◆秦立峰 郭 交

信息類理論課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與研究

◆秦立峰 郭 交

文章以信息論與編碼、隨機(jī)信號(hào)分析的本科教學(xué)方法理論基礎(chǔ)，采用理論研究與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，學(xué)生參與和實(shí)驗(yàn)效果反饋相結(jié)合，開展與理論課程相適應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)方法研究，探討如何把工科課程指向?qū)嶋H應(yīng)用的特點(diǎn)加以發(fā)揮，在教學(xué)過程中引入綜合作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)等的綜合考核形式。

信息類；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

信息論是運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究信息、信息摘、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、密碼學(xué)、數(shù)據(jù)壓縮等問題的應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)科。自香農(nóng)提出信息理論以來，在大學(xué)中開設(shè)信息理論課程已有近半個(gè)世紀(jì)的歷史。今天，信息論已經(jīng)成為高校電子、計(jì)算機(jī)、信息與計(jì)算科學(xué)等專業(yè)的必修課。“隨機(jī)信號(hào)分析”課程是電子工程、通信工程和信息工程等專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程。該課程系統(tǒng)地介紹隨機(jī)信號(hào)的基本概念、隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)描述和隨機(jī)信號(hào)變換的基本理論及應(yīng)用，介紹信號(hào)檢測(cè)、估計(jì)和濾波等信號(hào)處理理論的基本原理和信息提取方法，內(nèi)容主要包括：概率論基本知識(shí)、隨機(jī)過程、基本概念、平穩(wěn)隨機(jī)過程、功率譜密度、隨機(jī)信號(hào)通過線性系統(tǒng)、窄帶隨機(jī)過程、隨機(jī)信號(hào)通過非線性系統(tǒng)和特殊隨機(jī)過程，課程理論性極強(qiáng)，經(jīng)典內(nèi)容分量重。

一、信息類理論課程的教學(xué)改革狀況

傳統(tǒng)上認(rèn)為信息論和隨機(jī)信號(hào)分析都是理論課。在這兩門課程的教學(xué)形式上，普遍較重視理論教學(xué)，輕視實(shí)踐能力培養(yǎng)。形式上主要是課堂教學(xué)、理論的講解、公式的推導(dǎo)和定理的證明等，缺乏綜合應(yīng)用能力的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生在課程學(xué)習(xí)后，還不知道所學(xué)知識(shí)有何作用；另一方面，當(dāng)面對(duì)具體應(yīng)用問題時(shí)，學(xué)生又無從下手。針對(duì)這一問題，很多高校教學(xué)團(tuán)隊(duì)和教師嘗試在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行改革，以增強(qiáng)理論課與工程實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合。

在信息論課程教學(xué)上，呂佳、孔春香從理論體系與教學(xué)內(nèi)容選取、教材、教學(xué)特點(diǎn)與教學(xué)方法改進(jìn)三個(gè)方面探討這門課程的教學(xué)，并提出了科研案例教學(xué)法的新思想。韓玉兵通過研究生教學(xué)實(shí)踐，提出了 “抓住基本問題，強(qiáng)化重要概念，突出關(guān)鍵定理”的教學(xué)方法，同時(shí)輔以生動(dòng)圖示說明和通俗語(yǔ)言講解，收到較好的教學(xué)效果；張小峰等嘗試以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力為主的教學(xué)模式；鄧家先等提出了一種本課程教學(xué)內(nèi)容改革方案，更加注重闡述基本理論及其物理意義，避免復(fù)雜的公式推導(dǎo)和證明，達(dá)到基本教學(xué)目的；姜楠等采用嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信息論與編碼理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并給出了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排原則，該系統(tǒng)是一種小型教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，能幫助學(xué)生深入理解課程內(nèi)容；張正言等利用Matlab設(shè)計(jì) “信息論與編碼”交互式教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并以 “二進(jìn)制熵值的相關(guān)計(jì)算”為例，給出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要內(nèi)容和方法，加深了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，有利于提高學(xué)生分析問題的能力和綜合實(shí)踐能力。

