張良

摘要：本文主要探討信息論與編碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，提出一定的改革方案。方案的要點(diǎn)以一個(gè)涵蓋信源、信道和加密編碼的大作業(yè)串聯(lián)起教學(xué)內(nèi)容，該實(shí)驗(yàn)需要全班學(xué)生分組協(xié)同完成，小組間依次傳遞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和子程序模塊并進(jìn)行交流討論，便于形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。授課時(shí)讓學(xué)生穿插討論和演示實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟，有效保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，對(duì)一些容易理解的內(nèi)容減少不必要的例題和習(xí)題，適當(dāng)拓展一些學(xué)生感興趣的新內(nèi)容，增加課程的信息量和趣味性。

關(guān)鍵詞：信息論與編碼；教學(xué)改革；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；圖像編碼

中圖分類號(hào)：TN911-34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）39-0127-02

一、引言

信息論與編碼是各高校電子信息類本科專業(yè)廣泛設(shè)置的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程綜合性較強(qiáng)，涉及高等數(shù)學(xué)、近世代數(shù)、概率論、隨機(jī)過程、密碼學(xué)、通信技術(shù)等許多領(lǐng)域，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)用到的知識(shí)較多。這門課的香農(nóng)信息論部分可以讓學(xué)生對(duì)通信理論和技術(shù)有更加深入的理解，而信源編碼、信道編碼和加密編碼則注重實(shí)踐應(yīng)用。由于該課程的教學(xué)內(nèi)容對(duì)于學(xué)生畢業(yè)后從事通信領(lǐng)域的科學(xué)研究或工程實(shí)踐具有廣泛影響，因此，加強(qiáng)信息論與編碼課程的教學(xué)研究，提高教師的教學(xué)水平，是非常有必要的。[1，2]

二、信息論與編碼課程教學(xué)中存在的問題

1.學(xué)生的重視程度往往不夠。對(duì)于通信工程專業(yè)的學(xué)生而言，信息論可說是專業(yè)基礎(chǔ)課中的基礎(chǔ)課，通過信息論的學(xué)習(xí)可以加深學(xué)生對(duì)通信原理等其他專業(yè)課內(nèi)容的理解，但在學(xué)生看來，信息論學(xué)習(xí)的好壞并不影響其他課程的學(xué)習(xí)，從解題的角度來講尤其如此。另外，各高校研究生招生考試時(shí)很少將信息論與編碼作為筆試課程，因此，學(xué)生如果從實(shí)用的角度出發(fā)來判斷一門課的重要性，就會(huì)忽視該課程的學(xué)習(xí)。

2.課程內(nèi)容帶來的問題。信息論中有很多相似并且互相關(guān)聯(lián)的概念，還有一些較為煩瑣的推導(dǎo)證明。比如，信源熵和平均互信息性質(zhì)的證明、一般離散信道的信道容量計(jì)算、信息率失真函數(shù)參量表達(dá)式的解法等。這些內(nèi)容涉及概率論與隨機(jī)過程的知識(shí)，比較復(fù)雜、抽象，同時(shí)還涉及通信方面的一些專業(yè)知識(shí)，在學(xué)習(xí)的過程中顯得抽象、枯燥，學(xué)生接受起來比較困難。[3-7]

三、信息論與編碼課程教學(xué)改革存在的問題

從以上特點(diǎn)出發(fā)，各高校任課教師對(duì)這門課進(jìn)行了大量的教學(xué)方法研究，所研究的方法涉及教材內(nèi)容的選擇、多媒體課件的制作和使用、互動(dòng)的課堂教學(xué)方法、增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等。其中，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是一項(xiàng)被廣泛提及的重要教改內(nèi)容，可以為這門偏理論的課程增添實(shí)踐色彩，從而讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到信息論與編碼課程內(nèi)容的實(shí)用價(jià)值。[3-7]毫無(wú)疑問，增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是十分必要的，但如果實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇不合理或?qū)嶒?yàn)實(shí)現(xiàn)的難易程度設(shè)定不當(dāng)，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。[8-10]

