“双一流”背景下信息论与编码课程教学改革与实践

摘要：本文从“双一流”建设的角度分析了信息论与编码课程在教学过程中的现状与问题，并从教材的选择、教学模式、教学目标、教学内容和重点、考核方式和思政元素挖掘方面进行积极探索，提出了改革方向。希望学生通过本课程的学习能运用所学知识与技能去分析和解决相关的实际问题，成为具有较高的综合业务素质，较强的实践、创新与知识更新能力的高级专业人才。

关键词：双一流；信息论；教学改革

“双一流”建设是党和国家提升高等教育综合实力和国际竞争力的战略举措。为实现“双一流”的各项目标任务，教育教学过程中，各门课程都要与“双一流”建设同向同行、同频共振，教师要积极推进教学改革与实践。本文坚持目标导向、问题导向和需求导向，分析了目前信息论与编码课程教学中存在的问题和困难，对标“双一流”建设相关标准和要求，提出了教学改革的途径和方法，对强化信息论与编码课程建设具有一定的参考价值。

作为一名高校教师，应积极探索课程的教学改革，探索如何让学生通过本课程的学习学会运用所学知识与技能去分析和解决相关的实际问题，成为具有较高的综合业务素质，较强的实践、创新与知识更新能力的高级专业人才。

2021年12月，中央全面深化改革委员会第二十三次会议上强调，更加突出“双一流”建设培养一流人才、服务国家战略需求、争创世界一流的导向，深化体制机制改革，统筹推进、分类建设一流大学和一流学科，在关键核心领域加快培养战略科技人才、一流科技领军人才和创新团队，为全面建成社会主义现代化强国提供有力支撑。［1］

要突出培养一流人才、服务国家战略需求、争创世界一流的导向，深化体制机制改革，统筹推进、分类建设一流大学和一流学科。作为新时代的教育工作者要立足新发展阶段、贯彻新发展理念、服务构建新发展格局，全面贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务，更加突出“双一流”建设培养一流人才、服务国家战略需求、争创世界一流的导向，为全面建成社会主义现代化强国提供有力支撑。

作为一名高校教师，对专业课程教学进行针对性的改革提升，是当前面临的重要课题。应充分认识建设的长期性、艰巨性和复杂性，遵循人才培养、学科发展、科研创新内在规律，把握高质量内涵式发展要求。

一、课程特点

计算机科学与技术学院信息安全专业是贵州大学特色专业，信息论与编码是信息安全专业很重要的一门专业基础课程。信息论（informationtheory）是信息科学的主要理论基础之一，是在长期的信息与通信工程实践中，与概率论、随机过程和数理统计等近代数学学科相结合而建立并发展起来的，所以这门功课对信息技术相关专业的同学来说是很基础很重要的。

信息论与编码理论是20世纪40年代末期由美国数学家香农等创立的，经过几十年的发展，现已成为信息科学的基础理论。信息论主要研究可能性和存在性问题，为具体实现提供理论依据。笔者一直是这门课程的主讲人，有多年的教学经验与教学思考。

二、存在的问题

信息论和编码理论是从工程实践中抽象概括出来的理论知识，既具有很强的理论性，又有广泛的工程实践背景。同学们初学时往往由于缺乏工程实践背景很难理解其中的理论知识，想学好却又很难学好。在总结以往教学经验时，笔者也发现了一些需要改进的地方。

（一）教学模式有待丰富

教师不能仅仅采用传统主流教学模式那种以PPT讲解为主的课题模式，而是应当借助各类优秀的网络教学资源以及线上教学平台，在预习、课堂讲解、课内课外讨论、课堂检测、课后练习、复习总结等各个阶段采用多种教学模式。

（二）理论和实践没有很好地有机结合

该课程是信息科学的基础理论，是信息技术的理论依据。下一步要研究如何让学生通过本课程的学习学会运用所学知识与技能去分析和解决相关的实际问题，成为具有较高的综合业务素质、较强的实践、创新与知识更新能力的高级专业人才。

