电子专业研究生信息论教学改革范文

摘要：

在电子专业硕士研究生教学中，信息论课程是必修基础理论课程，但由于其与数学联系密切、理论性强、内容抽象，导致学生缺乏学习兴趣和效率低下。为促进学生更好地掌握课程内容，笔者从课程的教学内容、教学方法与考核方式三方面进行一系列教学探索，提出“三个强化、三个联系、三个引入”的改革措施。实践结果表明，这些措施有效地改善了课程教学效果，提高了学生的学习积极性、知识掌握程度和应用知识解决实际问题的能力。

关键词：

信息论；研究生教学；教学改革

《信息论》是本校电子科学与工程学院电路与系统专业硕士研究生（学术型）的专业必修理论课程，也是一般高等院校通信与信息工程、计算机科学与技术、电子科学与技术等一级学科下相关专业的本科生、研究生的主修专业课程[1-5]。通过对本课程的学习，使学生掌握有关信息论的基本理论以及编码的理论、实现原理和具体应用。虽然人们在本科生的《信息论》教学改革方面做了一定的工作[6-9]，但其改革内容不符合电路与系统学科特点，更不符合研究生教学需要。笔者结合本学院学生基础、学校政策及本人近年来的教学实践，在学校研究生教学改革项目支持下，开展了本门课程的教学改革与实践。

一、课程特点

1.需要坚实的数学基础。该课程存在大量的公式推导与证明，与概率论、随机过程、近世代数等数学知识密切相关。若无扎实的数学基础，学生无法看懂推导过程，更无法从根本上理解信息论的数学意义及物理含义。

2.学生学习兴趣不高。由于电子专业硕士研究生的数学基础仅限于本科生学过的概率论与随机过程，对近世代数的了解几乎为零。学生面对繁杂、抽象的理论问题时，无法宏观地理解和把握，致使学生无法提高学习兴趣。

3.课程联系实际困难。课程抽象概念多、定理证明多，与实际应用有一定距离，且与其他课程联系较少。多数学生在学习过程中觉得内容枯燥、难度大，而且与将来就业方向联系较少。鉴于以上问题，为了激发学生学习的积极性和主动性，促进学生更好地掌握本门课程，笔者从课程的教学内容、教学方法与考核方式三方面入手，提出了教学改革的相应措施。

二、教学内容改革———三个强化

1.强化离散信息论的基础作用。信息论的主要内容是信源概念、信息度量方式及三个香农基本定理，相应的内容又分别面向连续信源与离散信源。二者的区别在于，连续信源/信道及相应的定理一般需要结合随机过程知识来学习，而离散信源/信道及相应的定理是建立在概率论、线性代数的基础上。从推导过程和公式形式来看，二者具有内在的统一性。这可从连续信源信息熵的推导过程看出：将连续信源进行离散化，变为离散信源后再利用离散信源信息熵的求解公式并求解极限得到。因此笔者重点强化了对离散信源、离散信道及其容量、无失真信源编码定理、无失真的信源编码的内容。这对学生进一步掌握连续信源、信道及相关问题奠定了基础。

2.强化信息论的现实物理意义。笔者从课程本源出发，让学生理解公式或定理蕴含的深刻物理含义，使理论结果可视化，概念直观化。例如，在讲解离散信源的极值性定理时，可提炼出如下物理含义：第一层含义是，当信源各取值的概率相等时，人们对信源取何值的不确定性最大，由于各信源服从等概率分布，信源的平均不确定性即为各事件的不确定性，因此信息熵也越大；第二层含义是，对于具有不同数量事件的两个信源，若二者同时满足等概率分布，则预测数量较多事件的信源的难度较大，因此该信源的信息熵也较大。

3.强化教学案例的实用性。在本次教学改革中，共自创或搜集教学案例11例，每个教学案例都与教材内容有关，将晦涩难懂的理论内容变为鲜活的例子，让学生去感受和体会案例中蕴含的问题，从而为更好地理解教学内容奠定基础。以引入的六个视频教学案例为例，该案例以美国国家航天局发射的新火星探测器为背景，讲解了信息如何传播、如何加密等问题。通过这部分教学案例的学习，学生深刻地认识到了信息论的价值与实践意义。

三、教学方法改革———三个联系

1.联系计算机仿真。笔者鼓励学生应用MATLAB中SIMULINK工具设计具体的通信系统模型，如基于开关键控或正交频分复用的射频通信系统。让学生看到实验现象的同时，更加深刻地体会信息的传递过程，了解信源、信宿、信道的构成，学习信源编码、信道编码、加密、信道译码、信源译码等信息处理过程，加强学生对信道容量、信息传输速率、误码率等概念的把握。笔者督促学生将上述问题作为课程设计的作业，使其结合信息论所学的知识，提炼出相关问题、建立模型，加以认真分析解决；再将提炼问题和解决问题的过程以及结论进行汇总，撰写成研究报告。这既巩固了学生的基础知识，又锻炼了学生运用计算机进行建模和仿真的能力。

