“信息论与编码”课程教学改革与实践

摘要：“信息论与编码”是高校电子信息专业重要的一门基础课，也是学生认为最难学的课程之一。针对当前“信息论与编码”教学中存在的一些突出问题，为提高教学质量，实现良好的教学效果，让学生掌握必要的信息和编码理论基础知识，更有利于指导今后的就业和继续学习。从电子信息专业本科“信息论与编码”课程的教学内容、教学手段、实验教学及考核方式等几个主要方面对课程建设进行了探讨。几年的教学实践表明，通过一系列课程建设措施的推出已经达到了提高教学质量的目的。

关键词：信息论；编码；教学效果；启发式

作者简介：马杰（1978-），男，满族，山东泰安人，河北工业大学信息工程学院，副教授；张志伟（1977-），女，河北秦皇岛人，河北工业大学信息工程学院，讲师。（天津 300401）

基金项目：本文系2012河北工业大学教改项目“PBL教学法在信息论与编码课程中的应用研究”的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0090-02

信息论是描述现代信息传输和表示方法的基本理论，是电子信息类专业基础课程之一。[1]人类社会的高速发展时时刻刻都离不开信息，尤其在高度信息化的21世纪，其重要性更是不言而喻。自20世纪80年代后，我国大学本科阶段逐渐开设“信息论与编码”课程，实践表明该课程可以进一步完善学生的知识结构，开阔学生的视野，增强学生解决实际问题的能力，为后续专业课程的学习奠定基础。但是在教学实践中，发现该课程教学中存在一些共性问题，导致学生学习兴趣不高，教学效果不佳。因此，探讨“信息论与编码”课程教学改革与实践研究，对于培养学生的应用能力和创新能力，改善课程的教学质量和提高学生培养质量具有重要意义。

一、教学中存在的问题

当前，几乎所有高校的通信、电子及信息类专业都开设了“信息论与编码”这门课。[2]我们在多年的教学经验的基础上，通过对教学现状的分析，将课程教学过程中存在的共性问题总结如下。

1.内容枯燥，学生难以理解

“信息论与编码”是应用概率论、随机过程和数理统计等数学方法，阐释信息的存储、传输、处理、控制基本原理和普遍规律的学科。课程涵盖了大量的应用数学知识，其中有些数学概念复杂、抽象，甚至在研究生阶段才涉及，从而使工科学生感到学习过程枯燥，理论太多，难度很大。

2.理论多，应用少，学习积极性差

“信息论与编码”课程理论性极强，课程讲授中如果不能具体联系实际中的应用，学生容易因为弄不清该课程的学习目的而使学习的积极性受挫，长此以往会导致学生厌学的情绪出现。此外，如果在教学中以教师为主的理论讲解占据课堂的绝大多数时间，非常容易造成理论和实际缺乏联系的困境，让学生感觉到就是理论课，没什么用处。反过来，如果能将枯燥理论知识与学生感兴趣的应用或日益发展的信息前沿结合，让学生在学习过程中既接触到信息领域的尖端技术，又对乏味的信息基础和编码理论产生浓厚兴趣，则可有效提升教学效果。

3.教学实验手段单一

实验是“信息论与编码”课程教学的重要环节，目前在高校中，验证性实验是信息论实验课的普遍教学模式。实验内容多为验证课程所授基本理论知识，验证所学定理和编码结论。这种方法偏重于知识点的掌握，但是却减少了系统概念及其应用的介绍，即是所谓的“只见树木，不见森林”现象。

4.考核方法不灵活，不能反映学生正常学习状况

教学实践已经表明，在课程教学中规范的考核评价体系对于准确衡量教学效果至关重要。“信息论与编码”课程普遍采用的是传统考核方法，学生在规定的时间里进行闭卷测试，用卷面考分的高低来衡量学习效果的好坏。该考核方式以得高分为导向，容易引起学生盲目追求高分数，而轻视学习过程和应用能力的锻炼。同时还会助长部分平时不认真学习的学生在考前突击复习，功夫没有用到平时，教学效果大打折扣。实际情况也说明考分最高的学生往往并不是该课程掌握最扎实的学生。

