任务驱动下的信息论与编码课程的教学实践

（长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023）

○、引言

信息论与编码是电子信息工程、通信工程等信息相关专业的一门重要的专业核心课程。该课程向下联系电子信息类的基础课程，向上联系编码理论、量子信息论等高年级及其研究生课程，在信息链的处理环节中有着举足轻重的地位［1］。同时，该课程涉及许多数学知识，比如微分积分运算、概率论及统计理论、矩阵论、数值算法等，是一门理论内容丰富、数学推导严密且实践性强的课程。

然而，对于本门课程，传统的教学模式将理论和实践脱离，使得在理论教学的时候，学生面对枯燥乏味的数学推导提不起兴趣；而在实验教学的时候，学生却又没有足够的理论作为支撑［2-3］。

面对如此现状，国内外学者对信息论与编码这一课程做了大量的探索和研究。比如，高山、马林华等提出了以云计算辅助教学为基础，将SPOC教学模式及CDIO教育理念应用到信息论与编码课程中［4-5］；赵晨将Matlab中的通信系统工具箱应用到该课程中，使理论知识和仿真结合起来［6］；张秋闻等从课堂教学、上机实验、课程考核等教学环节对该课程提出了一系列的改革措施［7］，这些研究都取得了一定的教学效果。

为了进一步激发学生的学习兴趣，我们课题组从理论教学和实验教学入手，分析本课程教学内容，总结其特点，将任务驱动法融入信息论与编码的教学中，对课程的教学做了一些探索与研究，逐步获得了成效。

一、任务驱动法的内涵及在信息论与编码课程应用中的作用

现代教学理念中的功能教学理念认为，动机是引发人行为的原因或机理。因此，为了让学生主动学习，提高其主观能动性，最关键的是激发其学习的兴趣。任务驱动法就是实验性、实践性与操作性较强的一种教学方法［8-9］。它是指在教学过程中以任务来引领整个教学过程，引导学生探索、研究、分析和解决问题，从而培养学生自主学习能力和创新能力的一种教学方法。其设计思想是以学生为中心，任务为主导，教师在教学活动中提出问题和相关任务，引导学生展开讨论、探索、研究，以完成任务。

对于信息论与编码课程教学来说，引入任务驱动法后，可以让学生真正参与到课堂中来，而不再是教师满堂灌。即通过设计合适的任务，让学生在完成任务的过程中，去理解应用理论知识。更关键的是该方法还能培养学生分析问题和解决问题的能力。完成任务后，学生得到了满足感和成就感，进一步激发了学习的兴趣和动力，形成了良性循环。

二、信息论与编码课程的主要内容和特点

信息论与编码是一门理论性和实践性都强的课程，其主体结构如图1所示，分为信息论部分和编码部分。

图1 信息论与编码的主要内容

（一）信息论与编码课程的主要内容

信息论与编码课程的前半部分主要介绍了信息论的基础内容即信源、信道以及二者之间的联系，由此研究在信息可以度量的前提下，如何分析和理解信息及其传输的问题。该部分涉及信息度量的方法、信息的特性、信息的传输性质及其速率、信道容量以及干扰对信息传输的影响。

信息论与编码课程的后半部分主要介绍了信息论的三大编码定理以及几种常见的编码方式，其目的在于如何以有效的、可靠的、安全的方式传输信息，其对应的编码方式分别为信源编码、信道编码和加密编码。研究这三种编码方式的目的是使通信系统达到最优。

（二）信息论与编码课程的特点

从整体上来讲，信息论与编码是一门理论性比较强的课程，不易理解，与之联系的数学工具也比较多。这使得学生在学习的过程中因数理基础不够扎实而产生畏难的情绪，而且大部分学生即使认真学了也不知道如何应用。此外，该课程要求学生有很强的动手实践能力，这就需要设计一些与本课程相关的任务，让学生了解课程的应用领域，激发其学习兴趣。

信息论与编码课程的知识层次比较清晰，结构联系较为紧密。信息论研究的是通信系统中的要素对信息传输的影响，为了提高传输的效率需要进行合适的编码，而本课程后半部分就是研究编码问题。因此，前后两部分的知识点由通信系统的传输效率这根纽带连接在一起，通过设计相应的任务，将有助于从整体上理解该课程的架构。

由此可知，任务驱动法特别适用于信息论与编码课程的教学。

三、任务驱动下的信息论与编码课程教学

任务驱动法一般分为三个部分，即任务的设计、任务的实施与任务的反馈机制。

（一）任务的设计

如何设计任务在任务驱动法中是非常关键的，其任务设计主要遵循以下五个原则［10］：①与知识点密切联系。该方法中所设计的任务需要涵盖教学内容的知识点，学生通过完成任务能够获取知识与技能。②与学生的兴趣密切相关。任务设计应以提高学生的学习兴趣为目的，让学生明白通过完成任务能获取一个有意义的结果，使其获得满足感与成就感。③有层次性。任务需要难易程度适中，以保证大部分学生能够完成，并且还要为学生留出一些发挥的空间。④有可操作性。所设计的任务在学生当前的学习基础上应当是能够完成的。⑤有连贯性。任务的设计需要考虑前后知识点、各个任务之间的要求，层层递进，引导学生逐渐深入到课程中。依据知识映射图，如图2所示，教师可以设置相应的任务与知识点之间的联系，比如：

图2 知识映射图（针对任务驱动法）

与信源编码知识点对应的任务可以设定为如何有效地传输一篇电文。由这个任务可以引出信源编码的几种编码办法，比较几种信源编码的效率，从而引出信源编码的两个定理，让学生在任务完中学习信源编码方法，加深对信源编码效率的理解，进而理解信源编码是针对传输有效性的一种编码方式。

