信息论课程的多层次教学方法探索

王乐 赵生妹

【摘要】由于信息论课程具有数学公式较多、内容较抽象难懂的特点，学生在实际学习过程中存在学习难度大、兴趣不高的问题.为解决上述问题，本文提出了一种针对信息论课程的多层次培养教学方法，它包括三个层次：（1）体系化教学，完善课程体系，夯实教学内容;（2）网络微课+课堂教学，增加学生的学习热情和兴趣;（3）教学结合科研，培养学生的综合素质.本文所提出的教学方法有助于激发学生的学习兴趣，提高教学效果和质量，培养学生的综合能力.

【关键词】信息论;多层次教学;体系化教学

【基金项目】南京邮电大学教学改革研究项目（项目编号：JG00218JX63）

一、引言

信息论是一门对数据进行压缩、存储和传递等操作的学科.香农在1948年发表了题为《通信的数学理论》一文，奠定了该学科的发展.学习信息论，掌握互信息、熵和相对熵等信息论的基础知识，对从神经科学到机器学习等各领域的学生、研究人员和从业者来说具有十分重要的意义.但是信息论课程的数学公式较多、内容较抽象，因此学生学习难度较大，特别是对初学者而言，存在学习内容抽象、难理解、学习兴趣不高的问题，这严重影响了实际的教学效果，同时不利于培养学生的综合素质和能力.

此外，信息论课程主要讲解的是通信系统信息传递的理论，它缺少和当前实际使用的通信技术的联系，课堂教学中很少引入如5G移动通信、物联网、量子通信等前沿性的学科知识，从而较难激发学生的学习热情.

目前，许多针对信息论的教学改革方法被应用到课堂上.例如，雷菁等人提出了将研究性教学应用于信息论课程中有助于培养学生的综合能力.张艳彬进行了建构主义学习理论在信息论与编码教学中的实践应用.张汶分析了信息科技课程中的核心概念与信息论的基础知识点的联系.马婷利用微信和翻转课堂教学模式进行了信息论课程教学的实践研究.赵生妹等人通过Delphi编程实现了信息论课程的动态演示教学.借鉴这些有效的教学方法，本文提出了一种针对信息论课程的多层次培养教学方法，它包括三个层次：（1）体系化教学，完善课程体系，夯实教学内容;（2）网络微课+课堂教学，增加学生的学习热情和兴趣;（3）教学结合科研，培养学生的综合素质.该方法有助于激发学生的学习兴趣，提高教学效果和质量，培养学生的综合能力.

二、信息论课程的多层次教学方法

信息论作为信息类专业的一门基础专业课对丰富学生的专业理论具有重要的意义.但是信息论课程的教学难度较大，教学效果有待进一步的提高.目前，信息论课程教学存在以下问题：（1）信息论课程对数学理论要求较高，需要使用概率论与数理统计的方法对信息熵、互信息、信道容量、数据传输、密码学、数据压缩等问题进行分析和计算.信息论以数理统计、概率论等数学理论为基础，分析和研究信息从信源到信宿传输过程中的可靠性、有效性和安全性等問题，此外它还要研究信息编码理论，其中三大编码定理的证明涉及了随机编码、切比雪夫序列不等式等概念，这些都对数学理论有较高的要求.而当前本科生对相关的数学理论所掌握的程度有限，因此在学习上存在较大的困难，普遍反映学习难度大，内容较抽象、难吸收.（2）信息论课程的教学课时较少，目前学校给予信息论课程的教学为32课时.由于教学课时有限，教师不能讲授教材的全部内容，仅能讲授信息论涉及的最基本的概念和方法.即便如此，教师在实际教学过程中也常常由于时间的限制而省略某些基本内容.这样的结果会让学生觉得信息论课程的实用性较差但理论性很强，很难激发学生的学习兴趣和热情.（3）本科生缺少实践经验，目前本科生的学习方式主要是“教师讲授，学生聆听”，这样的学习方式导致学生缺乏实践经验.而信息论作为一门对数据进行压缩、存储和传递等操作的学科，虽然它的理论性很强，但是信息论的建立和发展都是基于实际的通信信息系统的，利用信息论可以解决实际的问题.因此，在缺少实际经验的前提下，本科生对信息论中所描述的具体应用没有直观感受，一方面使得学生学习兴趣不高，缺少学习积极性，另一方面使得原本很实际的问题变得很抽象，增加了学生学习的难度，尽管学生花了足够的学习时间和精力，但仍未达到理想的学习效果.

为提高信息论课程的教学效果，解决现有教学模式下学生学习难度大、兴趣不高的问题，我们将对课堂教学模式、教学内容进行创新设计，构建体系化教学模式，形成体系化的教学，增加与5G移动通信、物联网、量子通信等前沿性的学科知识紧密联系的信息论应用案例，提高学生的学习兴趣，增强学生对信息论的理解.同时，改变课程原有的传统教学组织形式，形成线上网络微课结合线下课堂教学的新型教学模式，这不仅有助于增强学生对信息论的理解，巩固并掌握相关知识点，而且有助于提高学生的学习热情和兴趣.此外，要鼓励学生多参与教师申报的相关教研科研项目.学生通过参与科研项目，在实践中学习、掌握信息论的知识点，同时增强学生的实践能力，培养学生的综合能力.多层次教学方法具体包括如下三个方面：

（一）体系化教学

该教学方法对课堂教学内容和教学模式进行创新设计，构建体系化教学模式，形成体系化的教学，增加与5G移动通信、物联网、量子通信等前沿性的学科知识紧密联系的信息论应用案例，提高学生的学习热情及兴趣，增强学生对信息论的理解.

