信息類理論課程的實驗教學改革與研究

◆秦立峰 郭 交

信息類理論課程的實驗教學改革與研究

◆秦立峰 郭 交

文章以信息論與編碼、隨機信號分析的本科教學方法理論基礎，采用理論研究與實驗相結合，學生參與和實驗效果反饋相結合，開展與理論課程相適應的實踐教學方法研究，探討如何把工科課程指向實際應用的特點加以發揮，在教學過程中引入綜合作業、實驗、實習等的綜合考核形式。

信息類；實驗教學；教學改革

信息論是運用概率論與數理統計的方法研究信息、信息摘、通信系統、數據傳輸、密碼學、數據壓縮等問題的應用數學學科。自香農提出信息理論以來，在大學中開設信息理論課程已有近半個世紀的歷史。今天，信息論已經成為高校電子、計算機、信息與計算科學等專業的必修課。“隨機信號分析”課程是電子工程、通信工程和信息工程等專業的一門學科基礎課程。該課程系統地介紹隨機信號的基本概念、隨機信號的統計描述和隨機信號變換的基本理論及應用，介紹信號檢測、估計和濾波等信號處理理論的基本原理和信息提取方法，內容主要包括：概率論基本知識、隨機過程、基本概念、平穩隨機過程、功率譜密度、隨機信號通過線性系統、窄帶隨機過程、隨機信號通過非線性系統和特殊隨機過程，課程理論性極強，經典內容分量重。

一、信息類理論課程的教學改革狀況

傳統上認為信息論和隨機信號分析都是理論課。在這兩門課程的教學形式上，普遍較重視理論教學，輕視實踐能力培養。形式上主要是課堂教學、理論的講解、公式的推導和定理的證明等，缺乏綜合應用能力的訓練，導致學生在課程學習后，還不知道所學知識有何作用；另一方面，當面對具體應用問題時，學生又無從下手。針對這一問題，很多高校教學團隊和教師嘗試在教學內容和教學方法上進行改革，以增強理論課與工程實際應用領域的結合。

在信息論課程教學上，呂佳、孔春香從理論體系與教學內容選取、教材、教學特點與教學方法改進三個方面探討這門課程的教學，并提出了科研案例教學法的新思想。韓玉兵通過研究生教學實踐，提出了 “抓住基本問題，強化重要概念，突出關鍵定理”的教學方法，同時輔以生動圖示說明和通俗語言講解，收到較好的教學效果；張小峰等嘗試以培養學生自主學習能力為主的教學模式；鄧家先等提出了一種本課程教學內容改革方案，更加注重闡述基本理論及其物理意義，避免復雜的公式推導和證明，達到基本教學目的；姜楠等采用嵌入式技術，實現了一個信息論與編碼理論教學實驗系統，并給出了實驗內容的安排原則，該系統是一種小型教學實驗儀器，能幫助學生深入理解課程內容；張正言等利用Matlab設計 “信息論與編碼”交互式教學實驗，并以 “二進制熵值的相關計算”為例，給出了實驗教學的主要內容和方法，加深了學生對課程內容的理解，有利于提高學生分析問題的能力和綜合實踐能力。

與國內的情況相比，美國很多大學 “信息論”課程和“隨機信號分析”課程有很大不同：按專題安排教學內容；注重實踐性練習，每次課結束，授課教師都要給出2～4道習題，每道習題又包含若干個問題；這些習題不同于國內類似 “求一個事件發生的自信息量”這樣的套公式計算的習題，而是綜合設計類的實驗型習題，一般采用Matlab編程環境，由學生在課下完成；重視學生學習過程的參與和互動，鼓勵學生之間的共同研究，并強調自主學習；課程考核采取多方面綜合考核，這就要求課后必須認真完成習題。

二、信息類理論課程教學目前存在的問題

總體來看，目前信息類理論課的教學都還沒有完全擺脫或者更大程度依賴于課堂講授和傳統的知識灌輸，從課程內容選擇安排、作業習題布置、平時教學過程考核和過程控制、實驗課和實驗內容設置以及考核等方面來說，還有很多需要思考和改進的地方。目前的問題可歸納為以下幾點：①課程內容的選擇：講授的內容局限于教材中純理論的講解、公式推導和定理證明等；對于工科專業學生來說，這些與其培養目標并不完全符合；②作業和習題的設置：僅僅是為了強化定理公式的記憶和套用，而忽略了這些理論成果實際應用的實際意義；③缺少有效實驗，理論與實踐脫節。目前這些課程還沒有一套好的實驗內容、實驗方法與理論知識相配合；因此需要設計與課堂教學相適應相配套的實驗指導。

