新工科背景下信息論與編碼技術課程教學改革探索

明洋，楊洋，羅向龍，安毅生，樊海瑋

(長安大學 信息工程學院，西安 710064)

教育部高等教育司發布的《關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]中指出“以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高的要求，迫切需要加快工程教育改革創新”。

相對于傳統工科而言，新工科更加強調實用性、交叉性和綜合性。對于我國高等院校的新工科建設而言，不僅需要設置和發展一批新興工科專業，培養未來技術和產業發展的人才，同時對現有的工科專業進行改革創新，通過課程教學、培養模式的改革，增強學科交叉的復合型、提高學生的創新能力和學習能力。

現代通信系統和網絡已經成為支撐國民經濟的基礎建設之一。云計算、大數據和5G 技術的發展，不斷推動著人類社會發展前進。人類社會進入高度信息化的時代，信息成為重要的資源，人類生存已經離不開信息的交流、傳播、組織、處理和利用。在新工科時代背景下急需掌握信息論與編碼技術的電子信息、通信工程應用型人才。

作為信息類專業一門重要的專業基礎必修課程，信息論與編碼技術課程應緊跟時代發展，與時俱進，和教育部提倡的新工科教育相適應，以學生為中心，改革教學方法、實踐環節和考核方式，開闊學生視野，做到產學研緊密結合，培養具有獨立思考能力、自主學習能力、解決實際問題能力和創新創業意識的高素質應用型人才。

一 信息論與編碼技術課程教學的特點

信息論與編碼技術課程是利用數理統計方法研究信息的度量、編碼和通信的科學，是電子信息、通信工程專業的核心基礎課，對信息科學知識的理論研究和通信應用有著重要的指導地位。該課程圍繞通信系統中信源、信道和信宿三個基本單元，闡述信息傳輸、處理、存儲和控制。通過對通信系統有效性和可靠性的研究，實現通信系統的優化設計。課程需應用大量數學課程知識，如高等數學、線性代數和概率統計等，大量的理論證明和推導[2-3]，因此對學生邏輯思維能力、空間想象能力要求較高。通過該課程學習，學生能夠掌握信息論的相關知識、概念和原理方法，培養邏輯思維能力和創新能力，從而具有在信息領域從事科學研究，解決工程實際問題的能力。

在信息類專業的所有核心課程中，信息論與編碼技術課程是抽象程度最高且滲透性最強的一門，以此為起點開展新工科背景下的課程教學改革，能夠迅速輻射影響到其他核心課程，并最終成為信息類專業新工科建設的重要抓手。

二 信息論與編碼技術課程教學存在的問題

信息論與編碼技術課程是工程實踐中抽象概括的理論知識，既有較強的理論性，又有廣泛的工程實踐背景。目前，該課程的教學與行業需求及前沿應用脫節，與新工科建設目標及內涵不符。面對新興技術產業的高速發展，為了適應新一代科技革命與產業變革，滿足信息安全、計算機和通信工程等相關專業人才培養的目標，急需對信息論與編碼技術課程進行創新改革和升級改造。目前該課程教學中存在的問題主要體現在教學內容、教學方法、教學實踐和思政元素等方面[4]。

（一）教學內容抽象，學生理解程度不夠

信息論與編碼技術課程作為一門理論性很強的應用科學，主要講述的是信息科學理論與編碼技術，要求學生具有很好的數學基礎，其課程內容涵蓋了理工科所學的大量數學課程知識，比如高等數學(信道容量)、線性代數(信道編碼)、概率論和數理統計(信源信道模型)及隨機過程(連續信源熵)等，需要的基礎知識量多、面廣且度深，學生不能熟練掌握。此外，學生面對大量的公式推導證明產生畏懼心理和為難情緒，同時課程知識點繁雜、內容抽象和理論性強，教學難度高。

