《信息论与编码理论》课程教学思考

张平

摘  要：《信息论与编码理论》课程在信息安全、网络通信以及计算科学等领域有着重要的应用，是信息安全、应用数学、计算机科学专业的一门重要的必修课程。文章分析了《信息论与编码理论》课程的重要地位，并结合南京邮电大学计算机学院《信息论与编码理论》课程的教学现状，探讨在应用型大学设置革新举措施，并提出了一些小小建议。

关键词：信息论;编码理论;教学现状;革新举措

中图分类号：G642        文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）17-0109-03

Abstract： The course Information Theory and Coding Theory has an important application in the field of information security， network communication and computer science and is an important compulsory course of information security， applied mathematics， computer science. This paper analyzes the important position of this course， discusses how to set up innovative measures in application-oriented universities and puts forward some suggestions， combining the teaching status in the school of computer science of Nanjing University of Posts and Telecommunications.

Keywords： information theory; coding theory; teaching status; innovative measures

信息論是由香农开创的一门用数理统计方法来研究信息的产生、传递和处理规律的科学。编码理论是基于信息论的基本原理研究信息传输过程中信号编码规律的一门科学，是数学和计算机科学的一个重要分支，它包括信源编码、信道编码以及保密编码。信息论与编码理论不但同数学理论、密码学理论、计算机网络通信原理等理论有着举足轻重的关联，而且已经在信息安全领域以及计算机网络通信等领域有着及其广泛的应用。信息论与编码理论均对数学知识的要求普遍较高，不但要有宽广的数学知识基础，而且要有高深的数学理论研究。因此，对于工科专业的学生来说，课程较为枯燥，学习兴趣不高。除此之外，还存在知识脱节、断层，学生学习比较吃力，教师教学比较死板，甚至存在社会职业就业等原因，使得学生产生畏难情绪[1-5]。《信息论与编码理论》课程教学现状有待改善，教学走上教师创新引导、学生自主学习的康庄大道仍是任重道远。

一、《信息论与编码理论》课程的重要地位

信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式。信息论即是对这些信息规律的研究。信息论一般可分成三种不同类型：1. 狭义信息论是一门应用数理统计方法来研究信息处理和信息传递的科学。它研究存在于通讯和控制系统中普遍存在着的信息传递的共同规律，以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门通讯理论。2. 一般信息论主要是研究通讯问题，还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制与信息处理等问题。3. 广义信息论不仅包括狭义信息论和一般信息论的问题，而且还包括所有与信息有关的领域，如心理学、语言学、神经心理学、语义学等。

编码理论，研究信息传输过程中信号编码规律的数学理论。编码理论与信息论、数理统计、概率论、随机过程、线性代数、近世代数、数论、有限几何和组合分析等学科有密切关系，已成为应用数学的一个分支。编码是指为了达到某种目的而对信号进行的一种变换。其逆变换称为译码或解码。根据编码的目的不同，编码理论有三个分支：1. 信源编码。对信源输出的信号进行变换，包括连续信号的离散化，即将模拟信号通过采样和量化变成数字信号，以及对数据进行压缩，提高数字信号传输的有效性而进行的编码。2. 信道编码。对信源编码器输出的信号进行再变换，包括区分通路、适应信道条件和提高通信可靠性而进行的编码。3. 保密编码。对信道编码器输出的信号进行再变换，即为了使信息在传输过程中不易被人窃取而进行的编码。编码理论在数字化遥测遥控系统、电气通信、数字通信、图像通信、卫星通信、深空通信、计算机技术、密码技术、数据处理、图像处理、自动控制、人工智能和模式识别等方面都有广泛的应用[6]。

总之，信息论与编码理论是一门理论与应用关系十分密切的学科。它的应用性很强，从它的产生背景、发展与应用内容来看，都可以看到它与电子、通信、计算机技术、密码技术的发展密切相关，并得到一系列的重要应用。尤其是与近代网络通信、数据加密与安全技术、多媒体技术密不可分。信息论与编码理论又是一门十分严谨的理论学科，从它的概念定义到问题模型，再到定理与它的证明都是用严格的数学语言与逻辑推导完成，因此又可把该学科看成是一门数学学科分支。有如此严格的数学理论又有如此巨大的应用背景与成就是本学科的一个重要特点。信息论与编码理论相关课程已被许多高校的通信工程、电子工程、信息工程、信息安全等电子信息与通信类工科专业指定为专业基础必修课或选修课，其重要地位不言而喻[7]。

二、南京邮电大学计算机学院教学现状

《信息论与编码理论》课程是南京邮电大学计算机学院信息安全专业本科生一门重要的专业选修课程。通过观摩学习与同行老师交流，发现在教学过程中，有诸多创新举措值得借鉴学习，同时也存在诸多问题。

（一）创新举措

1. 以学生为主体，教师引导学生自主学习。教师确保学生在教学中的主体地位，充分调动学生的主动性，引导学生形成自己对知识的正确理解与认识。因此，学院容许学生对教学课程《信息论与编码理论》进行自主选择（自主选课），教师鼓励并引导学生对《信息论与编码理论》课程的教学内容进行自主学习（课后作业/课后温习、课前预习）。自主选课体现了学生的主动学习意向和兴趣，这为教学实践活动的顺利进行奠定了基础。课后作业/课后温习与课前预习能够熟练掌握旧知识，发现知识上的薄弱环节，从而在学习和理解新知识时能够快速提高学习效率。

