浅谈信息论指导下的课程教学改革
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作者: 勾频
摘要：搞好课程教学工作是学校工作的重中之重。应用信息论的概念和理论，将教学过程视为双向信息传递的过程，以教师为信源，学生为信宿，教师和学生的中间环节为信道。探讨了如何从信源、信道、信宿这三个方面出发，搞好课程教学的方法，为提高教学质量和教学效果做出努力。
关键词：信息论；信息传递；课程教学
中图分类号：G201 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）19-0277-03
一、前言
信息论由美国香农博士在上世纪40年代末所创立的，它是研究信息的获得、传输、存储、处理和变换一般规律的科学。香农信息论的研究对象是广义的通信系统，它把所有的通信系统抽象为一个统一的模型，该模型主要分成5个部分[1]，（1）信源：信源就是产生消息和消息序列的源。（2）编码器：编码就是把消息变成适合在信道传输的物理量，这种物理量称为信号。（3）信道：信道是指通信系统把载荷消息的信号从发送端送到接收端的媒介或通道。（4）译码器：译码就是把信道输出的已叠加了干扰的编码信号进行反变换，变成信宿能够理解的消息。（5）信宿：信宿就是消息传送的对象，即接收消息的人、机器或其他事物。至今60多年来，随着现代科学技术的发展，这一模型和概念以及内容均已大大地丰富，其基础理论和实际应用都取得了巨大的进展。本文基于香农信息论理论，将教学过程看成是一个双向信息传递的过程。教师是信源，教师所传递出的知识，就是消息和消息序列。同时教师也是编码器，老师在讲课时要把知识进行加工和提炼，以提高信息传输的有效性。学生是信宿，是教师传递消息的对象。教师和学生的中间环节是信道。译码器在这里实际上是指教师所传递出的知识应通过何种教学方法和教学手段变成学生能够接受的消息。信息经过信源的输入、储存、变换，由信道输出，被信宿接收并反馈、控制，形成了一个完整的教学流程。其中这各个环节之间并不是孤立的存在，而是有机的结合。运用信息论的理论和方法来研究课程教学，对于改变传统的教学思维，促进教学方法和手段更新，提高教学质量，都具有重要而深远的意义。
二、信息论在课程教学中的应用
教学工作是学校工作的重中之重，基于信息论理论来讨论课程教学，有必要对信源、信道、信宿做深入的分析。下面以物流工程专业的技术基础课《机械设计基础》为对象，来进行研究和探讨。
1.改变传统教学方式，扩大与提炼信源。信源是信息传递中最重要的环节。所谓扩大信源是指教师在教学过程中，应尽可能多地向学生传递信息，加大信息量。提炼信源则是指老师将知识变换加工的过程，准确表达出知识的含义，便于学生的吸收和理解。改变传统教学方式，有助于做好这一环节的工作。物流工程专业的学生不论是进行生产物流的规划和设计，还是接触物流设施与装备都少不了机械设计基础这门综合性很强的技术基础课。由于本课程教学内容庞杂，与其他多个学科联系广泛，灵活性大，实践性强，要想通过本课程的学习达到较强的分析问题和解决问题的能力，教师在教学过程中就必须传递较大的信息量。然而，在传统的教学中，往往比较注重向学生传授机械设计中有关事物规律性的知识，教学目的只满足于排除或减少学生的不确定性。如现有机械设计基础教材中所涉及到的有关传统的设计方法，从材料选择、失效分析、制定设计准则到设计计算过程等都是按照同一模式，涉及到的材料、参数等都在很窄的范围内，给出了一些推荐值，没有预见性。使学生只能死记硬背各种条条框框，毫无创造性，学生获得的信息是有限的。要使学生获得较大的信息量，学生能力的培养是关键。首先，将教学过程组织成创设矛盾、解决矛盾的过程。