趙 攀，蔣志良，盧同波，孫麗君，陳天飛

(河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，信息技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各個(gè)學(xué)科與領(lǐng)域，例如人工智能、生物醫(yī)學(xué)、遺傳學(xué)等。信息論與編碼作為信息科學(xué)的基礎(chǔ)理論學(xué)科，是以解決通信的有效性問(wèn)題和可靠性問(wèn)題為導(dǎo)向，最優(yōu)化通信系統(tǒng)為目的，采用概率論、隨機(jī)過(guò)程等數(shù)學(xué)方法研究信息的提取、傳輸、存儲(chǔ)、處理等規(guī)律的學(xué)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(xué)習(xí)并掌握信息論與編碼課程對(duì)通信、信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生十分重要，畢竟該課程是學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要部分，是學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)，也影響著學(xué)生的視野以及解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

為了強(qiáng)化信息論與編碼在知識(shí)結(jié)構(gòu)上的承前啟后、體系銜接的作用，讓學(xué)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(shì)，本課程將從培養(yǎng)高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的通信類(lèi)人才為出發(fā)點(diǎn)，融知識(shí)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(fù)合型、適應(yīng)能力強(qiáng)的“新工科”通信專(zhuān)業(yè)人才為目標(biāo)[5-6]，尤其強(qiáng)調(diào)工程方法論、科學(xué)的研究方法以及新技術(shù)的迅速學(xué)習(xí)的能力鍛煉，進(jìn)行課程教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、課程考核體系等方面的改革，從而使學(xué)生加深對(duì)專(zhuān)業(yè)發(fā)展的理解，提升其批判性思考和終身學(xué)習(xí)能力。

一、混合式教學(xué)模式設(shè)計(jì)

為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，同時(shí)發(fā)揮教師引導(dǎo)的作用，設(shè)計(jì)了信息化技術(shù)與傳統(tǒng)課堂相融合的混合式教學(xué)方案，如圖1所示。混合式教學(xué)包含三個(gè)主要環(huán)節(jié)：學(xué)情分析、教學(xué)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與反饋。在開(kāi)課之前，教師需要對(duì)課程特點(diǎn)、學(xué)習(xí)對(duì)象、教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行分析，然后基于學(xué)情分析開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，它主要包含課前導(dǎo)學(xué)、課中教學(xué)和課后助學(xué)三個(gè)方面。為了提升教學(xué)效果，依托互聯(lián)網(wǎng)豐富的學(xué)習(xí)資源、教學(xué)平臺(tái)及其多元化方式開(kāi)展教學(xué)。學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)有診斷性評(píng)價(jià)、形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)三方面，涵蓋了對(duì)學(xué)生課前、課中和課后全方位的評(píng)價(jià)，并根據(jù)反向設(shè)計(jì)原則，從學(xué)生學(xué)習(xí)成果出發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化課程體系和教學(xué)過(guò)程。

圖1 教學(xué)模式總體設(shè)計(jì)

(一)學(xué)情分析

為了保障混合式教學(xué)的高質(zhì)量目標(biāo)，需要對(duì)學(xué)生的知識(shí)體系、認(rèn)知能力、學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)態(tài)度及動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，以便設(shè)計(jì)合理的教學(xué)策略和方法。

我們對(duì)信息論與編碼課程進(jìn)行學(xué)情分析[7-8]，發(fā)現(xiàn)：(1)該課程具有數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣等特點(diǎn)；(2)大多數(shù)學(xué)生的數(shù)學(xué)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(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)困難，學(xué)習(xí)興趣和積極性下降；(3)以往的教學(xué)過(guò)度關(guān)注理論知識(shí)的傳授，而忽略實(shí)際工程技術(shù)應(yīng)用，導(dǎo)致理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相脫節(jié)，學(xué)生難以實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)理解和對(duì)工程技術(shù)的掌握；(4)以教為中心的線(xiàn)下課堂缺乏信息化教學(xué)，導(dǎo)致師生互動(dòng)缺乏、教學(xué)質(zhì)量不佳，而且前沿知識(shí)的銜接度差、過(guò)程考核無(wú)法實(shí)施；(5)學(xué)生價(jià)值觀多元化，能力參差不齊，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)因材施教。

