工科課程中的科學精神與人文素養教育

劉 冰，秦曉宏，李夢東

（北京電子科技學院 密碼科學與技術系，北京 100070）

1 信息論與編碼課程教學現狀與背景分析

“師者，所以傳道、受業、解惑也”[1]。作為一名教師，無論講授的是社會科學，還是自然科學，都有為學生培養優秀道德品質，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀的責任與義務。“傳道”是“受業”“解惑”的更高要求，也是大學教育中不可或缺的一部分。為培育理想信念堅定、知識本領過硬的新時代青年人才，更要把“德育”貫徹落實到大學課堂的日常與細節中。在全面提高學生綜合素質的背景下，高等教育課堂教學除了進行知識傳授以外，還需要進一步培養和提高學生的科學精神及人文素養。

在全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記強調：“高校立身之本在于立德樹人。要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人”[2]。在與北京大學師生座談時，總書記指出：“要把立德樹人的成效作為檢驗學校一切工作的根本標準，真正做到以文化人、以德育人，不斷提高學生思想水平、政治覺悟、道德品質、文化素養，做到明大德、守公德、嚴私德”[3]。

對課程思政的認識，應該從更廣泛的角度去理解。通過培養學生的科學精神與人文素養，可以使學生樹立正確的世界觀與人生觀，從而能夠科學、理性地看待問題，也能夠使學生在思考問題的同時，結合現實與應用從多個角度理解問題的復雜性，從而作出更加全面的判斷。認為此項任務只是由人文類課程來完成的認識是片面的。根據多年的課堂經驗，結合學生的發展需求，我們認為工科類課程同樣具有完成此項任務的必要性和可行性。

具體到信息論與編碼課程，定位處于從基礎科學（數學、物理）向應用技術（信息技術）過渡的專業基礎課程[4-6]，是整個信息科學與技術的基礎和總覽式課程，且其內容涉及“信息”“隨機性”等哲學和科學概念，更是在教學過程中有必要關注的問題。課程教學需要達到“不僅學會，而且學通”的目標，使其效果不僅局限在課堂內和專業內，而且是在后續專業學習，乃至工作和生活中都有所體現；同時，很多理工類課程在教學、知識展開等方面也存在著一定的相似性和共通性，這也為學生在本課程學習的基礎上，在其他課程中進行深入理解和融會貫通作了鋪墊，從而在學習相關知識的過程中串聯起相關的知識和能力。

眾所周知，科學成果的探索和發現過程并非一路坦途，而是通過漫長的探索和不斷的否定，進而逐步靠近真理的過程。在這個過程中，許多探索者敢于提出質疑和新的想法，不斷開拓進取，為真理的誕生貢獻了力量，也正是在這個過程中，敢于質疑的創新精神、絕不放棄的執著精神、不斷求索的堅韌精神在一代又一代科學探索者的身上體現出來。如今，在工科課程中，教師可以在課程推進過程中為培養學生的探索和求真品質、人文素養等作出更多努力和安排，為培養具有科學精神和人文素養的學生作出更大貢獻。

2 問題分析及課程內容、主要目標設定

在新的社會環境和教育理念下，高校培養的學生既需要具有扎實的知識基礎和實踐能力，又需要具有較高的科學素質與人文素養。信息論與編碼作為信息技術的基礎，要與高校的辦學定位相結合，與專業的培養目標相符合，使學生了解信息理論基礎和包含信源編碼、糾錯碼和密碼在內的編碼技術[7-8]。更深入的要求是不僅“知其然”，還要“知其所以然”，培養科學精神和高水平的人文素質。只有打好堅實的理論基礎，才有可能在進一步的學習過程中達到一定的高度，因此，除了常規性的課程建設內容外，還需要重點研究以下問題：如何在理論知識的講授中對學生進行思想政治方面的培養與教育；如何在教學中激發學生的學習興趣；如何培養學生發現問題、正確分析和解決問題的能力；如何培養和提高學生的實踐能力等。

對于以上方面，既是各個課程和學科中普遍存在的問題，又是教師較難解決又至關重要的問題，可以嘗試從以下幾個方面解決部分問題：首先要避免單一的理論知識講授，而是與思想政治教育相結合；其次是避免通過強行灌輸等方法進行，而要在日常中逐步進行滲透；第三是調動學生的主動性，真正從根本上培養學生的學習興趣；最后是要培養學生敢于質疑，敢于從不同角度思考和尋找答案的精神。

