《信息論與編碼理論》課程教學思考

2020-06-15 06:34:20張平

高教學刊 2020年17期

張平

摘? 要：《信息論與編碼理論》課程在信息安全、網絡通信以及計算科學等領域有著重要的應用，是信息安全、應用數學、計算機科學專業的一門重要的必修課程。文章分析了《信息論與編碼理論》課程的重要地位，并結合南京郵電大學計算機學院《信息論與編碼理論》課程的教學現狀，探討在應用型大學設置革新舉措施，并提出了一些小小建議。

關鍵詞：信息論;編碼理論;教學現狀;革新舉措

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）17-0109-03

Abstract： The course Information Theory and Coding Theory has an important application in the field of information security， network communication and computer science and is an important compulsory course of information security， applied mathematics， computer science. This paper analyzes the important position of this course， discusses how to set up innovative measures in application-oriented universities and puts forward some suggestions， combining the teaching status in the school of computer science of Nanjing University of Posts and Telecommunications.

Keywords： information theory; coding theory; teaching status; innovative measures

信息論是由香農開創的一門用數理統計方法來研究信息的產生、傳遞和處理規律的科學。編碼理論是基于信息論的基本原理研究信息傳輸過程中信號編碼規律的一門科學，是數學和計算機科學的一個重要分支，它包括信源編碼、信道編碼以及保密編碼。信息論與編碼理論不但同數學理論、密碼學理論、計算機網絡通信原理等理論有著舉足輕重的關聯，而且已經在信息安全領域以及計算機網絡通信等領域有著及其廣泛的應用。信息論與編碼理論均對數學知識的要求普遍較高，不但要有寬廣的數學知識基礎，而且要有高深的數學理論研究。因此，對于工科專業的學生來說，課程較為枯燥，學習興趣不高。除此之外，還存在知識脫節、斷層，學生學習比較吃力，教師教學比較死板，甚至存在社會職業就業等原因，使得學生產生畏難情緒[1-5]。《信息論與編碼理論》課程教學現狀有待改善，教學走上教師創新引導、學生自主學習的康莊大道仍是任重道遠。

一、《信息論與編碼理論》課程的重要地位

信息是客觀事物狀態和運動特征的一種普遍形式。信息論即是對這些信息規律的研究。信息論一般可分成三種不同類型：1. 狹義信息論是一門應用數理統計方法來研究信息處理和信息傳遞的科學。它研究存在于通訊和控制系統中普遍存在著的信息傳遞的共同規律，以及如何提高各信息傳輸系統的有效性和可靠性的一門通訊理論。2. 一般信息論主要是研究通訊問題，還包括噪聲理論、信號濾波與預測、調制與信息處理等問題。3. 廣義信息論不僅包括狹義信息論和一般信息論的問題，而且還包括所有與信息有關的領域，如心理學、語言學、神經心理學、語義學等。

編碼理論，研究信息傳輸過程中信號編碼規律的數學理論。編碼理論與信息論、數理統計、概率論、隨機過程、線性代數、近世代數、數論、有限幾何和組合分析等學科有密切關系，已成為應用數學的一個分支。編碼是指為了達到某種目的而對信號進行的一種變換。其逆變換稱為譯碼或解碼。根據編碼的目的不同，編碼理論有三個分支：1. 信源編碼。對信源輸出的信號進行變換，包括連續信號的離散化，即將模擬信號通過采樣和量化變成數字信號，以及對數據進行壓縮，提高數字信號傳輸的有效性而進行的編碼。2. 信道編碼。對信源編碼器輸出的信號進行再變換，包括區分通路、適應信道條件和提高通信可靠性而進行的編碼。3. 保密編碼。對信道編碼器輸出的信號進行再變換，即為了使信息在傳輸過程中不易被人竊取而進行的編碼。編碼理論在數字化遙測遙控系統、電氣通信、數字通信、圖像通信、衛星通信、深空通信、計算機技術、密碼技術、數據處理、圖像處理、自動控制、人工智能和模式識別等方面都有廣泛的應用[6]。