為了有效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才的目標(biāo)，我們將依據(jù)學(xué)情分析，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行層次化的知識(shí)點(diǎn)分解，包括知識(shí)點(diǎn)梳理、分析、篩選、重構(gòu)和整合，以便可以以專(zhuān)題式、隱含式、問(wèn)題式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式等方式進(jìn)行呈現(xiàn)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；同時(shí)，對(duì)學(xué)習(xí)資料進(jìn)行梳理、篩選、歸類(lèi)，以便拓展學(xué)生視野和能力的同時(shí)降低學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)；最后，圍繞“立德樹(shù)人”的根本任務(wù)，依據(jù)學(xué)?！霸性?，立足行業(yè)，服務(wù)全國(guó)，面向世界”的辦學(xué)定位，制定符合“知識(shí)、能力、素養(yǎng)”三位一體的教學(xué)目標(biāo)[9-12]，并精心設(shè)計(jì)以學(xué)生為中心，圍繞發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—分析問(wèn)題—解決問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)自主、合作的學(xué)習(xí)能力和方法。

(二)教學(xué)設(shè)計(jì)

混合式教學(xué)模式的實(shí)施從線(xiàn)下、線(xiàn)上兩個(gè)方面分為課前知識(shí)傳授、課中知識(shí)內(nèi)化、課后知識(shí)鞏固與升華3個(gè)階段。在此過(guò)程中教師轉(zhuǎn)變教學(xué)模式并引導(dǎo)學(xué)生改變學(xué)習(xí)習(xí)慣。

混合式教學(xué)將從課前導(dǎo)學(xué)、課中教學(xué)、課后助學(xué)三個(gè)環(huán)節(jié)方面進(jìn)行，其中教師作為引導(dǎo)者主要負(fù)責(zé)課程資料的構(gòu)建、活動(dòng)的設(shè)計(jì)、個(gè)性化的指導(dǎo)，學(xué)生作為主體通過(guò)線(xiàn)上、線(xiàn)下活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“自主性的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)”“探索性的深度學(xué)習(xí)”和“反思性的提升學(xué)習(xí)”。具體流程如下。

1.課前知識(shí)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(wú)失真編碼定理、限失真編碼定理、信道編碼定理等內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)分解，并設(shè)定相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)，然后，在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上發(fā)布自制的10分鐘左右的教學(xué)視頻、大學(xué)生慕課鏈接以及自測(cè)題等；隨后，學(xué)生在學(xué)習(xí)通平臺(tái)觀看教學(xué)視頻，并完成相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的測(cè)試，例如“香農(nóng)編碼、費(fèi)諾編碼、哈夫曼編碼的優(yōu)劣性”；此外，學(xué)生可通過(guò)線(xiàn)下或網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)與教師進(jìn)行互動(dòng)交流，教師可進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，并對(duì)在線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、查漏補(bǔ)缺，為線(xiàn)下課堂做準(zhǔn)備。

2.課中知識(shí)內(nèi)化

首先，教師針對(duì)性地講解學(xué)生在預(yù)習(xí)中遇到的重難點(diǎn)，例如“信息、消息、信號(hào)之間的區(qū)別”，彌補(bǔ)自學(xué)中的不足，因地制宜地發(fā)布具有探討價(jià)值的高階性任務(wù)，例如“當(dāng)今二維碼支付所使用的編碼知識(shí)有哪些以及如何進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的”，構(gòu)建參與式課堂環(huán)境；然后，學(xué)生進(jìn)行小組式討論學(xué)習(xí)，發(fā)揮主體作用的同時(shí)引發(fā)觀點(diǎn)碰撞，獲得深層次思考，得以?xún)?nèi)化知識(shí)，學(xué)生以PPT的形式展示小組成果；在討論的過(guò)程中，教師適當(dāng)參與，引導(dǎo)學(xué)生相互協(xié)作、相互答疑、相互學(xué)習(xí)，并對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行點(diǎn)撥與拔高，促使學(xué)生完成深層學(xué)習(xí)，構(gòu)建完善的知識(shí)架構(gòu)。

