面向前沿技術的信息論與編碼課程混合式教學改革研究

詹文　朱威龍　吳不為　卓穎

［摘 要］針對信息論與編碼課程傳統教學過程中存在的理論知識繁雜抽象、課堂形式單一刻板、課堂內容陳舊等問題，文章在深入剖析學生學習困境誘因的基礎上，從教學內容、思政元素、教學模式、考核模式四個方面，探討了信息論與編碼課程的教學改革方案，提出將課程內容與前沿技術熱點相結合、與國家發展熱點相結合，借助信息化線上平臺，構建“三段兩維”式PBL混合式教學模式和“N+2”考核模式，以期為信息論與編碼課程混合式教學改革提供新思路。

［關鍵詞］信息論與編碼；前沿技術；混合式教學；PBL；“N+2”考核

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）23-0042-06

隨著數字孿生、天地一體化通信和AI大語言模型等新技術的快速發展，人類社會正以驚人的速度邁向全新的信息時代。在海量數據信息的浸潤下，“新基建”“智慧城市”“數字中國”等國家重要發展舉措如雨后春筍般涌現，引領著中國在以新技術、新業態、新產業為基礎特征的數字產業化、產業數字化的道路上飛速發展。

信息論作為現代信息科學與技術的重要基礎理論，不僅在數據通信、電子計算機、自動控制等重要工程領域具有根本性地位，而且對生物學、經濟學等傳統學科產生了深遠的影響。它所涉及的香農信息論、信源編碼和信道編碼等方法論及相關理論，在信息的接收、存儲、傳輸和應用的完整分析處理過程中發揮著重要作用，掌握信息論相關知識對從事信息科技領域的人才來說是必不可少的。

各大高校已廣泛開設信息論以及相關課程。然而，部分高校的信息論課堂長期以傳統的線下理論教學為主，教學內容和教學方式都略顯陳舊，與我國社會生產發展需求不符。高等教育的數字化改革和人才培養觀念的革新已受到廣泛關注，教育部早在2019年發布的《教育部關于深化本科教育改革全面提高人才培養質量的意見》中，就重點強調了高等院校必須以經濟社會發展需求和人才培養目標為基礎，全面提高課程建設質量，積極發展“互聯網+教育”，探索智能教育新形態，推動課堂教學改革[1]。2023年，教育部等部門聯合印發的《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案》進一步指出，對現有工科專業全要素改造升級，將相關學科專業發展前沿成果、最新要求融入人才培養方案和教學過程[2]。

信息論與編碼課程作為電子信息類專業本科生的必修課，其改革工作也應積極響應國家號召，緊跟時代步伐，結合新工科的發展理念，培養適應新時代中國社會發展要求、滿足新工科蓬勃發展需求、具備獨立思考能力和自主學習能力的多維度、多層次、復合型信息技術人才。因此，本文針對信息論與編碼課程教學現狀展開探討，從教學內容、思政元素、教學模式、考核模式四個方面提出改革思路。

一、教學現狀

信息論與編碼課程是一門基于概率論與數理統計、隨機過程、高等數學和線性代數等前序課程知識而開設的課程，主要講解信息產生、處理、傳輸和存儲等基本概念，以及通信系統有效性和可靠性設計方法，該課程通常是大三年級的電子信息類專業本科生的專業必修課[3-5]。學習該課程可以讓學生深入了解現代通信系統架構，掌握信息論的相關知識、概念和原理方法，有助于培養學生在信息領域從事科學研究、解決工程實際問題的能力。

盡管信息論與編碼課程在工科核心課程體系中占據重要地位，但在長期的教學實踐中，學生反映存在課程難度大、難以理解和應用等典型問題，主要原因有以下幾方面。

（一）前序課程范圍廣，學生需要具備多維的數學知識

信息論與編程課程內容高度抽象，涉及一些復雜、抽象的數學概念。在教學過程中，如果教師只注重講述理論知識和概念，而缺乏實際應用的解釋和演示，學生可能會感到枯燥乏味，難以理解實際工程意義，容易產生厭學心理，降低課堂的活躍度。

（二）教學內容陳舊，與前沿技術脫節

信息論與編碼課程已經有了多本國家級一流教材和相關課程資源，這些教材和課程資源提供了規范化的內容體系。然而，隨著信息技術的快速發展，理論知識的經典性與工程應用的前沿性并未得到有效的融合。學生在學習過程中常常不清楚課程的工程意義，容易將其誤解為純數學的學科，導致學生難以把握課程學習的正確方向。

（三）思政元素缺失

傳統的課堂教學內容缺乏思政元素，教師在教學過程中過于注重知識傳遞，忽視了課程的人文精神和歷史意義，與社會主義核心價值觀的聯系較少，不利于提升學生的綜合能力，也未能響應《全面推進 “大思政課”建設的工作方案》[6]要求。