（三）思政元素是分散的点，没有与专业知识点系统融合

在前期的教学工作中进行过对信息论相关科学家的简介，也有对信息论发展历程的简介，但是没有系统地实现思想政治教育与知识体系教育的有机统一。在今后的教学工作中，教师在努力讲好专业课的同时，也要教给同学们正确的思想，引导他们走正路，把思政教学融入信息论课程教学当中。

三、教学改革

针对以上问题，基于专业特色，在教材的选择、教学模式、教学目标、教学内容和重点、考核方式和思政元素挖掘等方面都应当积极探索、勇于改革。教学实践证明，对此进行深入的研究探讨有利于提高教学效果。

（一）教材

信息论的教材很多很杂，侧重点也有所不同。本课程筛选教材，主要考虑讲解要深入浅出，重点在于对理论知识含义的说明，而非枯燥的证明；能够通过读者身边看得见、摸得着的例子来解释这些理论问题，重在讲明原理，重在对知识的灵活应用。

（二）教学模式

本课程采用在线上线下相结合的教学模式，并将课程思政融入其中。

要改变过去只是讲好专业知识的局限性，在采用多种教学模式的情况下全面推进信息论课程思政建设，深挖专业课程的思政元素，把思政元素有机融入信息论与编码这门课程中。当然也不能操之过急，一味地讲道理、生硬地灌输，要理清思政的内涵、理顺蕴含思政元素的专业知识点，把思政教育如春风化雨般潜移默化地传授给学生，寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观。［2］

（三）教学目标

本课程以信息传输系统模型为主线，讲述了信源熵的测度、信道容量的测度、信源编码及信道编码。通过对本课程的学习，要求学生掌握基本概念和基本分析方法，使学生能够理解信息传输的本质，初步掌握通信有效性及可靠性原理与方法，并熟练掌握信源熵及信道容量的度量、信源编码和信道编码的原理和基本方法。

（四）教学内容和重点

本课程在讲解时力图通过学生身边看得见、摸得着的例子来讲授的重点在于对理论知识含义的理解与运用，而非单纯的数学证明，尽可能通过实际例子来解释这些理论问题。以下是优化课堂教学内容的例子。

例1：在第二章信息的统计度量中，讲述了离散随机变量的自信息量、条件自信息量、联合自信息量、互信息量、熵、条件熵、联合熵、交互熵、交叉熵、相对熵，连续随机变量的熵、条件熵、联合熵、交互熵共14个概念。对于这14个概念不能仅仅只是背概念记公式，必须从公式、数学推导（证明）、信息论含义、相互之间的关系以及例题多方面进行学习，深入理解。

例2：在例题22中计算条件自信息量为6.6439bit，例题23中计算互信息量也是6.6439bit，此时就要引导学生去思考这两个6.6439bit有什么不同，有什么联系，从而去理解这样一个式子：互信息量=自信息量-条件自信息量。

例3：信息量的二进制单位bit，引导学生思考为什么二进制位的单位也是信息量的单位；信息量的单位可不可以用其他进制数表示（扩展到n进制）。

例4：R（D）与C本质上都是平均互信息量，两者是在不同条件下的极值，在多个方面对其进行对比，可以让学生深刻理解，记忆犹新。

（五）考核方式

更加注重过程化考核，学生成绩由到课率+作业+课堂提问+课堂小测+期末测验组成，采取线上+线下多种方式进行考核。这样可以及时反馈学生学习情况，及时调整教学内容教学形式，也较好地改善了学生期末考试前突击学习应付考试的情况。

（六）思政元素挖掘

（1）简介无线移动通信技术、通信标准的发展。1978年，贝尔实验室基于蜂窝网络开创了最早的移动通信标准，这就是第一代移动通信系统（1G，1STGENERATION）。

在无线移动通信的2G时代，中国使用的是英国的TACS标准。

到了20世纪90年代，3GPP组织开发出了3G标准。2000年5月，国际电信联盟正式宣布将中国提交的TDSCDMA，与欧洲主导的WCDMA、美国主导的CDMA2000并列为三大3G标准。［3］

4G时代，中国迅速崛起，成为手握4G核心专利的巨头之一。

5G时代拉开帷幕。2019年6月，德国专利数据公司IPLYTICS将全球各大公司占有的5G标准必要专利数量进行排序，全球5G必要专利持有量过百的厂商共有11家，华为以1554个位居世界首位。而这场较量，至今还未盖棺定论……