3.課后知識(shí)的鞏固與拓展

教師以能力與素養(yǎng)培養(yǎng)為目標(biāo)，發(fā)布綜合實(shí)踐類(lèi)項(xiàng)目應(yīng)用任務(wù)，例如，“設(shè)計(jì)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(jìn)行壓縮，然后經(jīng)過(guò)二分刪除信道傳輸，并在接收端進(jìn)行解碼分析”；學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目情況選擇個(gè)人或團(tuán)隊(duì)進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資料調(diào)研、查閱、整理等，將所學(xué)知識(shí)遷移到實(shí)際應(yīng)用中，完成作品與展示；在項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，教師定時(shí)查看學(xué)生情況，并進(jìn)行個(gè)性化、多樣化指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新和探索。

(三)評(píng)價(jià)與反饋

教師根據(jù)學(xué)生的在線(xiàn)學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、任務(wù)完成情況、實(shí)踐項(xiàng)目開(kāi)發(fā)情況、交流互動(dòng)次數(shù)等對(duì)學(xué)生的在線(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及時(shí)地掌握并分析學(xué)生狀態(tài)，階段性地調(diào)整學(xué)習(xí)策略和教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)持續(xù)改革和調(diào)整，促進(jìn)學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，最終獲得終結(jié)性測(cè)試評(píng)價(jià)。

二、信息論與編碼的教學(xué)實(shí)施

(一)在線(xiàn)平臺(tái)建設(shè)

信息論與編碼課程教學(xué)在線(xiàn)平臺(tái)建設(shè)如圖2所示：(1)構(gòu)建高素質(zhì)、專(zhuān)業(yè)化、創(chuàng)新型的教師團(tuán)隊(duì)，實(shí)施協(xié)同教學(xué)，共同完成教學(xué)設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容、教學(xué)資源的更新和維護(hù)工作等；(2)通過(guò)邀請(qǐng)碼創(chuàng)建通信工程專(zhuān)業(yè)在線(xiàn)班級(jí)，方便教師進(jìn)行分組管理；(3)根據(jù)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)分解，制作3-10分鐘教學(xué)視頻用于保障學(xué)習(xí)興趣以及碎片化時(shí)間的高效性，引入慕課優(yōu)秀視頻用于補(bǔ)充學(xué)習(xí)；(4)建設(shè)靜態(tài)學(xué)習(xí)資料，包括作業(yè)包、試題庫(kù)、復(fù)習(xí)材料、學(xué)習(xí)筆記以及其他擴(kuò)展資料，例如信息史話(huà)、技術(shù)應(yīng)用、案例分析等；(5)建設(shè)動(dòng)態(tài)互動(dòng)模塊，包括課程通知、隨堂測(cè)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(duì)教學(xué)各環(huán)節(jié)進(jìn)行控制與管理，定期查看學(xué)生學(xué)習(xí)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(shí)成績(jī)的憑證。

圖2 教學(xué)在線(xiàn)平臺(tái)建設(shè)

(二)課程內(nèi)容重構(gòu)

為了滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化和層次化的需求，我們將信息論與編碼教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，包括基礎(chǔ)內(nèi)容、拓展內(nèi)容、項(xiàng)目實(shí)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(wú)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(xué)與信息安全、現(xiàn)代糾錯(cuò)編碼技術(shù)等；項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容是對(duì)理論知識(shí)的深化學(xué)習(xí)及其融會(huì)貫通，主要包括Huffman編譯碼、圖像壓縮算法、線(xiàn)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(shí)現(xiàn)。