（二）教學實踐欠缺，學生創新能力不足

目前，信息論與編碼技術課程在大多數高校的電子信息類專業被當作一門純理論課程進行教學，缺少開放型、設計型及應用型的教學內容和實踐環節，學生只理解了基本知識，不知道如何將其與實際應用聯系起來，造成理論與實際應用脫節，學生不具備提出問題、分析問題和解決問題的能力，加深了信息論教學與實際工程的鴻溝，背離了新工科建設的方向。

（三）教學方法單一，學生學習興趣不高

在具體教學上，信息論與編碼技術課程的教學方式主要采取的是傳統的講授方式，學生以聽為主，疏于聯系實際應用，學生覺得僅僅是一門理論課程而已，不能深刻理解信息論的內在含義。同時教學包含了太多復雜的公式推導過程和證明過程，這些枯燥的理論知識忽視對抽象概念和定理的物理意義的合理闡釋，導致學生對課程理解程度不夠，加之編碼技術的復雜性，很容易讓學生敬而遠之，產生厭學狀態，缺少學習的積極性和主動性。

（四）思政元素挖掘融入不夠，思政育人不足

目前，信息論與編碼技術課程的教師多為邏輯縝密、忠于數據的理性群體，天然缺少思政素養，同時課程教學以教授書本內容為主，只注重專業素養，幾乎不涉及專業知識背后所蘊含的精神文化價值和深刻哲學含義，不能引發學生的深入思考，缺乏對學生的思維方式的改善，價值引領、精神培養、愛國情操和人生觀的樹立，不能達到德智并舉的育人效果，無法實現“立德樹人”的根本任務和“為黨育人，為國育才”的初心使命。

三 信息論與編碼技術課程教學改革措施

信息論與編碼技術課程教學改革著眼于培養適應新工科要求的工程技術人才，提升學生工程實踐能力和創新意識。針對課程存在的問題，從教學理念、教學模式、教學內容、考核體系、教學方法和課程思政六個方面進行教學上的改革探索和實踐，進而提高教學效果。

（一）教學理念方面

目前國家和產業需要的已不再是傳統的工程師，而是既掌握理論，又精通實踐的研究型、貫通型、交叉型和創新型新工科人才，信息論與編碼技術課程教學堅持以國家需求、產業需求為導向，根據新工科建設模式，打通理論與實踐之間、數學概念與物理意義之間的壁壘，夯實基礎，探索前沿，促進交叉，將行業對人才培養的最新要求引入教學，將科研成果轉化為教學，激發學習熱情、興趣和主動學習的積極性，增大課程的張力，讓學生掌握學習方法的同時能夠通過學習掌握信息論知識的基本理論，解決科學研究和工程應用中的實際問題。

針對產業需求、課時壓縮現狀和工科學生的知識結構特點，教師需要更加深入地理解課程內容，梳理課程脈絡，抓住課程的本質，提升課程能量密度，提高教學效率，進而保證教學質量。課程教學的知識點應采用重概念、輕推導及重應用的沙漏型教學結構，使知識快速落到實處，避免復雜的推導過程占用過多課時，干擾教學主線。教師遴選信息論與編碼技術課程的核心教學內容，利用有限的課堂時間來講授重點和難點。

（二）教學模式方面

課堂教學模式采取以學生為中心，教師引導學生規劃自己的學習活動，學生對自己的學習負責[5]。在整個教學過程中，學生是主體和中心者，教師僅僅是引導者和輔助者。教師利用各種教學手段和方式為學生創造良好的學習氛圍和環境，從而激發學生學習的主動性和自主性。利用“引導-發現”模式，使學生從具象圖景或已認同的常識出發，逐步展示抽象概念和理論的產生過程，闡明物理含義，進而聯系實際應用，加深學生對知識的理解程度，使學生獲取的知識是有根有葉、有生長能力的有機體。

