面向应用型人才培养的“信息论与编码”教学与实践

安静，汪镭

0 引言

随着我国高等院校与国外大学的教学与科研的不断交流，与世界接轨步伐的不断加快，高校也正在以着力培养具有创新精神和实践能力的、具有国际化视野的一线应用型人才为目的，大力推进教育体制和人才培养模式的改革。在这样的指导原则下，将“信息论与编码”作为电子信息工程，通信工程和信息安全等专业的基础理论课程。该课程作为信息传输和信息处理过程中的一般和具体实现的一门应用科学，提炼了电子信息类专业中有关对信息论基础、信源压缩编码理论和信道编码理论的专业知识，其理论对信息传输和处理系统具有重要的指导意义[1-2]。本院的教学中根据学科发展和知识更新的要求，历经多次改革和调整确定了“信息论与编码”课程的教学模式。

目前，“信息论与编码”课程内容均采用电子教案和教材，充分运用先进的多媒体手段，丰富了授课信息量，提高上课效率。“信息论与编码”大量运用了数学知识，涵盖了工科所要求的大部分数学内容，包括高等数学、概率论与数理统计、线性代数、随机过程。课程中存在大量的理论证明和推导，要求学生抽象思维和逻辑推理能力较高，课程内容多，且前后知识联系紧密，因而深刻理解、全面掌握这门课程困难较大[3]。以培养面向社会需求的应用型人才理念，基于教学理念和教学方法两方面，研究如何变革课程教学，提高教学效果是教学研究改革的最终目的。

培养应用型优秀人才培养模式的改革和发展是一项复杂的系统工程，根据系统建模的思想探讨应用型大学的系统框架的建模。应用型大学的系统框架体系的发展策略，为在教学中理念的变革，并在其与时具进的引导思想的指导下，研究“信息论与编码”创新性理论和实践教学内容的变革与发展，进而研究教学方法和教学以及培养模式的具体实现方式，利用应用型人才培养模式的评价体系对其进行评价，而评价体系指导教学理念的变革如图1所示：

图1 面向应用型人才培养的教学改革模式框图

1 教学理念的变革与创新

要培养面向社会需求的应用型人才，是指掌握应用性知识和具有实践能力的人才，主要面向“一线”，注重能力培养，具有“适应能力、实践能力、创新创业精神”的基本特征。

面向本科教学时，需要使学生清晰的明确信息论的相关知识是为今后走上工作岗位和继续研究深造打下一定的基础，就会激发学生学习这门课程的驱动力。“信息论与编码”是通信的数学理论，对通信的工程时间和进一步科学研究有着广泛而深入的影响，目前信息论已经广泛的应用于如工业、农业、军事、经济、生物、文化、通信、科技等领域。在授课时需要强化这一点，可以帮助学生更好的理解香农信息论三大定理：无失真离散信源编码定理、保真度准则下的信源编码定理和有噪信道编码定理[4-6]，并激发学生学习的积极性。

教学过程设计中，多调动学生的积极性和主动性，教师主动引导，让学生多思考、勤思考，试着自己去寻求问题的答案。为此，通过“向学生提问—学生解决问题—教师对学生的解答做引申”这样3步，将“信息论与编码”中晦涩难懂的理论知识转化为具有工程背景的实际问题，让学生在实例中寻求问题的答案。

2 教学内容的改革探索

2.1 理论教学内容

在“信息论与编码”本科教学中，课程安排主要围绕数字通信系统模型为背景展开，研究信息传输的有效性和可靠性。香农信息论是它的核心阐述内容，其中香农三大定理是“信息论与编码”教学内容的主线。基于这些定理，可以将教学内容分成5部分—信息论的基本概念、信息的度量、信道容量、信源编码（香农编码、费诺编码、哈夫曼编码、算术编码、游程编码等）、信道编码（线性分组码、卷积码、Turbo码、LDPC码）。在这些教学内容中，对概率论、随机过程和数理统计的知识有多处应用，往往工科本科生面对繁多的定理、公式证明会不知所措，尝试在教学过程中对课程内容做适度调整：将大部分精力用于讲授基本概念和含义，适当简化甚至省略那些繁琐枯燥的数学定理证明过程，可以推荐学有余力的学生阅读相关参考材料[7-10]。信息论的基本概念是学习其他章节的基础，在讲授这部分内容时，把侧重点放在物理意义的讲授方面，让学生从具体的物理现象来理解抽象概念。