圖3 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

(三)教學(xué)具體實(shí)施

教師在線(xiàn)上發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，并推送相關(guān)學(xué)習(xí)資料包括教學(xué)視頻、預(yù)習(xí)題目、教學(xué)課件等；學(xué)生自主預(yù)習(xí)和學(xué)習(xí)，并在教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行留言、討論和咨詢(xún)。教師搜集整理問(wèn)題，在線(xiàn)下課堂利用PBL 教學(xué)、研究型教學(xué)、Topic 教學(xué)方法等進(jìn)行重難點(diǎn)講解。通過(guò)課堂分組討論等形式進(jìn)行深入交流，教師可通過(guò)簽到、搶答、隨堂練習(xí)、主題討論、分組任務(wù)等活動(dòng)，調(diào)動(dòng)課堂氣氛的同時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，根據(jù)在線(xiàn)統(tǒng)計(jì)情況，有目的地將優(yōu)秀學(xué)生和“預(yù)警”學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐分組任務(wù)，通過(guò)協(xié)作學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果。此外，教師定期開(kāi)展課程相關(guān)的專(zhuān)項(xiàng)講座，拓展學(xué)生的視野。

(四)課程考核

為了檢驗(yàn)課程的教學(xué)效果，進(jìn)一步督促學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)，課程采用線(xiàn)上線(xiàn)下過(guò)程性考核，如圖4所示。線(xiàn)上考核主要包括在線(xiàn)教學(xué)視頻觀看率、在線(xiàn)習(xí)題完成度及正確率、討論區(qū)的發(fā)言質(zhì)量等；線(xiàn)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(diǎn)的溝通表達(dá)、作品的創(chuàng)新性、項(xiàng)目實(shí)踐的應(yīng)用等。其評(píng)價(jià)方式主要通過(guò)：(1)在線(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)；(2)學(xué)生自評(píng)、互評(píng)及教師評(píng)分，利用線(xiàn)上、線(xiàn)下兩種方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)水平、學(xué)習(xí)效果，從知識(shí)、能力和素養(yǎng)等多維度進(jìn)行綜合性的過(guò)程考核。

圖4 過(guò)程性考核

三、教學(xué)效果

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)為混合式教學(xué)的實(shí)施提供了條件，師生可以隨時(shí)隨地進(jìn)行交流和互動(dòng)，教師能夠及時(shí)獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)及思想動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化指導(dǎo)，實(shí)時(shí)地調(diào)整教學(xué)活動(dòng)及內(nèi)容。針對(duì)我校2018、2019級(jí)通信專(zhuān)業(yè)，信息論與編碼課程進(jìn)行混合式教學(xué)模式，通過(guò)在線(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和問(wèn)卷調(diào)查可知，學(xué)生通過(guò)該課程基本上養(yǎng)成了自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，基本能夠完成課前預(yù)習(xí)和測(cè)試。小組協(xié)作討論和自主探究學(xué)習(xí)方式，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，參加課程學(xué)習(xí)的同學(xué)很好地掌握信息論與編碼課程中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)、運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行編譯碼設(shè)計(jì)等工作，教學(xué)質(zhì)量得到提升。部分學(xué)生將課程知識(shí)和技能遷移到“全國(guó)大學(xué)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”“互聯(lián)網(wǎng)+”等競(jìng)賽，斬獲了國(guó)家二等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、省級(jí)一等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、省級(jí)三等獎(jiǎng)6項(xiàng)的好成績(jī)。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)信息論與編碼課程，混合式教學(xué)模式從學(xué)生學(xué)習(xí)成果出發(fā)，確定教學(xué)目標(biāo)，組織教學(xué)內(nèi)容，選取教學(xué)策略，開(kāi)展評(píng)價(jià)與反饋，關(guān)注課程中關(guān)鍵因素之間的互動(dòng)關(guān)系，基于反向設(shè)計(jì)原則持續(xù)改革，提升教學(xué)質(zhì)量。線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)的相融合，充分激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)潛力，有效地促進(jìn)學(xué)生努力學(xué)習(xí)、追求卓越成就，提升了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、開(kāi)拓創(chuàng)新的能力，基于混合式教學(xué)交互式、輔助式、信息化的特點(diǎn)，教師的教學(xué)素養(yǎng)也得以提升。