信息安全课程群中《信息理论与编码》课程实验教学探索

胡康秀， 王兵贤， 王泽文

（东华理工大学理学院，江西南昌 330013）

信息是社会发展的重要战略资源。国际上围绕信息的获取、使用和控制的斗争愈演愈烈，信息安全成为维护国家安全和社会稳定的一个焦点，各国都给予极大的关注和投入［1，2］。东华理工大学信息与计算科学专业暂时还没有将信息安全专业列入人才培养计划中，为加强专业信息类人才的培养，拓宽信息与计算科学专业的就业范围，提出“信息安全”课程群构建［3］，在分析其特征的基础上，设立了“信息安全”课程群的框架体系［4］，而且在课程群主干课程的教学中加强了实验教学环节。

1 信息理论与编码课程实验教学的特点

信息理论与编码是“信息安全”课程群中的核心课程［5，6］，是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、数据压缩等问题的应用学科理论，内容包括信息论基础、信息压缩编码技术、信息容错技术和信息安全技术等［7，8］，理论性强，概念抽象，数学推导繁琐，需要借助于计算机仿真来验证相关的理论，因此，实验教学在该课程整个教学过程中显得极为重要。搞好实验教学，不仅有助于提高教学质量，还能加深学生对理论知识的理解。东华理工大学信息与计算科学专业在2009年之前，对于信息理论与编码实验教学，重点以验证性实验为主，实验工具主要选择运用C#语言。2004年，教育部在普通高校教学工作评估指标和等级标准中提出了“综合性”实验和“设计性”实验两个概念，而综合性、设计性实验完全不同于验证性实验，它对实验的内涵与效果提出了更高的要求［9，10］，尤其对于信息与计算科学专业来说，要适应现代信息技术的飞速发展，迫切需要大力提高学生的实践和动手能力。

2 信息安全课程群中信息理论与编码实验教学体系的架构

东华理工大学根据“信息安全”课程群的特征，提倡课程设置要以培养信息技术人才为目的，按照基础课、专业基础课以及专业课三个层次进行设置。对于信息理论与编码课程，教材方面一直选用北京航空航天大学出版社出版的《信息技术基础》［8］，该教材重点面向工科学生编写，对于信息与计算科学专业的学生，则缺少了很多数学基础的内容，而且对于实验教学环节只能以基础验证性实验为主，因此，综合国内外最新信息论方面的教材，从数学的角度自编了《信息理论与编码》教材，尤其在实验教学方面，特别添加了综合设计性实验内容。

（1）单独设置信息编码训练实验课程。“信息安全”课程群强调学生的实际动手能力，信息理论与编码作为主干课程，必须大力提高实验教学的地位。信息与计算科学专业对于信息理论与编码课程的教学除了理论教学与验证性实验教学外，另外单独设置了信息编码训练，并制定了相应的实验教学大纲，而且将其作为一门单独的课程进行考核。

（2）循序渐进，加强课程实验教学内容的完善。在信息理论与编码课程理论课教学过程中，同步的实验内容主要包括二进制信息熵的计算、Huffman编码、LZW编码、Shannon编码等等，编程语言重点以C#为主。但这些实验只是验证性实验，重点围绕课本内容设计算法并实现，对于学生很难实现学习信息理论与编码课程的最终目标。因此，在信息编码训练环节中，重点以综合性实验、设计性实验为主，提倡学生能够运用Matlab等数学软件编程实现。譬如对于实验项目“信道容量的迭代计算”，将其设置为综合性实验，重点让学生熟练掌握一般信道容量的迭代计算，实验要求编写Matlab程序或者其他语言程序代码，输入一个信道矩阵，输出最佳输入概率分布、信道容量、迭代次数、输入符号的个数、输出符号的个数、迭代计算精度等。对于实验项目“最大似然译码器设计”，将其设置为设计性实验，重点让学生在熟练掌握最大似然译码思想，并分析（11，7）BCH码的纠错能力的基础上，对于（n，k）线性分组码中n和k不同的取值，设计完成（n，k）BCH码最大似然译码器。实验项目具体见表1。对于综合性实验设计性实验的实现，学生可以选择自己熟悉的计算机语言或者数学软件。

表1 综合性实验和与设计性实验

（3）创造、优化实验环境与条件。优越的实验室环境与齐全的计算机语言和应用软件是开展实验课程的必要前提。东华理工大学“信息安全”课程群主要课程教师组积极搜集资料，建设和完善网络课程教学资源，信息理论与编码实验课程教学资源相对比较完善，主要包括实验教学大纲、实验教学课件和实验指导书等。对于基础验证性实验，给出相关实验项目实现的C#语言程序或者Matlab代码，以便学生在学习编码理论相关知识的同时，对如何实现编码理论中相关基础实验项目有所掌握，这也为后期信息编码训练课程的开展提供了基础。

（4）基于CDIO理念进行实验课程考核。构思—设计—执行—运作（Conceive－Design－Implement－Operate，CDIO）工程教育模式提倡学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，注重培养学生系统工程技术能力，强调学生的工程实践能力，以零适应期走向社会，适应社会的需要。CDIO教育模式以项目设计为导向，强调学习评估方法和学习成果相结合［12］。从信息理论与编码理论课程进行基础验证性实验开始，到信息编码训练中综合性实验与设计性实验的开展，将信息与计算科学专业学生分组，要求10人左右为一大组，并选出1位组长，2或3人为一小组（由学生自由结组）。在基础验证性实验环节，要求每一位同学都要对所学理论知识进行基础验证，然后由主要负责实验老师及大组组长组成评估组进行综合打分，最后实验分数按照学校制定课程考核比例参与理论考核成绩的评定;对于综合设计性实验环节，则要求以大组为单位，每一小组选择相应的实验项目进行计算机编程实现，并以课程设计报告的形式进行演示、答辩，评估组进行综合打分，最后分数将作为信息编码训练课程的成绩。

3 实验指导老师的能力要求

信息理论与编码课程实验，指导老师由“信息安全”课程群中相关教师组老师担任，对其能力要求主要有以下两点。

（1）要有扎实的理论功底和较强的算法设计和编程能力。信息理论与编码课程实验中各实验项目的实现，需要C#语言、Matlab数学软件等，实验指导老师不仅要熟练掌握信息理论与编码课程的相关理论、明确实验内容与目的要求，而且还要有算法设计与分析以及C#语言、Matlab数学软件等较强的编程能力。

（2）要有较强的责任感。信息理论与编码课程对于信息与计算科学专业本科学生来说，真正要从理论上达到非常熟练的程度是很难的，而且理论是实验课开展的基础。起初验证性实验的开展对于相当一部分同学来说在实现上已经有了一定的困难，再加上信息编码训练课程的设置，综合性实验和设计性实验的开展更是难上加难，这样在一定程度上会挫伤学生学习的积极性。因此，课程实验指导老师要有较强的责任感，积极引导学生掌握课程相关基础理论，培养学生自主学习的能力，以验证性实验为基础，举一反三，让没有熟练掌握基础理论与实验项目实现的学生真正体会到理论知识的内涵和实验项目实现的乐趣所在，更好地完成信息编码训练环节验证性和设计性实验项目。

4 结语

信息理论与编码课程是“信息安全”课程群的核心关键课程，对于学生选择信息技术方向有一定的启发和指导作用［13］，其实验环节的加强与完善是课程群实验课程建设的一个主要部分。为了加强实验教学改革，实施针对性教育，真正地让实验室成为创新的摇篮，东华理工大学“信息安全”课程群教师组将积极探索实验教学改革，为培养信息科学方向人才做出贡献。

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