四、本文提出的教改方案和實(shí)驗(yàn)設(shè)置方法

本文提出的信息論與編碼教改方案主要包括以下一些內(nèi)容。

1.適當(dāng)調(diào)整講授順序，保證編程實(shí)驗(yàn)有充足的時(shí)間。教學(xué)順序的調(diào)整具有可行性。編碼部分與香農(nóng)信息論有一定的獨(dú)立性，學(xué)習(xí)香農(nóng)信息論以前，學(xué)生在通信原理課程中就已經(jīng)初步學(xué)習(xí)過有關(guān)編碼的部分內(nèi)容，因此可以將編碼部分的教學(xué)內(nèi)容適當(dāng)提前。這種調(diào)整有其必要性。一方面，信息論與編碼的實(shí)驗(yàn)利用計(jì)算機(jī)即可完成，不需要特殊的實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備，因而一般可以作為課外作業(yè)布置給學(xué)生。按照原來的授課順序，講完信道編碼時(shí)，只剩下最多兩周的時(shí)間留給學(xué)生做編碼實(shí)驗(yàn)，時(shí)間少，自然無(wú)法進(jìn)行課堂討論。另一方面，編碼部分講完后，學(xué)生即開始分組討論并動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，在以后的課堂中，適當(dāng)安排一些小段的時(shí)間來討論實(shí)驗(yàn)中遇到的具體問題，讓各個(gè)小組在課堂上講解和演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其他學(xué)生給出評(píng)價(jià)，從而形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。

2.以分組協(xié)作的形式完成一個(gè)大的實(shí)驗(yàn)，串連起編碼部分的教學(xué)內(nèi)容，凸顯其實(shí)用性。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是對(duì)一個(gè)16×16的圖像塊進(jìn)行壓縮編碼，處理過程涵蓋信源編碼、信道編碼和加密編碼，其中信源編碼是混合編碼，包括變換編碼、預(yù)測(cè)編碼、游程編碼以及熵編碼，信道編碼和加密編碼采用常用的典型編碼方法。采用這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)在小組間順序傳遞，每一個(gè)小組都把自己處理完的結(jié)果給下一組，下一小組以此為輸入再做進(jìn)一步的處理，這種聯(lián)系使得小組之間必須進(jìn)行交流，除了完成本組任務(wù)以外，還須了解和關(guān)注其他小組的工作。第二，與單步驟的實(shí)驗(yàn)方案相比，該方案能夠讓學(xué)生看清各種編碼方法在整個(gè)系統(tǒng)中的位置和作用。第三，整個(gè)任務(wù)具有一定的深度，任務(wù)被分解后，每個(gè)小組的工作量又都可以設(shè)計(jì)得比較合理，不會(huì)讓學(xué)生望而生畏。

3.對(duì)授課內(nèi)容及其重點(diǎn)的調(diào)整。講解香農(nóng)信息論時(shí)，要改變對(duì)定理證明過程的教學(xué)方法，盡量減少不必要的例題和習(xí)題，擴(kuò)展一些學(xué)生感興趣的信息理論和技術(shù)，讓學(xué)生參與，增加課程的趣味性和吸引力。①香農(nóng)信息論中有一些定理和性質(zhì)的推導(dǎo)過程比較煩瑣，將這些推導(dǎo)過程整理成單獨(dú)的演示文檔，對(duì)學(xué)生可能看不太懂的地方加上詳細(xì)注釋，將整理好的文檔放在Bb平臺(tái)上，或者隨堂給學(xué)生，讓感興趣的學(xué)生課后研讀。②一些問題和計(jì)算對(duì)于大學(xué)四年級(jí)的學(xué)生來說非常容易理解，沒有任何難度，應(yīng)當(dāng)避免做過多的例題和習(xí)題。比如，自信息和信源熵的計(jì)算，這些題目往往偏于概率計(jì)算，沒有必要進(jìn)行反復(fù)練習(xí)。③用每次課的最后10～15分鐘，陸續(xù)對(duì)各小組的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)方案見圖1。

實(shí)驗(yàn)過程分編碼、解碼以及擴(kuò)展內(nèi)容三部分，按照學(xué)生人數(shù)細(xì)分成小的任務(wù)步驟，相應(yīng)地將學(xué)生分為若干小組，每個(gè)小組3～4人，大致讓每個(gè)小組平均有兩次任務(wù)。對(duì)于人數(shù)較多的班級(jí)，可以在擴(kuò)展的部分適當(dāng)增加一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。圖1給出的是以9個(gè)小組的劃分方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)編碼端的工作分配情況。

五、結(jié)論

我們已經(jīng)將本文所提方法用于我校大學(xué)四年級(jí)學(xué)生以及研究生的教學(xué)，達(dá)到預(yù)期效果。研究生班級(jí)人數(shù)一般較少，每個(gè)小組通常只有一名學(xué)生，而本科教學(xué)班級(jí)人數(shù)較多，每個(gè)小組至少有3名學(xué)生，更容易形成好的學(xué)習(xí)氛圍。

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