軟件仿真在《信息論基礎》課程教學改革中的應用

摘 要：信息論基礎具有理論性強、抽象難懂、內容廣泛的特點。針對這一狀況，本文對《信息論基礎》課程的教學內容、教學方法和手段以及實驗教學等方面分別進行探索與實踐，開發了一套用于輔助《信息論基礎》課程教學的仿真軟件，有效的幫助學生學習《信息論基礎》課程，顯著提高學習質量的同時，也幫助教師減輕講授負擔，使教與學達到真正意義上的雙贏。

關鍵詞：信息論基礎 教學實踐 教學改革

中圖分類號：G633.67 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（b）-0200-01

1 《信息論基礎》課程教學的現狀

（1）雖然目前《信息論基礎》課程都有配套的實驗教學內容，但是大部分實驗內容還都是在實驗箱上進行的。一方面，實驗室由于規模的限制，實驗設備的臺數不多，而招生規模卻在不斷擴大，學生的實驗課時相對有限，所以大部分學生不能得到充分的實踐練習和鍛煉；另一方面，實驗箱平臺所支持的實驗內容大都是演示性質的，并且實驗項目基本固定學生只能得到對實際通信設備結構、原理的淺顯認識，而對通信系統背后的真正工作原理，以及各設備之間的相互關聯是片面和模糊的。

（2）近年來由于我國向信息化社會的轉變，居于前沿的通信技術的發展日新月異，且其理論研究的發展大大超前于實際的市場需求。在這種大環境下，新的通信技術必然會被不斷的引入大學信息論基礎課程的教學中來，使課程教學的負擔逐步加重。

上述兩方面的問題直接影響了《信息論基礎》課程的教學效果，教學環境的變化和教學內容的更新擴展都需要我們對教學思想和教學方法做出相應地變化，這在客觀上要求我們教育工作者去冷靜地思考，探索新的教學思路和方法。

2 軟件仿真實驗

目前，國內外圍繞《信息論基礎》教學的現狀，對《信息論基礎》的教學改革進行了多方面探索[1-2]，其中針對教學手段，提出了基于2種仿真軟件SystemView和Matlab來輔助教學[3-4]。軟件仿真技術正日益融入許多經典的專業基礎課教學中，軟件仿真實驗內容靈活、設計性強，與基本理論相互補充，與硬件實驗相互彌補。

但對于信息論基礎課程來說，Matlab和SystemView都有不足之處。Matlab功能強大，集數值分析、矩陣運算、信號處理、圖像顯示等多種功能于一體，提供了一個高性能的科學計算環境，通用于多個領域，雖然有專用的通信函數庫和工具箱，但本科生在使用這些函數搭建通信系統的過程中，經常碰到困難。一方面是因為Matlab的幫助文檔是英文的，本科生對于英文的理解還存在很大困難。另一方面是因為學生在把理論知識轉化為計算機語言時存在困難，這主要是關于這樣的實踐在教學過程中很少受到重視。

而SystemView是一個信號級的系統仿真軟件，主要用于電路與通信系統的設計、仿真，能滿足從信號處理、濾波設計到復雜的通信系統仿真等要求。雖然其操作簡單，只需要拖動鼠標和輸入一些模塊參數，無需編寫復雜的程序語言，就可看到仿真結果。但對于本科生來說，這樣的仿真結果只是讓他們看到信號參數的改變對實驗現象的影響，卻不知道仿真背后的原理和各個模塊之間的聯系，不能達到教學的真正目的。

3 基于C語言的軟件仿真

針對這些仿真軟件對于信息論基礎教學存在的局限，本項目利用C語言可視化編程的強大功能，開發一套更適用于信息論基礎教學的仿真軟件。我們從功能上把該仿真軟件分為三部分：信息論基礎各章節基本知識輔助理解；搭建實際無線通信系統；最新科研成果展示。

在“信息論基礎各章節基本知識”模塊中主要包括離散信源的信息熵、平均互信息及平均條件互信息、信道容量及其一般計算方法、連續信源熵、等長信源編碼、變長信源編碼、錯誤概率和譯碼規則、有噪信道編碼、信息率失真函數及其性質、霍夫曼編碼、費諾編碼、游程編碼、差錯控制、線性分組碼、卷積碼、聯合信源信道編碼等知識點。“搭建實際無線通信系統”模塊將搭建多個無線通信系統，如COFDM系統仿真、衛星通信系統、數字基帶通信系統、移動通信系統等。在軟件設計中把原理框圖和仿真框圖一起在界面上給出來，對應的程序代碼是開放的，這樣不僅把通信系統的整體概念完整的展示出來，而且把信息論基礎課程的各重要知識點聯結起來；“最新科研成果展示”模塊將教研室中教師們的科研成果展示出來，目前主要包括網絡編碼研究、無線傳感器網絡研究、GPS和北斗衛星導航定位技術研究、視頻編碼研究、光纖通信研究等方向。

4 將軟件仿真應用于教與學中

這是很重要的實踐環節，考驗該仿真軟件是否真正起到輔助作用。該仿真軟件計劃在三個方面輔助教與學。第一方面，教師在課堂授課過程中現場使用該仿真軟件。教學內容中常常涉及信號的處理過程，傳統的方法是通過畫框圖和數學公式將其表達出來，但若在課堂上使用該仿真軟件，可動態仿真信號的處理過程，產生各種生動直觀的信號波形和頻譜圖，不僅能夠幫助學生理解信號處理的全過程，也能幫助他們理解相應數學公式的推導。第二方面，教師在備課過程中使用該仿真軟件。教師在備課的時候經常遇到要驗證教材中一些公式和圖形，以及一些習題中的畫圖，這時教師可以靈活使用該仿真軟件中相關的一些模塊來幫助完成。第三方面，學生在課后使用該仿真軟件。該軟件的仿真框圖和代碼是開放的，學生可以在課后深入學習。老師也可以通過安排一些課程設計題目，讓學生在模仿該軟件的基礎上，加入一些子模塊，形成新的通信系統。

5 結語

本文創造性的研究開發基于C語言的輔助教學軟件，在我校通信工程專業本科生《信息論基礎》課程教學中取得了較好的教學效果。搭建的實際無線通信仿真系統，能夠虛擬現實通信系統，幫助學生建立系統的概念，對通信系統有完整系統的認識；通過觀察輸出通信系統中各子模塊的仿真結果，配合上老師的仔細講解，幫助學生理解各個子模塊之間的聯系，從而達到不只看見“森林”，也看見“樹木”，有效培養了學生的分析問題和解決問題能力，也提高了學生的學習積極性。

參考文獻

[1]張小峰，逢珊，鄒海林.信息論與編碼的教學改革探討[J].計算機教育，2011（13）：11-14.

[2]謝利民，鄭百偉.現代教學基礎理論[M].上海：上海教育出版社，2003.

[3]曹雪虹.信息論與編碼[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]吳偉陵.信息處理與編碼[M].北京：人民郵電出版社，2005.