通过一定由浅入深的问题，激发矛盾，推动思维活动的展开，根据思维活动展开的程序，把教学过程组织成一系列不同的智力高度的阶梯。用这种方法使学生以发现知识的状态来学习知识，使学习的外向动机向内向动机转移，变学生在教学过程中的客体为主体。新知识在旧知识的基础上分步积累发展，把智力发展寓于设疑→求疑→解疑的过程中。从而扩大了学生的不确定性，增强了学生获得信息的能力。对于《机械设计基础》课程来说，设疑要设在开头、衔接或结尾处，或设在讲课的重点难点处。例如在开始讲授齿轮传动的设计时，可根据学生在齿轮机构一章中所学的知识向学生设疑：对于不同用途的齿轮，如何确定其基本参数和几何尺寸？这个疑问一提出，学生就会想到用在普通减速器上与用在汽车上的齿轮不会一样。教师可进一步设疑，为什么不一样呢？学生头脑中的不确定性就会步步加深，这样可使学生的学习注意力高度集中。最后，教师解疑，说明这是因为各种机械上的齿轮，其工作条件和所受载荷不同，齿轮失效形式不同，使得对它们的参数和几何尺寸的要求不同。释疑以后，动脑筋的学生又会产生新的疑问：在不同的情况下，齿轮的失效是怎样的？又如何根据失效形式来确定齿轮的基本参数和几何尺寸……这样，根据知识的内在联系，组成“问题”的阶梯，创设一个个矛盾，激起一个个浪花，实现一个个求知欲的满足或不满足。激发学生探究问题和思考问题的兴趣，从而培养了分析问题和解决问题的能力。其次，要使教学过程的单向传递，变为多向传递。过去基本上是教师→学生单向信息传递。学生在学习中易处于被动、消极的地位，这样没有信息的反馈，所以会影响教学质量的提高，因此必须变教学的单向传递为多项传递。例如，在机械设计基础课程设计这个教学环节中，过去传统的指导方法是教师规定学生做圆柱齿轮减速器，然后从头至尾都是老师指导学生一步步做下去，学生基本上按老师讲的方法去做，学生之间很少讨论，学生与教师之间的逆向交流不充分，学生的学习主动性也就较差。如果在这个教学环节中采用信息的多向传递，那么，教师给学生布置任务时，给出初始信息只有目地要求、工作机的已知条件，让学生自己去选择达到目地的传动方案。为了完成任务，学生就会开动脑筋，回忆学过的知识，积极查阅资料，并且开展讨论，将各种传动方案进行分析比较，学生之间相互表达各自思考的内容，学生与学生之间的信息得到了充分的交流。之后学生再将他们自己确定的方案交给老师审阅，老师从中可以发现学生们的想法和创造性，给出指导性意见，使学生的学习主动性得到了充分的调动。此外在扩大信源的过程中，应该注意不能盲目地追求课堂信息量，而忽略教学效果[2]。机械设计基础课程一般都是采用多媒体教学。而多媒体教学信息量大、传输速度快，可能会造成信息量的过饱和。因此，如何设计多媒体课件，加强知识间的联系，合理地控制多媒体教学的速度等是值得教师关注的问题。 2.重视教与学的中间环节，开创畅通信道。信道是信息传递的载体，是教师与学生之间的中间环节，要想使学生在学习过程中获得大的、有效的信息量，如何减少信道的干扰，使信道畅通无阻是这一环节的关键。首先，教学语言要通俗化、艺术化。教学是通过语言媒体进行的，语言直接影响着学生对知识的掌握和智力的发展，教师语言艺术掌握的好坏，直接关系到信息在传递过程中损失的大小。其一，教师在讲课中的语言要使学生听得懂。其二，教师讲课时要注意声调。现代神经科学的实践证明，若是以同一频率、反复刺激神经元，它的反应很快就消失，而稍微改变其频率，它的反应又可以上来，这说明单调简单的重复，容易引起大脑神经的疲劳，使所获信息量减少。因此，教师要根据课程的特点，用抑扬顿挫的声调变化来影响学生的注意，活跃课堂气氛。其三，教师在教学中要用通俗的例子。