信息論與編碼課程教學方法探索

張良

摘要：本文主要探討信息論與編碼實驗教學中存在的問題，提出一定的改革方案。方案的要點以一個涵蓋信源、信道和加密編碼的大作業串聯起教學內容，該實驗需要全班學生分組協同完成，小組間依次傳遞實驗數據和子程序模塊并進行交流討論，便于形成良好的學習氛圍。授課時讓學生穿插討論和演示實驗的各個步驟，有效保持學生的學習興趣。另外，對一些容易理解的內容減少不必要的例題和習題，適當拓展一些學生感興趣的新內容，增加課程的信息量和趣味性。

關鍵詞：信息論與編碼；教學改革；實驗設計；圖像編碼

中圖分類號：TN911-34 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）39-0127-02

一、引言

信息論與編碼是各高校電子信息類本科專業廣泛設置的專業基礎課，該課程綜合性較強，涉及高等數學、近世代數、概率論、隨機過程、密碼學、通信技術等許多領域，學生學習時用到的知識較多。這門課的香農信息論部分可以讓學生對通信理論和技術有更加深入的理解，而信源編碼、信道編碼和加密編碼則注重實踐應用。由于該課程的教學內容對于學生畢業后從事通信領域的科學研究或工程實踐具有廣泛影響，因此，加強信息論與編碼課程的教學研究，提高教師的教學水平，是非常有必要的。[1，2]

二、信息論與編碼課程教學中存在的問題

1.學生的重視程度往往不夠。對于通信工程專業的學生而言，信息論可說是專業基礎課中的基礎課，通過信息論的學習可以加深學生對通信原理等其他專業課內容的理解，但在學生看來，信息論學習的好壞并不影響其他課程的學習，從解題的角度來講尤其如此。另外，各高校研究生招生考試時很少將信息論與編碼作為筆試課程，因此，學生如果從實用的角度出發來判斷一門課的重要性，就會忽視該課程的學習。

2.課程內容帶來的問題。信息論中有很多相似并且互相關聯的概念，還有一些較為煩瑣的推導證明。比如，信源熵和平均互信息性質的證明、一般離散信道的信道容量計算、信息率失真函數參量表達式的解法等。這些內容涉及概率論與隨機過程的知識，比較復雜、抽象，同時還涉及通信方面的一些專業知識，在學習的過程中顯得抽象、枯燥，學生接受起來比較困難。[3-7]

三、信息論與編碼課程教學改革存在的問題

從以上特點出發，各高校任課教師對這門課進行了大量的教學方法研究，所研究的方法涉及教材內容的選擇、多媒體課件的制作和使用、互動的課堂教學方法、增加實驗內容等。其中，增加實驗內容是一項被廣泛提及的重要教改內容，可以為這門偏理論的課程增添實踐色彩，從而讓學生認識到信息論與編碼課程內容的實用價值。[3-7]毫無疑問，增加實驗內容是十分必要的，但如果實驗內容選擇不合理或實驗實現的難易程度設定不當，很難達到預期的教學效果。[8-10]

四、本文提出的教改方案和實驗設置方法

本文提出的信息論與編碼教改方案主要包括以下一些內容。

1.適當調整講授順序，保證編程實驗有充足的時間。教學順序的調整具有可行性。編碼部分與香農信息論有一定的獨立性，學習香農信息論以前，學生在通信原理課程中就已經初步學習過有關編碼的部分內容，因此可以將編碼部分的教學內容適當提前。這種調整有其必要性。一方面，信息論與編碼的實驗利用計算機即可完成，不需要特殊的實驗裝置和設備，因而一般可以作為課外作業布置給學生。按照原來的授課順序，講完信道編碼時，只剩下最多兩周的時間留給學生做編碼實驗，時間少，自然無法進行課堂討論。另一方面，編碼部分講完后，學生即開始分組討論并動手做實驗，在以后的課堂中，適當安排一些小段的時間來討論實驗中遇到的具體問題，讓各個小組在課堂上講解和演示實驗結果，其他學生給出評價，從而形成良好的學習氛圍。

2.以分組協作的形式完成一個大的實驗，串連起編碼部分的教學內容，凸顯其實用性。所設計的實驗是對一個16×16的圖像塊進行壓縮編碼，處理過程涵蓋信源編碼、信道編碼和加密編碼，其中信源編碼是混合編碼，包括變換編碼、預測編碼、游程編碼以及熵編碼，信道編碼和加密編碼采用常用的典型編碼方法。采用這樣一個實驗方案有兩個優點：第一，實驗中，數據在小組間順序傳遞，每一個小組都把自己處理完的結果給下一組，下一小組以此為輸入再做進一步的處理，這種聯系使得小組之間必須進行交流，除了完成本組任務以外，還須了解和關注其他小組的工作。第二，與單步驟的實驗方案相比，該方案能夠讓學生看清各種編碼方法在整個系統中的位置和作用。第三，整個任務具有一定的深度，任務被分解后，每個小組的工作量又都可以設計得比較合理，不會讓學生望而生畏。

3.對授課內容及其重點的調整。講解香農信息論時，要改變對定理證明過程的教學方法，盡量減少不必要的例題和習題，擴展一些學生感興趣的信息理論和技術，讓學生參與，增加課程的趣味性和吸引力。①香農信息論中有一些定理和性質的推導過程比較煩瑣，將這些推導過程整理成單獨的演示文檔，對學生可能看不太懂的地方加上詳細注釋，將整理好的文檔放在Bb平臺上，或者隨堂給學生，讓感興趣的學生課后研讀。②一些問題和計算對于大學四年級的學生來說非常容易理解，沒有任何難度，應當避免做過多的例題和習題。比如，自信息和信源熵的計算，這些題目往往偏于概率計算，沒有必要進行反復練習。③用每次課的最后10～15分鐘，陸續對各小組的實驗過程和結果進行討論。實驗方案見圖1。

實驗過程分編碼、解碼以及擴展內容三部分，按照學生人數細分成小的任務步驟，相應地將學生分為若干小組，每個小組3～4人，大致讓每個小組平均有兩次任務。對于人數較多的班級，可以在擴展的部分適當增加一些實驗內容。圖1給出的是以9個小組的劃分方式進行實驗時編碼端的工作分配情況。

五、結論

我們已經將本文所提方法用于我校大學四年級學生以及研究生的教學，達到預期效果。研究生班級人數一般較少，每個小組通常只有一名學生，而本科教學班級人數較多，每個小組至少有3名學生，更容易形成好的學習氛圍。

參考文獻：

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