信息论课程教学改革探索与研究

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　　摘要：信息论是高校电子信息与计算机科学等专业的一门重要的专业必修课。针对该课程在当前教学中存在的不足，本文从教学内容设计和教学方法实践两方面提出了一些改进的方法。实践结果表明，这些方法激发了学生的学习热情与兴趣，提高了学生联系信息论的理论内容和实际应用的自主思考能力，取得了良好的教学改革效果。
　　关键词：信息论;教学内容涉及;教学方法实践;教学改革
　　中图分类号：G642     文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2019）17-0172-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　1引言
　　《信息论》是电子信息与计算机科学等专业的一门重要的专业必修课，广泛开设于各大高校的相关专业，对理论研究和工程应用有重要的指导与推动作用。该课程是一门基于《概率论》《数理统计》等基础课程，研究信息、信息熵、数据压缩、数据传输、通信系统等问题的应用数学学科。随着现代信息技术、通信技术以及计算机技术的飞速发展，《信息论》中的一些基本理论，如无失真和有限失真信源编码定理、信道纠错编码定理等，在无线通信与计算机存储与信息处理、图形与影像等工程实践中都得到了广泛的应用，有力地推动了社会的发展。
　　2与时俱进，优化教学内容
　　《信息论》是电子信息与计算机专业的经典课程，在岁月的流逝中绽放着不朽的光辉。在1948年的开山力作中，克劳德.香农创造性地提出了通过概率来对信息进行衡量，从而揭开了信息领域腾飞的序幕。然而，在引入概率来衡量信息的同时，香农刻意忽视了对于信息“语义”层面的考量，而香农对此的解释是“通信过程中的语义问题不属于工程问题”，这也导致基于香农信息论构建的现代通信系统局限在数据层面而包含语义的信息。换句话说，香农对于如何对接收到的数据进行认知并提取语义信息并不关心。事实上，在香农建立信息论的科学体系仅仅一年之后，香农的合作者沃伦.维纳就正式地指出了语音信息与香农信息融合的可能性，并进一步将现代通信系统归结于三个层次的问题，即技术问题、语义问题和效果问题，而香农信息论仅仅停留在技术问题层面。
　　近年来，随着人工智能时代的蓬勃发展，对于信息认知的强烈需求已经远远超过了通信领域的范畴。事实上，越来越多的科学研究表明香农信息论并不能很好地契合当前信息领域发展的需要，而对于冷冰冰的数据背后所蕴含的语义信息的探索已经变成了当下与未来多个行业的研究重点。针对这个问题，一系列的研究已经开展。2015年，H. Haken在其著作中深入探讨了香农信息与语义信息的交互问题。中国科学技术大学的朱近康教授則探索性地提出了无线知识量这一区别于传统信息量的概念。2018年，南京航空航天大学的吴启晖教授创造性地提出了认知信息论这一理论体系，其核心思想是在信息度量的基础上加入了认知的考量，将信息的传递划分为了正确认知下的信息传递与错误认知下的信息传递。在此基础上，香农信息论则可以视为认知信息论框架下不考虑认知结果的一种特殊形式，另一方面，认知信息也可以被认为是香农信息向语义信息发展的自然过渡。
　　在当前的教学内容中，《信息论》一直遵循着由香农所建立的经典框架体系，并没有过多地涉及这些年来信息论领域的发展进程与前沿探索，这也在一定程度上导致课程缺乏比较与参照，局限在自身概率论的体系之中，学生理解起来难度很大，而在有限的课时中，教师很也难将纯粹的理论概念透彻清晰地完全表达，造成课程枯燥，学生学习起来普遍吃力，并形成一定的畏学情绪，学习积极性普遍不高。因此，十分有必要在《信息论》的原有课程基础上引入一定的信息理论当前发展的介绍与分析，并基于这个发展过程形成一个完整的课程脉络，加入比较，思考，分析等课程环节，从而增强课堂互动，激发学生的创新精神和创新意识，提升学生学习的主动性。
　　3理论联系实践，改进教学方法
　　《信息论》课程如果仅仅停留在理论知识的讲授，忽视其他教学方法的结合，那么学生也只能学到抽象的理论知识，难以认识到理论背后的实际应用价值和意义，自然也就很难产生学习兴趣。因此，有必要加强实践教学环节，根据课程的教学重点和难点，基于电子信息和计算机等专业学生具有编程能力的特点，结合认知信息论的发展方向，设计一系列编程验证教学环节。比如在信源编码部分，可以让引入哈夫曼编码实践环节，并让学生上台讲解设计与实现方案，并阐述理论依据。再比如针对香农信息与认知信息的区别，可以设计编程环节让学生自己画出两者之间的互信息曲线，并在此基础上加深理解。同时课堂教学要充分遵守以学生为主体，以教师为主导的原则，避免教学过程中存在的“注入式”“填鸭式”“满堂灌”的教学方法。教师要针对课堂环节设计好课堂问题，引导学生参与讨论，独立探索问题的答案，而不是直接把答案或者公式给出。通过良好的设计与引导，不仅能够加深学生对概念的理解和掌握，还能让学生学会在专业课中灵活地利用所学的知识去解决问题。在这个过程中的课堂反馈也可以反过来促进教师改进教学方法，从而形式一个正向的循环迭代过程，推动课堂教学效果的提升。
　　4引入宏观发展性的思维教学方法
　　工科专业学生理论基础较为坚实，但宏观思考问题能力较弱，对于事物的发展往往缺乏清晰的认识却专注于细节方面的探究，往往导致“一叶障目不见泰山”。因此，应当首先明确并普及信息论课程的意义所在，通过当前通信网络存在的一系列问题展开分析，并逐层递进，从而最终引导学生宏观上了解信息论在当前信息产业发展中的定位与作用，培养学生的宏观思维能力，起到举一反三的效果。另一方面，信息论学科的发展也是一个动态的过程，其课程中的各个知识点不是零散的孤立存在，而是在信息论数十年发展的过程中逐渐创新并凝练出来的，因此，在教学中要突出各个章节知识点的联系，深入挖掘其背后的发展方向演变与发展历程，从而真正避免学生“只见树木，不见森林”的学习误区。
　　5结束语
　　本文从优化教学内容和改进教学方法两个方面来进行《信息论》课程教学改革的探索与研究。通过优化教学内容，不仅能够使课程更好地满足应用型人才的培养需求，还能够有效地提升教学效果，激发学生兴趣与自主学习能力。通过改进教学方法，能够帮助学生有效地将理论与实践联系起来，从而提高学生的知识提炼与应用能力。《信息论》课程的教学改革是一项长期的系统工程，需要不断探索和实践，这样才能不断向更好的教学方向演进。
　　参考文献：
　　[1]张秋闻，王晓.信息论与编码教学模式的研究与探索[J].计算机教育，2015，12：58-60.
　　[2]王亚子，杨建辉.《信息论与编码》课程教学方法与改革[J].课程教育研究， 2015（18）：52-52.
　　[3] C. E. Shannon， A mathematical theory of communication[J]. Bell System Technical Journal，1948，27：379-423.
　　[4] C. E. Shannon and W. Weaver， The mathematical theory of communication[M]. Illinois： University of Illinois Press，1949.
　　[5] H. Haken and J. Portugali， The interplay between Shannon information and semantic information in cognition[M]. Springer Press， 2015.
　　[6] Q. Wu and L. Chen and Z. Wang and G. Ding and L. Zhang and X. Zhang， Information Measurement of Cognitive Communication Systems： The Introduction of Negative Cognitive Information[J]. IEEE Access，2018，6：34288-34295.
　　【通联编辑：梁书】
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