浅谈信息论与编码课程的理论与实验教学改革

来源:用户上传      作者: 郭欣

　　摘　要：信息论与编码课程是通信信息类本科的专业基础课，针对该课程的特点和目前教学中存在的问题，本文从理论教学和实验教学两个方面对课程教学改革进行了探索，提出了该课程在教学和实验环节都需要的改进之处。
　　关键词：信息论 编码 理论教学 实验教学 教学改革
　　中图分类号：G64 文献标识码：Ａ 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0007-01
　　进入21世纪以来，信息日益成为大家关注的焦点。信息有广义信息和狭义信息之分。《信息论与编码》是一门理论和实践紧密结合的课程，书中大多讨论的是关于狭义信息的最基本的理论，内容所涉及生活和工业领域非常广泛，包括信号滤波和预测、统计检测和估计、移动通信、遗传学、神经生理学，社会学等等有关信息的问题。信息论与编码是电子信息工程、通信工程和信息与计算科学等专业的一门重要专业基础课。本人结合3年的信息论课程的授课经验，针对目前教学过程中的出现的问题进行了分析，提出一些理论与实验相结合的教学改革方法。
　　1 信息论与编码课程的特点和存在的问题
　　1.1　所需准备大量的基础课程，知识量大
　　信息论与编码课程涉及大量数学知识，主要包括高等数学、线性代数、离散数学、概率论与数理统计、随机过程以及数值分析等。这些数学知识本身比较复杂、抽象，对于非数学专业的学生来讲，由于缺乏系统的学习，因此对繁杂的数学定理及其推理感到抽象和枯燥，比较难以接受，进而形成畏难情绪。而数学专业的学生在储备了大量的数学知识之后，还需要掌握一些通信方面的基础专业知识。这方面的薄弱使得他们在学习的过程中往往觉得穿插生硬，容易失去学习兴趣。
　　1.2　概念抽象，证明推导过程复杂
　　信息论与编码课程中大量的概率论的知识和随机过程的知识，比如马氏链的稳定的极限熵，香农极限的推导过程，信道定理推导过程中的大量不等式证明都使得学生感觉这门课程更像纯数学理论，一直在做逻辑证明。从而使得学生逐渐因为不熟悉的数学知识丧失学习动力，因此在学习中适当加入实例和计算机模拟算法更能贴近学生的思维。
　　1.3　教材所限，不可体现实际应用
　　信息论与编码的教材通常先引入各种定义，比如信息、信源熵、信道容量等等，然后提出性质，定理，仍然是“定义，定理，例题，练习”老套路的数学逻辑模式，没有合适的引入和应用。即使后面的信源编码，压缩编码如此思路明确的算法，也没有结合计算机进行数值试验，使得整个课堂教授乏味难懂。如何优化信息论与编码的教学，提高教学质量与效果，增进学生分析问题和解决实际问题的能力，培养适合于信息时代需要的人才，是我们教师一直需要努力的目标。
　　2 理论教学的改革方法
　　根据信息论与编码课程的特点，应合理选择课堂教学内容，针对当代大学生的特点，要求掌握香农理论中的核心内容，强调可与实践结合的章节的重要讲解，譬如离散信源编码，离散信道信道容量求解。减少纯粹的定理推导证明，并通过简洁的实例使得学生深入透彻地理解公式和定理表达的内容。在充分理解课程内容的基础上，将相关知识和当前的信息技术如移动通信技术、互联网技术等结合，不仅可以扩大学生的知识面，还可以让学生在课堂学习的过程中感受到信息与通信领域最前沿的理论与技术又能有兴趣学习相对乏味的基础理论知识。
　　除了相应的丰富教学内容，还可以采取多种教学手段，将多媒体和黑板相结合，尽量减少黑板带来的大量证明推导的板书时间，展现多媒体授课的生动形象，还可以增加课程内容的信息量。但也要努力克服多媒体长时间的视觉疲劳而有重点的停顿和强调，吸引学生课堂的注意力。
　　3 实验教学的引入
　　信息论与编码的本身学科特点决定了它是一门来源实践并指导实践的课程，因此有必要设计一些实验课。通过实验可以大大提升学生的学习动力，提高学生的动手实践能力。
　　实验教学不仅能使学生更好地掌握理论知识，使理论结果可视化，更重要的是能激发学生的兴趣，进而促进理论教学。设计适合不同层次学生的实验项目，即针对一个实验，给出由易到难阶梯式的任务要求，鼓励引导学生一级级攻克。但实验内容必须精选和优化，适合不同专业的需要。首先有验证性实验，主要是信源熵的计算等；其次是设计性实验，对给定的离散信源进行Huffman编码、费诺编码等，这些适合信息与计算科学专业、生物信息专业的学生进行。最后是综合性的实验，搭建一个包括信源、信源编译码器、信道、信道编译码器等各模块在内的仿真通信系统。此实验适合通信工程专业的学生进行。
　　近些年为了大学生数学建模比赛的需要，大学都开设了数学实验课程，主要选取了MATLAB软件作为实验平台。相对于传统的C语言，MATLAB语言简单易懂，其特有的工具箱可以对编程进行辅助。另外MATLAB可以实现动态建模与仿真，因此MATLAB软件在信息论与编码的实验教学中得到了广泛的应用。因为信息论与编码课程中用到大量的矩阵计算，比如信道容量的计算、线性分组码等，因此选择MATLAB软件作为实验平台非常适合课程自身特点。
　　4 结语
　　本文总结了信息论与编码课程的特点以及目前教学中存在的一些问题，针对理论教学和实验教学两个方面讨论了一些课程教学改革的见解，提出了该课程在教学和实验环节都需要的改进之处，对该课程教学的模式进行了一定创新。对于该课程的教学探索还要在今后的教学过程中不断摸索中前进，争取达到良好的教学效果，培养出适合信息新时代的优秀人才。
　　参考文献
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