習題作業采用“問題-探究”模式，學生自主探究開放式問題，培養對知識的靈活運用能力和創新能力，掌握適合自己的學習方法，適應社會的需求。教育肩負著培養民族創新精神和培養創造性人才的重要使命，在信息論與編碼技術課程教學過程中，注重培養學生發現和解決綜合應用問題能力，提高創新力，促使學生從模仿思維到創造思維轉變，把知識轉化為實踐能力，促進有效的學習。

以新工科人才特征為引領，結合學科的最新前沿，將學科最新理論及其技術有效地與課程內容有機結合，實現與學生資源共享，促進學生對知識的發散、滲透和交叉，既掌握扎實的理論知識，又了解學科發展的前沿動態、科技成果和先進技術，激發學生的學習興趣和創新意識，拓展學術視野，為適應未來技術變革、知識更新奠定基礎。

（三）教學內容方面

信息論與編碼技術是一門多學科交叉的課程，利用數學知識研究通信系統中信息傳輸、提取和處理的學科，目的是提高信息系統的有效性、可靠性和保密性。按照香農信息論的體系(圖1)，主要內容分為三大部分：壓縮理論、傳輸理論和保密理論。通過讓學生整體宏觀地了解課程的全部教學內容，從而做到有的放矢[6]。

圖1 經典信息論內容體系

課堂教學內容根據預先設定的教學目標和學生的實際情況，結合當今社會信息與通信領域的新技術、新理論，對教學內容做出適當的取舍，找出側重點。課堂教學內容分明暗兩條線安排。

明線圍繞著信源概念、信源編碼定理、信道編碼定理及率失真信源編碼定理的概念、公式、結論及應用，使學生真正理解信息論的核心內容。在理論上可以做到：以任意接近熵的速率實現無失真信息壓縮；以任意接近信道容量的速率實現可靠信息傳輸；以任意接近率失真函數值的速率實現熵壓縮。

信源部分通過介紹離散無記憶信源自信息量、互信息量的概念推廣整體意義下的熵和交互熵，重點闡明交互熵的物理含義，同時了解各類熵之間的關系；信道容量從含義和單符號離散信道的信道容量計算到特殊信道、一般信道信道容量的計算，最后給出香農公式；信源編碼分為無失真信源編碼和率失真信源編碼。無失真信源編碼重點放在原理、具體編碼方法(香農、費諾和哈夫曼)及其性能指標分析；率失真信源編碼重心落在原理和物理含義上；信道編碼側重討論引起錯誤概率的原因及線性分組碼的基本概念。

暗線則從三大編碼定理證明中抽取通用方法及信息論研究中的其他重要方法，著重講授方法的具體思想。如：型方法可導出的漸進等同分割性及典型集、分箱和隨機編碼方法都可用于三大定理的證明；對偶方法可從信道編碼出發構造率失真編碼。此外，在學生掌握基本概念方法后，通過前沿知識的介紹激發學生的創新思維，如講解哈夫曼編碼時介紹哈夫曼編碼在圖像壓縮方面的前沿成果，調動學生的學習興趣，提高教學質量。

（四）考核體系方面

根據提高學生素質和能力的培養為目標，建立適應新工科人才創新能力培養的考核體系，從而更好地評價學生的學習效果，實現從傳統的知識考核轉變為學生的知識運用能力和解決問題能力的考核。

信息論與編碼技術課程的考核適當調整占分比，考核分為平時考核(40%)和期末考試考核(60%)兩部分，從而把握學生學習的進度和知識掌握程度，同時對教學全過程進行過程控制。

課程的平時考核中包括考勤、開放式作業和專題討論等，以一定比例納入平時考核，最大限度激發學生的自主性和創造性，加深學生對知識掌握的深度和廣度，鍛煉解決復雜問題的能力，同時也有利于教師及時發現問題、改進教學，形成良性循環。課程的期末考核采用閉卷形式，注重考核概念原理方法的掌握情況，同時通過減少試卷客觀題，增加具有挑戰性和競爭性的綜合性主觀試題，突出對學生分析理解和解決問題能力的考核，鼓勵學生獨立思考，表達獨到的見解。