与加密编码知识点对应的任务可以设定为在当前学生所关注的谍战剧中，如何安全地发报而不被敌方破解。由这个任务可以引出加密编码，引导学生去学习加密标准、加密算法等知识点，进而理解加密编码是提高通信系统安全性的有效办法。

（二）任务的实施

任务驱动法在课程教学中的目的是让学生在完成任务的过程中去学习知识，巩固知识，而不仅仅是让学生以完成任务为目的。在实施的过程中，教师需要全程参与。首先，通过分析课程内容，将知识融入各个学习任务中。其次，在课堂上提出任务，引导学生学习完成任务所需的新知识，并在这个过程中发现问题和解决问题。对于解决不了的问题，教师再从旁协助指导。最后，学生根据学到的内容去完成任务，并完成总结报告。

（三）任务的反馈机制

任务驱动法在信息论与编码课程教学实施过程中，教师需要掌握学生在整个学习过程中的表现，包括对知识的掌握情况、任务的完成进度、学生的兴趣发展等。具体来说就是，在设计任务时，需要为总任务及其每一个子任务设立教学目标，然后依据教学完成情况对目标的完成度进行评价；接着根据评价结果进行进一步的汇总及其对比，由此对下一任务的实施进行必要的修改和调整，这个修改和调整的范围包括对任务的内容、任务的难易程度、任务的目标等。

评价可以采用主观评价和客观评价综合评价教学效果［11］。主观评价主要有教师对整个任务完成过程中学生的表现情况的评价，包括兴趣浓厚程度、主动性等方面，还有学生的自评。客观评价是根据各项打分指标得出的评价，如用小测试考查学生通过这个任务对知识的掌握情况。通过二者综合，能够真实客观地反映出实际的教学效果，以便对任务驱动法进行进一步改善和提高。

四、任务驱动法在信息论与编码课程教学的实践

信源的有效性编码是信息论与编码课程中非常重要的一个知识点。该部分知识点较多，理论性强，包含了信息论三大编码定理中的两个定理。因此本文以该部分为例说明任务驱动法在信息论与编码课程教学的实践。

（一）设计任务

现以电文的编码与译码为背景论述将如何有效地传输信息作为任务，引导学生学习信源编码等相关知识。选择电文的编码与译码的主要原因是：①电文的编码与译码会在很多影视剧中出现，学生非常熟悉，自然就会对此产生兴趣，乐于参与其中。②电文的编码、译码与信源编码知识联系密切，而且后续的信道编码、加密编码可以在此基础上进一步深化及拓展。

（二）实施任务

1.引出信源编码的概念

由于信源符号之间存在着相关性以及不均匀性，这就使得信源或多或少地存在着冗余度。而信源编码的主要目的就是提高编码效率，减少信源的冗余度。因此，信源编码实质上就是针对信源输出符号序列的概率统计特性，寻找合适的算法把信源输出序列编码为最短码字序列的方法。换句话说，信源编码的具体办法有两个：一个是使符号出现概率均匀化，另一个是解除符号序列中各个符号之间的相关性。

2.提出任务

设置问题场景：大洋彼岸有同学们想见的亲人，受限于相关条件，只能给他传输信息，如何有效地传输信息（尽可能在最短的时间内传输更多你的心里话），这些需要传输的信息我们用一段英文章节代替，那么如何将这段英文章节有效地传输到大洋的彼岸？提出任务后，引导学生学习编码部分，包括等长编码和变长编码，要求学生用等长编码和变长编码实现所提供的英文章节的编码。学生在完成任务的过程中会发现，等长编码和变长编码之间有着不一样的效率，甚至变长编码之间也有着不一样的效率，从而引发他们思考：①等长编码和变长编码的效率为何不一样？②信源编码的效率到底能提升到多少？教师接着引导他们继续学习信源编码中的两大定理即无失真信源编码定理和限失真信息编码定理。

在学生学习新知识完成任务的过程中，教师应该一直在旁监督，一方面把握学生完成任务的进度；另一方面协助指导他们应对解决不了的问题或者一些较难的知识点。对于“信源编码”这一章节来说，需要教师协助指导的难点问题主要有以下三个：①等长编码定理中符号序列的编码有助于提高编码效率的主要原因。②变长编码定理与定长编码定理的联系及区别。③两大编码定理和前面章节的联系。

3.任务总结

对本部分的学习情况进行总结主要依据以下几点：①学生任务的完成质量。②学生在完成任务中的表现，包括学习的自主性、积极性以及和老师的互动表现等。③列出知识点和任务分析调查表，重在了解学生对知识点掌握的自我评估以及学生对这个任务的评价。综合分析总结这几点，为后面改进教学提供参考。

五、结语

当前高等教育教学强调综合性、创新性与实践性，因此，高校教师都在不断探索有效的教学方法。对于工科类课程来说，一方面有较多的复杂的数学知识，要求学生具备很强的数理基础，学生学起来不易理解且觉得极为枯燥；另一方面，这类课程要求学生具有很强的动手能力。因此，相较于其他学科，工科类课程更难找到有效的教学方法。

信息论与编码是一门典型的工科类课程。因此，笔者通过引入任务驱动法，以提高学生学习的主观能动性，激发其学习的兴趣。实践表明，该方法不仅能让学生在完成任务的过程中学到知识，而且能培养学生分析问题和解决问题的能力，从而增强他们的自信心，取得很好的教学效果。