2. 教师在引导学生获得高深知识和技能的同时，促进学生的全面发展，从而确保传授知识与发展能力相统一。我院建立健全专任教师班主任制度，让带课的教师心态年轻化，也对大学生的知识基础、知识结构、理解接受能力、兴趣爱好、思想行为等有充分的了解，从而对《信息论与编码理论》课程教学活动具有一定的反哺作用，能够较为自然的认识到学生的个体差异，因人而异教学，而且能够及时有效的对存在问题的学生进行辅导答疑。同时，学校积极鼓励学生参与大学生科技创新训练计划（STITP）项目申报以及其他学科项目或竞赛活动，学院积极成立专业教师团队来带队辅导，促进学生知识与技能的全面发展。

3. 《信息论与编码理论》课程是一门理论基础课

程，课程内容中存在诸多严格的数学推导过程，因此板书在课程教授过程中显得非常的重要。教师多采用演示法与板书相结合的方法，同时也灵活采用随堂问答等灵活多变的形式，让教学方法最优化，使得学生能在有限的课堂时间尽可能的掌握所学习的知识点。

（二）存在问题

1. 学生理论基础知识薄弱、不够扎实，存在畏难情绪，从而选课人数很少，以至于该课程几乎到了被取代的地步。该课程对数学基础有很高的要求，对于工科专业的学生来说，一来计算机学院的学生所学的数学基础知识比较少，只掌握少量数学基础知识，如高等数学、线性代数、概率论与数理统计等，学生学习起来费力费神，还不一定能够掌握，同时学生自主选课也给课程的教学带来前所未有的机遇与挑战;二来计算机学院的学生不了解通信工程方向的基础理论，对通信系统模型及相关知识概念没有明显的认识，如信源模型、信道模型、熵、信源编码、信道编码等，而且学生学习起来过于抽象。这些因素都对《信息论与编码理论》课程的教学带来了诸多阻力。

2. 《信息论与编码理论》课程理论复杂高深，前沿应用背景知识讲解缺乏，学生兴趣不强，未能充分了解其实用性与学习价值。我院将《信息论与编码理论》课程作为一门选修课程，在教学课堂上，教师以理论讲解为主，课程内容比较抽象，学生缺乏实际联系，难以理解，会觉得这门课程是一门应用性不大的课程，缺乏学习的动力。而且，很多学生以应用见长，更加注重学习知识的应用性，缺乏理论知识的探究性，这更对《信息论与编码理论》课程的教学实践环节提出了更迫切的要求。

3. 《信息论与编码理论》课程作为一门选修课程，其考核方式采用闭卷考试的形式，虽然教师的出发点是好的，希望学生认识到该课程的重要性，但抽象复杂高深的理论知识以及闭卷考核方式极难取得优秀漂亮的高分，让很多学生望而却步。

三、建议

针对我校计算机学院开设的《信息论与编码理论》课程教学存在的诸多问题，提出如下建议，以期改进，从而为打造《信息论与编码理论》课程金课奠定基础。

1. 采用双语教学法[8]，准确把握专有名词的含义与国际接轨，同时将科研进展纳入教学活动中。教学有法，但无定法。教师必须熟练运用各种教学方法，使得教学效果最优化，让学生在有限的课堂时间吸收和消化基本的知识。同时，适当的将自己的教学活动与科研活动相结合，使得教学活动科研化，让学生能够充分认识到《信息论与编码理论》课程的重要用处。信息学随着社会的发展在不断的完善，可以在教学过程中加入最新的前沿研究与科研成果，如LDCP码、稀疏编码、密码学等方面的新成果，使学生知道《信息论与编码理论》课程的重要应用，同时能够培养学生的科研素养和科学工程能力。

2. 可以建立课程网站或布置一些编程作业，方便学生学习与知识巩固。《信息论与编码理论》课程抽象复杂高深的知识，学生不一定能够及时的消化和理解，除了督促学生端正学习态度、自觉拓宽数学基础知识、提前预习、及时复习，培养学生自主学习的能力外，建立课程网站，课后探讨学习，是一个非常有效的手段。也可以做一些动态视频放在课程网站上，如通信系统的模型、平均互信息量的概念、各种编码的方法等，动态视频的显示能够让学生更容易接受和理解，从而避免因复杂高深的数理基础与抽象匮乏的通信理论带来的厌学情绪。还可以让学生完成一些简单的编程实现，如使用MATLAB或C/C++语言实现各种编码方法，从而加深学生对相关知识的理解。甚至可以尝试首创选修课程实验，增加学生学习兴趣与动手能力。

3. 灵活采用考核方式，注重学生学习思维的提升。学习的目的不是考试，是知识的掌握与学习能力的提升。可以根据学生的情况，对课程内容做适当的取舍，侧重案例教学，让学生对重要理论掌握的基础上，能够创造性的提出自己的想法。这样可以培养学生发现问题，然后探索问题方法，最后解决问题的能力。比如：考核的方式采用阅读相关文献写一篇大论文的形式，让学生自行探索相关知识的研究进展，培养学生新工科的思维能力。在考核方式上还可以采用学生“上课堂”的模式，由每个学生各自准备15-20分钟感兴趣的课堂内容，进行班级授课，建立教师和学生综合评分制度。

我校计算机学院开设的《信息论与编码理论》课程在教学实践过程中存在的问题，在同类应用型大学中也可能普遍存在。因此，上述建议也同样适用于同类应用型大学或者院校进行参考。同时，我校采取的一些革新举措也能够给其他高校带来一定的借鉴意义。上述小小建议，如有不当，也请批评指正！

四、结束语

本文首先阐述了《信息论与编码理论》课程的重要地位，然后结合南京邮电大学计算机学院《信息论与编码理论》课程的教学现状，针对同类应用型大学设置革新举措提供了一些小小建议。

参考文献：

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