“信息論”教學研究

李威

摘要：文章研究了電子信息類本科生“信息論”課程教學的改革。“信息論”是高等學校電子信息類的專業(yè)課程，與“通信原理”、“數(shù)字信號處理”等其他專業(yè)類課程構成一個有機的整體，對學生對整體專業(yè)學習框架的理解和邏輯能力的訓練起到至關重要的作用。結合教育部提出建立系統(tǒng)化的人才培養(yǎng)體系和各高校的教學現(xiàn)狀，作者從教學內(nèi)容、教學方法、教學手段和教學實踐等方面提出了一些建議，以期對“信息論”課程教學起到一定建設性的作用。

關鍵詞：“信息論”;系統(tǒng)化教學;教學內(nèi)容;教學實踐

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）50-0139-02

我國電子信息類產(chǎn)業(yè)的銷售收入在逐年增長，行業(yè)的從業(yè)人員數(shù)量也在不斷增加，電子信息類產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中的支撐作用日漸顯著。尤其近年來國際上對我國發(fā)起的貿(mào)易戰(zhàn)，讓國家對相關專業(yè)人才的培養(yǎng)更加重視了。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和石墨烯等新興產(chǎn)業(yè)的興起，電子信息類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也呈現(xiàn)出新的特點，電子信息類產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)面臨著新的挑戰(zhàn)[1]。“信息論”定位于高等學院電子信息類的專業(yè)課程，適用于電子信息類的電子信息工程、電子科學與技術、通信工程、微電子科學與工程、光電信息科學與工程、信息工程機器等專業(yè)。近年來，國內(nèi)很多高校對電子信息類專業(yè)課程體系進行了大力改革，從系統(tǒng)集成的角度來看，“信息論”與“通信原理”、“數(shù)字信號處理”、“信號與系統(tǒng)”等課程更合理地構成課程體系。相對于通信類和計算機類其他的專業(yè)課程，“信息論”從數(shù)學的角度來處理通信、存儲、安全等方面的問題，讓學生對整體的知識框架有更深的認識，找出各個課程之間的聯(lián)系，訓練他們的邏輯思維，并鍛煉他們將實際問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學語言的能力。然而在實際教學過程中會發(fā)現(xiàn)“信息論”的課程教學很容易出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象，要么過于偏向理論教學，復雜而枯燥的數(shù)學推導讓學生望而卻步;要么過于偏向于實踐，許多公式在沒有給學生講清楚的情況下直接拿來用，學生對定理的來源和公式的推導一無所知。而且“信息論”課程與“通信原理”有部分內(nèi)容出現(xiàn)了明顯的重疊，這不僅浪費資源，而且對學生的邏輯思維和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度培養(yǎng)沒有任何幫助。因此，我們必須結合相關專業(yè)人才培養(yǎng)的需求以及課程的特點和整理的課程體系指定合理的教學內(nèi)容和教學方法，激發(fā)學生學習興趣和探索精神，掌握扎實的理論知識，培養(yǎng)實踐能力，形成符合高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)的教學模式。

一、“信息論”課程教學現(xiàn)狀

“信息論”是電子信息類學生的專業(yè)基礎課，是研究信息的度量問題和關注信息如何能有效地、可靠地、安全地從信源傳輸?shù)叫潘薜囊婚T課程。學習該課程的目的是讓我們從本質(zhì)上理解大數(shù)據(jù)時代所遇到的各種信息，提取出有用的信息并會操控信息，理解信息壓縮的極限，信息傳輸?shù)臉O限以及安全通信的界限。“信息論”的內(nèi)容本身具有很強的理論性，掌握該課程將會對學生的邏輯性思維訓練和后續(xù)課程的學習均有幫助。但是大多數(shù)院校在“信息論”的教學過程中對學生的要求就不是很高，很多定理公式并沒有給學生深入講解，例如信道容量和信息率失真函數(shù)的極值求解，定長編碼和變長編碼的理論支撐，編碼與香農(nóng)熵之間的關系，以及推導這些定理公式所用到的高等數(shù)學工具（例如拉格朗日乘子法）等。在“信息論”的基礎理論教學方面，學生的反映普遍不太積極，面對復雜的定理公式推導學生和教師缺少互動。教學內(nèi)容的過分理論化導致學生的實踐訓練缺失。教學內(nèi)容的過分面面俱到，反而沒有突出知識重點，讓學生在學習的時候沒辦法做到有的放矢。學生在學習的過程中由于過分關注考試的分數(shù)，導致學習態(tài)度扭曲，在知識能力和考試分數(shù)之間舍本逐末。傳統(tǒng)的教學考核方式讓學生在面對新知識的時候確實有足夠的探索精神，但這已經(jīng)不能滿足新時代對電子信息類人才培養(yǎng)的需求，必須對其進行改革。

