信息論與編碼課程教學改革研究*

范錦宏 宋鵬

北方工業大學信息工程學院 北京 100144

21世紀是一個高度信息化的時代，學習和掌握信息的基本理論和相關知識變得更為重要。在這種形勢下，北方工業大學已經將信息論與編碼設為電子信息工程和通信工程專業的本科生和研究生的專業必修課。因此，信息論與編碼課程建設的好壞會影響到這些學生的培養質量。

1 教學中存在的問題

該課程是以通信的系統模型為研究對象，以提高通信系統的有效性、可靠性和安全性為目的，結合該模型中的每一個模塊對信息論基礎和編碼理論進行闡述。該課程理論性很強，存在很多公式的證明和推導，而這些與概率論、數理統計、隨機過程和高等數學、離散數學以及數值分析等數學知識相關。北方工業大學電子信息工程和通信工程專業本科生和研究生數學僅限于概率論、高等數學和隨機過程，這樣就導致學生的理論基礎欠缺。很多學生已經認識到信息論與編碼課程的重要性，但擔心復雜公式的推導過程。因此，在課程教學過程中應該調動學生的興趣和積極性，幫助學生更好地掌握課程內容。

為改善教學效果，提高教學質量，提高學生分析解決問題的能力，課程教學團隊在教學內容和方法兩方面進行改革，提出改善教學效果的建議。

2 教學內容的改革

2.1 理論部分內容的改革

首先要根據所選教材適當選擇取舍教學內容，使教學內容重點突出。目前，教學團隊所用的教材是根據多年教學經驗所編的由電子工業出版社出版的《信息論與編碼原理》。該教材從考慮實用性角度出發，重視基本概念，盡量把教材中所涉及的數學知識限制在學生所學的范圍內。同時結合新的相關的信息論與編碼知識，把Turbo碼的內容加到教材中。課程內容圍繞通信的一般模型，包括：信息論的起源、發展和研究內容；信源熵、信道容量和信息率失真函數，以及與這三個概念所對應的三個定理；信源和信道編碼。在教學過程中結合無線通信領域的新技術，如多天線技術和協作通信理論等，對教學內容做出適當的取舍，教學重點和難點突出。

其次要側重物理意義，簡化定理的證明過程。由于該課程涉及理論較難，定理也比較多，有些定理的證明過程對學生來說不太容易懂，課上會因推導或者證明使學生感覺太難而導致注意力不集中。雖然教材本身已經想方設法把推導限制在學生所學的范圍內，但如果直接展現在學生前面，容易使學生對該部分的教學內容失去興趣。在課堂教學中，要直接弱化某些定理證明或直接給出結論，以通俗易懂的語言來描述物理意義。可通過列舉在通信系統中的實例，強化對相關結論的理解和體會，這樣學生可以理解定理公式的內容，有效減少課程抽象性，學生的興趣和積極性有所提高。

2.2 實驗部分教學內容的設置和改革

首先，對于實驗教學部分，教學團隊選用MATLAB軟件作為實驗平臺。該課程用到大量的矩陣計算，如計算信道容量、線性分組碼的編碼和解碼等，因此，該軟件在該課程的實驗教學中得到極其廣泛的應用。

其次，合理安排實驗內容，并且對應分配好實驗學時。該課程總學時為48學時，修改教學大綱時已將其中8學時設為實驗課時，達到理論和實驗的相結合。實驗內容的安排上，結合課堂的教學內容，與專業特點相結合，使知識點更容易掌握；除基礎實驗外，還準備安排一次與課堂教學相結合的綜合實驗，而且難度要適中。目前所安排的基礎性實驗有信源熵、信道容量、信源編碼和信道編碼。下一步綜合實驗準備安排學生設計并仿真無線通信系統的一個實際例子。

3 教學方法的改革

3.1 理論結合實際，提高學生學習的積極性

電子信息工程和通信工程專業已經備受重視，該課程是這兩個專業的重要的基礎理論，為了讓學生感受通信領域的前沿理論和技術，又能積極學習該課程，必須對教學方法進行改革。在充分掌握和理解課程內容的基礎上，結合教師本人所從事的課題關注該領域的最新發展，有意識地將教學中的內容與當前的最新技術如無線通信技術中的協作通信和認知無線電等相結合。這樣可以讓學生充分認識到學好這門課程對學習后續課程的重要性，同時能擴大學生的知識面。

