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摘要:针对应用型本科的培养目标,结合“信息论与编码”的教学实践,对该课程进行了教学改革,通过优化教学内容,改革教学方法,为培养“理论基础扎实、实践能力强、有较强科技运用用能力”的应用型人才奠定了基础。
关键词:信息论;编码;应用型本科;教学改革
信息论是20世纪40年代由美国数学家香农提出的。对“信息论”的研究内容一般有三种理解:即狭义信息论也称经典信息论、一般信息论以及广义信息论。狭义信息论主要研究信息的测度、信道容量以及信源和信道编码理论等问题。这部分内容是信息论的基础理论又称香农基本理论。一般信息论主要是研究信息传输和处理问题。除了香农理论以外,还包括噪声理论、信号滤波和预测、统计检测与估计理论、调制理论、信息处理理论以及保密理论。后一部分理论以美国科学家维纳为代表,其中最有贡献的是维纳和苏联科学家柯尔莫哥洛夫。广义信息论不仅包括上述两方面的内容,而且包括所有与信息有关的自然和社会领域,如模式识别、计算机翻译、心理学、遗传学、神经生理学、语言学、语义学甚至包括社会学中有关信息的问题,它也就是新兴的信息科学理论。
信息理论是现代信息科学的一个重要组成部分,对通信的工程实践、科学研究有着广泛而深入的影响。这就要求电子信息类专业的本科生应该具备一定的信息论基本理论及信源、信道编码理论和技术等方面的基本知识。因此,“信息论与编码”是信息类专业的一门重要的专业基础课程。
目前南京工程学院(以下简称“我校”)为应用型本科院校,旨在培养适应社会需求的应用型人才。毕业生的知识、能力、素质结构应具有鲜明的“理论基础扎实,专业知识面广实践能力强,综合素质高,并有较强的科技运用、推广转换能力”的特点。这就决定了其教学模式必须以“应用、实践”为主旨,以能力培养为核心。为了更好地满足社会对应用型本科人才的需求,“信息论与编码”作为信息类专业重要的专业基础课,有必要对其进行教学改革研究。
一、教学内容的改革
南京工程学院“信息论与编码”课程是信息工程专业的专业基础课,总共48学时。根据教学大纲的要求,课程把教学的重点放在狭义信息论上,主要内容包括:信息的统计测度、信道容量和信息率失真函数,以及信源编码、信道编码和加密编码。
由于该课程内容过于抽象,且应用到大量的数学知识,学生学习时普遍反映内容枯涩难懂。针对学生的实际情况、应用型人才的培养目标以及本课程的特点,笔者对该课程的教学内容,提出了几点改革方案。
1.根据培养目标,合理安排教学内容
目前,我校从事该课程教学的教师大部分是重点院校毕业的硕士或博士研究生,因此在安排教学内容的时候,他们往往受到自己知识结构的影响,把课程内容安排得过于紧凑,希望能够做到面面俱到。但是我们要培养的是应用型人才他们的任务是负责工作现场的技术指导,而不是进行科学研究或新产品的开发。因此授课教师应该根据培养目标,合理安排教学内容。
当今的信息处理及编码技术大多采用数字处理方法,因此,教学内容的重点应是离散信源熵,而对连续信源熵则列为选学内容。同时,离散有记忆序列信源在实际应用中可用马尔可夫信源近似,因此,离散信源熵部分主要学习单符号无记忆信源和马尔可夫信源的熵,离散有记忆序列信源的熵作为了解内容,这部分主要掌握熵的概念和意义。
信道容量部分主要讲解信道容量的定义和物理意义,重点介绍推导求解输入输出对称的DMC信道的信道容量,介绍一般离散信道的信道容量求解方法,而連续信道的信道容量列为选学内容。
信息率失真函数是限失真信源编码的基础,要求学生主要掌握信息率失真函数的定义和其物理意义,了解信息率失真函数的性质。
信源编码部分对于无失真和限失真信源编码定理主要介绍其物理意义,而不作复杂的理论证明。教学内容的重点放在具体的编码技术上。考虑到后续课程“数字图像处理”中也有信源编码的知识,因此,本课程重点学习无失真信源编码技术,而限失真编码技术重点在“数字图像处理”课中学习。
