐應(yīng)用、不能學(xué)以致用等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，同時(shí)圍繞學(xué)員培養(yǎng)目標(biāo)的轉(zhuǎn)型，我們深入研究信息類(lèi)課程的教學(xué)規(guī)律，結(jié)合我校學(xué)員的學(xué)情，從課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行改革探索。

一、課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題

《信息科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)存在的主要問(wèn)題歸結(jié)為以下四點(diǎn)：

1. 課程學(xué)習(xí)起點(diǎn)高、難度大。課程要求學(xué)生掌握的先修基礎(chǔ)知識(shí)有很多：高等數(shù)學(xué)、概率論和隨機(jī)過(guò)程、線(xiàn)性代數(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、通信原理等，并且課程中包含了很多抽象的概念和理論，也涉及到大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，本科學(xué)生缺少一些必要的先修基礎(chǔ)知識(shí)，另外，部分先修課程在本科階段講授的內(nèi)容不足以用來(lái)理解信息論中的一些內(nèi)容，例如對(duì)信源編碼定理以及信道容量定理的理解，因此在學(xué)習(xí)的過(guò)程中顯得非常抽象、枯燥，接受起來(lái)比較困難。

2. 學(xué)員學(xué)習(xí)積極性不高。傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)員很難將學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合，學(xué)員普遍反映課程內(nèi)容理論性太強(qiáng)，難以理解，失去了學(xué)習(xí)興趣。

3. 信息理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。教學(xué)大綱存在著重理論、輕實(shí)踐應(yīng)用的問(wèn)題，這使得學(xué)員學(xué)到的知識(shí)只停留在理論上，解決不了實(shí)際問(wèn)題，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中看不到對(duì)后繼學(xué)習(xí)有多少影響、對(duì)考研和找工作有什么重要作用，容易產(chǎn)生學(xué)而無(wú)用的意識(shí)，不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)員對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣。

4. 學(xué)員的信息技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力不強(qiáng)。缺乏實(shí)踐環(huán)節(jié)和應(yīng)用環(huán)節(jié)的教學(xué)方法不能有效培養(yǎng)學(xué)員的信息技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

二、課程的教學(xué)改革

1. 針對(duì)課程學(xué)習(xí)起點(diǎn)高、難度大、學(xué)員學(xué)習(xí)積極性不高等問(wèn)題，我們以現(xiàn)代教學(xué)理念中的功能教學(xué)理念為指導(dǎo)，采用“緒論式”教學(xué)模式開(kāi)展教學(xué)改革實(shí)踐。

功能教學(xué)理念認(rèn)為：動(dòng)機(jī)是引發(fā)人行為的原因或機(jī)理，動(dòng)機(jī)發(fā)生的第一位因素是需要。因此，為了讓學(xué)員主動(dòng)學(xué)習(xí)本課程，就必須首先讓學(xué)員們認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)信息論與編碼能夠?qū)W有所用，這樣才能激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。

“緒論式”教學(xué)模式以“提出問(wèn)題-討論-講解-總結(jié)”方式展開(kāi)教學(xué)，在具體教學(xué)過(guò)程中根據(jù)不同的內(nèi)容采用生活化教學(xué)、研究型教學(xué)等教學(xué)方法，同時(shí)，為了讓學(xué)員能夠有效理解眾多相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)，我們?cè)诮虒W(xué)中引入可視化工具思維導(dǎo)圖幫助學(xué)員學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)。

（1）生活化教學(xué)

由于信息論方法具有普遍的適用性，因此可以把授課內(nèi)容和學(xué)員的日常生活緊密聯(lián)系起來(lái)，從而提高學(xué)員學(xué)習(xí)的興趣。例如在講授信源熵概念時(shí)，我們通過(guò)傳染病流行、飛機(jī)航班失事這樣的事件來(lái)說(shuō)明當(dāng)概率越小時(shí)，獲取的信息量越大。在信道容量學(xué)習(xí)時(shí)，我們指出飛鴿傳書(shū)中的信鴿就是一種信道，小區(qū)鋪設(shè)的光纜、電纜是有線(xiàn)信道，微波視距中繼以及人造衛(wèi)星之間信息傳輸?shù)闹欣^等屬于無(wú)線(xiàn)信道，讓學(xué)員感受到信息論的知識(shí)就在我們的生活當(dāng)中，生活中的很多現(xiàn)象都可以利用信息論的知識(shí)加以分析。

綜合實(shí)驗(yàn)是在學(xué)員掌握基本函數(shù)的基礎(chǔ)上，由學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

例如在BCH碼的編譯碼綜合實(shí)驗(yàn)中，我們要求設(shè)計(jì)一個(gè)碼長(zhǎng)為15位且距離為5的二元本原BCH碼，要求學(xué)員能對(duì)任意產(chǎn)生的隨機(jī)消息按照BCH碼的編碼規(guī)則進(jìn)行編碼;要求當(dāng)生成的15位碼字出錯(cuò)位置不超過(guò)2位時(shí)，可以找到相應(yīng)的錯(cuò)誤位置并糾正、恢復(fù)出消息，如果錯(cuò)誤位置超過(guò)2位時(shí)，程序能反饋發(fā)生的錯(cuò)誤數(shù)超過(guò)糾錯(cuò)能力。二元本原BCH碼是定義在有限域GF（2m）上的能糾正多個(gè)錯(cuò)誤的碼，具有很好的糾錯(cuò)性能。有限域上的運(yùn)算與普通的十進(jìn)制運(yùn)算不同，碼字對(duì)應(yīng)的是有限域GF（2）上的行向量，學(xué)員必須弄清楚有限域上的知識(shí)和BCH碼的基本原理，才能順利完成BCH碼的編譯碼實(shí)驗(yàn);在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，學(xué)員要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，作出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。綜合實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了學(xué)員分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)員的能力和素質(zhì)。