二、教学改革措施

针对前述问题并结合自身的授课实践经验，在对现有课程培养体系进行充分分析的基础上，从课程规划调整、课堂授课方式、实验教学、考核方式四方面对该课程进行了改革尝试，对学生的知识应用与水平创新能力进行重点培养。

1.调整教学大纲和教学内容，弱化理论教学环节

在“信息论与编码”本科教学中，香农信息论是它的核心阐述内容，其中无失真变长信源编码定理、有噪信道编码定理和保真度准则下的限失真信源编码定理等定理是“信息论与编码”教学内容的主线。基于这些定理，可以将教学内容分成五部分[3]——信息论的基本概念、信源、信道、信源编码、信道编码。在这些教学内容中，对概率论、随机过程和数理统计的知识有多处应用，往往工科本科生面对繁多的定理、公式证明会不知所措，我们尝试在教学过程中对课程内容做适度调整：将大部分精力用于讲授基本概念和含义，适当简化甚至省略那些繁琐枯燥的数学定理证明过程，可以推荐学有余力的学生阅读相关参考材料。

在这五块内容中，信息论的基本概念是学习其他章节的基础，在讲授这部分内容时，把侧重点放在物理意义的讲授方面，让学生从具体的物理现象来理解抽象概念。比如在讲授“信息熵”这一基本概念时，在理论分析的基础上，辅以“掷骰子”这个实例代替理论推导和证明。

在讲授信源与信道章节时，鉴于数字处理方法是当今的信息处理及编码技术的主流，且模拟部分的大规模集成化也从另一个方面降低了对模拟信号处理的要求，因此教学中选择性将离散信源与离散信道部分作为重点来讲解，同时弱化教学大纲内容中涉及连续信源与连续信道部分的讲解，可以避免学生因缺乏随机过程、信号检测等基础知识储备而耗费大量精力去理解连续部分的理论。

在教学内容上还需要做到与时俱进，信息理论和编码技术是在不断发展和丰富的，在上述基本内容之上，可以适量引入信息技术的部分前沿内容，像Turbo码、LDPC码、多天线MIMO系统、稀疏编码和压缩感知理论等。在讲授这些新技术时，不从理论上过多分析，重点讲述新技术的用途和影响。比如压缩感知技术利用信号稀疏的可压缩性进行采样，突破了奈奎斯特抽样定理的限制，已被应用到超光谱成像、地理数据分析、雷达和通信领域。通过实验中仿真无线通信系统，多方面介绍信道编码技术，可以帮助学生对这些技术原理有更好的认知和理解，在兴趣的驱使下学生就会乐于探寻新的知识。

2.实际问题为导向的课堂教学模式（PBL）

教学过程设计中，多调动学生的积极性和主动性，教师主动引导，让学生多思考、勤思考，试着自己去寻求问题的答案。为此，通过“向学生提问—学生解决问题—教师对学生的解答做引申”这样三步，将“信息论与编码”中晦涩难懂的理论知识转化为具有工程背景的实际问题，让学生在简单轻松的实例中去寻求问题的答案。

例如讲述重复编码时，可以先向学生提出一个实际问题——当两个人在嘈杂的环境中、远距离对话时，由于噪声的存在，可能会听不清楚，该怎么解决？当学生说出解决方案时，引导学生将“让喊话者再重复一遍”这种解决方案和信道重复编码相对应起来，由此引出对重复编码提高通信系统可靠性的理论说明。此外，教师还可以针对工程实际，提一些相对较为复杂的问题，让学生通过课下查找资料来回答。比如率失真理论比较抽象，学生们普遍感觉对D失真允许试验信道概念难以理解把握。而该理论在视频编码中应用得非常广泛，如视频编码标准H.264，中国制定的音视频编码标准AVS等。因此在讲授率失真函数时，可以先从神州八号的视频传输系统说起，让学生课下查找视频压缩的相关资料，教师在课堂上给学生演示H.264参考代码JM，[4]让学生在实际应用中理解率失真理论。

