信息論與編碼的混合式教學設(shè)計與實踐

趙 攀，蔣志良，盧同波，孫麗君，陳天飛

(河南工業(yè)大學 信息科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各個學科與領(lǐng)域，例如人工智能、生物醫(yī)學、遺傳學等。信息論與編碼作為信息科學的基礎(chǔ)理論學科，是以解決通信的有效性問題和可靠性問題為導向，最優(yōu)化通信系統(tǒng)為目的，采用概率論、隨機過程等數(shù)學方法研究信息的提取、傳輸、存儲、處理等規(guī)律的學科[1-3]。它不僅影響著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，還與人們的日常生活息息相關(guān)(譬如“二維碼”)，因而，學習并掌握信息論與編碼課程對通信、信息類專業(yè)學生十分重要，畢竟該課程是學生知識結(jié)構(gòu)的重要部分，是學習后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)，也影響著學生的視野以及解決工程實際問題的能力。

為了強化信息論與編碼在知識結(jié)構(gòu)上的承前啟后、體系銜接的作用，讓學生站在全局高度掌握信息論與編碼的體系結(jié)構(gòu)、發(fā)展規(guī)律和應(yīng)用趨勢，本課程將從培養(yǎng)高起點、高標準、高要求的通信類人才為出發(fā)點，融知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體，立足地方、以培養(yǎng)高素質(zhì)、復合型、適應(yīng)能力強的“新工科”通信專業(yè)人才為目標[5-6]，尤其強調(diào)工程方法論、科學的研究方法以及新技術(shù)的迅速學習的能力鍛煉，進行課程教學方法、教學內(nèi)容、課程考核體系等方面的改革，從而使學生加深對專業(yè)發(fā)展的理解，提升其批判性思考和終身學習能力。

一、混合式教學模式設(shè)計

為了激發(fā)學生學習的積極性與主動性，同時發(fā)揮教師引導的作用，設(shè)計了信息化技術(shù)與傳統(tǒng)課堂相融合的混合式教學方案，如圖1所示?；旌鲜浇虒W包含三個主要環(huán)節(jié)：學情分析、教學設(shè)計、評價與反饋。在開課之前，教師需要對課程特點、學習對象、教學內(nèi)容等進行分析，然后基于學情分析開展教學設(shè)計，它主要包含課前導學、課中教學和課后助學三個方面。為了提升教學效果，依托互聯(lián)網(wǎng)豐富的學習資源、教學平臺及其多元化方式開展教學。學習評價有診斷性評價、形成性評價和總結(jié)性評價三方面，涵蓋了對學生課前、課中和課后全方位的評價，并根據(jù)反向設(shè)計原則，從學生學習成果出發(fā)，進一步優(yōu)化課程體系和教學過程。

圖1 教學模式總體設(shè)計

(一)學情分析

為了保障混合式教學的高質(zhì)量目標，需要對學生的知識體系、認知能力、學習能力、學習態(tài)度及動機進行分析，以便設(shè)計合理的教學策略和方法。

我們對信息論與編碼課程進行學情分析[7-8]，發(fā)現(xiàn)：(1)該課程具有數(shù)學推導多、內(nèi)容抽象、理論性強、知識面廣等特點；(2)大多數(shù)學生的數(shù)學基礎(chǔ)薄弱、抽象思維、邏輯推理能力不高，這與課程要求相矛盾，導致學生學習困難，學習興趣和積極性下降；(3)以往的教學過度關(guān)注理論知識的傳授，而忽略實際工程技術(shù)應(yīng)用，導致理論知識與實際應(yīng)用相脫節(jié)，學生難以實現(xiàn)學以致用，影響學生對知識的系統(tǒng)理解和對工程技術(shù)的掌握；(4)以教為中心的線下課堂缺乏信息化教學，導致師生互動缺乏、教學質(zhì)量不佳，而且前沿知識的銜接度差、過程考核無法實施；(5)學生價值觀多元化，能力參差不齊，傳統(tǒng)的教學方法無法實現(xiàn)因材施教。

為了有效地培養(yǎng)學生的綜合能力與素養(yǎng)，實現(xiàn)培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才的目標，我們將依據(jù)學情分析，對教學內(nèi)容進行層次化的知識點分解，包括知識點梳理、分析、篩選、重構(gòu)和整合，以便可以以專題式、隱含式、問題式、任務(wù)驅(qū)動式等方式進行呈現(xiàn)，從而激發(fā)學生的學習興趣；同時，對學習資料進行梳理、篩選、歸類，以便拓展學生視野和能力的同時降低學習負擔；最后，圍繞“立德樹人”的根本任務(wù)，依據(jù)學校“扎根中原，立足行業(yè)，服務(wù)全國，面向世界”的辦學定位，制定符合“知識、能力、素養(yǎng)”三位一體的教學目標[9-12]，并精心設(shè)計以學生為中心，圍繞發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題為導向的教學活動，引導學生培養(yǎng)自主、合作的學習能力和方法。

