CDIO理念在信息論與編碼課程教學(xué)中的應(yīng)用

高山+馬林華+任宇環(huán)+畢篤彥

[摘 要]信息論與編碼課程是電子信息與通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有課程內(nèi)容抽象、涉及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)廣泛，公式復(fù)雜眾多及數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁雜的特點(diǎn)。CDIO工程教育模式（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作）繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測評的十二條標(biāo)準(zhǔn)。該模式注重學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，鼓勵(lì)學(xué)生交流溝通，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。將CDIO理念應(yīng)用于信息論與編碼課程的教學(xué)中，可以解決理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐能力的失衡問題，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

[關(guān)鍵詞]信息論與編碼；CDIO；教學(xué)探討；教學(xué)理念

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2017）04-0001-04

信息論與編碼課程是我校信息與通信工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，是一門運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)工具來研究各類通信系統(tǒng)的一般規(guī)律以及通信系統(tǒng)各組成部分統(tǒng)計(jì)特性的綜合性強(qiáng)、涉及學(xué)科廣泛的課程。其教學(xué)過程既需要學(xué)生掌握高等數(shù)學(xué)、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過程等基礎(chǔ)課程，還需要學(xué)生掌握信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理以及通信原理等專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程組成和其他課程的關(guān)系如圖1所示。

信息論是現(xiàn)代信息科學(xué)的重要組成部分，是現(xiàn)代通信、信息技術(shù)飛速發(fā)展的理論支撐。人們運(yùn)用信息論這一工具來認(rèn)知世界，不斷探索系統(tǒng)的存在方式和運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，促進(jìn)了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的飛速發(fā)展。

信息論與編碼課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。課程涉及積分運(yùn)算，矩陣運(yùn)算，群、域、環(huán)的概念和理論，數(shù)值分析的理論，計(jì)算機(jī)迭代算法，香農(nóng)三大定理的證明等，幾乎涵蓋了理工科學(xué)生所學(xué)的全部數(shù)學(xué)知識(shí)。同時(shí)課程中很多概念非常抽象，比如信息、自信息量、平均互信息等，為教學(xué)帶來了很大困難。教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映公式定理繁雜枯燥難懂，內(nèi)容概念抽象難以理解，學(xué)習(xí)興趣不高。本教學(xué)小組嘗試將CDIO理念[2]引入信息論與編碼課程教學(xué)實(shí)踐中，積極探索并設(shè)計(jì)出新的有利于促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提升其創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力的全新教學(xué)模式，以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

一、CDIO工程教育模式的引入

CDIO是國際工程教育改革的最新成果[2]，至2016年，已有幾十所世界著名大學(xué)加入CDIO組織，采用CDIO工程教育理念和教學(xué)大綱，取得了良好的教學(xué)效果。2016年1月8日至9日， “全國CDIO工程教育聯(lián)盟”成立，由此拉開了以培養(yǎng)高級(jí)工程專業(yè)人才為目標(biāo)的高等工程教育新模式改革的序幕。

CDIO工程教育理念的引入就是為了打破傳統(tǒng)的教育方式中重理論輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等弊端，培養(yǎng)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)精神、溝通能力的全面發(fā)展人才。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢。

CDIO包括三個(gè)核心文件：一個(gè)愿景、一個(gè)大綱和十二條標(biāo)準(zhǔn)，CDIO教學(xué)大綱包括四個(gè)層級(jí)，如圖2。

作為成熟的工程教學(xué)模式，CDIO制定了十二條標(biāo)準(zhǔn)，為CDIO的改革提供了評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施指南。

CDIO工程教育模式的本質(zhì)是“實(shí)踐中學(xué)習(xí)”和“基于工程的教育”的集中體現(xiàn)，可有效解決工程教育中理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐失衡的問題；注重培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)的培養(yǎng)。CDIO工程教育模式并沒有針對各個(gè)專業(yè)給出相應(yīng)的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，它為我們提供的是一種方法論，為教學(xué)模式改革指明了方向。

本文試圖將CDIO理念運(yùn)用于信息論與編碼課程的教學(xué)中，探究基于CDIO理念的信息論與編碼課程教學(xué)方法。解決傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

二、CDIO理念指導(dǎo)下的課程教學(xué)特點(diǎn)

通過對CDIO三個(gè)核心文件——一個(gè)愿景、一個(gè)大綱和十二條標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)，本文認(rèn)為在CDIO工程教學(xué)模式指導(dǎo)下的教學(xué)實(shí)踐具有以下特點(diǎn)：