通過課程研究及成果應用，可以解決當前工科課程教育中重知識輕方法、重技能輕能力的現狀，以信息論與編碼課程為例，探索出一條通過知識教育培養解決問題能力，通過方法傳授啟迪思維方式的道路。高等教育中培養科學精神和人文素質的問題，在人文、思政課程中體現較多，而在工科課程中較少涉及。本研究為此問題的有益探索，可以達到以下目標。

（1）梳理教學內容：與一般意義上的課程相比，各學校更應該緊密圍繞培養目標，發揮學校特色，因此在教學內容的選擇上會有所取舍，要在教學中聯系后續專業課內容，著重引導學生深入理解知識原理，培養創新和獨立思考能力，完善學生相關理論體系的構建，更為之后更好地應用和創新打下深厚的基礎。

（2）改革教學模式：對于具有嚴密體系的理論課程來說，教師的講授仍然處于核心地位，但要充分發揮學生的主動性。鼓勵學生在深入理解原理的基礎上進行嘗試性的創新思考，發揮學生的主觀能動性，在各領域對理論進行驗證或實驗。

（3）改進考核手段：對考核方法進行改革，包括考試、實踐、論文等多種形式，重視對思想方法的考查。改進考核方式是改變學生學習方式和促進學生培養能力的重要手段和標準，可適當減少對知識內容以及記憶點掌握的考查，注重學生獨立思考能力和深入理解能力的考查等。

3 課程教學中需要注意的重點問題

在課程教學過程中，避免簡單地嵌入和生硬地說教，而是緊密依托課程內容，在引入、分析和應用過程中，引導學生采用科學的認識方法，潛移默化地提高學生思想、理論、文化等方面的素質，從而達到思想水平和知識能力的雙提高。在教學過程中，有以下幾個問題需要重點思考。

1）大背景下的課程定位。

信息論與編碼在課程體系中，位于從數學、物理等基礎課到專業課的過渡階段。信息論與編碼課程既涉及哲學中唯心與唯物的概念辨析，又與數論和近世代數的內容相關聯，更是專業課中相關知識的底層原理支持。對于大學一、二年級的新生來說，知識的展開應該符合其認識規律。與教學內容的直接切入相比，按照學科展開規律進行教學，更能體現知識的發展脈絡，便于學生更加深入地理解，同時提高學生分析問題的能力。

在教學開始時，可以引導學生從哲學引入，探討“信息”的內涵，介紹課程內容在認識世界中的地位和作用。例如，在認識世界的過程中，按照物質、能量、信息的順序依次展開，從而使學生能夠深刻理解信息的客觀性，避免陷入唯心主義。隨后進入“科學”的范疇，引導學生學會對物理概念從定性到定量認識，利用數學工具來抽象地抓住問題本質。在信息論的基礎上，讓學生逐步體會科學思想的應用，即進入“技術”領域，主要包含三大類編碼：信源編碼、信道編碼和密碼，特別是要介紹編碼定理對算法的引領作用，充分發揮學生對于算法優缺點的思考判斷能力，使學生依據編碼定理進一步理解算法的設計原理，也為修改和完善各種新算法提供理論依據。

2）基本概念的深入理解。

在課程中，存在著許多基本但卻重要的概念，如“信息”的唯物主義解釋、“隨機性”的深入理解等。對這些概念的理解程度，直接決定著后續應用的正確性和靈活性。在教學過程中，特別容易出現的一種偏向是重視數學定義，而對概念的物理含義沒有真正理解，如最基本的“信息”概念，一般來說，學生如果記住信息量的計算方法，即熵公式，即可以應付后續的學習，但這并沒有對“信息”的概念有深入的認識，未能了解其揭示隨機性的深刻含義，也就不能將其與后續在信源編碼定理中的應用建立聯系。學習與記憶的過程中重要的是對文本概念與數學公式相結合的深入理解，對每個變量和公式的意義進行理解性記憶，才能在后續的應用中選擇合適的公式并全面理解各式表達。類似的例子還有條件熵和互信息的概念。如果不了解互信息代表的是信道上傳遞的實際信息，也就難以理解信道容量和信道編碼定理，對后續各種信道編碼方法的區別和辨析也就更無從談起，對整個知識體系也會更加混亂，無法真正理解與掌握。