（四）教學模式陳舊，課堂數字化發展緩慢

當前，信息論與編碼課程主要還是采取傳統的講授方式。對于本應是主體的學生來說，這種傳統教學方式，在較大程度上弱化了學生的自主性和主動性。近年來，由于疫情的影響，各高校開始采取線上教學，使用了騰訊會議、雨課堂等平臺進行授課。然而，這些平臺僅僅被當作一種遠距離通信手段，課程的教學模式沒有發生本質改變。

（五）考核方式單一，無法全面體現學生的學習效果

部分高校的信息論與編碼課程仍采用傳統的閉卷考試模式，僅憑期末考試成績來衡量學生學習效果，難以全面體現學生的課堂參與度、學習態度和學習效果，容易導致學生過分注重應試技巧。即便學生在考試中獲得高分，也不意味著他們真正理解和掌握了課程內容。

總體而言，當前部分高校的信息論與編碼課程存在內容高度抽象、與前沿技術脫節、思政元素缺失、數字化發展緩慢和考核方式單一等問題，無法滿足新工科建設對高質量人才培養的需求。

二、課程的教學改革

針對以上五個方面的問題，課程組根據課堂中的實踐教學情況、效果和學生反饋，提出了信息論與編碼課程改革方案。

（一）教學內容革新，緊扣前沿技術

信息論與編碼課程的內容具有高度的系統性和理論性，前后內容環環相扣、邏輯嚴謹。現有的教學內容體系一般是從現代通信系統整體架構開始講解，然后采用分而治之的思想，將教學內容模塊化（例如分成信源模塊、信道模塊、信宿模塊）。在模塊內和模塊間，通過數學推導和邏輯推理來講解信息論的概念。這樣的內容體系雖然體現了嚴謹性和邏輯性，但過于瑣碎、冗長的理論探討以及枯燥的授課形式，容易導致學生的學習動力不足。

實際上，信息論作為一門工科專業的基礎學科，其包含的每一個公式和每一條定理都有對應的實際、前沿工程應用案例，例如B5G系統和醫學圖像配準等，許多學生在日常生活學習很可能已經廣泛接觸了這些案例。從學生熟悉的案例、未來可能從事的前沿領域出發，在“學以致用，用以促學，學用相長，知行合一”的理念下豐富信息論與編碼課程的內容，將是該課程改革的重要方向之一。既要實現理論知識的傳遞，又要緊貼前沿技術熱點，本文認為課程內容改革需要從以下兩方面著手。

一方面，課堂上應減少公式推導講解的比重，強化學生對概念的理解。由于信息論中的數學定義以及公式結論往往伴隨著復雜的證明過程，若所有數學公式的推導證明都在課堂上進行詳細講解，教學課時將嚴重不足。因此，適當減少公式推導講解的比重，根據公式的重要程度可以將推導過程分為必須講解、略講或不講。例如，在講解最大熵定理時，可以精講細講，給出完整的推導證明；而對于信息論失真函數公式的推導，則可以略講，只介紹推導過程中的幾個關鍵點，通過布置作業的方式引導學生自學；對于更復雜的公式推導證明，可以在在線教學平臺提供相關文獻，鼓勵學生自行了解。

另一方面，將前沿技術熱點作為課程內容的切入點，并作為學生課后線上活動的擴展點。具體來說，教師需要將教材中抽象的數字符號與實際工程應用案例相結合。在課程開始時，可以選取學生熟悉的工程應用案例，讓學生感受到課程知識點的重要性和趣味性。在課程結束后，通過線上平臺，以話題討論的方式，引導學生探索課程知識點的具體應用細節和前沿應用案例。這樣既可以強化學生對知識的理解，也可以培養學生探索未知、從事研究的能力。教師在前沿技術熱點的選擇上，要全面貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述，面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康。

本文提供了部分教學知識點所對應的思政內容前沿技術熱點作為參考（見表1）。

（二）思政元素融入課堂動脈

信息論與編碼課程不能僅傳遞信息論相關知識，也應該強化落實立德樹人的根本任務，實現“教書”與“育人”雙重目標。信息論與編碼課程缺乏思政元素，其根本原因在于課程內容抽象且數學理論較多，缺乏與實際應用的聯系[7]。要實現信息論與編碼課程的思政元素融入，就需要梳理教學內容，深挖課程中涉及的歷史、時事、以信息論為基礎的科技成就及生活啟示等方面的內容，將具體人物或事件中蘊含的人文精神和科學精神與社會主義核心價值觀相融合，以案例形式或話題形式呈現。