信道编码分为编码理论和编码技术,编码理论作为了解内容,重点掌握具体的信道编码技术,包括线性分组码,循环码和卷积码的编码和译码方法。分组码和卷积码是两种基本而又重要的码,不仅在工程上具有广泛用途,也是学习理解其他编码技术的基础。
加密编码部分同样把重点放在具体的加密方法上,主要学习DES加密算法、RSA密码体制以及报文摘要,并让学生了解加密编码在现实生活中的作用。
这样教学的重点就放在了对基本概念和主要编码技术的理解和掌握,而复杂艰涩的理论只作为了解的内容,这在一定程度上降低了课程的难度,同时符合应用型人才的要求。
2.培养学生动手能力,开展实验教学
实验是对理论知识的验证和综合应用。开设实验课有助于学生对知识点的理解,同时培养学生的动手能力和创新能力,增强学生的学习兴趣。
目前,该课程的48学时可以分为理论教学和实验教学两部分。理论教学40个学时;实验教学8个学时,共包括4个实验。
实验环境可以选择Matlab。Matlab语言简单易用,并且Matlab中的Simulink提供T--个很好的通信系统仿真环境。在这个环境中学生可以自主发挥创造能力,设计一个具体的通信系统模型。
实验内容按照授课顺序安排,第一个实验是验证性实验,主要是离散信源熵的计算,验证熵的主要性质。第二个实验是设计性实验,对给定的离散信源进行Huffman编码。第三个实验是设计性实验,实现线性分组码的编码和译码。第四个实验是综合性实验,安排学生采用Simulink设计一个简单的通信系统,观察信号经过通信系统各个模块以后的情况。
3.理论联系实际,培养学生学习兴趣
信息论与编码已经对通信的工程实践、科学研究产生了广泛而深入的影响。目前,信息论已被应用到更加广泛的领域,如经济、生物、物理等,产生上系列的新型分支,如信息论与股票市场、生物信息论、量子信息论等。在授课过程中,教师若能有意识地将教学内容和实际应用联系起来,不仅可以扩大学生的知识面,使其了解信息论与编码在诸多领域的重要作用和意义,而K,-f以激发学生的学习兴趣,提高教学质量。
例如,在学习信源编码时,可以将信源编码和大家常见的图像格式联系起来。无失真的BMP格式图像主要是采用行程编码进行图像压缩,而JEPG格式的图像主要是采用变换编码进行限失真信源编码,并将具体的图像展示给同学们,让他们从具体的实例观察无失真和限失真信源编码的区别,并能够理解其应用。
二、教学方法的改革
1.多媒体与传统板书结合教学
多媒体教学是将文字、图形、动画、视频、声音等多种信息加工组成在一起来向学生呈现信息,是教学改革的主流,它具有信息量大,传播速度快,直观效果强等特点,可以大大提 高单位时间内学生掌握知识的效率。但在实际教学过程中笔者发现,单纯用多媒体教学,学生注意力往往集中于看多媒体上的信息,忽略了授课教师口头表达的有用信息;此外,多媒体的传播速度会使教学变成“加倍的灌输”,从而造成学生们没有时间消化吸收知识。
针对本课程的特点,可以采用多媒体教学和传统板书教学手段相结合的方法,对于图表和动画演示,宜采用幻灯片。而对于基本原理及公式的推导,则用板书授课效果更好一些。
2.教师讲授与学生自学相结合
大学课堂不仅仅是讲授知识,更应该注重培养学生的自学能力、解决实际问题的能力。因此,对于教学大纲中相似的知识点,教师可以着重讲解、分析其中的一个,其他的知识点由学生自学来完成,并抽查学生自学的情况。
常见的无失真信源编码方法有香农码、费诺码和哈夫曼码等。对于香农码、费诺码和哈夫曼码这三种编码方法有一定的相似之处,那么教师在课堂上,可重点讲解哈夫曼码,而香农码和费诺码则可以由学生自学。最后,再由教师引导学生分析比较这三种编码方法的优缺点。
教师讲授和学生自学的教学相结合的方法可以增强教师和学生之间的交流,有助于教师掌握学生对知识点的理解情况,及时根据学生的掌握情况来调整教学计划,改善教学效果。同时又培养了学生的自学能力,使学生毕业后能更好、更快地投入到未来的学习和工作中。