在信源編碼部分時，可以與常見的圖像格式聯系，無失真的BMP格式圖像主要是采用游程編碼圖像壓縮，而JPEG格式是應用變換編碼的限失真信源編碼，可使學生從具體的實例觀察無失真和限失真信源編碼的區別。也可舉出現代移動通信中信源編碼加以介紹，例如3G系統中的視頻信源編碼H.264。在課程講解時要抓住課程核心內容的本質，開始先把緒論部分的一般通信系統模型重點講解，后面每一章都是圍繞模型中的某一模塊，盡量先說明用例，然后展開。

信道容量和信息率失真函數這兩章開始時要強調理論依據，也就是平均互信息量是信源概率分布的上凸函數，是信道轉移概率的下凸函數。而信源編碼和信道編碼通過定理來約束具體的方法。同時由于信息論來自于社會生活，可結合社會生活的實際例子，使學生對對應知識理解掌握。

3.2 增強教學效果，優化教學手段

由于該課程的內容理論基礎難，學生理解起來困難，教學手段的創新對激發學生興趣起著至關重要的作用。當前，北方工業大學都采用多媒體教學形式，這樣可擴大課堂的信息量，省去傳統的板書時間，更好地提高課堂效率，增加形象性和生動性。例如，在介紹信息的概念時可從一些圖片引入，使學生對這個概念更加直觀理解。但傳統板書有其自身優勢，要采用板書和多媒體教學相結合的教學手段。制作多媒體課件不是單純地把教材內容放到課件中，要利用多媒體優點，通過動畫和例題分析把教學重點難點生動地展現出來。為與本節課程教學內容具體應用相關，課前搜集出與課程相關的資料，以圖、表、音頻和視頻的形式呈現給學生，盡最大努力做到使學生通俗易懂地掌握該知識點，同時補充課程內容。

在霍夫曼編碼部分，要使學生理解變長碼對數據壓縮的作用，同時該碼應用于視頻編碼中，如常用的VCD和DVD等格式的信號，這樣讓學生知道所學的知識點的實際應用，學生積極性提高。但教師不能因使用多媒體的形式使講課速度加快，學生跟不上。要根據學生的理解情況適當調整講解速度，提高學生的注意力。同時要鼓勵學生平時查閱與知識點相關的實際應用，這樣能更好地掌握理論知識，同時能培養學生的信息檢索能力。在教學過程中，教師可以先演示MATLAB軟件實現結果，讓學生對知識點有感性認識，然后學生再自己編寫程序操作實驗，加深理論的理解和掌握，提高學生分析解決問題能力。

另外，針對每一屆學生的實際情況，對學生實驗環節的完成做好監督和考核，具體包括課上實驗的驗收和課后實驗報告的批改，給出成績，作為平時成績的重要考評依據，使實踐教學內容真正起到應起的作用。

3.3 注重與學生的交流

學生對待同一事物會產生不同的看法，對同一個問題產生不同的思考方法。學生對第一次接觸的信息論知識的理解與正確的結論會有誤差。在教學過程中引導學生說出自己對問題是如何理解的，然后組織大家進行討論，調動學生積極思考問題，使學生積極參與到教師的課堂教學中，跟著教師的講課思路，改善課堂教學氛圍，產生較好的學習效果。

教師也可以通過這種方法及早發現學生不會的知識點，并對其重點講解，對教師教學方法的改進起到應有的促進作用，學生學習能力也能更好地提高。在課堂教學中，強調學生平時注重專業術語的積累；指導學生如何查閱文獻，閱讀與課程內容相關的參考文獻，使學生掌握學科發展的最新動態，提高學生開拓知識的能力。

4 結束語

本文結合信息論與編碼的課程特點，從學生掌握該課程知識，提高學習能力和分析解決問題的能力出發，從教學內容和方法兩方面，對如何提高信息論與編碼課程的教學質量、改進教學效果提出一些有益的建議。北方工業大學該課程的教學實踐表明，已取得較好的教學效果，對于該課程的教學改革將有待于在今后的教學工作和實踐中繼續進行深入的研究。

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