“雙一流”背景下信息論與編碼課程教學改革與實踐

摘要：本文從“雙一流”建設的角度分析了信息論與編碼課程在教學過程中的現狀與問題，并從教材的選擇、教學模式、教學目標、教學內容和重點、考核方式和思政元素挖掘方面進行積極探索，提出了改革方向。希望學生通過本課程的學習能運用所學知識與技能去分析和解決相關的實際問題，成為具有較高的綜合業務素質，較強的實踐、創新與知識更新能力的高級專業人才。

關鍵詞：雙一流；信息論；教學改革

“雙一流”建設是黨和國家提升高等教育綜合實力和國際競爭力的戰略舉措。為實現“雙一流”的各項目標任務，教育教學過程中，各門課程都要與“雙一流”建設同向同行、同頻共振，教師要積極推進教學改革與實踐。本文堅持目標導向、問題導向和需求導向，分析了目前信息論與編碼課程教學中存在的問題和困難，對標“雙一流”建設相關標準和要求，提出了教學改革的途徑和方法，對強化信息論與編碼課程建設具有一定的參考價值。

作為一名高校教師，應積極探索課程的教學改革，探索如何讓學生通過本課程的學習學會運用所學知識與技能去分析和解決相關的實際問題，成為具有較高的綜合業務素質，較強的實踐、創新與知識更新能力的高級專業人才。

2021年12月，中央全面深化改革委員會第二十三次會議上強調，更加突出“雙一流”建設培養一流人才、服務國家戰略需求、爭創世界一流的導向，深化體制機制改革，統籌推進、分類建設一流大學和一流學科，在關鍵核心領域加快培養戰略科技人才、一流科技領軍人才和創新團隊，為全面建成社會主義現代化強國提供有力支撐。［1］

要突出培養一流人才、服務國家戰略需求、爭創世界一流的導向，深化體制機制改革，統籌推進、分類建設一流大學和一流學科。作為新時代的教育工作者要立足新發展階段、貫徹新發展理念、服務構建新發展格局，全面貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務，更加突出“雙一流”建設培養一流人才、服務國家戰略需求、爭創世界一流的導向，為全面建成社會主義現代化強國提供有力支撐。

作為一名高校教師，對專業課程教學進行針對性的改革提升，是當前面臨的重要課題。應充分認識建設的長期性、艱巨性和復雜性，遵循人才培養、學科發展、科研創新內在規律，把握高質量內涵式發展要求。

一、課程特點

計算機科學與技術學院信息安全專業是貴州大學特色專業，信息論與編碼是信息安全專業很重要的一門專業基礎課程。信息論（informationtheory）是信息科學的主要理論基礎之一，是在長期的信息與通信工程實踐中，與概率論、隨機過程和數理統計等近代數學學科相結合而建立并發展起來的，所以這門功課對信息技術相關專業的同學來說是很基礎很重要的。

信息論與編碼理論是20世紀40年代末期由美國數學家香農等創立的，經過幾十年的發展，現已成為信息科學的基礎理論。信息論主要研究可能性和存在性問題，為具體實現提供理論依據。筆者一直是這門課程的主講人，有多年的教學經驗與教學思考。

二、存在的問題

信息論和編碼理論是從工程實踐中抽象概括出來的理論知識，既具有很強的理論性，又有廣泛的工程實踐背景。同學們初學時往往由于缺乏工程實踐背景很難理解其中的理論知識，想學好卻又很難學好。在總結以往教學經驗時，筆者也發現了一些需要改進的地方。

（一）教學模式有待豐富

教師不能僅僅采用傳統主流教學模式那種以PPT講解為主的課題模式，而是應當借助各類優秀的網絡教學資源以及線上教學平臺，在預習、課堂講解、課內課外討論、課堂檢測、課后練習、復習總結等各個階段采用多種教學模式。

（二）理論和實踐沒有很好地有機結合

該課程是信息科學的基礎理論，是信息技術的理論依據。下一步要研究如何讓學生通過本課程的學習學會運用所學知識與技能去分析和解決相關的實際問題，成為具有較高的綜合業務素質、較強的實踐、創新與知識更新能力的高級專業人才。