3.课堂与课外互动教学
“信息论与编码”课程有较为广泛的实际应用背景。除了教师在授课过程中应将教学内容和其实际应用联系起来外,还应该鼓励学生亲自参与探索。目前,图书馆、网络资源都非常丰富,授课教师要让学生利用这些资源查阅信息论与编码的理论知识在实际生活中有哪些应用,并写出读书报告在课堂上与同学们分享。
比如在学到信源编码时,可以让学生自己查阅IPEG图像文件压缩的方法包含了哪些主要的信源编码方法。在学习到加密编码时,让同学们查阅数字水印技术,数字签名的基本概念和主要作用,使其了解密码学在现实生活中的具体应用。
通过文献资料的查阅,在缩短了理论知识和现实生活之间的距离的同时,还能进一步增强学生对理论知识的学习兴趣,深化课堂教学的效果。同时,还能培养学生的信息检索能力。在信息爆炸的21世纪,信息检索能力也是一种重要的工作能力。
三、结束语
为了更好地培养社会需求的应用型人才,结合“信息论与编码”的教学实践,对该课程的教学內容和教学方法进行了相应的改革。教学内容更加注重加强学生对基础知识的掌握,同时,培养学生的动手能力,注意理论知识与其实际应用的联系。多媒体与传统板书相结合的教学手段能有效地改善教学效果;鼓励学生自学,能加深对所学知识的理解,提高其自身的自学能力;课外查阅资料,不仅能增强学生的学习兴趣,还能培养他们的信息检索能力。
“信息论与编码”教学内容和教学方法的改革,为培养“理论基础扎实,专业知识面广实践能力强,综合素质高,并有较强的科技运用、推广转换能力”的应用型人才奠定了基础。
参考文献:
[1]徐娟,徐鸣亚,浅谈“信息论与编码理论”课程理论与教学实践[J]广东工业大学学报(社会科学版),2003,(B06):126-128
[2]曹雪虹,张宗橙信息论与编码[M].北京:清华大学出版社,2004,
[5]李敏,新建应用型本科院校定位思考[J].吉林工商学院学报,2010,26(3).
[4]康乃真应用型本科人才培养模式探究[J].广东白云学院学刊,2006,(1)
[5]谢正光,章国安,张士兵信息论与编码课程教学探索与实践.
关键词:信息论;编码;应用型本科;教学改革
信息论是20世纪40年代由美国数学家香农提出的。对“信息论”的研究内容一般有三种理解:即狭义信息论也称经典信息论、一般信息论以及广义信息论。狭义信息论主要研究信息的测度、信道容量以及信源和信道编码理论等问题。这部分内容是信息论的基础理论又称香农基本理论。一般信息论主要是研究信息传输和处理问题。除了香农理论以外,还包括噪声理论、信号滤波和预测、统计检测与估计理论、调制理论、信息处理理论以及保密理论。后一部分理论以美国科学家维纳为代表,其中最有贡献的是维纳和苏联科学家柯尔莫哥洛夫。广义信息论不仅包括上述两方面的内容,而且包括所有与信息有关的自然和社会领域,如模式识别、计算机翻译、心理学、遗传学、神经生理学、语言学、语义学甚至包括社会学中有关信息的问题,它也就是新兴的信息科学理论。
信息理论是现代信息科学的一个重要组成部分,对通信的工程实践、科学研究有着广泛而深入的影响。这就要求电子信息类专业的本科生应该具备一定的信息论基本理论及信源、信道编码理论和技术等方面的基本知识。因此,“信息论与编码”是信息类专业的一门重要的专业基础课程。
目前南京工程学院(以下简称“我校”)为应用型本科院校,旨在培养适应社会需求的应用型人才。毕业生的知识、能力、素质结构应具有鲜明的“理论基础扎实,专业知识面广实践能力强,综合素质高,并有较强的科技运用、推广转换能力”的特点。这就决定了其教学模式必须以“应用、实践”为主旨,以能力培养为核心。为了更好地满足社会对应用型本科人才的需求,“信息论与编码”作为信息类专业重要的专业基础课,有必要对其进行教学改革研究。
一、教学内容的改革
