以能力培养为导向的《信息科学基础》课程教学改革

李薇 刘海涛 祁锐

摘  要：文章分析了《信息科学基础》课程教学存在的主要问题，结合我校学员培养目标的转型，以满足部队需求为目标，以创新能力培养为导向提出了具体的改革措施。实践结果表明学员的学习积极性显著提高，信息技术应用能力和创新能力明显增强。

关键词：信息论;编码理论;思维导图;教学改革;创新能力

中图分类号：G642        文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）14-0124-04

Abstract： This paper analyzes the main problems existing in the teaching of the course "Foundation of Information Science"， and puts forward specific reform measures based on the transformation of the training target of students in our school， aiming at meeting the needs of troops and oriented at the training of innovative ability. The practice results show that the students' learning enthusiasm is significantly improved， and the application ability and innovation ability of information technology are significantly enhanced.

Keywords： information theory; coding theory; mind mapping; teaching reform; the innovation ability

信息化是中国特色军事变革的本质与核心，为顺应信息技术的迅猛发展，军队院校逐步加强了信息处理、信息安全与保密、信息技术等内容的教学，学员的信息处理能力得到了提高，但也明显存在着信息类课程教学内容偏重理论、与专业结合不够紧密，信息理论教学与实践脱节，学员的信息技术应用能力和创新能力不强等问题。

《信息科学基础》是我校信息与计算科学专业的必

修课，该课程是一门理论和应用紧密结合的课程，有较强的工程实践背景，其中的香农信息论是信息技术应用的基础，编码理论在数据存储、数据通信和数据安全保密等方面有着重要的应用，课程学习对培养和提高学员的信息处理能力有重要作用。但在教学实践中，我们发现存在着学员学习积极性不高、缺乏合适的教材、教学大纲重理论、忽略实践应用、不能学以致用等问题，针对这些问题，同时围绕学员培养目标的转型，我们深入研究信息类课程的教学规律，结合我校学员的学情，从课程的教学内容、教学方法、实践环节等方面进行改革探索。

一、课程教学存在的主要问题

《信息科学基础》课程教学存在的主要问题归结为以下四点：

1. 课程学习起点高、难度大。课程要求学生掌握的先修基础知识有很多：高等数学、概率论和随机过程、线性代数、数字信号处理、通信原理等，并且课程中包含了很多抽象的概念和理论，也涉及到大量的数学推导，本科学生缺少一些必要的先修基础知识，另外，部分先修课程在本科阶段讲授的内容不足以用来理解信息论中的一些内容，例如对信源编码定理以及信道容量定理的理解，因此在学习的过程中显得非常抽象、枯燥，接受起来比较困难。

2. 学员学习积极性不高。传统的教学过程缺乏实验环节，学员很难将学到的理论知识与实际相结合，学员普遍反映课程内容理论性太强，难以理解，失去了学习兴趣。

3. 信息理论教学与实际应用脱节。教学大纲存在着重理论、轻实践应用的问题，这使得学员学到的知识只停留在理论上，解决不了实际问题，在学习的过程中看不到对后继学习有多少影响、对考研和找工作有什么重要作用，容易产生学而无用的意识，不能很好地调动学员对该课程的学习兴趣。

4. 学员的信息技术应用能力和创新能力不强。缺乏实践环节和应用环节的教学方法不能有效培养学员的信息技术应用能力和创新能力。

二、课程的教学改革

1. 针对课程学习起点高、难度大、学员学习积极性不高等问题，我们以现代教学理念中的功能教学理念为指导，采用“绪论式”教学模式开展教学改革实践。

功能教学理念认为：动机是引发人行为的原因或机理，动机发生的第一位因素是需要。因此，为了让学员主动学习本课程，就必须首先让学员们认识到学习信息论与编码能够学有所用，這样才能激发他们学习的兴趣和动力。

“绪论式”教学模式以“提出问题-讨论-讲解-总结”方式展开教学，在具体教学过程中根据不同的内容采用生活化教学、研究型教学等教学方法，同时，为了让学员能够有效理解众多相互关联的知识点，我们在教学中引入可视化工具思维导图帮助学员学习和复习。

（1）生活化教学

由于信息论方法具有普遍的适用性，因此可以把授课内容和学员的日常生活紧密联系起来，从而提高学员学习的兴趣。例如在讲授信源熵概念时，我们通过传染病流行、飞机航班失事这样的事件来说明当概率越小时，获取的信息量越大。在信道容量学习时，我们指出飞鸽传书中的信鸽就是一种信道，小区铺设的光缆、电缆是有线信道，微波视距中继以及人造卫星之间信息传输的中继等属于无线信道，让学员感受到信息论的知识就在我们的生活当中，生活中的很多现象都可以利用信息论的知识加以分析。