總之，信息論與編碼理論是一門理論與應用關系十分密切的學科。它的應用性很強，從它的產生背景、發展與應用內容來看，都可以看到它與電子、通信、計算機技術、密碼技術的發展密切相關，并得到一系列的重要應用。尤其是與近代網絡通信、數據加密與安全技術、多媒體技術密不可分。信息論與編碼理論又是一門十分嚴謹的理論學科，從它的概念定義到問題模型，再到定理與它的證明都是用嚴格的數學語言與邏輯推導完成，因此又可把該學科看成是一門數學學科分支。有如此嚴格的數學理論又有如此巨大的應用背景與成就是本學科的一個重要特點。信息論與編碼理論相關課程已被許多高校的通信工程、電子工程、信息工程、信息安全等電子信息與通信類工科專業指定為專業基礎必修課或選修課，其重要地位不言而喻[7]。

二、南京郵電大學計算機學院教學現狀

《信息論與編碼理論》課程是南京郵電大學計算機學院信息安全專業本科生一門重要的專業選修課程。通過觀摩學習與同行老師交流，發現在教學過程中，有諸多創新舉措值得借鑒學習，同時也存在諸多問題。

（一）創新舉措

1. 以學生為主體，教師引導學生自主學習。教師確保學生在教學中的主體地位，充分調動學生的主動性，引導學生形成自己對知識的正確理解與認識。因此，學院容許學生對教學課程《信息論與編碼理論》進行自主選擇（自主選課），教師鼓勵并引導學生對《信息論與編碼理論》課程的教學內容進行自主學習（課后作業/課后溫習、課前預習）。自主選課體現了學生的主動學習意向和興趣，這為教學實踐活動的順利進行奠定了基礎。課后作業/課后溫習與課前預習能夠熟練掌握舊知識，發現知識上的薄弱環節，從而在學習和理解新知識時能夠快速提高學習效率。

2. 教師在引導學生獲得高深知識和技能的同時，促進學生的全面發展，從而確保傳授知識與發展能力相統一。我院建立健全專任教師班主任制度，讓帶課的教師心態年輕化，也對大學生的知識基礎、知識結構、理解接受能力、興趣愛好、思想行為等有充分的了解，從而對《信息論與編碼理論》課程教學活動具有一定的反哺作用，能夠較為自然的認識到學生的個體差異，因人而異教學，而且能夠及時有效的對存在問題的學生進行輔導答疑。同時，學校積極鼓勵學生參與大學生科技創新訓練計劃（STITP）項目申報以及其他學科項目或競賽活動，學院積極成立專業教師團隊來帶隊輔導，促進學生知識與技能的全面發展。

3. 《信息論與編碼理論》課程是一門理論基礎課

程，課程內容中存在諸多嚴格的數學推導過程，因此板書在課程教授過程中顯得非常的重要。教師多采用演示法與板書相結合的方法，同時也靈活采用隨堂問答等靈活多變的形式，讓教學方法最優化，使得學生能在有限的課堂時間盡可能的掌握所學習的知識點。

（二）存在問題

1. 學生理論基礎知識薄弱、不夠扎實，存在畏難情緒，從而選課人數很少，以至于該課程幾乎到了被取代的地步。該課程對數學基礎有很高的要求，對于工科專業的學生來說，一來計算機學院的學生所學的數學基礎知識比較少，只掌握少量數學基礎知識，如高等數學、線性代數、概率論與數理統計等，學生學習起來費力費神，還不一定能夠掌握，同時學生自主選課也給課程的教學帶來前所未有的機遇與挑戰;二來計算機學院的學生不了解通信工程方向的基礎理論，對通信系統模型及相關知識概念沒有明顯的認識，如信源模型、信道模型、熵、信源編碼、信道編碼等，而且學生學習起來過于抽象。這些因素都對《信息論與編碼理論》課程的教學帶來了諸多阻力。

2. 《信息論與編碼理論》課程理論復雜高深，前沿應用背景知識講解缺乏，學生興趣不強，未能充分了解其實用性與學習價值。我院將《信息論與編碼理論》課程作為一門選修課程，在教學課堂上，教師以理論講解為主，課程內容比較抽象，學生缺乏實際聯系，難以理解，會覺得這門課程是一門應用性不大的課程，缺乏學習的動力。而且，很多學生以應用見長，更加注重學習知識的應用性，缺乏理論知識的探究性，這更對《信息論與編碼理論》課程的教學實踐環節提出了更迫切的要求。

3. 《信息論與編碼理論》課程作為一門選修課程，其考核方式采用閉卷考試的形式，雖然教師的出發點是好的，希望學生認識到該課程的重要性，但抽象復雜高深的理論知識以及閉卷考核方式極難取得優秀漂亮的高分，讓很多學生望而卻步。

