信息论与编码课程改革探索与研究

曹张华 吉晓东 张晓格

摘要：该文是针对信息论与编码教学过程中存在的问题进行全面教学改革的论述。教学改革优化了教学内容，提高了教学效率；让学生参与到教学过程中，实现师生的良性互动；精心引入前沿科研问题，开拓学生眼界；合理布置作业，及时巩固所学知识；加强了实验教学，培养学生的应用能力；完善课程考核方法，真实反映学生学习情况。

关键词：信息论与编码；教学改革；教学方法

中图分类号：G424 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）19-0085-02

一、引言

信息论与编码是南通大学电子信息类本科三年级的一门专业必修课，主要是研究信息传输的有效性和可靠性的一门学科[1，2]。该课程是通信技术与概率论、随机过程、数理统计等学科相互融合而发展起来的一门交叉学科[3]。该课程要求学生掌握线性代数、微积分等基本的数学工具，还需要学生对通信原理等课程有较深刻的认识。个人计算机的普及和通信专业软件的日益成熟，使得该课程的实验教学成为可能。可见，该课程理论性强、内容多，与先修课程有密切的关系。针对该课程的变化与最新发展，为了提高教学效果，笔者在理论教学、实验教学、科研联系教学、考核方式等多个方面进行了改革。

二、教材选择

根据学校的层次、专业特点和教学对象选择一本合适的教材是教学改革的一个基本方面。目前，有关信息论与编码这一课程的教材非常多。如王育民编著的《信息论与编码理论》以及Cover著写的《信息论基础》的中译本和英文影印本。随着网络技术的迅猛发展，最近出现了一些新教材，如仇佩亮编著的《多用户信息论》、Yeung编写的《信息论基础》和Gamal编著的《网络信息论》。这些教材的知识体系结构和侧重点各有不同，而且差别很大。根据信息论与编码专业必修课的性质，按照强调基础理论学习，突出对所学理论知识灵活应用的原则，我校选用了曹雪虹主编的《信息论与编码》作为教材。该教材吸收了国内外众多现有教材的精华，注重基本概念，突出基础理论，强调应用。而且，该教材难度适中，文字通俗易懂，用较多的例题和图示阐述了基本概念、基础理论和应用，适合作为我校信息工程和通信工程等专业的教材。

三、课程内容改革

教学内容改革是课程改革的核心。根据我校相关专业的实际教学情况和效果，对信息论与编码教学内容改革有如下的考虑。

（一）注重教學内容的承上启下

教师在该课程教学中，要强调已学专业基础课中的信号与系统、数字信号处理和通信原理，分别解决点对点通信系统中关于信源和信道的一些具体问题，而信息论与编码将从更抽象的层面看待整个通信系统，为通信学科的发展指明了方向。正如著名通信理论家Viterbi所说，如果把现代通信技术比喻成飞船，则晶体管是它的引擎，而信息论是它的方向盘[4]。注重该课程与已学课程融合的同时，还要突出该课程在后续课程学习中的作用，指出该课程是数据压缩技术、语音信号处理、图像处理等课程的理论基础。另外，教学过程中，还要适当介绍信息论的最新进展和研究热点，以激发学生的学习兴趣。

（二）教学内容的模块化

教学过程中，将信息论与编码的教学内容看作一个有机整体，遵循注重结论表述的通俗易懂、突出理论严密和精美的原则，把课程内容分为信息度量、香农三大定理、编码三大块内容。信息度量描述了将抽象信息量化的方法，为学习香农三大定理提供了理论基础。随后，结合学生已学课程，介绍香农三大定理的意义，通俗形象地表述香农三大定理，指出香农三大定理是信源编码和信道编码技术的理论基础。

编码理论包含信源编码和纠错码两大块内容。其中信源编码部分主要包括香农编码、费诺编码、霍夫曼编码、游程编码、算术编码、变换编码等，是香农第一和第三定理的应用。纠错码包含线性分组码、循环码、卷积码、TCM码和Turbo码等，是香农第二定理的经典应用。讲授这部分内容时，主要向学生介绍二元编码，以简代繁，让学生能够快捷掌握实用的编码技术。

（三）融合最新研究成果，突出实践和应用

授课过程中，一方面，注意引导学生用所学到的理论解释先前所学专业基础课的部分经典内容和结论，突出所学课程的应用功能。例如用数据处理不等式解释为什么信号经过处理会丢失部分信息，用限平均功率最大熵定理解释为什么总假设信道噪声是高斯白噪声，用信息论的基本概念导出香农信道容量公式等。另一方面，随着信息和通信技术的进步和发展，在讲课过程中，需要向学生讲授LDPC码、协作通信、MIMO通信系统和网络编码等最新出现的通信和编码技术，以及网络信息论的最新理论成果。