（一）突出工程實(shí)踐

CDIO教學(xué)模式的核心思想是“實(shí)踐中學(xué)習(xí)”。即從完成工程項(xiàng)目中學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來，做到知與行的結(jié)合，將直接經(jīng)驗(yàn)（實(shí)踐）的獲得與間接經(jīng)驗(yàn)（理論教學(xué)）的學(xué)習(xí)相結(jié)合。

因此，在信息論與編碼課程教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，教師要注重工程實(shí)踐的設(shè)計(jì)。比如要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個(gè)特定的通信系統(tǒng)，并且給出其信道容量；鼓勵(lì)學(xué)生將書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決工程問題的方法，并將實(shí)踐所獲得的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)有效運(yùn)用于理解書本知識(shí)。

（二）強(qiáng)調(diào)相互關(guān)聯(lián)

CDIO標(biāo)準(zhǔn)中的背景環(huán)境強(qiáng)調(diào)關(guān)聯(lián)性，這是CDIO非常重要的方法論。學(xué)生通過完成項(xiàng)目，總結(jié)歸納解決問題的理論支撐，在加深對書本知識(shí)理解的同時(shí)也提高了解決問題的能力。這種能力不是知識(shí)的堆砌，而是知識(shí)在實(shí)踐中的升華，體現(xiàn)了“實(shí)踐中學(xué)習(xí)”的本質(zhì)。

因此，基于CDIO理念的信息論與編碼課程在教學(xué)過程中工程實(shí)踐（研討、文獻(xiàn)閱讀、仿真實(shí)驗(yàn)等）和理論知識(shí)學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)與組織強(qiáng)調(diào)相互關(guān)聯(lián)、相輔相成，將瑣碎的知識(shí)點(diǎn)通過項(xiàng)目實(shí)踐串聯(lián)起來，完成項(xiàng)目的同時(shí)加深對知識(shí)的理解。

（三）體現(xiàn)主觀能動(dòng)性

CDIO工程教育模式強(qiáng)調(diào)在教與學(xué)過程中以學(xué)生為中心，以此來調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，這和建構(gòu)主義理論不謀而合。

因此，基于CDIO理念的信息論與編碼課程教與學(xué)的過程要充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)將取代傳統(tǒng)的以教師為主的知識(shí)講授。

（四）強(qiáng)調(diào)宏觀整體化

CDIO標(biāo)準(zhǔn)在課程設(shè)計(jì)和教學(xué)手段方面都體現(xiàn)了整體觀念，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)的是系統(tǒng)論的核心思想。

因此，基于CDIO理念的信息論與編碼的教學(xué)課程設(shè)計(jì)要立足于整體，注重各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，將教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合，體現(xiàn)一體化，以達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果。

（五）評價(jià)方式多元化

依據(jù)CDIO的十二條標(biāo)準(zhǔn)，教師應(yīng)采用與之相適應(yīng)的考核方法來評價(jià)學(xué)習(xí)效果。

因此，基于CDIO理念組織的課程教學(xué)在評價(jià)考核方面應(yīng)具有多元化特點(diǎn)。其中，包括考核手段多元化和評價(jià)主體多元化。

三、CDIO理念指導(dǎo)下的教學(xué)活動(dòng)模式構(gòu)建

CDIO理念下的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)和組織是在“實(shí)踐中學(xué)習(xí)”理念的指導(dǎo)下，基于項(xiàng)目實(shí)踐進(jìn)行的。學(xué)生在完成項(xiàng)目的過程中能更加深入地理解理論知識(shí)，同時(shí)提升將理論應(yīng)用于實(shí)踐的能力。

因此，CDIO理念在信息論與編碼課程教學(xué)中的應(yīng)用是以學(xué)生為主導(dǎo)、以工程實(shí)踐為導(dǎo)向、以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，在完成項(xiàng)目的過程中加深對知識(shí)的理解，再將積累的知識(shí)用于解決工程實(shí)踐問題。

基于此，教學(xué)組進(jìn)行了課程教學(xué)活動(dòng)組織模式的架構(gòu)和課時(shí)分配。

（一）課程教學(xué)活動(dòng)組織模式的架構(gòu)

結(jié)合信息論與編碼課程內(nèi)容的特點(diǎn)，教學(xué)組構(gòu)建了課程教學(xué)實(shí)施過程中各知識(shí)模塊通用的教學(xué)流程模式，如圖3。