综合实验是在学员掌握基本函数的基础上，由学生自己动手设计，独立完成实验内容。

例如在BCH码的编译码综合实验中，我们要求设计一个码长为15位且距离为5的二元本原BCH码，要求学员能对任意产生的随机消息按照BCH码的编码规则进行编码;要求当生成的15位码字出错位置不超过2位时，可以找到相应的错误位置并纠正、恢复出消息，如果错误位置超过2位时，程序能反馈发生的错误数超过纠错能力。二元本原BCH码是定义在有限域GF（2m）上的能纠正多个错误的码，具有很好的纠错性能。有限域上的运算与普通的十进制运算不同，码字对应的是有限域GF（2）上的行向量，学员必须弄清楚有限域上的知识和BCH码的基本原理，才能顺利完成BCH码的编译码实验;在完成实验任务后，学员要对实验结果进行分析和总结，作出实验报告。综合实验促进了学员分析问题和解决问题的能力，提高了学员的能力和素质。

（3）通过毕业设计、学科竞赛培养和提高学员的信息技术应用能力与实践创新能力

引导学员积极参与相关学科竞赛以及毕业设计，例如，有学员在毕业设计中研究信道容量的计算方法，通过MATLAB编程以及仿真实验实现了对对称信道、准对称信道、转移概率可逆信道和一般离散无记忆信道的容量计算，研究了信道容量迭代计算方法对初值的依赖性，对比了方程组法和迭代法的优劣，同时用NEWTON下山法对迭代法进行了改进，减少了迭代步数、加快了迭代法的收敛速度;有学员研究了JPEG图像DCT系数的分布模型，针对不同学者提出的各种DCT系数分布模型，利用分布拟合优度检验方法对DCT系数分布模型进行了研究，通过理论分析与仿真实验，得出了KL散度更适合作为DCT系数分布拟合优度度量的结论，并且提出了一种DCT系数α稳态簇模型。针对单个位置和不同范围的DCT系数，系统地比较了当前应用最广泛的4种DCT系数分布模型的优劣，并且提出了确定特征指数α的方法。实验结果表明，图像中低频交流系数服从对称α稳态簇分布而高频交流系数服从广义高斯分布;有学员研究了图像的压缩编码方法，通过改进游程编码得到自适应游程编码算法，然后将霍夫曼编码和自适应游程编码的编码规则有机融合，提出基于霍夫曼编码和游程编码的一种图像压缩编码方法;有学员对MR码的编码与译码技术做了较为全面地研究，包括MR码的数据压缩、解压缩过程，并给出了算法和相应的程序，最后用随机生成的数据进行仿真试验。

三、应用效果

我们在该专业四届学员《信息科学基础》课程教学进行了改革实践，取得了很好的教学效果，学员的学习积极性显著提高，并且积极选择与信息技术研究、应用有关的内容作为毕业设计选题，积极参加学科竞赛，信息技术应用能力和创新能力明显提高。应用效果主要体现在以下三方面：

1. 课程建设：研究成果作为《信息科学基础》课程的主要资源，整理的学科前沿技术文献资料及设计的仿真实验教学内容和实验指导、课程试卷库等成果将用于课程教学和考核，为该课程的建设以及后续教材的编写提供了重要资料。

2. 毕业设计：相关工作夯实了学员的能力基础，该专业学员积极选择与信息技术研究、应用有关的内容作为毕业设计选题，所有学员都很好地完成了毕业设计论文，袁得军同学的毕业论文被评为湖北省优秀学士学位论文，陈亚光、崔允浩、刘龙祥、盛昌鹏等同学的毕业论文被评为学校优秀学士学位论文。

3. 学科竞赛：该专业部分学员在全国、全军大學生数学建模竞赛中取得优异成绩，如王问哲、杨帆、袁得军同学荣获全国二等奖，郭志科同学荣获湖北赛区一等奖，朱贞帅、张亚伦、杨宝河、刘伟斌、许晓川、郑晓滨等同学分别荣获湖北赛区二等奖，许恩赐、王新鹏、张鹏等同学分别荣获军队院校数学建模竞赛一等奖，赵松平同学在全国计算机仿真大赛中荣获全国特等奖。

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