三、建議

針對我校計算機學院開設的《信息論與編碼理論》課程教學存在的諸多問題，提出如下建議，以期改進，從而為打造《信息論與編碼理論》課程金課奠定基礎。

1. 采用雙語教學法[8]，準確把握專有名詞的含義與國際接軌，同時將科研進展納入教學活動中。教學有法，但無定法。教師必須熟練運用各種教學方法，使得教學效果最優化，讓學生在有限的課堂時間吸收和消化基本的知識。同時，適當的將自己的教學活動與科研活動相結合，使得教學活動科研化，讓學生能夠充分認識到《信息論與編碼理論》課程的重要用處。信息學隨著社會的發展在不斷的完善，可以在教學過程中加入最新的前沿研究與科研成果，如LDCP碼、稀疏編碼、密碼學等方面的新成果，使學生知道《信息論與編碼理論》課程的重要應用，同時能夠培養學生的科研素養和科學工程能力。

2. 可以建立課程網站或布置一些編程作業，方便學生學習與知識鞏固。《信息論與編碼理論》課程抽象復雜高深的知識，學生不一定能夠及時的消化和理解，除了督促學生端正學習態度、自覺拓寬數學基礎知識、提前預習、及時復習，培養學生自主學習的能力外，建立課程網站，課后探討學習，是一個非常有效的手段。也可以做一些動態視頻放在課程網站上，如通信系統的模型、平均互信息量的概念、各種編碼的方法等，動態視頻的顯示能夠讓學生更容易接受和理解，從而避免因復雜高深的數理基礎與抽象匱乏的通信理論帶來的厭學情緒。還可以讓學生完成一些簡單的編程實現，如使用MATLAB或C/C++語言實現各種編碼方法，從而加深學生對相關知識的理解。甚至可以嘗試首創選修課程實驗，增加學生學習興趣與動手能力。

3. 靈活采用考核方式，注重學生學習思維的提升。學習的目的不是考試，是知識的掌握與學習能力的提升。可以根據學生的情況，對課程內容做適當的取舍，側重案例教學，讓學生對重要理論掌握的基礎上，能夠創造性的提出自己的想法。這樣可以培養學生發現問題，然后探索問題方法，最后解決問題的能力。比如：考核的方式采用閱讀相關文獻寫一篇大論文的形式，讓學生自行探索相關知識的研究進展，培養學生新工科的思維能力。在考核方式上還可以采用學生“上課堂”的模式，由每個學生各自準備15-20分鐘感興趣的課堂內容，進行班級授課，建立教師和學生綜合評分制度。

我校計算機學院開設的《信息論與編碼理論》課程在教學實踐過程中存在的問題，在同類應用型大學中也可能普遍存在。因此，上述建議也同樣適用于同類應用型大學或者院校進行參考。同時，我校采取的一些革新舉措也能夠給其他高校帶來一定的借鑒意義。上述小小建議，如有不當，也請批評指正！

四、結束語

本文首先闡述了《信息論與編碼理論》課程的重要地位，然后結合南京郵電大學計算機學院《信息論與編碼理論》課程的教學現狀，針對同類應用型大學設置革新舉措提供了一些小小建議。

參考文獻：

[1]曹雪虹.信息論與編碼[M].北京：清華大學出版社，2016.

[2]余海峰.“信息論與編碼理論”課程教學改革與實踐——以合肥學院信息與計算科學專業為例[J].黃山學院學報，2016，18（03）：87-89.

[3]徐娟，徐鳴亞.淺談“信息論與編碼理論”課程理論與教學實踐[J].廣東工業大學學報（社會科學版），2003（S1）：126-128.

[4]劉美春.“信息論與編碼”課程實驗教學探析[J].教育現代化，2019，6（32）：133-134.

[5]劉亞榮，謝曉蘭，李新.“信息理論與編碼”教學方法探討[J].教育現代化，2019，6（47）：129-130.

[6]王育民，李暉，梁傳甲.信息論與編碼理論（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2005.

[7]沈世鎰，陳魯生.信息論與編碼理論（第二版）[M].北京：科學出版社，2010.

[8]姜楠，王健.信息論與編碼理論課程的英文教學設計[J].計算機教育，2019（06）：9-12.