與國(guó)內(nèi)的情況相比，美國(guó)很多大學(xué) “信息論”課程和“隨機(jī)信號(hào)分析”課程有很大不同：按專題安排教學(xué)內(nèi)容；注重實(shí)踐性練習(xí)，每次課結(jié)束，授課教師都要給出2～4道習(xí)題，每道習(xí)題又包含若干個(gè)問題；這些習(xí)題不同于國(guó)內(nèi)類似 “求一個(gè)事件發(fā)生的自信息量”這樣的套公式計(jì)算的習(xí)題，而是綜合設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)型習(xí)題，一般采用Matlab編程環(huán)境，由學(xué)生在課下完成；重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程的參與和互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生之間的共同研究，并強(qiáng)調(diào)自主學(xué)習(xí)；課程考核采取多方面綜合考核，這就要求課后必須認(rèn)真完成習(xí)題。

二、信息類理論課程教學(xué)目前存在的問題

總體來看，目前信息類理論課的教學(xué)都還沒有完全擺脫或者更大程度依賴于課堂講授和傳統(tǒng)的知識(shí)灌輸，從課程內(nèi)容選擇安排、作業(yè)習(xí)題布置、平時(shí)教學(xué)過程考核和過程控制、實(shí)驗(yàn)課和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置以及考核等方面來說，還有很多需要思考和改進(jìn)的地方。目前的問題可歸納為以下幾點(diǎn)：①課程內(nèi)容的選擇：講授的內(nèi)容局限于教材中純理論的講解、公式推導(dǎo)和定理證明等；對(duì)于工科專業(yè)學(xué)生來說，這些與其培養(yǎng)目標(biāo)并不完全符合；②作業(yè)和習(xí)題的設(shè)置：僅僅是為了強(qiáng)化定理公式的記憶和套用，而忽略了這些理論成果實(shí)際應(yīng)用的實(shí)際意義；③缺少有效實(shí)驗(yàn)，理論與實(shí)踐脫節(jié)。目前這些課程還沒有一套好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法與理論知識(shí)相配合；因此需要設(shè)計(jì)與課堂教學(xué)相適應(yīng)相配套的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

三、信息類理論課程教學(xué)改革的探索

基于現(xiàn)行的信息類課程教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題，必須對(duì)其進(jìn)行改革。針對(duì)目前沒有統(tǒng)一完善的適合電子信息工程專業(yè)本科生信息論、隨機(jī)信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的問題，從素質(zhì)教育的要求出發(fā)，根據(jù)本科教學(xué)大綱，探索課程的實(shí)驗(yàn)課體系建設(shè)，解決理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題。而亟須解決的主要是以下兩點(diǎn)：①通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容選擇，精簡(jiǎn)內(nèi)容，弱化公式推導(dǎo)，解決教學(xué)方法單一，純理論內(nèi)容講解和灌輸式授課的方法問題；改變授課方式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；②通過課程綜合實(shí)驗(yàn)大作業(yè)和整套課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使理論學(xué)習(xí)真正與實(shí)踐結(jié)合起來，解決理論實(shí)踐相脫節(jié)的問題。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革

從素質(zhì)教育的要求出發(fā)，研究理論課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。具體內(nèi)容包括：以加強(qiáng)學(xué)生的理論知識(shí)掌握和提高學(xué)生動(dòng)手能力為目的，研究實(shí)驗(yàn)課程課時(shí)的設(shè)置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇、實(shí)驗(yàn)與理論相配套的實(shí)施途徑；編寫實(shí)驗(yàn)教材并用于指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)；評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。設(shè)計(jì)課程的實(shí)踐作業(yè)；設(shè)計(jì)課程綜合大作業(yè)；設(shè)計(jì)與理論教學(xué)相配套的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。探索實(shí)踐課內(nèi)容設(shè)置以及實(shí)踐課在理論知識(shí)掌握中的作用評(píng)價(jià)方法。這其中最主要的是以下三個(gè)環(huán)節(jié)：課程實(shí)驗(yàn)性大作業(yè)題庫(kù)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)用書或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)材料的整理。可以概括為三部分內(nèi)容完成。具體如圖1所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)