課外自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)要求學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行資料查詢、收集整理完成課前預(yù)習(xí)。借助網(wǎng)絡(luò)資源完成自主學(xué)習(xí)，比如上海交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、國防科技大學(xué)的信息論國家精品課程、MIT 開放課程，stanford 的信息論課程等。教師在課外自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，應(yīng)給出本次課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為學(xué)生查詢相關(guān)資料提供指導(dǎo)。

知識(shí)講解環(huán)節(jié)不再是傳統(tǒng)教學(xué)的灌輸模式，而是針對學(xué)生自主學(xué)習(xí)時(shí)的盲點(diǎn)或理解不正確的地方進(jìn)行詳細(xì)重點(diǎn)的講解，自主和互動(dòng)式學(xué)習(xí)將提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性和主動(dòng)性。

以“教”為中心的教學(xué)，缺乏自主創(chuàng)新意識(shí)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，學(xué)生無法感受學(xué)習(xí)的樂趣以及解決問題的成就感。因此，一級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以個(gè)人獨(dú)立完成的形式進(jìn)行，主要完成文獻(xiàn)閱讀、撰寫讀書報(bào)告、總結(jié)歸納自主學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn)疑點(diǎn)等任務(wù)。

二級(jí)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目以小組的形式進(jìn)行，項(xiàng)目內(nèi)容的設(shè)計(jì)要貼近學(xué)生的專業(yè)方向，引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用書本上的知識(shí)解決工程實(shí)踐中的問題。在此過程中，教師需要向?qū)W生提供與實(shí)踐項(xiàng)目相關(guān)的資料等，引導(dǎo)幫助學(xué)生尋找解決問題的途徑和方法。

小組在協(xié)作探究后完成相應(yīng)的任務(wù)，每組選出一個(gè)代表在課堂上進(jìn)行展示與匯報(bào)，和其他同學(xué)分享學(xué)習(xí)成果和經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)行組內(nèi)互評、小組之間互評。教師要對整節(jié)課的綜合情況進(jìn)行評價(jià)、總結(jié)。課后，學(xué)生要撰寫學(xué)習(xí)交流心得。

在一級(jí)項(xiàng)目和二級(jí)項(xiàng)目中，教師要將高級(jí)編程語言（C/C++、Java 等）、仿真軟件（Matlab）和信息論與編碼課程結(jié)合起來開展適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)教學(xué)。例如在第8章和第9章中利用C 語言來實(shí)現(xiàn)Huffman編碼、Fano編碼、卷積碼、循環(huán)碼的程序設(shè)計(jì)及調(diào)試工作；在第6章中，可設(shè)計(jì)通過Matlab 仿真軟件來驗(yàn)證采用不同的譯碼準(zhǔn)則得到的平均錯(cuò)誤概率等實(shí)驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅讓學(xué)生加深了對理論知識(shí)的理解，還鍛煉了學(xué)生的編程能力，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

最后，教師將每組總結(jié)的疑難問題和重點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行整理，對整節(jié)課知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化梳理總結(jié)。

（二）課時(shí)分配

CDIO工程教育模式的本質(zhì)是“實(shí)踐中學(xué)習(xí)”和“基于工程的教育”的集中體現(xiàn)。從信息論與編碼課程的內(nèi)容來看，其強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性和實(shí)用性，包括信息論基礎(chǔ)知識(shí)（理論）和香農(nóng)三大定理（實(shí)踐）兩大部分內(nèi)容。該策略不適于信息論基礎(chǔ)知識(shí)（理論）部分的學(xué)習(xí)。因此，基礎(chǔ)知識(shí)部分的學(xué)習(xí)采用教師講授的方式進(jìn)行，而香農(nóng)三大定理（實(shí)踐）部分采用CDIO模式進(jìn)行。

結(jié)合信息論與編碼課程課時(shí)的安排，以兩個(gè)教學(xué)周為一個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)周期來分配課時(shí)。

教學(xué)活動(dòng)組織模式和課時(shí)分配依據(jù)以學(xué)生為中心的理念設(shè)計(jì)，真正“以學(xué)生為中心” 更好地實(shí)現(xiàn)“因材施教”?？s短教師講授的時(shí)間，整個(gè)過程更多地關(guān)注學(xué)生的參與。教師由原來講臺(tái)上的“圣人”轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)活動(dòng)中的“教練”，而學(xué)生由原來臺(tái)下被動(dòng)的接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的參與者。

四、教學(xué)評價(jià)方式

課程教學(xué)評價(jià)是教學(xué)活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)，既具有反饋功能，又具有導(dǎo)向功能。CDIO理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)，該觀念貫穿課程設(shè)置和教學(xué)過程的始終。因此，評價(jià)方法要能客觀全面地衡量學(xué)生的綜合能力。