二、“信息論”課程教學研究

1.優(yōu)化教學內(nèi)容，緊扣本科生培養(yǎng)目標。“信息論”是一門偏向于理論性質(zhì)的課程，因此課程的教學應當以概念出發(fā)，用數(shù)學語言進行展開，讓學生在掌握基本概念的同時會用數(shù)學語言來描述實際遇到的問題。因此課程的重點包含基本概念的理解，還包括課本中對定理的來源，定理推導的邏輯過程的理解。讓學生明白所學到的任何知識均有明確的理論依據(jù)。另外還要求學生掌握信息論科學中常用到的數(shù)學工具，例如凸函數(shù)、凹函數(shù)在求極值方面的應用，拉格朗日乘子法在求多變量系統(tǒng)的最優(yōu)解中的應用。例如在講到“信道”這一章中求和信道的信道容量問題。教師在課堂上應該先對這個問題進行基本的剖析，從信道容量的基本公式出發(fā)，為該問題的正確求解指明一條路。然后讓學生在課堂上相互討論，利用所教的數(shù)學工具求出信道容量。和信道的信道容量求解相對于常見的對稱信道、準對稱信道，在難度上增加了一個等級，沒有那么容易直觀地看到最終結果。學生在解題過程中遇到困難的時候，可以調(diào)動他們思考的積極性。在最終解決該問題后學生對方法的掌握肯定會更牢靠，而且增加了他們在遇到難題以及新知識時候的信心和勇氣。當然并不是所有的問題均要通過這種方法，讓學生在思考問題的時候張弛有度，既不會覺得新知識沒有挑戰(zhàn)性，又不會覺得太困難而失去積極性。

2.改進教學方法，加深學生對知識的理解程度。大多數(shù)高校目前主流的教學方式是板書和多媒體教學。板書教學的過程一般是以教師為主導地位，學生跟著教師的思路，好處是教師可以按照自己的課堂節(jié)奏來帶動學生。這種方法適合有感染力以及個人魅力的任課教師，但是大多數(shù)教師不具備這樣的能力。而且學生一旦跟不上教師的節(jié)奏，接下來便會對所有的知識跟不上。而多媒體授課的特點是直觀，教師可以有更多的時間去講解課本上的知識，并根據(jù)實際情況進行知識的延伸。對于“信息論”這樣理論性很強的課程，如果全靠多媒體幻燈片來呈現(xiàn)知識，那么很多同學便不會對知識有很強的感同身受，學習的熱情和對知識的理解程度也會大打折扣。因此我們應該結合這兩種教學方式的優(yōu)點以及學生的自身素質(zhì)，尋找更適合該課程的教學方法。任課教師應當根據(jù)教學大綱將課程的知識點按照重要性和難度進行劃分，對于簡單的概念可以直接用幻燈片來呈現(xiàn)，最后能將這些知識點用一個邏輯框架聯(lián)系起來，讓學生從宏觀的角度去理解知識的構架。對于一些具有挑戰(zhàn)性的問題，可以選取一部分在課堂上由任課教師帶領學生一起去推導，讓學生感受知識創(chuàng)造的過程。留一部分作為學生的課后作業(yè)，讓他們帶著課堂上所學到的方法在課后進一步鞏固。

3.重視實踐教學，培養(yǎng)學生解決實際問題的能力。任何與實際脫離的教學都不能算是成功的教學，人才的培養(yǎng)離不開個人實踐能力的培養(yǎng)。“信息論”雖然是一門理論性課程，但是該課程也是為實際應用提供幫助，例如特殊問題的理論最優(yōu)解，信源的無失真編碼和限失真編碼的Matlab程序?qū)崿F(xiàn)，信道編碼包括線性分組碼、循環(huán)碼、和卷積碼的Matlab程序?qū)嵗取．吘箤W生學習每門課程的時間有限，不可能讓學生掌握所有問題的處理方法。因此可以將這些具有代表性問題的解決方法教給學生，從而讓學生更好地適應未來的學習和工作。對于“信息論”的實踐教學環(huán)節(jié)，要選好實踐教學內(nèi)容，制定出切實可行的課程大綱，設計好實驗環(huán)節(jié)，讓實踐內(nèi)容更加貼近高等院校學生的知識背景和生產(chǎn)實際。在實踐的過程中要保持與學生的溝通交流，在遇到困難的時候適當?shù)亟o予指導，并鼓勵學生通過自己的努力去查找相關文獻和解決方法。讓學生按照固定人數(shù)自由組隊，團隊內(nèi)可以自由分配任務進行合理分工，從而促進學生的討論。讓學生自行對問題進行切割，將一個大的問題分割成許多有機組成的小份，并描述出這些問題之間的邏輯關系。在每解決一個問題之后，以團隊為單位對這些問題進行總結，整理出解決問題的方法以及解決問題的心得。通過這種傳遞式的實踐教學手段，可以充分地鍛煉學生的動手能力，培養(yǎng)學生的實際創(chuàng)新能力。

三、結語

高等學校教育強調(diào)重點培養(yǎng)學生的建立系統(tǒng)的知識結構和實踐創(chuàng)新能力，“信息論”是電子信息類專業(yè)課程中同時包含很強的理論性和實踐性內(nèi)容的基礎課程，對學生后續(xù)的科研學習以及以后的職業(yè)發(fā)展起著很大的作用。新的人才培養(yǎng)模式，對“信息論”教學的改革提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，這需要教師不僅要具備本學科領域的知識，還要不斷學習新的教學技能和教學方法，提高自身業(yè)務水平，滿足當今社會對全能型的電子信息類人才的需要。

參考文獻：

[1]趙生妹.信息論基礎與應用[M].北京：清華大學出版社，2015.