“信息论与编码理论”课程教学改革与实践——以合肥学院信息与计算科学专业为例

余海峰

（合肥学院 数学与物理系，安徽 合肥230601）

“信息论与编码理论”课程教学改革与实践
——以合肥学院信息与计算科学专业为例

余海峰

（合肥学院 数学与物理系，安徽 合肥230601）

“信息论与编码理论”是信息与计算科学专业的一门重要必修课程，是数学在信息科学中的典型应用。通过介绍“信息论与编码理论”课程的研究对象与课程性质，以及在高等学校中该门课程的教学现状；重点阐述了合肥学院信息与计算科学专业“信息论与编码理论”课程的教学内容与安排、教学方法和手段改革、课程考核与评价等方面的一些好的做法与成功经验，为同行提供教学参考。

信息与计算科学；信息论与编码理论；教学改革

1　“信息论与编码理论”课程教学现状

信息论是一门研究信息产生、处理、传输与存储一般规律的科学，创始人为美国著名数学家C.E. Shannon，其著作《通信中的数学理论》为信息论的开创性论文，用到了许多数学方法，如概率论与数理统计、随机过程等，来定量研究信息的一般规律［1］。编码理论则主要依据信息论的基本原理，以线性代数、近世代数和组合分析的方法为工具研究信息传输过程中信号编码规律的科学，一般包括信源编码、信道编码和保密编码。随着现代信息技术和通信技术的迅猛发展，信息论与编码理论的一些基本理论，如无失真和限失真信源编码理论、信道纠错编码理论等，在图形与影像的数据压缩、现代通信与计算机通信传输、光盘存储等工程实践中都得到了广泛的应用［2］。信息论与编码理论已成为现代信息与通信类工程师必备基础知识，是现代信息科学的一个非常重要的组成部分，是信息技术和现代通信技术的理论基础。因此，信息论与编码理论相关课程已被许多高校的通信工程、电子工程、信息工程、信息安全等电子信息与通信类工科专业指定为专业基础必修课或选修课。对于这些工科类专业的本科生，“信息论”与“编码理论”一般被定为两门必修的专业课。但由于这两门课程理论上一脉相承，联系紧密，另一方面限于本科生总课时限制，故也常将两门课合在一起作为一门课程讲授，称之为“信息论与编码理论”，一般安排在本科第三学年完成［3］。而在数学学科下，作为一个新兴的交叉学科“信息与计算科学”为数学与信息科学的结合提供了一个非常好的切入点，顺应了现代信息科技对数学不断增长的需要，作为信息科学的主要理论基础之一，“信息论与编码理论”也自然成为该专业的专业基础课或必修课程［4］。

由于“信息论与编码理论”一直以来都是在电子信息与通信类专业开设，学生的数学基础普遍不够好，而“信息论与编码理论”中一些基本原理的推导对数学知识要求较高，涉及到的数学知识范围广泛且大都具有一定深度，故对于工科专业来说，课程较枯燥，学生学起来普遍吃力，导致学生形成畏难情绪，学习积极性相对不高；而对于信息与计算科学专业学生而言，虽然其数学基础相对较好，但缺乏背景知识，对通信系统的一般原理和发展状况了解较少，故学生学习的兴趣也不大，再次信息与计算科学专业为交叉学科，许多任课老师也是纯粹数学教师出身，对该门课程总体也无法把握，在教学过程中只能从逻辑角度来对原理进行推导，对物理背景讲述较少，势必影响教学效果。综上所述，“信息论与编码理论”课程教学现状不容乐观［5-8］。

2　合肥学院信息与计算科学专业 “信息论与编码理论”教学改革实践

合肥学院自2005年开设信息与计算科学专业，自招生以来，“信息论与编码理论”一直作为该专业的重要专业课开设，共计64学时，其中理论56学时，实验8学时。笔者自2005级开始就一直承担该门课程的教学任务，下面将详细介绍数年来对该门课程教学改革的一些做法，以期与方家商榷。

2.1课程教学内容改革

由于“信息论与编码理论”需要“概率论与数理统计”“随机过程”“线性代数”和“近世代数”等课程为基础（限于总学时限制，本校数学与物理系信息与计算科学专业近年“随机过程”和“近世代数”课程均未开设，在“离散数学”课程中简单介绍代数结构的相关概念），故本专业一般将此课程安排在第三学年下学期。