例如，講解熵的相關知識時，教師可以引用薛定諤的著名觀點——生命以負熵為生，人活著的意義，就是不斷對抗熵增的過程，這既有助于生動鮮活地闡述“熵”這一抽象概念的含義，也有助于進一步引發學生關于生命意義的思考，鼓勵他們在面對危機和問題時能夠自律、自強。在講解信源編碼和信道編碼這兩部分內容時，教師可以將這兩個概念進行比較，從而引導學生思考。信源編碼通過去除冗余來實現數據壓縮，要求把握事情發展的主要矛盾，以此鼓勵學生在學習、工作和生活中減負減壓，將精力集中在主要矛盾。信道編碼則通過增加冗余來提高系統的檢錯和容錯能力，以此鼓勵學生在科研過程中保持檢查的習慣。

此外，教師還可以在課堂上舉例介紹AVS壓縮標準、5G系統中的Polar碼、北斗導航系統中的多進制LDPC碼等由我國自主研發的多項前沿技術。這些技術真正展現了我國在信息化環境中的強大實力，使我們能夠在全球科學領域中擁有更多話語權。學生可以從中深刻認識到中國在電子信息技術上所取得的巨大進步，從而增強學生的民族自豪感和自信心。在講述維特比譯碼算法時，可以用“高通稅”這一案例說明通信前沿技術對社會和經濟生活的重要影響，進一步強調科技自立和創新的重要性。

（三）基于線上平臺的PBL混合式教學模式探索

問題導向型學習法（Problem?Based Learning，PBL）[8]于1969年被提出，它強調學習與問題情境強關聯，要求學生的學習圍繞復雜的問題展開，并貫穿以學生為中心、教師為引導、學生自主學習的教學理念，注重培養學生自主解決復雜問題的能力和高水平思維。信息論與編碼課程使用PBL教學法具有以下優勢：第一， 信息論領域的諸多重要理論都是圍繞通信系統的關鍵問題展開的，因此非常適合利用PBL教學法闡述相應理論和知識點； 第二， “問題導向”既是教學方法，也是重要的工程思維。通過在課堂上實施PBL教學法，有利于學生提升個人終身學習能力。

傳統PBL課堂采用學生分組查找資料、教師線下課堂講解、習題練習和提問答疑等方式開展教學[9-12]。學生在學習過程中與教師、同學之間缺乏交流，容易閉門造車，對知識點的理解程度參差不齊；教師對學生學習情況的了解僅限于作業成績，或對每個小組內進行匯報的個別學生有所了解，難以做到因材施教以及把握每個學生對知識的重點、難點的掌握程度。在雨課堂和課堂派等數字化教學平臺被廣泛應用于教學的背景下，如何有效運用線上平臺，打破傳統PBL教學的局限性[13-15]，尤其是面向信息論與編碼課程，構建新型的混合式教學模式，是一項具有重要意義的探索性議題。

針對傳統PBL教學過程中存在的痛點和難點，本文提出了“三段兩維”式PBL混合式教學模式（見圖1），即課前、課中和課后三個階段以及線上和線下兩個維度。

課前階段：教師可以在課堂派在線學習平臺上傳課程預習資料，供學生自主預習使用，使其能熟悉教學內容并發現問題，在預習資料過程中學生可以將自己的困惑發布在互動話題的留言區。在線下的課堂教學前，教師通過課堂派后臺數據了解學生的整體預習情況，并根據學生反饋的問題更新教學課件和適當調整講解重點。同時，教師可以利用課前的時間與學生直接溝通預習情況。

課中階段：教師根據課前階段收集到的反饋內容，精講課程的重點、難點，保證學生掌握信息論與編碼課程的基礎理論知識，并通過課程思政、案例分析引導學生，將前沿技術知識融入教學中，培養學生的創新思維。同時，教師可以在課程間隙或知識點總結之后，通過課堂派在線平臺發布隨堂測試題，通過主觀題答案或選擇題正確率了解學生對知識點的整體掌握程度。對學生而言，在課中階段遇到的問題，他們可以主動通過在線平臺與教師進行交流，向教師提問，教師的及時解答，不僅提高了課堂效率，而且加深了學生對知識點的理解。

課后階段：教師布置思考題，指導學生開展學習，夯實基礎，思考題需要注重題目的高階性和前沿性，激發學生自主探索與思考。教師可以鼓勵學生自行組建學習小組，通過小組作業或成果匯報的形式開展學習，學生之間可以相互交流討論思考題的內容。同時，教師通過在線平臺發布課程的思維導圖，以便學生自查知識體系，并隨時與學生保持溝通，答疑解惑，幫助學生消化吸收課程內容，增加師生互動。此外，課程還可以結合企業微信和騰訊會議等信息化教學手段，縮短教師與學生之間的距離，實現更緊密的互動交流。線上學習資料的共享和實際案例的分析，將有助于學生加深對知識點的理解。在課后階段，教師可以組織匿名評教活動，鼓勵學生暢所欲言，針對課堂教學的內容和形式提供相關建議或反饋，推動信息論與編碼課堂教學逐步完善。