基于此，信息論與編碼課程的考核釆用 “多樣化、多角度全過程考核，多元化全方位評價(jià)”的方式，教師評價(jià)、小組互評和學(xué)生自評相結(jié)合。教師是教學(xué)活動(dòng)的組織者和指導(dǎo)者，教師評價(jià)可以客觀、全面地把握學(xué)生整體的學(xué)習(xí)情況。小組間互評可以激發(fā)競爭意識(shí)以及各組內(nèi)成員間的交流互動(dòng)。個(gè)人自評有助于學(xué)生進(jìn)行自我反思和總結(jié)，評價(jià)內(nèi)容多元化，不再拘泥于單一的筆試，而是將閱讀筆記、小組討論、專題研討、論文撰寫均作為評價(jià)方面。

學(xué)生成績=期末筆試（60%）+課堂互動(dòng)交流（15%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（論文、閱讀筆記）撰寫（15%）+小組研討（15%）+創(chuàng)新性（5%）。為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的積極性，對于有創(chuàng)新觀點(diǎn)的學(xué)生可以額外加分。期末筆試可以考查學(xué)生對于理論知識(shí)的掌握；實(shí)驗(yàn)報(bào)告（論文、讀書筆記）的撰寫則可體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力及知識(shí)的運(yùn)用能力，很好地反映學(xué)生熟練應(yīng)用軟件的程度。

五、結(jié)語

以往的教學(xué)實(shí)踐和相關(guān)文獻(xiàn)顯示，信息論與編碼課程的教學(xué)中存在兩個(gè)核心問題：一是課程內(nèi)容抽象枯燥，教學(xué)手段單一，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性；二是現(xiàn)行的考核方式單一，導(dǎo)致學(xué)生在理論知識(shí)掌握與工程實(shí)踐能力上的失衡。

針對這些問題，本教學(xué)小組將近年來頗受關(guān)注的CDIO教學(xué)模式引入信息論與編碼課程教學(xué)中，注重學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，突出團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。當(dāng)然，課程教學(xué)改革是一個(gè)需要不斷探索和逐步完善的過程，不可能一蹴而就。在以后的教學(xué)中，仍要“以學(xué)生為中心”， “因材施教”，最終達(dá)到提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 傅祖蕓.信息論——基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2] CDIO簡介[EB/OL]. http：//www.chinacdio.cn/vNews.asp？ TypeID=30&parentID=29.

[3] 沈民奮.CDIO大綱與實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)分析[EB/OL].http：//www.docin.com/p-125350860.html.

[4] 王碩旺，洪成文. CDIO：美國麻省理工學(xué)院工程教育的經(jīng)典模式——基于對CDIO課程大綱的解讀[J].理工高教研究， 2009（4）：116-119.

[5] 顧佩華，包能勝，康全禮，等.CDIO在中國（上）[J].高等工程教育研究，2012（3）：24-40.

[6] 李輝.高職課程CDIO教學(xué)模式的設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].計(jì)算機(jī)教育，2010（11）：90-110.

[7] 于福堂，肖紅，王加春，漆漢宏.基于CDIO教育理念的全日制工程碩士研究生培養(yǎng)模式探析[J].學(xué)位與研究生教育，2010（9）：28-31.

[8] 鄭薇截.基于CDIO的創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)模式研究與實(shí)踐[D].大連：大連理工學(xué)校，2010.

[9] 查建中.論“做中學(xué)”戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008（3）：1-9.

[10] 王改霞.CDIO理念在高職院校《計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].西安：陜西師范大學(xué)，2013.

[11] 樊華.CDIO理念在高職院?！队?jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2014（12）：208-209.

[12] 馬靜，靳添婷，姜明霞.基于CDIO理念的會(huì)計(jì)電算化課程實(shí)施策略探討[J].新課程學(xué)習(xí)·下旬，2015（3）：15-15.

[13] 張權(quán)，張楠，王麗.CDIO理念在網(wǎng)絡(luò)工程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].價(jià)值工程，2015（31）：193-195.

[14] 何克抗，李文光.教育技術(shù)學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2002.

[15] 張祖忻，章偉民，劉美鳳.教學(xué)設(shè)計(jì)——原理與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2011.

[16] 張小峰，逄珊，鄒海林.信息論與編碼的教學(xué)改革探討[J].計(jì)算機(jī)教育，2011（13）：11-14.

[17] 張正言，田雨波.MATLAB在“信息論與編碼”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010（3）：109-112.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]