信息论与编码课程教学方法探索

张良

摘要：本文主要探讨信息论与编码实验教学中存在的问题，提出一定的改革方案。方案的要点以一个涵盖信源、信道和加密编码的大作业串联起教学内容，该实验需要全班学生分组协同完成，小组间依次传递实验数据和子程序模块并进行交流讨论，便于形成良好的学习氛围。授课时让学生穿插讨论和演示实验的各个步骤，有效保持学生的学习兴趣。另外，对一些容易理解的内容减少不必要的例题和习题，适当拓展一些学生感兴趣的新内容，增加课程的信息量和趣味性。

关键词：信息论与编码；教学改革；实验设计；图像编码

中图分类号：TN911-34 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）39-0127-02

一、引言

信息论与编码是各高校电子信息类本科专业广泛设置的专业基础课，该课程综合性较强，涉及高等数学、近世代数、概率论、随机过程、密码学、通信技术等许多领域，学生学习时用到的知识较多。这门课的香农信息论部分可以让学生对通信理论和技术有更加深入的理解，而信源编码、信道编码和加密编码则注重实践应用。由于该课程的教学内容对于学生毕业后从事通信领域的科学研究或工程实践具有广泛影响，因此，加强信息论与编码课程的教学研究，提高教师的教学水平，是非常有必要的。[1，2]

二、信息论与编码课程教学中存在的问题

1.学生的重视程度往往不够。对于通信工程专业的学生而言，信息论可说是专业基础课中的基础课，通过信息论的学习可以加深学生对通信原理等其他专业课内容的理解，但在学生看来，信息论学习的好坏并不影响其他课程的学习，从解题的角度来讲尤其如此。另外，各高校研究生招生考试时很少将信息论与编码作为笔试课程，因此，学生如果从实用的角度出发来判断一门课的重要性，就会忽视该课程的学习。

2.课程内容带来的问题。信息论中有很多相似并且互相关联的概念，还有一些较为烦琐的推导证明。比如，信源熵和平均互信息性质的证明、一般离散信道的信道容量计算、信息率失真函数参量表达式的解法等。这些内容涉及概率论与随机过程的知识，比较复杂、抽象，同时还涉及通信方面的一些专业知识，在学习的过程中显得抽象、枯燥，学生接受起来比较困难。[3-7]

三、信息论与编码课程教学改革存在的问题

从以上特点出发，各高校任课教师对这门课进行了大量的教学方法研究，所研究的方法涉及教材内容的选择、多媒体课件的制作和使用、互动的课堂教学方法、增加实验内容等。其中，增加实验内容是一项被广泛提及的重要教改内容，可以为这门偏理论的课程增添实践色彩，从而让学生认识到信息论与编码课程内容的实用价值。[3-7]毫无疑问，增加实验内容是十分必要的，但如果实验内容选择不合理或实验实现的难易程度设定不当，很难达到预期的教学效果。[8-10]

四、本文提出的教改方案和实验设置方法

本文提出的信息论与编码教改方案主要包括以下一些内容。

1.适当调整讲授顺序，保证编程实验有充足的时间。教学顺序的调整具有可行性。编码部分与香农信息论有一定的独立性，学习香农信息论以前，学生在通信原理课程中就已经初步学习过有关编码的部分内容，因此可以将编码部分的教学内容适当提前。这种调整有其必要性。一方面，信息论与编码的实验利用计算机即可完成，不需要特殊的实验装置和设备，因而一般可以作为课外作业布置给学生。按照原来的授课顺序，讲完信道编码时，只剩下最多两周的时间留给学生做编码实验，时间少，自然无法进行课堂讨论。另一方面，编码部分讲完后，学生即开始分组讨论并动手做实验，在以后的课堂中，适当安排一些小段的时间来讨论实验中遇到的具体问题，让各个小组在课堂上讲解和演示实验结果，其他学生给出评价，从而形成良好的学习氛围。

2.以分组协作的形式完成一个大的实验，串连起编码部分的教学内容，凸显其实用性。所设计的实验是对一个16×16的图像块进行压缩编码，处理过程涵盖信源编码、信道编码和加密编码，其中信源编码是混合编码，包括变换编码、预测编码、游程编码以及熵编码，信道编码和加密编码采用常用的典型编码方法。采用这样一个实验方案有两个优点：第一，实验中，数据在小组间顺序传递，每一个小组都把自己处理完的结果给下一组，下一小组以此为输入再做进一步的处理，这种联系使得小组之间必须进行交流，除了完成本组任务以外，还须了解和关注其他小组的工作。第二，与单步骤的实验方案相比，该方案能够让学生看清各种编码方法在整个系统中的位置和作用。第三，整个任务具有一定的深度，任务被分解后，每个小组的工作量又都可以设计得比较合理，不会让学生望而生畏。

3.对授课内容及其重点的调整。讲解香农信息论时，要改变对定理证明过程的教学方法，尽量减少不必要的例题和习题，扩展一些学生感兴趣的信息理论和技术，让学生参与，增加课程的趣味性和吸引力。①香农信息论中有一些定理和性质的推导过程比较烦琐，将这些推导过程整理成单独的演示文档，对学生可能看不太懂的地方加上详细注释，将整理好的文档放在Bb平台上，或者随堂给学生，让感兴趣的学生课后研读。②一些问题和计算对于大学四年级的学生来说非常容易理解，没有任何难度，应当避免做过多的例题和习题。比如，自信息和信源熵的计算，这些题目往往偏于概率计算，没有必要进行反复练习。③用每次课的最后10～15分钟，陆续对各小组的实验过程和结果进行讨论。实验方案见图1。

实验过程分编码、解码以及扩展内容三部分，按照学生人数细分成小的任务步骤，相应地将学生分为若干小组，每个小组3～4人，大致让每个小组平均有两次任务。对于人数较多的班级，可以在扩展的部分适当增加一些实验内容。图1给出的是以9个小组的划分方式进行实验时编码端的工作分配情况。

五、结论

我们已经将本文所提方法用于我校大学四年级学生以及研究生的教学，达到预期效果。研究生班级人数一般较少，每个小组通常只有一名学生，而本科教学班级人数较多，每个小组至少有3名学生，更容易形成好的学习氛围。

参考文献：

[1]仇佩亮.信息论与编码[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]傅祖芸.信息论——基础理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

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[10]赵洪霞，鲍吉龙，丁志群，陈莹.在实验教学改革中培养学生的创新能力[J].实验科学与技术，2009，（01）：91-92.