建构主义学习理论在信息论与编码教学中的应用

张艳彬

【摘要】传统的信息论与编码的教学方式下，学生感觉课程难度较高，知识掌握不稳固，应用能力差，为此我们将建构主义的学习理论引入教学方式的改进中，注重设立知识点的应用情境，增加学生动手实践的教学环节，倡导学生在教师指导下自主学习，最后讨论了建构主义学习理论应用的一个实例，展示了良好的教学效果.

【关键词】信息论与编码；建构主义；教学方式

【基金项目】本文得到南京邮电大学教学改革研究项目JG00214JX64的支持.

信息论与编码是信息、通信、电子类专业的基础课程，它以概率论和数理统计理论为主要工具，研究通信中的信息处理、存贮和传输的基本规律及具体应用.这门课程具有较高的理论性、抽象性和数学要求，在传统的课堂教学中，教师按照既有体系以理论和技术解析的方式为主向学生传授知识，学生常感觉难度较高，导致学生逐渐出现厌学情绪.此外，学生常常反映，上课时能听懂教学内容，给定题目也可正确求解，但不知在实际问题中怎么应用，这反映了学生知识掌握不透彻、不稳固，不能和既有的知识经验相融合，缺乏将理论应用于实践问题的能力.为此，我们在现有的课堂教学方式的基础上，借鉴建构主义学习理论对传统教学方式进行了改进.

一、基于建构主义的教学方式改进

建构主义学习理论的最早提出者是瑞士的皮亚杰，他是认知发展领域最有影响的一位心理学家.建构主义理论认为所有的知识都是主体本身的认识活动的结果，主体通过自己的经验来构造自己的理解.对于教学活动，建构主义强调学习者不是空着脑袋进入课堂的，他们已经具有相关的知识经验，对任何事情都有自己的看法，教师应重视学生自己对各种现象的理解，引导学生丰富或调整自己的理解.借鉴建构主义的学习理论，我们采取了以下方式改进信息论与编码的教学.

（一）注重设立问题产生和解决的情境

学习情境指为学生提供一个完整、真实的问题背景，以此为支撑物启动教学.问题构成了建构主义学习的核心.建构主义用问题来驱动学习，而不是充当概念、原理的例子.问题设立和解决应结合学生的已有认识设立.

信息论中大量的理论成果都有现实需求的背景，我们在讲授的过程中，注意首先向学生介绍对其研究的总体的现实需求，再结合实际的例子引导和启发学生思考问题的解决.如，对信源熵的介绍，我们在教学中先提出如何衡量信源信息度量的问题，再以布袋摸球实验为例引导学生去解决这个问题，最后再引导学生学习自信息量、平均信息量、平均不确定度的概念.

（二）增加学生动手操作和体验的教学环节

建构主义理论认为，学习者要想完成对所学知识的意义建构，最好的办法是让学习者到现实世界的真实环境中去感受体验，而不仅是聆听别人的介绍和讲解.基于本课程的特点，我们设计了一些运用MATLAB软件结合理论解决实际问题的内容，这些实际问题或者具有广泛的应用背景，或者是本课程中涉及的具体工程问题，学生都已具有一定的经验，如运用最大熵的原理编程实现图像区域的分割、运用迭代法求取一般的DMC信道的信道容量、Huffman编码的实现等内容.

（三）组织和引导学生自主学习

自主学习是让学生进行自我学习、自我探究的学习方式.随着科技的迅猛发展，多媒体计算机和网络通信技术的广泛应用为学生的自主学习提供了条件.倡导自主学习的核心是发挥学生学习的主动性，充分体现学生认知主体的作用.教师的重点是帮助学生如何“学”，应该注意根据课程和学生的特点，把握自主学习的知识点的设立、问题的分解、自主学习的组织安排等问题，在实践中我们把信源编码技术、信道编码技术作为学生自主学习的重点.

二、教学实例分析——以信源编码技术为例

信源编码技术的学习是课程的重要部分，传统的授课方式是依次对各种常用编码技术向学生做介绍，学生感觉内容较多，不易掌握，也不了解实际用处.为此，我们重新设计这部分内容的学习，规划以数字图像的JPEG压缩标准为框架引导学生学习.首先，给学生布置了和JPEG压缩的应用和性能相关的一些问题，让学生课下分组调研.具体有：

（1）调查互联网上和自己拍摄、处理的图片涉及的常见格式有哪些；

（2）用图像软件把BMP图像转换成JPEG格式，比较两者视觉质量和文件大小的区别；

（3）调研JPEG的压缩流程.

由于难度不高，学生普遍能完成这些问题的调研，得到和下图相似的JPEG编码流程图，有的学生还对具体的编码技术进行了了解.JPEG的编码流程涉及常用的变化编码、量化编码、差分预测编码、游程编码和熵编码的技术，这些都属于学生必须掌握的常见编码技术，在此框架内我们再向学生介绍相关的技术流程，最后在MATLAB中演示如何实现JPEG文件的保存，这样学生能把学习内容和已有的图像使用经验、自己调研形成的认识、相关的工程应用结合起来，形成的认知更为深入和巩固，也具有比较强的应用意识和能力.

三、总结

针对信息论与编码课程教学中出现的学生感觉课程较难，掌握不稳固，应用能力差的现象，借鉴了建构主义学习的理论对现有教学方式进行了改进，在实际问题和学生已有认识的基础上展开教学内容，同时倡导学生的自主學习活动，增加动手实践环节，显著改善了教学效果.

【参考文献】

[1]赵生妹.信息论基础与应用[M].北京：清华大学出版社，2017.

[2]朱艳，邹霞，周智勇.基于建构主义的高校C语言之教学设计[J].内江科技，2011（2）：64+76.

[3]陈威.建构主义学习理论综述[J].学术交流，2007（3）：175-177.endprint