一方面，目前信息论教学的总学时通常为32学时，因此存在教学总学时较短的问题.在有限的学时内，教师想要把信息论的所有内容讲透彻是不太现实的.另一方面，学好信息论需要学生提前掌握包括概率论、通信原理等和信息论存在很大联系的前修课程.这些课程的部分内容和信息论存在一定的重叠，因此应该统筹考虑信息论与概率论、通信原理等课程之间的关系，将它们整体纳入体系化教学中，优化课程体系和教学内容.例如，概率论作为数学基础，教师需要提前教学，培养学生的数学思维.而通信原理课程中存在许多和信息论课程重叠的教学内容，如通信原理课程中关于描述和度量信息、信道容量、差错控制编码等内容也是信息论课程中的教学内容.因此，在讲授这些内容时，教师可以复习为主，通过帮助学生回忆过去所学内容来快速学习这部分内容.这样不仅可以把前修课程和信息论形成一个完整的知识体系，而且节省了学时，从而保证教师在宝贵的学时内能够讲授更多信息论的基本概念和原理，提高教学质量.

此外，目前教材中常使用的案例都比较老旧，缺少与当前实际使用的通信技术紧密联系的案例，这不利于拓宽学生的视野，也不能帮助学生认识到学习信息论的重要意义.因此，教师可以将如5G移动通信、物联网、量子通信等前沿性的学科知识引入课堂教学中.将这些前沿科技成果中关于信息论基本知识的内容引入课堂教学，作为具体的案例丰富教学内容，可以激发学生的学习动力.例如，当前科技热点——量子通信中的密钥生成率的计算方法就是应用信息熵、互信息的实际案例，教师可以通过介绍量子通信中的密钥生成率的计算方法来帮助学生学习并理解信息熵、互信息的概念、物理意义和计算方法.

（二）网络微课+课堂教学

该教学方法改变了课程原有的传统教学组织形式，形成了线上网络微课结合线下课堂教学的新型教学模式，这不仅有助于增强学生对信息论的理解，巩固并掌握相关知识点，而且有助于提高学生的学习热情和兴趣.

我们要充分利用互联网优势，建立以微课和慕课为主的线上学习平台，形成线上网络微课结合线下课堂教学的新型教学模式，夯实学科基础.

微课视频是将每一个信息论的重要知识点录制成5—10分钟的教学片段.教师借助已建成的信息论微课视频内容，

在每次进行课堂教学之前，将本次教学内容对应的微课教学片段和1、2个有针对性的问题分发给学生，让学生带着问题预先自学，使学生对即将学习的知识点有一个初步的了解，并试着结合所看微课视频回答问题.教师在进行课堂教学时，首先通过与学生进行关于所提出的问题的互动来讲解所学知识点涉及的基本概念.然后，教师对所学的重点知识进行详细讲解，在讲解过程中，通过采用学生提问、教师设问的教学方式加深学生对知识点的掌握.此外，教师可以充分利用多媒体动画和软件仿真的形式，将信息论中抽象的概念和难以理解的内容进行形象化的讲解，帮助学生加深对某个知识点的理解.

（三）教学结合科研

该教学方法鼓励学生多参与教师申报的相关教研科研项目.学生通过参与科研项目，在实践中学习、掌握信息论的知识点，同时增强实践能力和综合素质.

此外，通信信息技术的发展日新月异，而信息论主要讨论的是通信的基本理论和概念，与当今最新的通信技术有一定的差距，缺少与当前实际使用的通信技术紧密联系的案例.因此，教师可以要求每一名学生提交一份应用信息论知识的前沿技术的调研报告.学生可以通过文献查阅或网络搜索等方式，了解信息论知识在5G移动通信、物联网、量子通信等前沿技术中的应用，并将收集的材料写成一份调研报告.教师组织、安排一个交流讨论会，学生分享自己的调研成果，这不仅拓展了学生的知识面，而且可以提升学生的综合素质.

三、总结

本文提出了一种针对信息论课程的多层次教学方法，该方法包括三个层次：体系化教学，完善课程体系，夯实教学内容;网络微课+课堂教学，增加学生的学习热情和兴趣;教学结合科研，培养学生的综合素质.该方法有助于激发学生的学习兴趣，提高教学效果和质量，培养学生的综合能力.

【参考文献】

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[5]张艳彬.建构主义学习理论在信息论与编码教学中的应用[J].数学学习与研究，2017（22）：6.

[6]张汶.以信息论的视角理解信息科技课程的核心概念[J].上海课程教学研究，2017（12）：26-31.

[7]马婷.微信支持下的《信息论与编码》翻转课堂教学模式研究[J].教育教学论坛，2018（47）：157-158.

[8]赵生妹，朱艳，盛利.基于Delphi编程实现的“信息论与编码”动态演示教学[J].电气电子教学学报，2007（5）：85-87.