“工欲善其事，必先利其器”，利用功能日漸豐富的在線平臺作為溝通的橋梁，PBL混合式教學模式不僅能夠有效地解決傳統教學中學生參與度不高的問題，而且能夠解決傳統PBL模式下學生與教師溝通不夠及時、了解不夠深入的問題。PBL混合式教學模式既能提高學生的學習熱情，實現“以問促學、以問導學”，又能讓教師準確且及時地掌握課堂教學動態，避免學生對課程知識“走馬觀花、淺嘗輒止”，保證課程知識的完整性和系統性。然而，對于在線學習平臺上眾多的功能，教師需要仔細甄別、按需取用，既要避免給學生徒增負重，也要避免在線平臺淪為考勤簽到的工具。只有這樣才能充分發揮在線學習平臺在信息交互、學情統計、資源共享等方面的重要作用。

（四）“N+2”考核模式

在教學改革探索中，課程組結合形成性評價和總結性評價，構建了“N+2”考核模式，“N+2”考核評價表如表2所示，其中“N”是多維度形成性評價，包括課堂考勤、線上互動、隨堂測驗和課后作業；“2”是總結性評價，即課程期中考試（針對上半學期教學內容）和期末考試（針對下半學期教學內容）。

構建“N+2”考核模式的原因在于，僅以期末考試成績為主的傳統考核忽略了對學生學習過程和課堂參與度的評估，不利于提高學生主動思考問題的積極性。而傳統PBL教學模式中，由于缺少在線學習平臺，考核僅限于小組作業或成果匯報，考核成績往往以等級制劃分，缺乏對不同學生學習情況的具體評價，不利于培養學生自主思考和學習相關知識的獨立性和探索性。因此，這兩種考核模式都不適合開展基于在線平臺的PBL混合式教學。

基于信息化教學手段的“N+2”考核模式，能夠將每一名學生的最終考核成績與其平時學習過程中的課堂參與度、獨立性和積極性、問題解決能力等緊密聯系起來。教師可以在自主學習的全鏈條流程內逐一細化考核分數，鼓勵學生主動參與到每一個問題的“產生—思考—解決—反思”流程中。總而言之，豐富多樣的形成性評價環節，以及每個環節中明確、透明的百分制評分標準，考核方式實現了個性化、多元化、全面性及公平性，有效解決了傳統考核模式中“一考定分數”的弊端和傳統PBL教學模式中“一碗水端平”的模糊打分問題。

三、結語

在新工科建設的時代背景下，以信息論與編碼課程為代表的工科課程，應積極踐行“學生中心，產出導向，持續改進”的教育理念，以學生為課堂主體，充分激發學生的積極性和主觀能動性，培養具備“高水平科技自立自強”的高素質人才。

當前，部分高校的信息論與編碼課程存在內容高度抽象、與前沿技術脫節、思政元素缺失、數字化發展緩慢和考核方式單一等問題，本文提出了一種適用于信息論與編碼課程的PBL混合式教學模式，通過在線學習平臺的豐富功能和便捷特性，打破傳統課堂的時間和空間的局限性。通過引入前沿技術和思政元素，實現了理論聯系實際和“知識+育人”的協同目標；通過構建“N+2”考核模式，量化學生在課堂內、外的參與度和積極性，并對學習效果進行了精準評價。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 中華人民共和國教育部.教育部關于深化本科教育改革全面提高人才培養質量的意見[EB/OL].（2019-10-12）[2023-07-01]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191011_402759.html.

[2] 教育部，國家發展改革委，工業和信息化部，等.教育部等五部門關于印發《普通高等教育學科專業設置調整優化改革方案的通過》[EB/OL].（2023-03-29）[2023-07-01].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202304/t20230404_1054230.html.

[3] 曹雪虹，張宗橙.信息論與編碼[M].3版.北京：清華大學出版社，2016.

[4] 傅祖蕓.信息論：基礎理論與應用[M].5版.北京：電子工業出版社，2022.

[5] 姜楠，王健.信息論與編碼理論[M].2版.北京：清華大學出版社，2021.

[6] 教育部，中共中央宣傳部，中共中央網絡安全和信息化委員會辦公室，等. 教育部等十部門關于印發《全面推進“大思政課”建設的工作方案》的通知[EB/OL].（2022-08-18）[2023-07-01]. https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-08/24/content_570662?3.htm.

[7] 黃英，雷菁，劉嚴，等.工科研究生課程思政改革實踐探索研究：以“信息論與編碼”課程為例[J].工業和信息化教育，2022（9） ：53-56.