“信息論與編碼”課程實驗教學探析

劉澤江

摘要：《信息論與編碼》是高等院校信息與計算科學專業以及電子信息、通信類專業的必修課。《信息論與編碼》是一門理論和實踐緊密結合的課程，書中大多討論的是關于狹義信息的昀基本的理論，內容所涉及生活和工業領域非常廣泛，包括信號濾波和預測、統計檢測和估計、移動通信、遺傳學、神經生理學，社會學等等有關信息的問題。信息論與編碼是電子信息工程、通信工程和信息與計算科學等專業的一門重要專業基礎課。本文就“信息論與編碼”課程實驗教學展開探討。

關鍵詞：信息論;編碼;理論教學;實驗教學

引言

目前，信息論與編碼課程已被越來越多的高校指定為信息類專業的專業必修課程，國內近年來在數學學科下，開設了“信息與計算科學”專業，該專業的開辦順應了當代信息科技對數學日益增長的需要，同時也為數學專業的學生更好地了解、應用和發展信息科學提供了良好的條件，信息論與編碼課程自然成為了信息與計算科學專業的專業必修課程。而對于其中的實驗課程，它是學生更好地認識和感知信息的重要橋梁，因而學生對這一塊的學習也顯得尤為重要。

1信息論與編碼課程的核心內容

人們每時每刻都離不開信息的獲取、傳遞、處理、控制和利用。信息處理技術研究信息獲取、信息傳輸、信息處理與應用，信息產業的核心.信息論正是一門應用概率論、隨機過程和數理統計等方法來研究信息的存儲、傳輸和處理中一般規律的學科。編碼理論以信息論基本原理為理論依據，講述編碼的理論知識和實現方法。《信息論與編碼》一般來說，只針對狹義的信息論，即香農以《通信的數學原理》一文所奠定并發展起來的信息度量及表示理論及其方法。它試圖回答兩個問題：如何實現高效通信？如何實現可靠通信？它的昀重要結論是：（1）達到不失真信源壓縮編碼的極限（昀低）編碼速率等于該信源的熵;（2）在失真限定給定的情況下，總存在編碼方式，使得平均碼長達到昀小;（3）只要信息傳輸速率小于信道容量 C，傳輸的錯誤概率可以任意地小，反過來如果超過信道容量，則傳輸的錯誤是不可避免的。信息論指出了通信中信源編碼和信道編碼的極限速率，編碼理論工作者和通信工程師所追求的目標不僅僅是要尋找達到香農理論極限的編碼方法，更重要的是要尋找可以實現的編碼方法。編碼大致可分為三大類：無損信源編碼、限失真信源編碼、信道編碼。

2“信息論與編碼”課程實驗教學措施

2.1理論教學的改革方法

根據信息論與編碼課程的特點，應合理選擇課堂教學內容，針對當代大學生的特點，要求掌握香農理論中的核心內容，強調可與實踐結合的章節的重要講解，譬如離散信源編碼，離散信道信道容量求解。減少純粹的定理推導證明，并通過簡潔的實例使得學生深入透徹地理解公式和定理表達的內容。在充分理解課程內容的基礎上，將相關知識和當前的信息技術如移動通信技術、互聯網技術等結合，不僅可以擴大學生的知識面，還可以讓學生在課堂學習的過程中感受到信息與通信領域昀前沿的理論與技術又能有興趣學習相對乏味的基礎理論知識。除了相應的豐富教學內容，還可以采取多種教學手段，將多媒體和黑板相結合，盡量減少黑板帶來的大量證明推導的板書時間，展現多媒體授課的生動形象，還可以增加課程內容的信息量。但也要努力克服多媒體長時間的視覺疲勞而有重點的停頓和強調，吸引學生課堂的注意力。

2實驗教學的引入

2.1合理分配實驗學時，科學安排實驗內容在實驗內容的安排上，應注意以下幾點：（1）實驗內容要緊密結合課

堂教學，又不要簡單重復課堂知識，要將課程內容與專業特點結合在一起，使知識點融會貫通。（2）除了基礎驗證實驗外，還應適當安排一到兩次與課堂教學興趣點相結合的綜合實驗內容。（3）難度要適中。如果太簡單，起不到開展實驗的目的;過于復雜，學生將慢慢失去興趣。結合上面幾點，可以從簡單到復雜安排實驗。例如：基礎實驗可選擇信道容量的計算、唯一可譯碼準則、信源編碼方法、信道糾錯編碼等;綜合試驗可安排學生運用 Matlab軟件自己設計并仿真一個簡單的通信系統模型等。

2.2.2實驗工具和實驗組織

學生在“信息論與編碼”課程實驗中，根據實驗框圖和實驗流程，調用 Matlab相應的函數編寫程序，就可完成相應的實驗內容，并進行實驗結論的分析和論證。實驗前，教師向學生講解實驗目的，回顧相關知識點，講解實驗框圖，演示基于實驗框圖的程序的執行過程和調試方法。演示環節是否有必要實施，可以根據學生的總體狀況和水平來決定，如果大部分學生的理解力和執行力比較強，可以省略這個環節。但演示后的程序不提供拷貝，因為同樣的信號處理流程，用來實現它的編程方法有多種。如果把程序給了學生，容易限制學生的思路，不利于創新性思維的開發。實驗采用分組的形式，每組 3～5名學生，每人分工不同，獨立撰寫實驗報告。這不僅能培養學生的團隊合作精神，也有利于建立良好的學習氛圍。

2.2.3實驗方式與考核方式

實踐教學的目的是讓學生能夠利用各種資源幫助課程的學習，做實驗過程中，鼓勵學生分組討論，互相學習。實驗所用到的代碼，盡可能獨立完成。實驗內容與所講授的內容相適應，分階段完成。當課程結束時，可留出一段完整的時間，讓學生系統地將各程序段整理成一個完整的但簡易的通信模擬系統。并獨立撰寫一份設計報告，內含各方法的理論依據，算法描述，實驗結果，結果分析及所閱讀的參考文獻。考核的目的是監督學生掌握一些基本的知識與技能。包括三個方面內容：（1）基本理論知識掌握程度;（2）文檔組織能力;（3）自己所做工作的口頭表達能力。考核評價由平時實驗完成情況、文檔組織和內容、口頭表達三個部分構成。

結語

信息論與編碼課程是通信信息類本科的專業基礎課，針對該課程的特點和目前教學中存在的問題，對于該課程的教學探索還要在今后的教學過程中不斷摸索中前進，爭取達到良好的教學效果，培養出適合信息新時代的優秀人才。

參考文獻

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