讲授信源与信道内容时，鉴于数字处理方法是当今的信息处理及编码技术的主流，且模拟部分的大规模集成化也从另一个方面降低了对模拟信号处理的要求，因此教学中选择性将离散信源与离散信道部分作为重点来讲解，同时弱化教学大纲内容中涉及连续信源与连续信道部分的讲解，一方面“通信原理”这门课程已对连续信源编码做了探讨，另一方面可以避免学生因缺乏随机过程、信号检测等基础知识储备而耗费大量精力去理解连续部分的理论。

教学内容与时俱进，信息理论和编码技术是在不断发展和丰富的，在上述基本内容之上，可以适量引入信息技术的部分前沿内容，如Turbo码、LDPC码、多天线MIMO系统、稀疏编码和压缩感知理论等。在讲授这些新技术时，提炼其基本理论和框架，重点讲述新技术的应用特征和模式。例如，Turbo码讲授在编码时采用递归系统卷积码和交织器，而译码手段不仅可采用传统的MAP、Log-MAP、Max-Log-MAP、SOVA，还可利用智能算法如进化算法的启发式寻优机制进行译码。Turbo码在无线通信系统中有非常广阔的应用前景。

2.2 实践教学内容

目前 Matlab软件可以完成通信、数字信号处理、数据和数值分析等仿真。“信息论与编码”在实践教学中也采用Matlab软件，不仅利用运行文件实现仿真，也可引入Simulink实现动态系统建模和仿真。在实践教学方面增加离散信源编码如香农编码、费诺编码和哈夫曼编码的实验项目；通过实验中仿真通信系统所涉及的库函数和模块，多方面介绍信道编码技术，如线性分组码、汉明码、循环码、卷积码和Turbo码，使学生可以直观的构建Simulink仿真文件[6-8]，通过编译能够直观的观察最终的运算和编码结果，帮助学生对这些技术原理有更好的认知和理解，在兴趣的驱使下学生就会乐于探寻新的知识。

教学实践和学生的反馈表明，启发式互动教学能够有效调动学生学习的积极性和主动性，同时锻炼学生提出、分析、解决问题的能力。尽量避免将直接的理论结论教授给学生、让学生死记硬背，鼓励学生思考和发表不同的见解，激发学生的自我学习意识。

在学生完成“信息论与编码课程”后，仍然可以针对课程的特定知识点进行一对一的指导工作，继续指导毕业设计的学生对信道编码技术的持续研究，如将智能优化算法用于Turbo码译码方式的深入研究，并进一步探讨Turbo码改进的译码算法用于无线列控系统安全信息传输的可行性。

3 教学方法与教学手段的探索

在传统教学方式的基础上，应用信息技术和网络（仿真、网上学习或讨论）等技术手段，采用情景教学、兴趣激发和实习、研讨、调研相结合的教学实践等多手段的教学方式。

课程积极倡导新概念、新理论、新思路，及时跟踪国内外研究进展和发展趋势，结合国内外最新的技术及其应用。带领学生进行实例指导、邀请信息专业的专家讲座与研讨，将教师的教学经验与科研体会一同传授给学生，培养学生的真才实干，引导创新。鼓励学生利用业余时间参加相关的课题小组，通过教师帮助学生选题与指导，为学生提供更多的实践机会和平台。教师在教学和科研方面的不断的进步，将最新科研成果不断融入理论教学和实践教学过程，使教学内容持续更新优化。

