《信息論與編碼》課程教學方法探討與實踐

摘 要:《信息論與編碼》課程具有理論性強、概念抽象以及計算復雜等特點。本文簡述了在本科開設該課程存在的主要問題，并針對這些問題在教學內容和教學方法等方面進行了改革與探索。實踐表明，通過改革取得了良好的教學效果。

關鍵詞:信息論編碼教學方法教學改革

中圖分類號:G424文獻標識碼:A文章編號:1673-9795(2011)05(a)-0173-01

《信息論與編碼》是信息類專業重要的專業基礎課程，其研究內容廣泛應用于通信工程、信息工程、計算機科學、廣播電視工程、信息安全等許多專業，對這些專業的理論研究和工程應用均起到了重要的指導作用。它不僅在方法論的層面上解決了通信的有效性、可靠性和安全性問題，而且在認識論層面上幫助人們認識事物的本質。但由于它的抽象性和理論性，使本科生在學習這門課程的過程中，常常感到概念比較抽象，對其中的分析方法和基本理論不能很好地理解和掌握。

作為一門年輕的學科，信息論還具有如下特點。

(1)信息論部分的理論性很強。信息論部分具有濃厚的數學氣息，前期除了需要有專業通信知識外，還需要深厚的概率論、隨機過程和數理統計基礎。這些基礎在論述香農的三大定理時都是必不可少的。

(2)編碼部分的實用性很強。目前非常流行的壓縮編碼就屬于信源編碼的范疇，它被廣泛應用在視頻、語音和圖像壓縮等方面。

(3)課程的基礎性很強，符合復合型人才培養的“厚基礎、寬口徑、大專業”的要求。在信息爆炸的21世紀，信息已經滲透到社會的各個方面。不僅僅是站在信息前沿的通信和計算機科學，其它如自動控制、醫學、經濟學、管理學、量子信息和光學信息等領域信息論也大顯身手。

根據信息論的課程特點，本文對《信息論與編碼》課程在本科教學過程中出現的主要問題進行了分析，并結合教學實踐給出了相應的教學改革方法。

1#8201;主要問題與分析

1.1#8201;數學基礎薄弱問題

作者在多年的教學中發現，由于信息論涉及眾多學科，需要廣泛的數學基礎，許多學生雖然認識到信息論的重要性，但在繁雜的數學公式面前只好望而卻步。我們都知道，信息論是由美國科學家香農在1948年發表的“通信的數學理論”的長篇論文中發展而來的，這篇論文以概率論為工具，深刻闡述了通信工程的一系列基本理論問題，給出了計算信源信息量和信道容量的方法和一般公式，得到了一組表征信息傳遞重要關系的編碼定理。它使用數學語言對工程問題進行描述，它的定理和結論以嚴格的數學證明作為依據，并對其賦予實際的工程物理意義，以此來指導工程實踐。因此，信息論也被認為是數學的一個分支。因而，要想學好它，需要廣泛的數學基礎。

1.2#8201;課程理論抽象性問題

信息論課程包含了很多抽象的概念和理論，涉及到大量的數學推導過程，所以在學習信息論這部分內容的時候，學生反映這些理論太抽象，好像是架空于實際之外，總是似懂非懂的感覺，好像有點道理，但又不能用這些理論來解決問題，這也成為工科類本科生理解和掌握該課程有一定難度的最主要原因。

1.3#8201;先修基礎知識不足問題

本科學生缺少一些先修的基礎知識。《信息論與編碼》課程要求學生掌握的先修基礎知識較多，包括高等數學、概率論和隨機過程、線性代數、數字信號處理、通信原理等。部分學生對這些先修課程掌握得不夠好，就會直接影響信息論課程的學習。另外，部分先修課程在本科階段講授的內容并不足以用來理解信息論中的一些內容，例如對典型序列知識點的理解等。

2#8201;改進教學方法提高教學質量

為了讓學生在學習《信息論與編碼》這門課程的時候，既不會感到枯燥，又有學習的欲望，作者在多年的教學中積累了一些教學方法。

2.1#8201;在教學過程中應注意課程的重點和難點

一門課程學習得好壞關鍵是看學生能否掌握課程的重點和難點。在《信息論與編碼》課程的學習中，很多同學不能很好地把握該門課程的重難點，往往花了很多的時間去學，卻連最基本的也沒有掌握。所以在教學的過程中，教師就要有意識地強調該課程的重點內容，而且遇到難點的內容時就應該反復強調，并力求講清講透。對于本科生來說，重點應該是香農的三大定理及其應用，難點是三大定理的理解。在教學過程中可以采用“定理—應用—定理”的模式，也就是說先告訴學生這些定理，然后介紹相應的編碼方法，再從中歸結到定理上來。所以在教學的過程中，對重點和難點內容的掌握講究一個逐步求精的過程。

2.2#8201;制作與教學內容相應的演示程序，把抽象的理論用動態的圖形表現出來

根據對信息論的重點難點分析，我們制作了一些互動演示程序，如信道4容量的迭代算法、信息率失真函數的迭代算法、霍夫曼編碼、唯一可譯碼判決準則、(7，4)Hamming碼編解碼、維特比譯碼等。生動形象的教學形式使學生易于理解教學內容，進而提高了教學效率。

2.3#8201;采用類比法讓課程的內容更加通俗易懂

理論的教學是一個枯燥乏味的過程，怎樣讓該過程變得使學生更容易接受，這對學生能否學好課程至關重要。作者在教學中采用類比法進行教學，效果不錯。例如，在各種熵值的物理含義的教學過程中可以用河流的例子，一個通信系統相當于一條河流，信源熵就是源頭的水，在整個河流中有分出去的支流，這就相當于損失熵;還有匯進來的支流，這就相當于噪聲熵，是加進來的;真正從源頭流下來在信道中傳輸的內容就是信道中流經的信息量—交互熵。在講到定長編碼和變長編碼這兩個概念的時候，可以類比成學號和QQ號，學生一下子就能明白。在講到信息不增原理的時候，可以用沙里淘金的例子讓學生明白數據處理的目的。

2.4#8201;及時解決學生在學習過程中存在的問題

除了安排定期的答疑和課間答疑外，每次作業中出現的問題要及時反映在習題課的講解中。對先修課程中出現的相同內容的不同表達方式一定要解釋清楚，使學生不會混淆概念，反而更好地理解和掌握多門課程。例如，香農公式中出現的噪聲功率譜密度，在通信原理課程中有單邊帶功率譜密度和雙邊帶功率譜密度的區分，這里就要向學生解釋清楚。

2.5#8201;廣泛聯系，積極培養學習興趣

興趣是最好的老師，特別是對于信息論這樣一門抽象、枯燥的課程來說尤為重要。開拓學生視野，適時地將國內外的重大科技事件和授課內容聯系起來，既可以拓展學生的學術視野，又可以提高學習興趣。例如，目前國內外正在研發使用的第四代移動通信系統，其中許多新技術的誕生和應用都可以和信息論課程中的內容聯系起來，使學生產生濃厚的興趣。

3#8201;結語

本文討論了《信息論與編碼》課程教學面臨的問題，并對教學方法和教學實踐進行了一些探討。筆者相信只要所有的教師都重視正確地引導學生，采用豐富多彩的教學手段和形式多樣的教學方法，開設緊密聯系教材內容與現實生活相關的實驗，堅持以學生為本，師生共同營造和諧的課堂氛圍，《信息論與編碼》這門課程一定能取得良好的教學效果。