许多高校在讲授信息论与编码这门课时，往往注重理论教学，重视向学生讲解抽象的概念、理论和对重要结论的逻辑推理，而忽略了这门课是理论和实践紧密结合的课程，对实验教学的关注非常有限，学生很难将学到的理论知识与实际相结合[5]。课程改革后，为该课程确定了四个实验，分别是信息熵计算、信道容量计算、霍夫曼编码实验、CRC校验编码实验。

四、教学方式改革

教学方式改革的目的就是要激发学生的学习热情和学习兴趣，让学生成为教学的主体，信息论与编码的教学方式的改革包含以下几个方面。

（一）传统板书与多媒体结合

信息论与编码这一课程的内容多、理论性强，许多结论需严格的推理证明。因此，课程教学中需要把多媒体教学信息量大和传统板书易于展示复杂理论推导、表现力强、便于师生交流的优点相结合。这样，生动形象的多媒体教学保证了课堂的信息量，而严格的推理证明可以让学生深刻理解相关结论，领悟理论的精要，掌握课程的重点和难点。

（二）内容讲述形象化，逻辑推理严格化

信息论与编码是运用数学工具解决通信中问题的典范。课改过程中，讲授该课程时，做到语言通俗易懂；表述重要结论时，尽量形象生动。例如，讲授香农第二定理时，先指出香农第二定理所给出的结论是信息传输是否出错，取决于信道容量和信息率之间的关系，而不是数据传输的次数，这和人们直观认识不一样。在学生对香农第二定理有了感性认识后，给出香农第二定理严格的推理证明，让学生感受理论的严密和精美。

（三）灵活运用多种教学方法

综合运用多种教学方法，不仅能将理论知识融会贯通，而且可以引导学生进行主动的探究性学习，还可以引导学生主动思考，积极参加讨论，提高学习效率及综合运用所学知识解决实际问题的能力[6]。

在信息论与编码课程改革过程中，笔者根据学生所在系别和专业的不同，综合运用案例式教学、研究型教学、启发式教学、演示练习式教学、互动讨论教学等多种教学方法，将这些教学方法贯穿于该课程教学的始终。并在该课程教学中引入实验教学，使用Matlab仿真软件搭建通信系统模型，实现理论和实践的有机结合。

五、课程考核方式改革

课程改革后，采用的考核方式比传统考核方式更加全面、细致、科学。学生的成绩将由平时作业、课堂练习、学习报告、课堂讨论发言、实验和期末考试几个部分组成。

布置适量的课后作业可以让学生及时巩固所学知识，深化对基本概念和基本理论的理解，掌握解决问题的基本方法，提升学生解决问题的能力。同时，能激发学生探索发现解决问题的方法，通过一题多解、一题巧解能够把学生的发散性思维和聚敛思维结合起来。

针对课程的典型例题和解决问题的典型方法，教学过程中进行精讲和演示，尔后选择合适的习题，让学生做课堂小测试。这种小测试是根据“90后”学生喜欢看手機、注意力容易分散的特点设计的，小测试可提高学生的注意力，增强教师对课堂气氛的调动和掌控，同时可让学生及时巩固所学理论和方法。

要求学生组成3～4人的学习小组，围绕与该课程紧密相关的抽象概念、基本理论展开讨论，让学生经过讨论对课程有更全面的认识。每个学习小组的学生一起完成实验，并选择和该课程密切相关的科研课题，阅读与所选课题密切相关的书籍和论文，合作书写一份不少于3000字的手写报告，要求参考文献不少于10篇。

该课程最终需要闭卷考试，教学改革后，我们更新了题库的部分题目，增加了近年来出现的新题型。同时，各任课教师统一了考试要点，重点检测学生对核心内容的理解和掌握，避免了偏题和怪题的出现，有效检验了学生对课程内容掌握情况，真实反映了学生对课程的理解程度。

六、结语

该文分析了信息论与编码课程最新的发展和变化趋势，根据课程组各位任课教师多年的教学心得，对课程进行了教学改革，因地制宜地调整了教学大纲，重新对课程教学进行了整体设计，优化了教学内容，增加了实验教学环节，综合运用多种教学方法，提高课程的趣味性和应用性，促使学生积极、主动地学习该课程。

参考文献：

[1]曹雪虹，张宗橙.信息论与编码[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]Cover M Thomas，Joy A Thomas. Elements of Information Theory[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3]谢正光，包志华，章国安.概率统计在信息论与编码教学中的应用[J].南通大学学报，2008，25（4）：88-90.

[4]仇佩亮.信息论与编码[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]曹红梅，张涛.仿真实验在信息论与编码课程中的应用[J].实验室科学，2014，17（4）：97-100.

[6]李如玮，鲍长春，窦慧晶.“信息理论与编码”课程建设与教学改革[J].电气电子教学学报，2009，31（3）：9-10.