例如在讲各类机械零件的强度分析时，大量用到“疲劳”的概念，如疲劳强度、疲劳寿命等，因学生还没学过交变应力的知识，往往不能区分疲劳强度与静强度的差别，为了说明这种差别，可举一个通俗的例子：用手折一根铁丝，只折几次不会断，反复折动多次会出现裂纹，最终会断裂，至此就称发生了疲劳破坏。通过这个例子，学生很快明白了“疲劳”这个术语在这里的特殊意义。经过列举大量的生活例子，加入教师的深入浅出的讲解就能弥补学生们一部分的“先天不足”，开阔他们的视野，调动他们学习的积极性。其次，充分利用现代化的教学手段，使图、文、声、像动态地显示出，把抽象变为具体直观、把枯燥变为生动形象，把复杂变为简单易懂，教与学之间形成高效、及时、畅通的信道。如零件的结构设计是一个很灵活的问题，牵涉到大量工艺学的知识，一直以来都是本课程的难点。采用多媒体教学后，将零件的结构、加工过程、装配关系等立体地展现在学生面前，并直观地显示出合理与不合理的结构比较，加上老师生动的描述，大大地提高了学生的形象思维能力，增强了对零件的感性认识，使得结构设计的信息传递减少了障碍，为后续的实践性教学环节课程设计奠定了良好的基础。
3.充分发挥学生个性，积极调动信宿。信宿是接受信息的对象，即学生。教师发出的信息必须和谐地落实到学生的“心理基地”上才能被识别和接受。只有充分地发挥学生的个性和学习的积极性才能收到良好的教学效果。首先，培养学生对本课程的兴趣是很重要的。机械设计基础课程本身蕴含着激发兴趣的因素。当老师介绍本课程在物流工程专业中的地位，讲授各类零件在机械中应用的广泛性，以及机械零件设计的基本理论、原则、方法时，本课程所涉及的广泛内容；它与机械整体设计的内在联系，与日常生活的密切关系，都会使学生不断地产生好奇心、求知欲。这种在教学中运用知识本身的魅力去激励学生的学习，培养学生对学科本身的兴趣，才是发自内心稳定持久的学习动力。此外，建立良好的师生关系也能够很好地调动信宿接受信息的能力。师生关系在很大程度上影响着学生的学习情绪。从信息论的角度来讲，师生之间就会发生信息的积极反馈，学生获得的信息量就大。所以培养学生对本课程的兴趣不仅仅要从学科本身出发，良好的师生关系也将起到积极的作用。其次，要注意培养学生的意志。对学生要严格要求，不能有任何防松、马虎和无原则的迁就，包括课堂纪律、作业情况、课程设计的工作态度等方面。要把学生的学习过程变为克服困难的过程，如本课程的课程设计对没有实践经验，又刚刚接触机械设备的学生来说，可谓是困难重重，但是通过讨论、学习同学们都会解决一个一个的难题，最终将自己设计的传动装置表达在图纸上，学生们初步尝试到了成功的喜悦，同时也增强了克服困难的信心。整个设计过程也是意志培养的过程。
三、结束语
学校的课程教学改革是一个永恒的话题。应用信息论的理论与方法，视教学过程为双向信息传递的过程，抓住信息传递的特征，来指导教学改革工作，有着良好的效果。通过老师对知识的变换加工，并从教学语言和教学手段上下功夫，准确地来表达和传授知识，减少信息在传递过程中信号的减弱，积极培养学生对所学课程的兴趣，建立良好的师生关系，不断激发学生探究问题和思考问题的兴趣，充分调动学生这个信宿接受信息的能力，这样一定能够不断地提高教学质量和教学效果，为社会培养出更多更好的合格人才。
参考文献：
[1]梁栋.信息论简明教程[M].北京邮电大学出版社，2009.
[2]张江鑫，马福萍.信息概念对课堂教学的启示[J].中国现代教育装备，2011，（5）：155-156.
[3]李彩云.“机械设计基础”课程教学改革初探[J].教育与职业，2008，（11）：108-109.
基金项目：湖北省教研基金项目（编号：2012217）。
作者简介：勾频（1960-），女，武汉科技大学汽车与交通工程学院讲师，主要从事机械设计教学与科研工作。
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