4 教学改革培养模式的实现方法

教学时注重，用生动的课件和深入浅出的语言表达，吸引学生注意力；通过启发式、互动式教学加深学生理解；丰富的网上资源拓展学生的视野。

（1）利用教师的科研优势，强化案例教学，使学生获得更多应用和实践的直观感受。以课堂教学为本，通过强化课堂研讨环节，促进研究性学习的开展，通过将教学由课堂扩展到课外。通过广泛查阅资料和充分交流，开展综合性实验设计和创新性实践活动，激发学生的兴趣，并引导学生逐步掌握应用型学习的基本方法。

（2）贯彻理论联系实际的原则，加强实验环节特别是增加课堂外综合性实验的数量，为学生在所安排的正规课堂实验外，提供锻炼的机会。课堂外综合性实验均以小组协作的方式完成；鼓励并直接指导学生的课外研学和科技创新活动，通过实践综合利用所学知识以及拓展新的知识能力，并培养工程意识。

（3）利用科研资源和科研成果进行实验建设和网络课件建设，为学生自主学习和应用型学习提供资源支持；通过开放学科实验室，构建由创新性实验、开放性自主研学、高水平主题研学等环节组成的多层次、开放性实践环境，有效实现课内课外的有机衔接，并形成渐进上升式训练模式，使学生一边研究、一边学习，一边实践，理论和实践相互促进。

（4）针对实验与创新实践的评价和评估，其课程考核分为实验部分成绩和课程考试成绩。其中实验部分成绩依据学生在实验过程中的动手能力、分析与解决问题能力等给予不同的权重。

5 基于仿真的实验教学实例

《信息论与编码》课程中的信道编码实验涉及线性分组码、CRC和卷积码等。以卷积码Viterbi译码仿真为例。

CDMA 2000 系统设计了3种类型的卷积码编码器，它们的约束长度都等于9，码率分别等于1/4、1/3和1/2。明确不同码率下卷积编码器产生的输出序列长度与输入信号序列的关系以及生成多项式的表达形式。利用Simulink分别给出（4,1,9）、（3,1,9）和（2,1,9）卷积码的编码器的设计，并设计卷积码采用硬判决和软判决的方式在高斯信道中性能仿真模块图如图2所示：

图2 卷积码译码性能仿真模块

如图3所示：

图3 高斯信道中不同码率下的硬判决译码仿真曲线

在图3中，在维特比译码的硬判决方式下，随着信噪比的不断增大，码率越小，误码率越小，但当信噪比为 4dB时，码率为1/2和1/3的卷积码的误码率基本相等。卷积码采用软判决的方式在高斯信道中性能仿真结果如图4所示：

图4 高斯信道中不同码率下的软判决译码仿真曲线

从图4中可以看到，在维特比译码的软判决方式下，随着信噪比的不断增大，码率越小，误码率越小，但当信噪比为-3dB到-1dB区间时，码率为1/3卷积码的误码率却比码率为1/4的卷积码的误码率小。

采用 Simulink模块进行仿真可以直观的得到不同判决方式以及不同码率与SNR之间的关系，进而得到其纠错性能的优劣。

6 总结

课程随着电子信息工程专业的发展而发展，历经几年的努力和积累，一直有着良好的传统和继承性，又充满了不断发展的活力。时间在飞逝，而它的精髓却一点点在展露。近年来，随着现代信息技术的突飞猛进，以培养应用型人才为目的，大胆改革教学，对内容进行优化和整合，其丰富的教学内容、开拓性的教学改革、国际化的视野可以说在全国同类院校中是领先的。使得理论学习与实际实践有机结合，使得培养的学生进一步与社会接轨，完全满足社会的需求和发展。

[1]仇佩亮.信息论与编码[M].高等教育出版社,2003.

[2]曹学虹,张宗橙.信息论与编码[M].清华大学出版社,2009.

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[7]陈桂明.应用 MATLAB建模与仿真[M].科学出版社,2001.

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[10]宋鹏,范锦宏,肖珂,齐建中.信息论与编码原理[M].北京:电子工业出版社,2011.