2.1.1教材的选择

按合肥学院信息与计算科学专业 “信息论与编码理论”课程教学大纲规定，本课程教学目标为通过本课程的学习，使学生对信息理论有一个比较全面和系统的了解，掌握信息论的基本概念和信息论方法，为从事信息科学的研究和应用打下一个坚实的基础。具体要求是从信息的高效率、高可靠性传输的角度，讨论编码的理论和方法；从概念、描述、度量、分析与计算等方面讨论信源测度理论，信源信道编码理论；以单个离散信源和离散信道为主体，研究信源熵和信道容量的计算。如何结合教学目标和要求，以及将要面对的学生的特点选择适合学生认知能力的教材，将知识点有选择分重点地讲清楚，是教学过程中遇到的第一个问题。目前有关“信息论与编码理论”课程的教材很多，但大都是为工科类专业而写，作为在一个数学类专业开设的信息类课程，本课程旨在为大家介绍数学在信息领域是如何发挥作用，让大家体会数学的魅力，从而激发大家的创新精神和创新意识，因而在内容的选择上面要与一般工科信息类专业有所不同，另一方面若理论推导过多，数学味太强，对学生来说有一定压力。综合两方面考虑，故选择了傅祖芸、赵建中主编的十一五国家级规划教材“信息论与编码”作为本课程授课教材。

2.1.2教学内容的选择

因为教材是一个纲领性的教学资料，具有一定普适性，在具体的教学过程中还要根据具体教学目标及学生实际情况，同时结合目前信息与通信领域的新技术和新理论，对教学内容做出适当侧重和取舍，突出教学重点。比如在讲解信源和信道时，考虑现今信息处理和编码基本采用数字处理的方法，因此教学中重点讲述离散信源和离散信道，对连续信源与连续信道部分就不在课堂讲述了；在讲信道编码时，主要讲解能体现线性代数重要应用的线性码编码方法及实现，同时补充介绍纠错编码的最新研究进展，如在近几年教学中结合本人研究方向简单介绍了有限环上循环码和常循环码，而对卷积码等工程实践背景较强的部分就改为学生自主学习的内容。

2.1.3增加案例教学内容，培养学生学习兴趣

现有教材体系中还是传统的定义，定理，性质，计算方法，例题等的堆砌，对于应用型人才培养不利，在具体教学过程中，根据授课内容，吸收最新信息技术发展成果，增加了一些案例，如在讲述哈夫曼编码时介绍了哈夫曼编码在图像压缩时的应用案例，在讲纠错码时介绍了纠错码在容错存储器设计中的应用案例等，增加的案例极大地调动了学生的学习兴趣，提高了教学质量。

2.2教学方式和教学手段改革

2.2.1加强理论联系实际，将教授知识生活化

现有教材内容大都以理论介绍为主，涉及到的案例不多，讲课过程中若照本宣科，只讲定理证明和推导，学生就会觉得课程非常抽象，导致学生觉得“听不懂”“没有用”，形成畏难厌学情绪，学习积极性不高，学习效果必然较差。因此如何将信息论课程中的理论知识具体化，多讲生活中的例子，让学生感觉到生活中的许多现象都可以利用信息论的知识加以解决，信息论的知识就在我们的生活当中。例如在信源的讲授过程中为了说明信息量大小与概率关系时，举出“太阳从东方升起”毫无悬念，基本得不到任何信息，而“太阳从西方升起”非常罕见，其中所包含信息量非常大，此例子表明一般越罕见的事件所蕴含的信息量越大，说明信息量大小与概率是成反比关系的，从而引出信息量的概率定义；在讲信道编码时通过人们多次重复同一句话可让人清楚的听到说明简单的重复编码就能纠正一些传输错误。通过这种方式，不但让学生培养了浓厚的兴趣，而且让学生能够切实理解，进而实践，构造出一些信源、信道模型实例，并依据编码原理，构造较为复杂的通讯模型。通过教学方式的改变，使学生真实感到信息论相关知识与概念的客观存在性，大大提高了信息论与编码理论课程的教学质量。

2.2.2合理利用现代化教学手段，采用多媒体教学

本课程的理论教学学时为56学时，需要讲述的内容较多，既有理论证明与公式推导，又有案例演示，为了节约时间，同时直观形象，在课程教学过程中采用多媒体教学与板书相结合，一方面涉及到重要定理的证明采用板书加强学生理解和记忆，而对一些诸如通信系统模型、编码方法实现过程等采用多媒体课件进行，这样可以提高教学速度、生动形象，增强了教学效果。另外通过多媒体还能演示一些实际应用的内容如图像编码系统，线性分组码的硬判决译码等，有助于学生理解，加强记忆。