(二)教學設(shè)計

混合式教學模式的實施從線下、線上兩個方面分為課前知識傳授、課中知識內(nèi)化、課后知識鞏固與升華3個階段。在此過程中教師轉(zhuǎn)變教學模式并引導學生改變學習習慣。

混合式教學將從課前導學、課中教學、課后助學三個環(huán)節(jié)方面進行，其中教師作為引導者主要負責課程資料的構(gòu)建、活動的設(shè)計、個性化的指導，學生作為主體通過線上、線下活動，實現(xiàn)“自主性的基礎(chǔ)學習”“探索性的深度學習”和“反思性的提升學習”。具體流程如下。

1.課前知識傳授

教師根據(jù)信息論與編碼課程中信源概念、信道容量、無失真編碼定理、限失真編碼定理、信道編碼定理等內(nèi)容進行知識點分解，并設(shè)定相應(yīng)的教學目標，然后，在學習通平臺上發(fā)布自制的10分鐘左右的教學視頻、大學生慕課鏈接以及自測題等；隨后，學生在學習通平臺觀看教學視頻，并完成相應(yīng)知識點的測試，例如“香農(nóng)編碼、費諾編碼、哈夫曼編碼的優(yōu)劣性”；此外，學生可通過線下或網(wǎng)絡(luò)隨時與教師進行互動交流，教師可進行個性化指導，并對在線數(shù)據(jù)進行分析、查漏補缺，為線下課堂做準備。

2.課中知識內(nèi)化

首先，教師針對性地講解學生在預習中遇到的重難點，例如“信息、消息、信號之間的區(qū)別”，彌補自學中的不足，因地制宜地發(fā)布具有探討價值的高階性任務(wù)，例如“當今二維碼支付所使用的編碼知識有哪些以及如何進行實現(xiàn)的”，構(gòu)建參與式課堂環(huán)境；然后，學生進行小組式討論學習，發(fā)揮主體作用的同時引發(fā)觀點碰撞，獲得深層次思考，得以內(nèi)化知識，學生以PPT的形式展示小組成果；在討論的過程中，教師適當參與，引導學生相互協(xié)作、相互答疑、相互學習，并對學習內(nèi)容進行點撥與拔高，促使學生完成深層學習，構(gòu)建完善的知識架構(gòu)。

3.課后知識的鞏固與拓展

教師以能力與素養(yǎng)培養(yǎng)為目標，發(fā)布綜合實踐類項目應(yīng)用任務(wù)，例如，“設(shè)計編碼傳輸系統(tǒng)，其中圖像分別用香農(nóng)、哈夫曼、算術(shù)編碼、LZ編碼方法進行壓縮，然后經(jīng)過二分刪除信道傳輸，并在接收端進行解碼分析”；學生根據(jù)項目情況選擇個人或團隊進行探究學習，利用網(wǎng)絡(luò)進行資料調(diào)研、查閱、整理等，將所學知識遷移到實際應(yīng)用中，完成作品與展示；在項目實踐過程中，教師定時查看學生情況，并進行個性化、多樣化指導，鼓勵學生進行創(chuàng)新和探索。

(三)評價與反饋

教師根據(jù)學生的在線學習時長、任務(wù)完成情況、實踐項目開發(fā)情況、交流互動次數(shù)等對學生的在線學習過程進行數(shù)據(jù)分析，及時地掌握并分析學生狀態(tài)，階段性地調(diào)整學習策略和教學內(nèi)容，通過持續(xù)改革和調(diào)整，促進學生掌握教學內(nèi)容，達到教學目標，最終獲得終結(jié)性測試評價。

二、信息論與編碼的教學實施

(一)在線平臺建設(shè)

信息論與編碼課程教學在線平臺建設(shè)如圖2所示：(1)構(gòu)建高素質(zhì)、專業(yè)化、創(chuàng)新型的教師團隊，實施協(xié)同教學，共同完成教學設(shè)計、課程內(nèi)容、教學資源的更新和維護工作等；(2)通過邀請碼創(chuàng)建通信工程專業(yè)在線班級，方便教師進行分組管理；(3)根據(jù)教學知識點分解，制作3-10分鐘教學視頻用于保障學習興趣以及碎片化時間的高效性，引入慕課優(yōu)秀視頻用于補充學習；(4)建設(shè)靜態(tài)學習資料，包括作業(yè)包、試題庫、復習材料、學習筆記以及其他擴展資料，例如信息史話、技術(shù)應(yīng)用、案例分析等；(5)建設(shè)動態(tài)互動模塊，包括課程通知、隨堂測試、主題討論、分組任務(wù)等；(6)設(shè)置相應(yīng)模板的權(quán)限，對教學各環(huán)節(jié)進行控制與管理，定期查看學生學習行為的反饋數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)調(diào)整課程內(nèi)容，此數(shù)據(jù)也作為平時成績的憑證。