（3）通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽培養(yǎng)和提高學(xué)員的信息技術(shù)應(yīng)用能力與實(shí)踐創(chuàng)新能力

引導(dǎo)學(xué)員積極參與相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽以及畢業(yè)設(shè)計(jì)，例如，有學(xué)員在畢業(yè)設(shè)計(jì)中研究信道容量的計(jì)算方法，通過(guò)MATLAB編程以及仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)對(duì)稱(chēng)信道、準(zhǔn)對(duì)稱(chēng)信道、轉(zhuǎn)移概率可逆信道和一般離散無(wú)記憶信道的容量計(jì)算，研究了信道容量迭代計(jì)算方法對(duì)初值的依賴(lài)性，對(duì)比了方程組法和迭代法的優(yōu)劣，同時(shí)用NEWTON下山法對(duì)迭代法進(jìn)行了改進(jìn)，減少了迭代步數(shù)、加快了迭代法的收斂速度;有學(xué)員研究了JPEG圖像DCT系數(shù)的分布模型，針對(duì)不同學(xué)者提出的各種DCT系數(shù)分布模型，利用分布擬合優(yōu)度檢驗(yàn)方法對(duì)DCT系數(shù)分布模型進(jìn)行了研究，通過(guò)理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，得出了KL散度更適合作為DCT系數(shù)分布擬合優(yōu)度度量的結(jié)論，并且提出了一種DCT系數(shù)α穩(wěn)態(tài)簇模型。針對(duì)單個(gè)位置和不同范圍的DCT系數(shù)，系統(tǒng)地比較了當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的4種DCT系數(shù)分布模型的優(yōu)劣，并且提出了確定特征指數(shù)α的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圖像中低頻交流系數(shù)服從對(duì)稱(chēng)α穩(wěn)態(tài)簇分布而高頻交流系數(shù)服從廣義高斯分布;有學(xué)員研究了圖像的壓縮編碼方法，通過(guò)改進(jìn)游程編碼得到自適應(yīng)游程編碼算法，然后將霍夫曼編碼和自適應(yīng)游程編碼的編碼規(guī)則有機(jī)融合，提出基于霍夫曼編碼和游程編碼的一種圖像壓縮編碼方法;有學(xué)員對(duì)MR碼的編碼與譯碼技術(shù)做了較為全面地研究，包括MR碼的數(shù)據(jù)壓縮、解壓縮過(guò)程，并給出了算法和相應(yīng)的程序，最后用隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

三、應(yīng)用效果

我們?cè)谠搶?zhuān)業(yè)四屆學(xué)員《信息科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)進(jìn)行了改革實(shí)踐，取得了很好的教學(xué)效果，學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性顯著提高，并且積極選擇與信息技術(shù)研究、應(yīng)用有關(guān)的內(nèi)容作為畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，積極參加學(xué)科競(jìng)賽，信息技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力明顯提高。應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下三方面：

1. 課程建設(shè)：研究成果作為《信息科學(xué)基礎(chǔ)》課程的主要資源，整理的學(xué)科前沿技術(shù)文獻(xiàn)資料及設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、課程試卷庫(kù)等成果將用于課程教學(xué)和考核，為該課程的建設(shè)以及后續(xù)教材的編寫(xiě)提供了重要資料。

2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)：相關(guān)工作夯實(shí)了學(xué)員的能力基礎(chǔ)，該專(zhuān)業(yè)學(xué)員積極選擇與信息技術(shù)研究、應(yīng)用有關(guān)的內(nèi)容作為畢業(yè)設(shè)計(jì)選題，所有學(xué)員都很好地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，袁得軍同學(xué)的畢業(yè)論文被評(píng)為湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文，陳亞光、崔允浩、劉龍祥、盛昌鵬等同學(xué)的畢業(yè)論文被評(píng)為學(xué)校優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文。

3. 學(xué)科競(jìng)賽：該專(zhuān)業(yè)部分學(xué)員在全國(guó)、全軍大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽中取得優(yōu)異成績(jī)，如王問(wèn)哲、楊帆、袁得軍同學(xué)榮獲全國(guó)二等獎(jiǎng)，郭志科同學(xué)榮獲湖北賽區(qū)一等獎(jiǎng)，朱貞帥、張亞倫、楊寶河、劉偉斌、許曉川、鄭曉濱等同學(xué)分別榮獲湖北賽區(qū)二等獎(jiǎng)，許恩賜、王新鵬、張鵬等同學(xué)分別榮獲軍隊(duì)院校數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，趙松平同學(xué)在全國(guó)計(jì)算機(jī)仿真大賽中榮獲全國(guó)特等獎(jiǎng)。

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