通過改變考核體系，避免學生以期末突擊復習作為最終成績的片面性，更好地把握教學過程中的偏差和不足，強化學生對知識的重視，更加準確地反映學生的學習效果，滿足新工科人才培養需求。

（五）教學方法方面

隨著信息技術的發展，改變傳統單一的授課模式和突破時空限制，使教學的手段和方法更加立體化，給新工科教育帶來新機遇。教學方法應該以“學生為中心”展開，以學生的興趣進行調整，增加學生創新性，提高人才培養質量。

信息論與編碼技術作為專業核心課程，采用“線上+線下”的混合式教學方法。課堂線上教學利用多媒體教學和板書結合模式，利用多媒體課件將圖形、文字、音頻及視頻等不同信息結合，提升教學效率；復雜理論推導通過板書實現，有利于學生跟隨教師思路，增強邏輯思維能力。課堂線下教學中，利用慕課、微課等網絡資源[7]，學生對課程的知識點進行學習和知識的擴展，滿足學生個性化需要，實現從被動學習模式到主動探究式學習模式的轉變。

改變傳統“教師講，學生聽”的課堂方式，信息論與編碼技術課程采用翻轉課堂教學方法，使得主動學習意識差、創新能力不強的學生能夠參與到學習中，提高教學效率。課堂下學生圍繞教師布置的任務，利用慕課等資源進行自主學習，同時查找和收集各種資料并理解掌握，預習好課堂學習內容；課堂上學生設計和講解內容，教師充當輔助和引導的角色，和學生進行探討和答疑。通過這樣的課堂模式不僅展現了學生的學習情況，了解了學生的知識掌握程度，而且讓學生更多地參與課堂教學中，提高了學習能力和積極性。

課堂授課環節通過問題引導方式和基于案例教學方法，增加學生獨立思考和邏輯思維能力。對于抽象的教學內容，有針對性地結合相關行業工程案例，通過案例具體講解信息論知識點的相關應用，把原本枯燥抽象的理論知識轉化為現實的、直觀的內容，學生更容易接收和理解知識內涵及其現實應用。

（六）課程思政方面

隨著傳統工科向“新工科”的升級改造，信息論與編碼技術課程作為電子信息類新工科專業的根基部分，必須堅持馬克思主義的價值導向，堅持立德樹人，踐行社會主義核心價值觀，將思政元素融入課程和新工科中，融入課堂教學和學生的思維模式中。

整合行業發展技術，引入工程理念，突出前沿科技，深入挖掘信息論與編碼技術課程的內容和教學方式中所蘊含的思政元素，引入課堂激發學生的學習興趣，拓寬知識面，通過香農成功經驗樹立學生嚴謹求實的科學精神，通過北斗導航、“墨子號”量子衛星實例鼓勵學生要有勇于探索的創新精神，分組討論形式激發學生合作互助的團隊意識，數據保密教學內容的講授增強學生愛國情懷、國家安全觀和社會責任感[8]。

用好信息論與編碼技術課堂的主渠道，完成好“立德樹人”的根本任務，在知識傳授中進行價值引導，達到顯性教育和隱性教育相融合的立體化的思政格局，讓理論知識起到潤物無聲的效果，引導學生樹立正確的人生觀、價值觀，培養德智體美勞全面發展的中國特色社會主義的建設者和接班人。

四 結束語

為了響應教育部新工科建設目標，圍繞新工科理念，把培養具有創新創業能力的復合型人才的培養目標與教學內容相結合，貫穿整個課程教學過程。本文針對電子信息類核心課程信息論與編碼技術的傳統教學問題進行改革，設計與新工科人才培養能力相適應的教學內容、教學模式、教學理念、教學方法和課程思政，注入新的理念，理論與實踐相結合，提高學生自學能力、思考能力、應用能力和創新能力，使學生具有寬厚的知識視野和理論基礎，從而培養出具有貫通型、復合型、創新型和實踐型的新工科人才。