（三）思政元素是分散的點，沒有與專業知識點系統融合

在前期的教學工作中進行過對信息論相關科學家的簡介，也有對信息論發展歷程的簡介，但是沒有系統地實現思想政治教育與知識體系教育的有機統一。在今后的教學工作中，教師在努力講好專業課的同時，也要教給同學們正確的思想，引導他們走正路，把思政教學融入信息論課程教學當中。

三、教學改革

針對以上問題，基于專業特色，在教材的選擇、教學模式、教學目標、教學內容和重點、考核方式和思政元素挖掘等方面都應當積極探索、勇于改革。教學實踐證明，對此進行深入的研究探討有利于提高教學效果。

（一）教材

信息論的教材很多很雜，側重點也有所不同。本課程篩選教材，主要考慮講解要深入淺出，重點在于對理論知識含義的說明，而非枯燥的證明；能夠通過讀者身邊看得見、摸得著的例子來解釋這些理論問題，重在講明原理，重在對知識的靈活應用。

（二）教學模式

本課程采用在線上線下相結合的教學模式，并將課程思政融入其中。

要改變過去只是講好專業知識的局限性，在采用多種教學模式的情況下全面推進信息論課程思政建設，深挖專業課程的思政元素，把思政元素有機融入信息論與編碼這門課程中。當然也不能操之過急，一味地講道理、生硬地灌輸，要理清思政的內涵、理順蘊含思政元素的專業知識點，把思政教育如春風化雨般潛移默化地傳授給學生，寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀。［2］

（三）教學目標

本課程以信息傳輸系統模型為主線，講述了信源熵的測度、信道容量的測度、信源編碼及信道編碼。通過對本課程的學習，要求學生掌握基本概念和基本分析方法，使學生能夠理解信息傳輸的本質，初步掌握通信有效性及可靠性原理與方法，并熟練掌握信源熵及信道容量的度量、信源編碼和信道編碼的原理和基本方法。

（四）教學內容和重點

本課程在講解時力圖通過學生身邊看得見、摸得著的例子來講授的重點在于對理論知識含義的理解與運用，而非單純的數學證明，盡可能通過實際例子來解釋這些理論問題。以下是優化課堂教學內容的例子。

例1：在第二章信息的統計度量中，講述了離散隨機變量的自信息量、條件自信息量、聯合自信息量、互信息量、熵、條件熵、聯合熵、交互熵、交叉熵、相對熵，連續隨機變量的熵、條件熵、聯合熵、交互熵共14個概念。對于這14個概念不能僅僅只是背概念記公式，必須從公式、數學推導（證明）、信息論含義、相互之間的關系以及例題多方面進行學習，深入理解。

例2：在例題22中計算條件自信息量為6.6439bit，例題23中計算互信息量也是6.6439bit，此時就要引導學生去思考這兩個6.6439bit有什么不同，有什么聯系，從而去理解這樣一個式子：互信息量=自信息量-條件自信息量。

例3：信息量的二進制單位bit，引導學生思考為什么二進制位的單位也是信息量的單位；信息量的單位可不可以用其他進制數表示（擴展到n進制）。

例4：R（D）與C本質上都是平均互信息量，兩者是在不同條件下的極值，在多個方面對其進行對比，可以讓學生深刻理解，記憶猶新。

（五）考核方式

更加注重過程化考核，學生成績由到課率+作業+課堂提問+課堂小測+期末測驗組成，采取線上+線下多種方式進行考核。這樣可以及時反饋學生學習情況，及時調整教學內容教學形式，也較好地改善了學生期末考試前突擊學習應付考試的情況。

（六）思政元素挖掘

（1）簡介無線移動通信技術、通信標準的發展。1978年，貝爾實驗室基于蜂窩網絡開創了最早的移動通信標準，這就是第一代移動通信系統（1G，1STGENERATION）。

在無線移動通信的2G時代，中國使用的是英國的TACS標準。

到了20世紀90年代，3GPP組織開發出了3G標準。2000年5月，國際電信聯盟正式宣布將中國提交的TDSCDMA，與歐洲主導的WCDMA、美國主導的CDMA2000并列為三大3G標準。［3］