2.2.3注重对学生学习的引导，避免满堂灌

将利用多媒体教学节约的课堂教学时间还给学生，合理利用启发式、提问式等教学方式来引导学生，让学生思考，以达到深入理解学习内容的目的。通过精心设计的引导性问题，在课堂上恰当的提问是非常重要的教学手段，它一方面能巩固知识，及时反馈学生学习效果，另一方面能激励学生积极参与教学活动，启迪学生思维。上课时注重对学生的启发，例如在讲述定理证明时，不是一步一步在黑板上板书，而是边讲边引导，让学生自己说出证明步骤，这样证明出来的定理学生记得牢，理解透彻。

2.3课程考核和评价方式改革

为了加强过程控制，改变一考定终身的考核方式，依据合肥学院“N+2”教学改革方案，本课程的课程成绩采用过程考核成绩、实验成绩和期末考试成绩综合评定，各项比重分别为：过程考核成绩（包括课堂讨论、小测验、作业、案例分析及课外阅读总结等）占45%；实践课考核占15%；期末考试占40%。这种考试方式的改革及综合成绩评定方式改革，改变了以往利用一次期末考试成绩就决定了学生学习效果的模式，变终端考核为过程控制，提高了学生的学习兴趣和自觉性，较为公平公正地反映了学生的学习状态和学习效果，同时促进了学生知识、能力、素质的协调发展。通过实践，学生在自主学习与应用能力等方面都得到了相应的提高。

3　结束语

“信息论与编码理论”不仅是电子信息类、网络与通信类专业的基础课程，而且是信息与计算科学专业的一门重要专业课，对于了解信息科学发展与变化趋势有非常重要的作用。本文从教学内容的合理取舍、教学方法、教学手段和课程考核方式的改革等方面探讨了信息与计算科学专业“信息论与编码理论”课程的教学改革与创新，实践证明这些措施对增强教学效果，加强学生应用能力培养是行之有效的。

［1］傅祖芸，赵建中.信息论与编码［M］.北京：电子工业出版社，2014：1-50.

［2］米军利.“信息论与编码理论”课程的教学研究与探索［J］.徐州教育学院学报，2008，23（3）：148-149.

［3］徐娟，徐鸣亚.浅谈“信息论与编码理论”课程理论与教学实践［J］.广东工业大学学报：社会科学版，2003，3（6）：126-128.

［4］燕善俊.信息论与编码课程教学探讨［J］.高等函授学报：自然科学版，2011，24（2）：82-83.

［5］虞湘宾，徐伟业.信息论与编码课程教学改革与实践［J］.中国现代教育装备，2010（3）：75-78.

［6］张正言，田雨波，张冰.信息论与编码本科教学改革实践［J］.计算机教育，2010（20）：62-64.

［7］张正言，黄炜嘉，王敏.基于翻转课堂的课程教学改革与实践——以“信息论与编码”课程为例［J］.北京教育学院学报：自然科学版，2015，10（4）：33-38.

［8］陈旻，崔学敏，徐明，等.信息论课程在网络安全与执法专业建设中的重要性研究［J］.信息网络安全，2014（11）：87-91.

责任编辑：胡德明

Teaching reform and experience about the course of Information theory and coding theory Take the speciality of Information and Computing Science for example

YU Hai-feng
（Department of Mathematics and Physics，Hefei University，HefeiAnhui，230601China）

Information theory and coding theory is an important specialized compulsory course of information and Computing Science，and it is typical applications of mathematics in the information science. Firstly，It introduces the research object and the nature of the course of information theory and coding theory，and？teaching？situation ofthis course in colleges and universities；secondly，it mainly introduces three aspects of some practices and experience of the arrangement of teaching content，teaching method and means reform in the speciality of Information and Computing Science of Hefei university，course assessment and evaluation，it is provided peer teaching reference for the teacher of this course.

Information and Computing Science；Information theory and coding theory；Teaching reform

G642.0

A

1672-447X（2016）03-0087-003

2016-04-20

安徽高校优秀青年人才计划重点项目（gxyqZD2016270）

余海峰（1975-），安徽岳西人，合肥学院数学与物理系副教授，研究方向为代数编码理论。