2.联系工程实际。由于研究生日常的工作大多在实验室从事工程项目的研究或开发工作，若能将这些工作与信息论知识联系到一起，无论对信息论的学习还是科研都将起到促进作用。笔者首先开展了调查研究工作，统计了各个学生从事科研项目的情况，然后让学生结合课程知识，从信息获取、处理、传输、存储的角度去解释。例如，在讲述信息不增性原理时，笔者结合温度传感器的设计问题：将大气环境温度看成连续信源，将传感器系统看作信道，将显示终端看作信宿。因此，设计该系统的关键问题———如何设计传感器才能最大化地得到信息而不丢失信息？学生带着这个问题去思考，就可以真正地体会传感器中信息传递过程。

3.联系科学前沿。为鼓励学生大胆创新，笔者尝试将科学前沿技术引入信息论课程，例如，室内、外可见光通信技术。笔者结合自己近年来从事可见光通信研究的经历，向学生讲授了可见光通信系统的设计、研制、实验测试等一系列过程；然后结合信息论课程所学的知识，将其与研制的可见光通信系统联系在一起。笔者也鼓励学生探索与信息论相关的科学前沿问题，开展课堂讨论与课下交流。让学生查询保密学、光学信息论等方面的文献，详细阅读并做总结。然后，切实提出自己的想法，再予以验证，从而将学生所学知识真正地和科学前沿结合在一起。

四、考核方式改革———三个引入

该课程原来采取任课教师命题、纸质考试方式。其弊端在于，教师命题规律和出题形式规定，学生只要做一遍往年考试题目，就可得到较高的分数。虽然这种考核形式能在一定程度上反映出学生的知识水平，但却无法体现其学术水平和实践能力。为此，笔者在考核方式上做了三个引入的变化。

1.引入随堂能力测验。随堂能力测验是考查学生运用所学信息论知识分析解决实际问题的能力。由于采取随堂考试形式，因此，对学生课堂学习效率和前期积累提出了较高的要求。例如，在学习香农公式时，笔者考查了学生运用香农公式计算射频通信所需带宽的问题；在学习无失真的信源编码时，笔者考查了应用霍夫曼编码对离散信源进行编码的能力。该测验在总成绩中占10%的比例，从而激励学生很好地利用课堂来学习知识。

2.引入学术论文加分。提升学术水平是研究生教学的任务之一。笔者针对信息论教学中每章的重点问题，均设置开放性的论题供学生选择，让其查阅文献、资料，进行认真的设计、理论推导、计算机仿真、现场实验，并将其总结成文，然后以学术论文的形式提交。笔者根据学生在文中阐述的观点、论证的严密性、结论的正确性与普遍性等方面予以考核。学术论文在总成绩中占20%的比例，是本次教学改革的重点。

3.引入上机考试。往年的信息论期末考试中，题目是由任课老师自行拟定。由于种种原因，考试题目重复率高、知识点考查单一，这给学生突击考试并取得好成绩提供了可能。为此，笔者将期末教师出题测试改为上机随机抽题考试。笔者建立了试题库，题型包括：客观题（选择、判断）、主观题（概念、简答、计算、综合）。在本校计算机学院协助下，建成了信息论上机考试系统，学生登陆系统后，按照教师设定的题目数量和难度，随机抽取试题。上机考试的在总成绩中占据70%的比例，也是这次教学改革的重点。该考核方式经试运行后，效果良好。

五、结语

笔者根据电路与系统专业信息论课程的特点以及目前教学中存在的问题，从教学内容、教学方法及考核方式三个方面提出了相应的改革措施。通过本次的教学实践证明，采取的这些措施有效地改善了课程教学效果，提高了学生的学习积极性、知识掌握程度和应用知识解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]陈运.信息论与编码[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2]叶中行.信息论基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]李梅.信息论基础教程（2版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2003.

[4]曹雪虹.信息论与编码[M].北京：清华大学出版社，2003.

[5]吴伟陵.信息处理与编码[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[6]李迎春，等《.信息论与编码》教学改革探讨[J].科技信息，2010，（20）：18-20.

[7]邓家先.信息论与编码课程教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2007，29（2）：111-114.

[8]高宏峰，彭勃.信息论基础课程教学改革探究[J].洛阳师范学院学报，2010，29（2）：160-161.

[9]刘莺，胡剑炜.信息论基础课程教学优化改革的探讨[J].科技信息，2011，（35）：112.

作者：郑传涛 叶玮琳 杜巧玲 王一丁 张大明 单位：吉林大学 电子科学与工程学院 汕头大学 工学院