首先，教師設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)性綜合大作業(yè)、課程實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，并要求學(xué)生在設(shè)計(jì)中提出自己的意見和見解，這一過程可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，建立與實(shí)踐的聯(lián)系；其次，將設(shè)計(jì)好的實(shí)踐環(huán)節(jié)用于教學(xué)中去，通過學(xué)生對(duì)實(shí)踐效果的反饋，逐步改進(jìn)各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容設(shè)計(jì)，經(jīng)過多次的互動(dòng)、反饋，最終形成實(shí)踐性綜合作業(yè)習(xí)題和課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材，建立兩門課程的實(shí)驗(yàn)體系。

2.教學(xué)方法的改革

在教學(xué)方法上可以采取師生互動(dòng)教學(xué)法和反饋教學(xué)方法。師生互動(dòng)教學(xué)法是在實(shí)驗(yàn)性環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)上，注重體現(xiàn)課程內(nèi)容的同時(shí)讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。采用反饋教學(xué)方法，則是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)、方法設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行及時(shí)反饋，全程跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的執(zhí)行情況，并動(dòng)態(tài)地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

不管采取哪種方法，都應(yīng)該做到師生互動(dòng)。而這兩種方法都能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生的參與程度擴(kuò)大，各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)都有學(xué)生參與，并通過學(xué)生的親身參與實(shí)踐后的效果反饋，進(jìn)一步改進(jìn)和完善，是一種教學(xué)模式上的創(chuàng)新；其次，對(duì)理論性較強(qiáng)的課程的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行探索，最終形成一套較好的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和成果，是一種成果上的創(chuàng)新。

3.作業(yè)與課程考核方式的改革

首先是對(duì)課后作業(yè)的形式與內(nèi)容進(jìn)行改革。從理論聯(lián)系實(shí)際的角度出發(fā)，針對(duì) “信息論”和 “隨機(jī)信號(hào)分析”兩門課的課程特點(diǎn)加以改進(jìn)，特別是研究課后作業(yè)的形式和內(nèi)容，改變傳統(tǒng)的 “記公式-套公式-做習(xí)題”模式，豐富課后作業(yè)的形式和內(nèi)容，增加綜合性作業(yè)題、實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)題的比例和容量。

其次是課程考核方式的改革。從因材施教、合理考核的角度出發(fā)，研究課程考核的方式。改變傳統(tǒng)的 “平時(shí)作業(yè)+期末考試”的考核方式，從而增進(jìn)學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。研究提高平時(shí)大作業(yè)的比重和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰己说谋戎亍?/p>

針對(duì)目前 “信息與編碼”“隨機(jī)信號(hào)分析”兩門課程的教學(xué)現(xiàn)狀及其中存的問題，提出并探討了信息類理論課的實(shí)踐教學(xué)方法，以解決該課程長(zhǎng)期以來存在的課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)、理論教學(xué)與實(shí)踐操作脫節(jié)的問題，建立起兩門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和實(shí)踐教學(xué)模式，使學(xué)生擺脫被動(dòng)地接受冗繁知識(shí)的方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)本學(xué)科專業(yè)的理論課教學(xué)方式方法是一種改革和創(chuàng)新，對(duì)理論課學(xué)習(xí)有重要幫助和補(bǔ)充，可獲得良好的教學(xué)效果。

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[2]陳雪勤,朱偉芳.電子信息類本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)型課程教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2011,(14):51-53.

[3]蔣漪漣.基于LabVIEW電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,(16):152-155.

（編輯：秦俊嫄）

秦立峰，男，博士，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院講師。研究方向：信息處理與模式識(shí)別方面的教學(xué)與科研；郭交，男，博士，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院副教授。研究方向：信息與信號(hào)處理、智能計(jì)算領(lǐng)域研究與教學(xué)。

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1671-0568（2015）32-0035-02