圖2 教學在線平臺建設(shè)

(二)課程內(nèi)容重構(gòu)

為了滿足學生個性化和層次化的需求，我們將信息論與編碼教學內(nèi)容進行重構(gòu)，包括基礎(chǔ)內(nèi)容、拓展內(nèi)容、項目實踐內(nèi)容，如圖3所示。其中基礎(chǔ)內(nèi)容主要包括信息的定義、信源熵、失真函數(shù)、信道容量以及無失真編碼定理、限失真編碼定理、信道編碼定理；拓展內(nèi)容主要是本領(lǐng)域新技術(shù)的跟蹤與探究，包括壓縮編碼技術(shù)、MIMO信道容量、量子信息論、密碼學與信息安全、現(xiàn)代糾錯編碼技術(shù)等；項目實踐內(nèi)容是對理論知識的深化學習及其融會貫通，主要包括Huffman編譯碼、圖像壓縮算法、線性分組碼編譯碼、編碼傳輸系統(tǒng)性能分析、MIMO信道容量分析、卷積碼、QR碼等的仿真及實現(xiàn)。

圖3 教學內(nèi)容重構(gòu)

(三)教學具體實施

教師在線上發(fā)布學習任務(wù)，并推送相關(guān)學習資料包括教學視頻、預習題目、教學課件等；學生自主預習和學習，并在教學平臺進行留言、討論和咨詢。教師搜集整理問題，在線下課堂利用PBL 教學、研究型教學、Topic 教學方法等進行重難點講解。通過課堂分組討論等形式進行深入交流，教師可通過簽到、搶答、隨堂練習、主題討論、分組任務(wù)等活動，調(diào)動課堂氣氛的同時統(tǒng)計學生學習情況，根據(jù)在線統(tǒng)計情況，有目的地將優(yōu)秀學生和“預警”學生進行項目實踐分組任務(wù)，通過協(xié)作學習，提高學習效果。此外，教師定期開展課程相關(guān)的專項講座，拓展學生的視野。

(四)課程考核

為了檢驗課程的教學效果，進一步督促學生鞏固學習，課程采用線上線下過程性考核，如圖4所示。線上考核主要包括在線教學視頻觀看率、在線習題完成度及正確率、討論區(qū)的發(fā)言質(zhì)量等；線下考核主要包括課堂表現(xiàn)、成果展示內(nèi)容、分組任務(wù)的完成情況、協(xié)同合作情況、觀點的溝通表達、作品的創(chuàng)新性、項目實踐的應(yīng)用等。其評價方式主要通過：(1)在線數(shù)據(jù)的自動統(tǒng)計；(2)學生自評、互評及教師評分，利用線上、線下兩種方式對學生的學習態(tài)度、學習水平、學習效果，從知識、能力和素養(yǎng)等多維度進行綜合性的過程考核。

圖4 過程性考核

三、教學效果

網(wǎng)絡(luò)教學平臺為混合式教學的實施提供了條件，師生可以隨時隨地進行交流和互動，教師能夠及時獲取學生的學習狀態(tài)及思想動態(tài)，實現(xiàn)個性化指導，實時地調(diào)整教學活動及內(nèi)容。針對我校2018、2019級通信專業(yè)，信息論與編碼課程進行混合式教學模式，通過在線數(shù)據(jù)監(jiān)測和問卷調(diào)查可知，學生通過該課程基本上養(yǎng)成了自主學習的習慣，基本能夠完成課前預習和測試。小組協(xié)作討論和自主探究學習方式，有效地激發(fā)了學生的學習興趣和熱情，參加課程學習的同學很好地掌握信息論與編碼課程中的各個知識點、運用知識點進行編譯碼設(shè)計等工作，教學質(zhì)量得到提升。部分學生將課程知識和技能遷移到“全國大學電子設(shè)計競賽”“互聯(lián)網(wǎng)+”等競賽，斬獲了國家二等獎1 項、省級一等獎2 項、省級三等獎6項的好成績。

四、結(jié)語

針對信息論與編碼課程，混合式教學模式從學生學習成果出發(fā)，確定教學目標，組織教學內(nèi)容，選取教學策略，開展評價與反饋，關(guān)注課程中關(guān)鍵因素之間的互動關(guān)系，基于反向設(shè)計原則持續(xù)改革，提升教學質(zhì)量。線上線下教學的相融合，充分激發(fā)了學生的學習興趣和學習潛力，有效地促進學生努力學習、追求卓越成就，提升了學生分析問題、解決問題、開拓創(chuàng)新的能力，基于混合式教學交互式、輔助式、信息化的特點，教師的教學素養(yǎng)也得以提升。