基于CDIO的“信息論與編碼”課程的改革與實踐

摘要：“信息論與編碼”課程是寧夏大學電子信息工程、通信工程專業一門重要的專業基礎課程，由于課程內容抽象、公式繁多及數學推導復雜，在教學過程中存在著一些問題，影響了課程的教學效果。課題改革小組基于CDIO 模式，從教學內容的選擇、教學方法的改進及實踐教學環節等方面進行了該課程的改革探索。教學實踐結果表明，通過改革，較好地提高了課堂教學質量，達到了預期的教學效果。

關鍵詞：信息論與編碼；CDIO；教學改革

作者簡介：賈艷玲（1980-），女，寧夏銀川人，寧夏大學物理電氣信息學院，講師；劉思遠（1977-），男，寧夏銀川人，寧夏大學發展規劃與學科建設處，講師。（寧夏 銀川 750021）

基金項目：本文系寧夏大學第五屆校級教育教學改革項目（項目編號：66）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0093-02

“信息論與編碼”課程是我國高等學校信息與通信工程學科重要的專業基礎課程之一，該門課程主要研究信息傳輸及信息處理過程中的一般規律。[1]從學科性質上看，它是一門綜合性很強且知識面很寬的課程，不但涉及到通信理論、高等數學、概率論及隨機過程、現代密碼學和計算機網絡等多個領域，還需要扎實、廣泛的數學基礎知識。通過該門課程的學習，希望學生能夠掌握香農信息論中有關信息量、信道容量、編碼速率等基本概念和無失真信源編碼、限失真信源編碼及信道編碼等三個編碼定理，以及信源編碼與信道編碼的主要實現方法，滿足數字通信、信息處理及信息安全等相關領域工作的要求。[2]

一、現狀分析

隨著計算機技術、無線通信技術和Internet網絡技術的快速發展，限失真信源編碼、信道編碼、信息安全編碼和網絡信息論等理論在當今社會生活中的應用越來越廣泛，“信息論與編碼”課程的重要性及實用性也變得越來越突出。然而，由于該課程內容過于抽象，分析時要用到大量的數學知識（如無窮項求和、積分、求導及概率分布等），學生學習時普遍反映內容枯澀難懂，沒有學習興趣，因而達不到預期的教學效果。[3]

根據社會需求以及專業特點，本課題小組提出了基于CDIO的“信息論與編碼”課程的改革與實踐，試圖彌補當前傳統教育存在的缺點，積極探索改革并設計出新的有利于促進大學生創新思維和創新能力培養的“信息論與編碼”課程的全新教學模式，以期促進寧夏大學（以下簡稱“我校”）電氣信息類人才培養改革，提升人才培養質量。

二、基于CDIO的“信息論與編碼”課程的教學改革

1.CDIO 的基本思想及人才培養理念

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）是由美國麻省理工學院、瑞典哥德堡查爾姆斯技術學院、瑞典皇家技術學院和瑞典林雪平大學等4所工程技術大學提出的一種現代工程教學理念。[4]其中，C——Conceive，構思；D——Design，設計；I——Implement，實施；O——Operate，運行。它們是產品生命周期上的四個環節，即 C-D-I-O是產品從研發到運行的周期，在這里分別對應四個教育和實踐訓練環節。CDIO模式改革的主要目標，是以C-D-I-O的產品生命周期為教育背景，以工程實踐為載體，培養學生不但掌握基礎工程技術知識，且具有動手操作能力，在新產品的開發過程中引導創新，并理解研究和技術發展對社會的重要影響，承擔工程科技人才的社會責任。[5]

CDIO模式采用了以成果為導向的設計理念，有清晰的培養方案設計和實施流程。目前已經有來自全世界30多個國家的大學加入了CDIO國際組織，并在各自的工程院系實施CDIO模式。[6]我國很多高等院校也開展了多種形式、多種層次的CDIO模式下的工程教育實踐，目的是根據培養應用型人才要求，結合不同院校各自專業特點，加強學生工程實踐能力的培養和訓練，提高學生進行工程實踐的能力，并通過課堂、實驗室和實踐基地的合理有序設置保證培養計劃的實施?？梢哉f，CDIO模式具有一定的普遍適應性，它既能培養高水平、高層次的創新型人才，也同樣適用于大眾化的工程教育專業，完全符合我國對工程科技類專業人才的要求。

2.課程教學改革

（1）課程教學內容改革。依據學科發展現狀和我校本科生的知識結構，參考其他院校相關教學改革經驗和做法，課題改革小組在已有課程理論體系下，有針對性地對課程教學內容進行了改革和更新。一方面，由于現在信息的存儲、傳輸、處理等過程絕大多數都采用數字化處理，而且信息的數字化處理具有原來模擬處理不可比擬的優勢，[7]所以筆者在課程內容的選擇上適當減少了連續信源的信息熵分析、連續信道的容量計算等方面的內容，加大了離散信源信息量、離散信道容量模型及計算等方面的內容；另一方面，為了加強理論知識與實際應用的聯系，筆者長期關注出現的新技術和新理論（如多天線MIMO系統、協作無線通信、認知無線電和壓縮感知等），將新技術和新理論不斷添加到教學內容中，依托課程內容基礎理論知識，結合仿真實例，對出現的先進技術進行講解，使學生能夠在理解基礎理論知識的基礎上不斷跟蹤新技術。

