信息论与编码课程教学改革研究*

范锦宏 宋鹏

北方工业大学信息工程学院 北京 100144

21世纪是一个高度信息化的时代，学习和掌握信息的基本理论和相关知识变得更为重要。在这种形势下，北方工业大学已经将信息论与编码设为电子信息工程和通信工程专业的本科生和研究生的专业必修课。因此，信息论与编码课程建设的好坏会影响到这些学生的培养质量。

1 教学中存在的问题

该课程是以通信的系统模型为研究对象，以提高通信系统的有效性、可靠性和安全性为目的，结合该模型中的每一个模块对信息论基础和编码理论进行阐述。该课程理论性很强，存在很多公式的证明和推导，而这些与概率论、数理统计、随机过程和高等数学、离散数学以及数值分析等数学知识相关。北方工业大学电子信息工程和通信工程专业本科生和研究生数学仅限于概率论、高等数学和随机过程，这样就导致学生的理论基础欠缺。很多学生已经认识到信息论与编码课程的重要性，但担心复杂公式的推导过程。因此，在课程教学过程中应该调动学生的兴趣和积极性，帮助学生更好地掌握课程内容。

为改善教学效果，提高教学质量，提高学生分析解决问题的能力，课程教学团队在教学内容和方法两方面进行改革，提出改善教学效果的建议。

2 教学内容的改革

2.1 理论部分内容的改革

首先要根据所选教材适当选择取舍教学内容，使教学内容重点突出。目前，教学团队所用的教材是根据多年教学经验所编的由电子工业出版社出版的《信息论与编码原理》。该教材从考虑实用性角度出发，重视基本概念，尽量把教材中所涉及的数学知识限制在学生所学的范围内。同时结合新的相关的信息论与编码知识，把Turbo码的内容加到教材中。课程内容围绕通信的一般模型，包括：信息论的起源、发展和研究内容；信源熵、信道容量和信息率失真函数，以及与这三个概念所对应的三个定理；信源和信道编码。在教学过程中结合无线通信领域的新技术，如多天线技术和协作通信理论等，对教学内容做出适当的取舍，教学重点和难点突出。

其次要侧重物理意义，简化定理的证明过程。由于该课程涉及理论较难，定理也比较多，有些定理的证明过程对学生来说不太容易懂，课上会因推导或者证明使学生感觉太难而导致注意力不集中。虽然教材本身已经想方设法把推导限制在学生所学的范围内，但如果直接展现在学生前面，容易使学生对该部分的教学内容失去兴趣。在课堂教学中，要直接弱化某些定理证明或直接给出结论，以通俗易懂的语言来描述物理意义。可通过列举在通信系统中的实例，强化对相关结论的理解和体会，这样学生可以理解定理公式的内容，有效减少课程抽象性，学生的兴趣和积极性有所提高。

2.2 实验部分教学内容的设置和改革

首先，对于实验教学部分，教学团队选用MATLAB软件作为实验平台。该课程用到大量的矩阵计算，如计算信道容量、线性分组码的编码和解码等，因此，该软件在该课程的实验教学中得到极其广泛的应用。

其次，合理安排实验内容，并且对应分配好实验学时。该课程总学时为48学时，修改教学大纲时已将其中8学时设为实验课时，达到理论和实验的相结合。实验内容的安排上，结合课堂的教学内容，与专业特点相结合，使知识点更容易掌握；除基础实验外，还准备安排一次与课堂教学相结合的综合实验，而且难度要适中。目前所安排的基础性实验有信源熵、信道容量、信源编码和信道编码。下一步综合实验准备安排学生设计并仿真无线通信系统的一个实际例子。

3 教学方法的改革

3.1 理论结合实际，提高学生学习的积极性

电子信息工程和通信工程专业已经备受重视，该课程是这两个专业的重要的基础理论，为了让学生感受通信领域的前沿理论和技术，又能积极学习该课程，必须对教学方法进行改革。在充分掌握和理解课程内容的基础上，结合教师本人所从事的课题关注该领域的最新发展，有意识地将教学中的内容与当前的最新技术如无线通信技术中的协作通信和认知无线电等相结合。这样可以让学生充分认识到学好这门课程对学习后续课程的重要性，同时能扩大学生的知识面。