南京工程学院“信息论与编码”课程是信息工程专业的专业基础课,总共48学时。根据教学大纲的要求,课程把教学的重点放在狭义信息论上,主要内容包括:信息的统计测度、信道容量和信息率失真函数,以及信源编码、信道编码和加密编码。
由于该课程内容过于抽象,且应用到大量的数学知识,学生学习时普遍反映内容枯涩难懂。针对学生的实际情况、应用型人才的培养目标以及本课程的特点,笔者对该课程的教学内容,提出了几点改革方案。
1.根据培养目标,合理安排教学内容
目前,我校从事该课程教学的教师大部分是重点院校毕业的硕士或博士研究生,因此在安排教学内容的时候,他们往往受到自己知识结构的影响,把课程内容安排得过于紧凑,希望能够做到面面俱到。但是我们要培养的是应用型人才他们的任务是负责工作现场的技术指导,而不是进行科学研究或新产品的开发。因此授课教师应该根据培养目标,合理安排教学内容。
当今的信息处理及编码技术大多采用数字处理方法,因此,教学内容的重点应是离散信源熵,而对连续信源熵则列为选学内容。同时,离散有记忆序列信源在实际应用中可用马尔可夫信源近似,因此,离散信源熵部分主要学习单符号无记忆信源和马尔可夫信源的熵,离散有记忆序列信源的熵作为了解内容,这部分主要掌握熵的概念和意义。
信道容量部分主要讲解信道容量的定义和物理意义,重点介绍推导求解输入输出对称的DMC信道的信道容量,介绍一般离散信道的信道容量求解方法,而連续信道的信道容量列为选学内容。
信息率失真函数是限失真信源编码的基础,要求学生主要掌握信息率失真函数的定义和其物理意义,了解信息率失真函数的性质。
信源编码部分对于无失真和限失真信源编码定理主要介绍其物理意义,而不作复杂的理论证明。教学内容的重点放在具体的编码技术上。考虑到后续课程“数字图像处理”中也有信源编码的知识,因此,本课程重点学习无失真信源编码技术,而限失真编码技术重点在“数字图像处理”课中学习。
信道编码分为编码理论和编码技术,编码理论作为了解内容,重点掌握具体的信道编码技术,包括线性分组码,循环码和卷积码的编码和译码方法。分组码和卷积码是两种基本而又重要的码,不仅在工程上具有广泛用途,也是学习理解其他编码技术的基础。
加密编码部分同样把重点放在具体的加密方法上,主要学习DES加密算法、RSA密码体制以及报文摘要,并让学生了解加密编码在现实生活中的作用。
这样教学的重点就放在了对基本概念和主要编码技术的理解和掌握,而复杂艰涩的理论只作为了解的内容,这在一定程度上降低了课程的难度,同时符合应用型人才的要求。
2.培养学生动手能力,开展实验教学
实验是对理论知识的验证和综合应用。开设实验课有助于学生对知识点的理解,同时培养学生的动手能力和创新能力,增强学生的学习兴趣。
目前,该课程的48学时可以分为理论教学和实验教学两部分。理论教学40个学时;实验教学8个学时,共包括4个实验。
实验环境可以选择Matlab。Matlab语言简单易用,并且Matlab中的Simulink提供T--个很好的通信系统仿真环境。在这个环境中学生可以自主发挥创造能力,设计一个具体的通信系统模型。
实验内容按照授课顺序安排,第一个实验是验证性实验,主要是离散信源熵的计算,验证熵的主要性质。第二个实验是设计性实验,对给定的离散信源进行Huffman编码。第三个实验是设计性实验,实现线性分组码的编码和译码。第四个实验是综合性实验,安排学生采用Simulink设计一个简单的通信系统,观察信号经过通信系统各个模块以后的情况。
3.理论联系实际,培养学生学习兴趣
信息论与编码已经对通信的工程实践、科学研究产生了广泛而深入的影响。目前,信息论已被应用到更加广泛的领域,如经济、生物、物理等,产生上系列的新型分支,如信息论与股票市场、生物信息论、量子信息论等。在授课过程中,教师若能有意识地将教学内容和实际应用联系起来,不仅可以扩大学生的知识面,使其了解信息论与编码在诸多领域的重要作用和意义,而K,-f以激发学生的学习兴趣,提高教学质量。