三、信息類理論課程教學改革的探索

基于現行的信息類課程教學現狀與存在的問題，必須對其進行改革。針對目前沒有統一完善的適合電子信息工程專業本科生信息論、隨機信號分析實驗課程設置的問題，從素質教育的要求出發，根據本科教學大綱，探索課程的實驗課體系建設，解決理論與實踐脫節的問題。而亟須解決的主要是以下兩點：①通過對教學內容選擇，精簡內容，弱化公式推導，解決教學方法單一，純理論內容講解和灌輸式授課的方法問題；改變授課方式，激發學生學習興趣；②通過課程綜合實驗大作業和整套課程實驗設計，使理論學習真正與實踐結合起來，解決理論實踐相脫節的問題。

1.實驗教學模式的改革

從素質教育的要求出發，研究理論課的實驗教學模式。具體內容包括：以加強學生的理論知識掌握和提高學生動手能力為目的，研究實驗課程課時的設置、實驗內容的選擇、實驗與理論相配套的實施途徑；編寫實驗教材并用于指導學生實驗；評價實驗課的教學效果。設計課程的實踐作業；設計課程綜合大作業；設計與理論教學相配套的實驗內容，并編寫實驗指導書。探索實踐課內容設置以及實踐課在理論知識掌握中的作用評價方法。這其中最主要的是以下三個環節：課程實驗性大作業題庫設計、實驗課內容的設計和實驗用書或實驗指導材料的整理。可以概括為三部分內容完成。具體如圖1所示：

圖1 實驗教學體系設計

首先，教師設計實驗性綜合大作業、課程實驗等實踐環節，并要求學生在設計中提出自己的意見和見解，這一過程可以促進學生對理論知識的理解，建立與實踐的聯系；其次，將設計好的實踐環節用于教學中去，通過學生對實踐效果的反饋，逐步改進各個實踐環節的內容設計，經過多次的互動、反饋，最終形成實踐性綜合作業習題和課程實驗指導教材，建立兩門課程的實驗體系。

2.教學方法的改革

在教學方法上可以采取師生互動教學法和反饋教學方法。師生互動教學法是在實驗性環節的設計上，注重體現課程內容的同時讓學生參與實驗內容的設計。采用反饋教學方法，則是學生對實驗的內容設計、方法設計和實驗效果進行及時反饋，全程跟蹤學生實驗環節的執行情況，并動態地改進實驗的設計。

不管采取哪種方法，都應該做到師生互動。而這兩種方法都能夠實現學生的參與程度擴大，各個環節的設計都有學生參與，并通過學生的親身參與實踐后的效果反饋，進一步改進和完善，是一種教學模式上的創新；其次，對理論性較強的課程的實驗方法進行探索，最終形成一套較好的課程實驗教學體系和成果，是一種成果上的創新。

3.作業與課程考核方式的改革

首先是對課后作業的形式與內容進行改革。從理論聯系實際的角度出發，針對 “信息論”和 “隨機信號分析”兩門課的課程特點加以改進，特別是研究課后作業的形式和內容，改變傳統的 “記公式-套公式-做習題”模式，豐富課后作業的形式和內容，增加綜合性作業題、實驗性設計題的比例和容量。

其次是課程考核方式的改革。從因材施教、合理考核的角度出發，研究課程考核的方式。改變傳統的 “平時作業+期末考試”的考核方式，從而增進學習動力，提高學生的學習興趣和積極性。研究提高平時大作業的比重和綜合實驗能力考核的比重。

針對目前 “信息與編碼”“隨機信號分析”兩門課程的教學現狀及其中存的問題，提出并探討了信息類理論課的實踐教學方法，以解決該課程長期以來存在的課堂教學與實際應用脫節、理論教學與實踐操作脫節的問題，建立起兩門課程的實驗教學體系和實踐教學模式，使學生擺脫被動地接受冗繁知識的方式，激發學生的學習興趣，對本學科專業的理論課教學方式方法是一種改革和創新，對理論課學習有重要幫助和補充，可獲得良好的教學效果。

[1]童玲,王厚軍.電子信息類專業實驗教學模式的改革[J].中國大學教學,2008,(6):24-25.

[2]陳雪勤,朱偉芳.電子信息類本科專業實驗型課程教學改革研究[J].實驗室科學,2011,(14):51-53.

[3]蔣漪漣.基于LabVIEW電子信息類實驗教學系統的設計與實現[J].現代電子技術,2011,(16):152-155.

（編輯：秦俊嫄）

秦立峰，男，博士，西北農林科技大學機械與電子工程學院講師。研究方向：信息處理與模式識別方面的教學與科研；郭交，男，博士，西北農林科技大學機械與電子工程學院副教授。研究方向：信息與信號處理、智能計算領域研究與教學。

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1671-0568（2015）32-0035-02