在信源编码部分时，可以与常见的图像格式联系，无失真的BMP格式图像主要是采用游程编码图像压缩，而JPEG格式是应用变换编码的限失真信源编码，可使学生从具体的实例观察无失真和限失真信源编码的区别。也可举出现代移动通信中信源编码加以介绍，例如3G系统中的视频信源编码H.264。在课程讲解时要抓住课程核心内容的本质，开始先把绪论部分的一般通信系统模型重点讲解，后面每一章都是围绕模型中的某一模块，尽量先说明用例，然后展开。

信道容量和信息率失真函数这两章开始时要强调理论依据，也就是平均互信息量是信源概率分布的上凸函数，是信道转移概率的下凸函数。而信源编码和信道编码通过定理来约束具体的方法。同时由于信息论来自于社会生活，可结合社会生活的实际例子，使学生对对应知识理解掌握。

3.2 增强教学效果，优化教学手段

由于该课程的内容理论基础难，学生理解起来困难，教学手段的创新对激发学生兴趣起着至关重要的作用。当前，北方工业大学都采用多媒体教学形式，这样可扩大课堂的信息量，省去传统的板书时间，更好地提高课堂效率，增加形象性和生动性。例如，在介绍信息的概念时可从一些图片引入，使学生对这个概念更加直观理解。但传统板书有其自身优势，要采用板书和多媒体教学相结合的教学手段。制作多媒体课件不是单纯地把教材内容放到课件中，要利用多媒体优点，通过动画和例题分析把教学重点难点生动地展现出来。为与本节课程教学内容具体应用相关，课前搜集出与课程相关的资料，以图、表、音频和视频的形式呈现给学生，尽最大努力做到使学生通俗易懂地掌握该知识点，同时补充课程内容。

在霍夫曼编码部分，要使学生理解变长码对数据压缩的作用，同时该码应用于视频编码中，如常用的VCD和DVD等格式的信号，这样让学生知道所学的知识点的实际应用，学生积极性提高。但教师不能因使用多媒体的形式使讲课速度加快，学生跟不上。要根据学生的理解情况适当调整讲解速度，提高学生的注意力。同时要鼓励学生平时查阅与知识点相关的实际应用，这样能更好地掌握理论知识，同时能培养学生的信息检索能力。在教学过程中，教师可以先演示MATLAB软件实现结果，让学生对知识点有感性认识，然后学生再自己编写程序操作实验，加深理论的理解和掌握，提高学生分析解决问题能力。

另外，针对每一届学生的实际情况，对学生实验环节的完成做好监督和考核，具体包括课上实验的验收和课后实验报告的批改，给出成绩，作为平时成绩的重要考评依据，使实践教学内容真正起到应起的作用。

3.3 注重与学生的交流

学生对待同一事物会产生不同的看法，对同一个问题产生不同的思考方法。学生对第一次接触的信息论知识的理解与正确的结论会有误差。在教学过程中引导学生说出自己对问题是如何理解的，然后组织大家进行讨论，调动学生积极思考问题，使学生积极参与到教师的课堂教学中，跟着教师的讲课思路，改善课堂教学氛围，产生较好的学习效果。

教师也可以通过这种方法及早发现学生不会的知识点，并对其重点讲解，对教师教学方法的改进起到应有的促进作用，学生学习能力也能更好地提高。在课堂教学中，强调学生平时注重专业术语的积累；指导学生如何查阅文献，阅读与课程内容相关的参考文献，使学生掌握学科发展的最新动态，提高学生开拓知识的能力。

4 结束语

本文结合信息论与编码的课程特点，从学生掌握该课程知识，提高学习能力和分析解决问题的能力出发，从教学内容和方法两方面，对如何提高信息论与编码课程的教学质量、改进教学效果提出一些有益的建议。北方工业大学该课程的教学实践表明，已取得较好的教学效果，对于该课程的教学改革将有待于在今后的教学工作和实践中继续进行深入的研究。

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