為了更直觀地理解基本概念，特別是概念之下隱藏的物理意義，在解釋時可應用類比的方法，將編碼理論中一些較難理解的概念與日常生活中的物品等進行類比，便于學生深入理解更為復雜的公式意義等[9]，如信道與高速公路、信道容量與水杯容量等。

3）主要關系的辯證討論。

在哲學中，會討論許多基本關系問題，如“物質與意識”“科學與技術”“思想與方法”等，這些在本課程中都有反映。以“思想與方法”的關系為例，在信息論與編碼中，三大編碼定理即是思想性的總結，既指明了研究的方向，同時又給出了衡量標準，而具體編碼算法即為其實用與實現，具有多樣性；如信源編碼定理指出熵編碼的手段為壓縮冗余，在無失真的情況下其極限為信源的熵，在這一思想的指引下，有類似霍夫曼編碼、費諾編碼等各種不同的壓縮編碼方法，通過考查壓縮后的長度與熵的接近程度可以評判方案的性能；同樣，在講解思想和應用的關系時，可類比“能量守恒定律和永動機研究”的案例。

4）更廣泛的應用場景。

信息論與編碼是信息類的專業基礎課，雖然其主要為后續專業課程打基礎，擁有廣泛的應用，但其應用也并不局限在專業和學科之中，而是在生活中有著廣泛應用。通過對生活中應用的舉例說明，學生能夠對課程中的基本概念與含義有更深入的理解。

例如，在介紹熵與條件熵的關系時，以學生非常關心的考試答疑為例：從復習之前的最大不確定性，到復習后不確定性的降低，伴隨著熵的降低，學生獲得一定的信息量；直到看到試卷的一刻，熵降為零，獲得全部信息量。通過類似例子，可以引導學生以科學的方式展開思維。信息論相關知識在生活實踐中有著廣泛的應用，尋找生活實踐中的事件，用科學和數學的方式將其標記化、公式化表示出來，可以進一步加深學生對課程內容的深入理解。

4 教學效果

信息論與編碼課程為后續專業課程的展開打下了堅實的基礎。通過課程建設，我校也取得了一定成果。

從短期來看，厘清了為后續專業課程服務、有學院特色的、重視思想方法培養的課程教學內容，形成了教學大綱，對內容進行精選，完成相關教材選定、課件設計工作；深入對理論課的理解，完善課內實驗環節，完成編碼理論課程的實驗講義；為提高對課程內容的熟練度，注重練習，完成編碼理論習題冊的編寫；探討學生自主學習模式，深入掌握課程精髓。

從長期來看，本課程建設將總結教學經驗，爭取建設成精品型課程；征詢后續課程意見，針對本校教學實際，進一步凸顯特色，形成適合使用的講義，為進一步出版教材做好準備；通過理論課的學習，培養學生的科學思維素養，提高學習和研究能力；與學生管理部門配合，實現教書育人目標。

通過課程的建設，預期將在內容上更加貼近專業需求，同時具備學校特色；在形式上更加靈活和具有效率；在效果上有明顯的提高。通過對科學精神和人文素養的培養和關注，摸索一條有效的方法，從而在后續的教學中采用并進行推廣，為該課程的體系完善和內容充實打下基礎。

5 結 語

信息論與編碼課程是信息類專業的基礎課程，在整個課程體系中起著重要的作用。傳授知識技能的同時培養學生的科學精神和人文素養，從而培養綜合素質高、全面發展的人，是對課程教學的更高要求。課程教學組長期從事相關課程的教學和教研，團隊成員參與省級精品課程等的建設工作，獲得多項省部級獎勵，完成了多項相關教研項目。學校特別重視學生思想政治教育，因此課程組在完成專業知識、能力培養之外，在課程思政方面也進行了有益的嘗試，提倡在專業知識的學習過程中滲透學生思想政治的教育，在教學中貫徹“立德樹人”的思想觀念，力求在潛移默化中將學生培養為有理想、有學問、有才干的全面發展的新青年。希望通過本研究能夠拋磚引玉，帶動工科課程中思想政治教育的開展。