4G時代，中國迅速崛起，成為手握4G核心專利的巨頭之一。

5G時代拉開帷幕。2019年6月，德國專利數據公司IPLYTICS將全球各大公司占有的5G標準必要專利數量進行排序，全球5G必要專利持有量過百的廠商共有11家，華為以1554個位居世界首位。而這場較量，至今還未蓋棺定論……

從以上發展歷程可以看到中國的移動通信技術從落后到領先、通信標準從無到有，激發學生對信息技術學科的興趣和愛好，在學生腦海中映射強化“四個意識”，堅定“四個自信”，提升學生社會責任感，強化社會主義建設的使命感。

（2）介紹信息論和編碼理論的形成與發展。早在1948年信息論形成之前，相關的概念和研究方法就已經出現了。1924年，奈奎斯特（NYQUIST）定律描述了理想低通信道的極限速率與信道帶寬的關系。1928年，哈特利最早研究了通信系統傳輸信息的能力，引入非統計信息量，給出了信息度量方法。1936年，阿姆斯壯提出增大帶寬可以使抗干擾能力增強。信息論的產生是多種技術和學科發展的必然結果，1948年香農以“AMATHEMATICALTHEORYOFCOMMUNICATIONS”（通信的數學理論）為題公開發表，這是信息時代的里程碑，香農因此成為信息論的奠基人。

經過多年發展，信息論在統計物理（熱力學）、計算機科學（柯爾莫戈羅夫KOLMOGOROV復雜度）、統計推斷（奧克姆剃刀OCCAM'SRAZOR）、經濟學（熵率的對偶性來豐富投資理論）等學科中都具有奠基性的貢獻。

以上內容映射科學技術的魅力，任何科學技術都不是一蹴而就的，映射刻苦努力學習的精神，激發學生的學習熱情，加強學生對專業的認同感，潛移默化地培養學生的工匠精神。

（3）信息率失真函數與信息價值的例題。信息價值是比信息量更難定義的量，同樣的信息對不同的接收者，其（客觀）信息量是相同的，但對不同的接收者，其價值是有差別的。信息率失真理論只研究客觀信息量，不涉及信息對接收者有著不同的信息，但如果把平均失真理解為平均損失，據此定義信息價值，就可以用信息論解決許多實際問題。

本例題引導學生理論結合實際，學以致用。信息論研究對象是廣義通信系統，任何系統只要能夠抽象成通信系統模型，都可以用信息論研究。以上內容提升學生對專業知識的認同感，激發學生對專業知識的學習熱情，培養學生的實踐能力，優化課程實踐教學內容，以期培養學生“工匠精神”。

信息技術相對于許多科學技術來說是一門新興的學科，計算機的誕生、信息論的形成不過短短幾十年。在不到100年的時間里，信息技術、通信技術迅猛發展，滲透到社會的方方面面，加速了社會信息化的進程。

結語

作為一名教師，我將立志努力培養擔當民族復興大任的時代新人，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。在教學活動中全面貫徹黨的教育方針，思考培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人這個根本問題，充分認識教學及教學改革的長期性、艱巨性和復雜性，遵循人才培養、學科發展、科研創新內在規律，把握高質量內涵式發展要求，不唯數量指標，不急功近利，突出重點，發揮好每門課程的育人作用，在工作中堅持不懈用習近平新時代中國特色社會主義思想鑄魂育人。

參考文獻：

［1］教育部，財政部，國家發展改革委.教育部財政部國家發展改革委關于深入推進世界一流大學和一流學科建設的若干意見［J］.中華人民共和國教育部公報，2022（06）：813.

［2］劉東，趙寧.論高校教師課程思政的能力建設［J］.武漢理工大學學報（社會科學版），2022，35（06）：151155.

［3］何笑雨.廣東省信息技術引進的政府管制研究［D］.華南理工大學，2017.

［4］陸勰，徐雷，張曼君，等.商用密碼在5G網絡中融合應用的思路探討［J］.信息安全與通信保密，2023（02）：117124.

基金項目：本文是貴州大學高等教育研究項目“‘雙一流’背景下《信息論與編碼》課程思政建設與探索”（項目編號：GDGJYJ2022016）的研究成果；2023年度貴州大學省級金課——信息論基礎“線上線下混合式課程”（項目編號：802135243301）

作者簡介：彭蕾（1980—），女，漢族，湖南醴陵人，碩士，講師，研究方向：信息安全。