从以上发展历程可以看到中国的移动通信技术从落后到领先、通信标准从无到有，激发学生对信息技术学科的兴趣和爱好，在学生脑海中映射强化“四个意识”，坚定“四个自信”，提升学生社会责任感，强化社会主义建设的使命感。

（2）介绍信息论和编码理论的形成与发展。早在1948年信息论形成之前，相关的概念和研究方法就已经出现了。1924年，奈奎斯特（NYQUIST）定律描述了理想低通信道的极限速率与信道带宽的关系。1928年，哈特利最早研究了通信系统传输信息的能力，引入非统计信息量，给出了信息度量方法。1936年，阿姆斯壮提出增大带宽可以使抗干扰能力增强。信息论的产生是多种技术和学科发展的必然结果，1948年香农以“AMATHEMATICALTHEORYOFCOMMUNICATIONS”（通信的数学理论）为题公开发表，这是信息时代的里程碑，香农因此成为信息论的奠基人。

经过多年发展，信息论在统计物理（热力学）、计算机科学（柯尔莫戈罗夫KOLMOGOROV复杂度）、统计推断（奥克姆剃刀OCCAM'SRAZOR）、经济学（熵率的对偶性来丰富投资理论）等学科中都具有奠基性的贡献。

以上内容映射科学技术的魅力，任何科学技术都不是一蹴而就的，映射刻苦努力学习的精神，激发学生的学习热情，加强学生对专业的认同感，潜移默化地培养学生的工匠精神。

（3）信息率失真函数与信息价值的例题。信息价值是比信息量更难定义的量，同样的信息对不同的接收者，其（客观）信息量是相同的，但对不同的接收者，其价值是有差别的。信息率失真理论只研究客观信息量，不涉及信息对接收者有着不同的信息，但如果把平均失真理解为平均损失，据此定义信息价值，就可以用信息论解决许多实际问题。

本例题引导学生理论结合实际，学以致用。信息论研究对象是广义通信系统，任何系统只要能够抽象成通信系统模型，都可以用信息论研究。以上内容提升学生对专业知识的认同感，激发学生对专业知识的学习热情，培养学生的实践能力，优化课程实践教学内容，以期培养学生“工匠精神”。

信息技术相对于许多科学技术来说是一门新兴的学科，计算机的诞生、信息论的形成不过短短几十年。在不到100年的时间里，信息技术、通信技术迅猛发展，渗透到社会的方方面面，加速了社会信息化的进程。

结语

作为一名教师，我将立志努力培养担当民族复兴大任的时代新人，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。在教学活动中全面贯彻党的教育方针，思考培养什么人、怎样培养人、为谁培养人这个根本问题，充分认识教学及教学改革的长期性、艰巨性和复杂性，遵循人才培养、学科发展、科研创新内在规律，把握高质量内涵式发展要求，不唯数量指标，不急功近利，突出重点，发挥好每门课程的育人作用，在工作中坚持不懈用习近平新时代中国特色社会主义思想铸魂育人。

参考文献：

［1］教育部，财政部，国家发展改革委.教育部财政部国家发展改革委关于深入推进世界一流大学和一流学科建设的若干意见［J］.中华人民共和国教育部公报，2022（06）：813.

［2］刘东，赵宁.论高校教师课程思政的能力建设［J］.武汉理工大学学报（社会科学版），2022，35（06）：151155.

［3］何笑雨.广东省信息技术引进的政府管制研究［D］.华南理工大学，2017.

［4］陆勰，徐雷，张曼君，等.商用密码在5G网络中融合应用的思路探讨［J］.信息安全与通信保密，2023（02）：117124.

基金项目：本文是贵州大学高等教育研究项目“‘双一流’背景下《信息论与编码》课程思政建设与探索”（项目编号：GDGJYJ2022016）的研究成果；2023年度贵州大学省级金课——信息论基础“线上线下混合式课程”（项目编号：802135243301）

作者简介：彭蕾（1980—），女，汉族，湖南醴陵人，硕士，讲师，研究方向：信息安全。