教学实践和学生的反馈表明，启发式互动教学能够有效调动学生学习的积极性和主动性，同时锻炼学生提出、分析、解决问题的能力。尽量避免将直接的理论结论教授给学生、让学生死记硬背，鼓励学生思考和发表不同的见解，激发学生的自我学习意识。

3.搭建实验教学平台

实验是“信息论与编码”课程教学的重要环节，设计一个科学的实验教学平台也是“信息论与编码”课程教学改革的重要内容。验证性教学模式是目前“信息论与编码”课程实验教学的普遍模式。具体操作模式为以巩固所学理论知识为目的，学生在教师指导下对学习过程中的公式、定理、结论进行验证。

实验平台以“信息论与编码”课程的基本内容为出发点，在验证性实验基础上引入研究性实验，将课程实验划分成三个层次。第一个层次为验证性实验，主要为具体算法的验证，根据学生的实践经验和能力有针对性设计实验内容，在综合考虑学生理解能力、动手能力和专业特点的基础上，设计若干个经一定的努力可以实现的、对促进课程内容理解吸收有帮助的、有助于培养学生创新意识和应用能力的实验。第二个层次为课堂演示实验，是教师在课堂上给学生演示的实验项目，主要以理论的验证为主，例如对信源变长编码定理的演示实验。第三个层次为综合应用实验，由学生利用课余时间执行，包括图像编码的综合应用、语音编码在3G环境下的实现以及综合应用保密编码技术三个实验模块，实验的软件内容结束后，学生可以借助通信实验箱，实现其硬件电路，真正做到为了应用而实验，改变了传统为了验证而实验的模式。学生完成综合应用实验后，让他们将实验报告写成论文的形式，组织学术讨论会，让学生在会上宣读结果，总结经验得失，增强学生的科技创新能力。

4.采用全程式考核方式

为了更好地检验学生的学习效果，在“信息论与编码”课程考核中一改传统的一份试卷定结果的考核方式。在课程考核方面重视学生的平时成绩和实验考核成绩。平时成绩以作业完成质量和参与教学效果为主，为鼓励学生积极参与课堂教学，对学生提出问题和回答问题等情况分别予以加分，教师将其量化记录在平时成绩册中。实验考核方式：综合平时考勤，平时学生对实验的态度，实验报告评定成绩，以及最后的实验论文宣读情况对学生进行考核。

考试试题中不能只要求学生熟练使用公式进行机械计算，还应该注重考核学生对基本概念、原理和方法的掌握情况，考查学生综合分析问题的能力。控制考试成绩在学生的期末综合成绩中所占比重为70%，余下分值由平时成绩和实验成绩构成。该方式可以在不增加学生期末复习和备考压力的同时，促使他们加强对日常课程的复习与知识总结，功夫用在平时，收到事半功倍的效果，学生普遍乐于接受。

三、结论

由教学实践可知，“信息论与编码”的基础理论和应用实践作为课程教学的两个方面，均应得到重视。“信息论与编码”课程的教学改革必须从转变教育观念、整合教学内容、改善教学方式和优化教学手段等方面出发，强调以培养学生理论基础和综合运用能力为课程目标，不断提高和改进教学方法和质量，为信息社会培养更多有用人才。

参考文献：

[1]傅祖芸.信息论——基础理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]邓家先.信息论与编码教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2007，（2）：111-114.

[3]信息论与编码课程教学大纲[Z].天津：河北工业大学信息工程学院，2010.

[4]王萍，邓妍，黄华.H.264中全零块检测的线性分类器算法[J].西安交通大学学报，2011，（8）：24-29.