例如,在学习信源编码时,可以将信源编码和大家常见的图像格式联系起来。无失真的BMP格式图像主要是采用行程编码进行图像压缩,而JEPG格式的图像主要是采用变换编码进行限失真信源编码,并将具体的图像展示给同学们,让他们从具体的实例观察无失真和限失真信源编码的区别,并能够理解其应用。
二、教学方法的改革
1.多媒体与传统板书结合教学
多媒体教学是将文字、图形、动画、视频、声音等多种信息加工组成在一起来向学生呈现信息,是教学改革的主流,它具有信息量大,传播速度快,直观效果强等特点,可以大大提 高单位时间内学生掌握知识的效率。但在实际教学过程中笔者发现,单纯用多媒体教学,学生注意力往往集中于看多媒体上的信息,忽略了授课教师口头表达的有用信息;此外,多媒体的传播速度会使教学变成“加倍的灌输”,从而造成学生们没有时间消化吸收知识。
针对本课程的特点,可以采用多媒体教学和传统板书教学手段相结合的方法,对于图表和动画演示,宜采用幻灯片。而对于基本原理及公式的推导,则用板书授课效果更好一些。
2.教师讲授与学生自学相结合
大学课堂不仅仅是讲授知识,更应该注重培养学生的自学能力、解决实际问题的能力。因此,对于教学大纲中相似的知识点,教师可以着重讲解、分析其中的一个,其他的知识点由学生自学来完成,并抽查学生自学的情况。
常见的无失真信源编码方法有香农码、费诺码和哈夫曼码等。对于香农码、费诺码和哈夫曼码这三种编码方法有一定的相似之处,那么教师在课堂上,可重点讲解哈夫曼码,而香农码和费诺码则可以由学生自学。最后,再由教师引导学生分析比较这三种编码方法的优缺点。
教师讲授和学生自学的教学相结合的方法可以增强教师和学生之间的交流,有助于教师掌握学生对知识点的理解情况,及时根据学生的掌握情况来调整教学计划,改善教学效果。同时又培养了学生的自学能力,使学生毕业后能更好、更快地投入到未来的学习和工作中。
3.课堂与课外互动教学
“信息论与编码”课程有较为广泛的实际应用背景。除了教师在授课过程中应将教学内容和其实际应用联系起来外,还应该鼓励学生亲自参与探索。目前,图书馆、网络资源都非常丰富,授课教师要让学生利用这些资源查阅信息论与编码的理论知识在实际生活中有哪些应用,并写出读书报告在课堂上与同学们分享。
比如在学到信源编码时,可以让学生自己查阅IPEG图像文件压缩的方法包含了哪些主要的信源编码方法。在学习到加密编码时,让同学们查阅数字水印技术,数字签名的基本概念和主要作用,使其了解密码学在现实生活中的具体应用。
通过文献资料的查阅,在缩短了理论知识和现实生活之间的距离的同时,还能进一步增强学生对理论知识的学习兴趣,深化课堂教学的效果。同时,还能培养学生的信息检索能力。在信息爆炸的21世纪,信息检索能力也是一种重要的工作能力。
三、结束语
为了更好地培养社会需求的应用型人才,结合“信息论与编码”的教学实践,对该课程的教学內容和教学方法进行了相应的改革。教学内容更加注重加强学生对基础知识的掌握,同时,培养学生的动手能力,注意理论知识与其实际应用的联系。多媒体与传统板书相结合的教学手段能有效地改善教学效果;鼓励学生自学,能加深对所学知识的理解,提高其自身的自学能力;课外查阅资料,不仅能增强学生的学习兴趣,还能培养他们的信息检索能力。
“信息论与编码”教学内容和教学方法的改革,为培养“理论基础扎实,专业知识面广实践能力强,综合素质高,并有较强的科技运用、推广转换能力”的应用型人才奠定了基础。
参考文献:
[1]徐娟,徐鸣亚,浅谈“信息论与编码理论”课程理论与教学实践[J]广东工业大学学报(社会科学版),2003,(B06):126-128
[2]曹雪虹,张宗橙信息论与编码[M].北京:清华大学出版社,2004,
[5]李敏,新建应用型本科院校定位思考[J].吉林工商学院学报,2010,26(3).
[4]康乃真应用型本科人才培养模式探究[J].广东白云学院学刊,2006,(1)
[5]谢正光,章国安,张士兵信息论与编码课程教学探索与实践.