信息論課程教學(xué)改革探索與研究

王正

摘要：信息論是高校電子信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課。針對(duì)該課程在當(dāng)前教學(xué)中存在的不足，本文從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)方法實(shí)踐兩方面提出了一些改進(jìn)的方法。實(shí)踐結(jié)果表明，這些方法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與興趣，提高了學(xué)生聯(lián)系信息論的理論內(nèi)容和實(shí)際應(yīng)用的自主思考能力，取得了良好的教學(xué)改革效果。

關(guān)鍵詞：信息論;教學(xué)內(nèi)容涉及;教學(xué)方法實(shí)踐;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）17-0172-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1引言

《信息論》是電子信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課，廣泛開(kāi)設(shè)于各大高校的相關(guān)專業(yè)，對(duì)理論研究和工程應(yīng)用有重要的指導(dǎo)與推動(dòng)作用。該課程是一門基于《概率論》《數(shù)理統(tǒng)計(jì)》等基礎(chǔ)課程，研究信息、信息熵、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)傳輸、通信系統(tǒng)等問(wèn)題的應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、通信技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，《信息論》中的一些基本理論，如無(wú)失真和有限失真信源編碼定理、信道糾錯(cuò)編碼定理等，在無(wú)線通信與計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)與信息處理、圖形與影像等工程實(shí)踐中都得到了廣泛的應(yīng)用，有力地推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展。

2與時(shí)俱進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

《信息論》是電子信息與計(jì)算機(jī)專業(yè)的經(jīng)典課程，在歲月的流逝中綻放著不朽的光輝。在1948年的開(kāi)山力作中，克勞德.香農(nóng)創(chuàng)造性地提出了通過(guò)概率來(lái)對(duì)信息進(jìn)行衡量，從而揭開(kāi)了信息領(lǐng)域騰飛的序幕。然而，在引入概率來(lái)衡量信息的同時(shí)，香農(nóng)刻意忽視了對(duì)于信息“語(yǔ)義”層面的考量，而香農(nóng)對(duì)此的解釋是“通信過(guò)程中的語(yǔ)義問(wèn)題不屬于工程問(wèn)題”，這也導(dǎo)致基于香農(nóng)信息論構(gòu)建的現(xiàn)代通信系統(tǒng)局限在數(shù)據(jù)層面而包含語(yǔ)義的信息。換句話說(shuō)，香農(nóng)對(duì)于如何對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)知并提取語(yǔ)義信息并不關(guān)心。事實(shí)上，在香農(nóng)建立信息論的科學(xué)體系僅僅一年之后，香農(nóng)的合作者沃倫.維納就正式地指出了語(yǔ)音信息與香農(nóng)信息融合的可能性，并進(jìn)一步將現(xiàn)代通信系統(tǒng)歸結(jié)于三個(gè)層次的問(wèn)題，即技術(shù)問(wèn)題、語(yǔ)義問(wèn)題和效果問(wèn)題，而香農(nóng)信息論僅僅停留在技術(shù)問(wèn)題層面。

近年來(lái)，隨著人工智能時(shí)代的蓬勃發(fā)展，對(duì)于信息認(rèn)知的強(qiáng)烈需求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了通信領(lǐng)域的范疇。事實(shí)上，越來(lái)越多的科學(xué)研究表明香農(nóng)信息論并不能很好地契合當(dāng)前信息領(lǐng)域發(fā)展的需要，而對(duì)于冷冰冰的數(shù)據(jù)背后所蘊(yùn)含的語(yǔ)義信息的探索已經(jīng)變成了當(dāng)下與未來(lái)多個(gè)行業(yè)的研究重點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一系列的研究已經(jīng)開(kāi)展。2015年，H. Haken在其著作中深入探討了香農(nóng)信息與語(yǔ)義信息的交互問(wèn)題。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的朱近康教授則探索性地提出了無(wú)線知識(shí)量這一區(qū)別于傳統(tǒng)信息量的概念。2018年，南京航空航天大學(xué)的吳啟暉教授創(chuàng)造性地提出了認(rèn)知信息論這一理論體系，其核心思想是在信息度量的基礎(chǔ)上加入了認(rèn)知的考量，將信息的傳遞劃分為了正確認(rèn)知下的信息傳遞與錯(cuò)誤認(rèn)知下的信息傳遞。在此基礎(chǔ)上，香農(nóng)信息論則可以視為認(rèn)知信息論框架下不考慮認(rèn)知結(jié)果的一種特殊形式，另一方面，認(rèn)知信息也可以被認(rèn)為是香農(nóng)信息向語(yǔ)義信息發(fā)展的自然過(guò)渡。