（2）課堂教學方法改革。對于“信息論與編碼”這門理論性較強、數學性知識較多的課程來說，如何培養學生的學習興趣就顯得尤為重要。課題小組按照CDIO模式的基本理論，發揮多媒體輔助教學的優勢，以知識點為中心，采用把問題、理論、應用融合起來的教學方法，從以下幾方面進行了嘗試：

1）在課程教學內容改革的基礎上，精選授課內容，提高上課效率。例如：信源編碼中的差分脈沖編碼調制（DPCM）、增量調制和離散余弦變換等內容與通信原理課程的相關內容重復，學生學習興趣不大，所以在授課時，筆者避開已有的重復內容，重點講授小波變換編碼及預測編碼等學生未學過的內容，教學時學生表現出了濃厚的學習興趣。

2）課堂教學中盡量從問題或案例出發引出概念和理論，把課程核心內容的工程實際應用展示給學生。例如：在講授信息率失真函數時，可以選擇告訴學生，由于以下三個原因：理想的無干擾信道不存在；實際的信源往往是連續信源，具有無窮大信息量，只有信道的傳輸速率為無窮大，才能實現消息無失真傳輸，而這是不可能的；對于接收者而言，也沒有必要徹底消除失真，所以消息的傳輸允許存在一定的失真，來引出信息率失真函數的概念。也可以選擇在PPT上放映圖1（視覺暫留示意圖），讓學生自己來體會看到了什么，為什么會出現這樣的現象，進而引出視覺暫留的概念，然后擴展到視覺暫留的實際應用，如熟悉的走馬燈、電影等。最后告訴學生這些都是因為消息的傳輸允許存在一定的失真，來引出信息率失真函數的概念。采用第二種方式后，學生對信息率失真函數的掌握比第一種方式要深刻的多。

3）創新教學手段，合理安排黑板板書教學與多媒體教學比例?！靶畔⒄撆c編碼”課程內容覆蓋面廣，信息量很大，采用多媒體輔助教學可以擴大教學信息量，提高教學效率，但是也不能一味以多媒體教學為主，要防止出現機械放映PPT現象。對重要的公式，仍然要進行黑板板書推導，引導學生同步思考。

4）以課程學習小組、在線答疑等形式輔助課堂教學，激發學生的學習興趣，培養學生的創新能力。

（3）加強實踐教學環節。我校的“信息論與編碼”課程以前主要集中于理論知識的學習，沒有實踐教學環節。課題小組在離散信源信息量、Huffman編碼、分組碼以及卷積碼的編譯等需要重點掌握的知識點增加了實踐教學環節（如表1所示）。通過仿真工具MATLAB和System View對以上知識點進行仿真分析，不但促使學生很好地掌握了MATLAB和System View等工具的編程方法，增強了學生分析問題、解決問題的能力，且鍛煉了學生的實際動手操作能力，達到了培養學生獨立、自主學習的目的。

表1 實驗內容及要求

序號題目內容及要求

1信息的度量掌握利用MATLAB求解離散信源信息量的方法

2Huffman編碼進一步熟悉Huffman編碼過程；掌握利用MATLAB實現Huffman編碼的方法

3線性分組碼編碼進一步熟悉線性分組碼的編碼過程；掌握利用MATLAB實現以（7，4）、（7，3）線性分組碼為代表的線性分組碼的編碼方法

4卷積碼編碼進一步熟悉卷積碼的編碼過程；掌握利用MATLAB實現卷積碼的編碼方法

5信道容量的迭代計算進一步熟悉信道容量的迭代算法；掌握利用MATLAB實現信道容量迭代計算的方法

（4）課程考核模式和評價體系改革。為了達到課程評價的合理性和科學性，課題小組改革了單純的閉卷筆試考核方法，逐步過渡到了采取筆試、實驗以及研究報告相結合的考核方式，提高了實踐教學環節在總成績中的比例，并且開發了知識點覆蓋面廣、數量充足、難易搭配合理的“信息論與編碼”課程試題庫。

三、結束語

課題小組在我校2009級和2010級通信工程、電子信息工程專業中進行了教學改革實踐，教學實踐結果表明，通過改革，較好地提高了課堂教學質量，達到了預期的教學效果。當然，課程教學改革不可能一蹴而就，是一個長期的、不斷探索和逐步完善的過程，在以后的教學中，仍需要根據學生的實際情況因材施教，具體問題具體分析，最終達到提高教學效果、培養學生創新能力的目的。

參考文獻：

[1]虞湘賓，徐偉業.信息論與編碼課程教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2010，（3）.

[2]曹雪虹，張宗橙.信息論與編碼[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3]鄧稼先.信息論與編碼課程教學改革探討[J].電氣電子教學學報，2007，（29）.

[4]楊玥.基于CDIO教育理念的“Web程序設計”課程教學改革[J].黑龍江科技信息，2011，（9）.

[5]許燕平.CDIO工程教育模式對大學生人格特征及CDIO能力的影響[J].職業技術教育，2013，（20）.

[6]雷環，湯威頤，Edward F. Crawley.培養創新型、多層次、專業化的工程科技人才[J].高等工程教育研究，2009，（5）.

[7]鄒東堯，賈平.“信息論與編碼”課程教學改革探討[J].中國電力教育，2010，（13）.

（責任編輯：王意琴）