在當(dāng)前的教學(xué)內(nèi)容中，《信息論》一直遵循著由香農(nóng)所建立的經(jīng)典框架體系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及這些年來(lái)信息論領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程與前沿探索，這也在一定程度上導(dǎo)致課程缺乏比較與參照，局限在自身概率論的體系之中，學(xué)生理解起來(lái)難度很大，而在有限的課時(shí)中，教師很也難將純粹的理論概念透徹清晰地完全表達(dá)，造成課程枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍吃力，并形成一定的畏學(xué)情緒，學(xué)習(xí)積極性普遍不高。因此，十分有必要在《信息論》的原有課程基礎(chǔ)上引入一定的信息理論當(dāng)前發(fā)展的介紹與分析，并基于這個(gè)發(fā)展過(guò)程形成一個(gè)完整的課程脈絡(luò)，加入比較，思考，分析等課程環(huán)節(jié)，從而增強(qiáng)課堂互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

3理論聯(lián)系實(shí)踐，改進(jìn)教學(xué)方法

《信息論》課程如果僅僅停留在理論知識(shí)的講授，忽視其他教學(xué)方法的結(jié)合，那么學(xué)生也只能學(xué)到抽象的理論知識(shí)，難以認(rèn)識(shí)到理論背后的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義，自然也就很難產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。因此，有必要加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，基于電子信息和計(jì)算機(jī)等專業(yè)學(xué)生具有編程能力的特點(diǎn)，結(jié)合認(rèn)知信息論的發(fā)展方向，設(shè)計(jì)一系列編程驗(yàn)證教學(xué)環(huán)節(jié)。比如在信源編碼部分，可以讓引入哈夫曼編碼實(shí)踐環(huán)節(jié)，并讓學(xué)生上臺(tái)講解設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并闡述理論依據(jù)。再比如針對(duì)香農(nóng)信息與認(rèn)知信息的區(qū)別，可以設(shè)計(jì)編程環(huán)節(jié)讓學(xué)生自己畫(huà)出兩者之間的互信息曲線，并在此基礎(chǔ)上加深理解。同時(shí)課堂教學(xué)要充分遵守以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)的原則，避免教學(xué)過(guò)程中存在的“注入式”“填鴨式”“滿堂灌”的教學(xué)方法。教師要針對(duì)課堂環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)好課堂問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生參與討論，獨(dú)立探索問(wèn)題的答案，而不是直接把答案或者公式給出。通過(guò)良好的設(shè)計(jì)與引導(dǎo)，不僅能夠加深學(xué)生對(duì)概念的理解和掌握，還能讓學(xué)生學(xué)會(huì)在專業(yè)課中靈活地利用所學(xué)的知識(shí)去解決問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中的課堂反饋也可以反過(guò)來(lái)促進(jìn)教師改進(jìn)教學(xué)方法，從而形式一個(gè)正向的循環(huán)迭代過(guò)程，推動(dòng)課堂教學(xué)效果的提升。

4引入宏觀發(fā)展性的思維教學(xué)方法

工科專業(yè)學(xué)生理論基礎(chǔ)較為堅(jiān)實(shí)，但宏觀思考問(wèn)題能力較弱，對(duì)于事物的發(fā)展往往缺乏清晰的認(rèn)識(shí)卻專注于細(xì)節(jié)方面的探究，往往導(dǎo)致“一葉障目不見(jiàn)泰山”。因此，應(yīng)當(dāng)首先明確并普及信息論課程的意義所在，通過(guò)當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)存在的一系列問(wèn)題展開(kāi)分析，并逐層遞進(jìn)，從而最終引導(dǎo)學(xué)生宏觀上了解信息論在當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的定位與作用，培養(yǎng)學(xué)生的宏觀思維能力，起到舉一反三的效果。另一方面，信息論學(xué)科的發(fā)展也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，其課程中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)不是零散的孤立存在，而是在信息論數(shù)十年發(fā)展的過(guò)程中逐漸創(chuàng)新并凝練出來(lái)的，因此，在教學(xué)中要突出各個(gè)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，深入挖掘其背后的發(fā)展方向演變與發(fā)展歷程，從而真正避免學(xué)生“只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林”的學(xué)習(xí)誤區(qū)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和改進(jìn)教學(xué)方法兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行《信息論》課程教學(xué)改革的探索與研究。通過(guò)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，不僅能夠使課程更好地滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，還能夠有效地提升教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生興趣與自主學(xué)習(xí)能力。通過(guò)改進(jìn)教學(xué)方法，能夠幫助學(xué)生有效地將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，從而提高學(xué)生的知識(shí)提煉與應(yīng)用能力。《信息論》課程的教學(xué)改革是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程，需要不斷探索和實(shí)踐，這樣才能不斷向更好的教學(xué)方向演進(jìn)。

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