信息论与编码的混合式教学设计与实践

赵 攀，蒋志良，卢同波，孙丽君，陈天飞

(河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001)

随着社会经济的快速发展，信息技术已经广泛地应用到各个学科与领域，例如人工智能、生物医学、遗传学等。信息论与编码作为信息科学的基础理论学科，是以解决通信的有效性问题和可靠性问题为导向，最优化通信系统为目的，采用概率论、随机过程等数学方法研究信息的提取、传输、存储、处理等规律的学科[1-3]。它不仅影响着现代通信技术的发展和应用，还与人们的日常生活息息相关(譬如“二维码”)，因而，学习并掌握信息论与编码课程对通信、信息类专业学生十分重要，毕竟该课程是学生知识结构的重要部分，是学习后续专业课的基础，也影响着学生的视野以及解决工程实际问题的能力。

为了强化信息论与编码在知识结构上的承前启后、体系衔接的作用，让学生站在全局高度掌握信息论与编码的体系结构、发展规律和应用趋势，本课程将从培养高起点、高标准、高要求的通信类人才为出发点，融知识传授、能力培养、素质教育于一体，立足地方、以培养高素质、复合型、适应能力强的“新工科”通信专业人才为目标[5-6]，尤其强调工程方法论、科学的研究方法以及新技术的迅速学习的能力锻炼，进行课程教学方法、教学内容、课程考核体系等方面的改革，从而使学生加深对专业发展的理解，提升其批判性思考和终身学习能力。

一、混合式教学模式设计

为了激发学生学习的积极性与主动性，同时发挥教师引导的作用，设计了信息化技术与传统课堂相融合的混合式教学方案，如图1所示。混合式教学包含三个主要环节：学情分析、教学设计、评价与反馈。在开课之前，教师需要对课程特点、学习对象、教学内容等进行分析，然后基于学情分析开展教学设计，它主要包含课前导学、课中教学和课后助学三个方面。为了提升教学效果，依托互联网丰富的学习资源、教学平台及其多元化方式开展教学。学习评价有诊断性评价、形成性评价和总结性评价三方面，涵盖了对学生课前、课中和课后全方位的评价，并根据反向设计原则，从学生学习成果出发，进一步优化课程体系和教学过程。

图1 教学模式总体设计

(一)学情分析

为了保障混合式教学的高质量目标，需要对学生的知识体系、认知能力、学习能力、学习态度及动机进行分析，以便设计合理的教学策略和方法。

我们对信息论与编码课程进行学情分析[7-8]，发现：(1)该课程具有数学推导多、内容抽象、理论性强、知识面广等特点；(2)大多数学生的数学基础薄弱、抽象思维、逻辑推理能力不高，这与课程要求相矛盾，导致学生学习困难，学习兴趣和积极性下降；(3)以往的教学过度关注理论知识的传授，而忽略实际工程技术应用，导致理论知识与实际应用相脱节，学生难以实现学以致用，影响学生对知识的系统理解和对工程技术的掌握；(4)以教为中心的线下课堂缺乏信息化教学，导致师生互动缺乏、教学质量不佳，而且前沿知识的衔接度差、过程考核无法实施；(5)学生价值观多元化，能力参差不齐，传统的教学方法无法实现因材施教。

为了有效地培养学生的综合能力与素养，实现培养高层次应用型人才的目标，我们将依据学情分析，对教学内容进行层次化的知识点分解，包括知识点梳理、分析、筛选、重构和整合，以便可以以专题式、隐含式、问题式、任务驱动式等方式进行呈现，从而激发学生的学习兴趣；同时，对学习资料进行梳理、筛选、归类，以便拓展学生视野和能力的同时降低学习负担；最后，围绕“立德树人”的根本任务，依据学校“扎根中原，立足行业，服务全国，面向世界”的办学定位，制定符合“知识、能力、素养”三位一体的教学目标[9-12]，并精心设计以学生为中心，围绕发现问题—分析问题—解决问题为导向的教学活动，引导学生培养自主、合作的学习能力和方法。

(二)教学设计

混合式教学模式的实施从线下、线上两个方面分为课前知识传授、课中知识内化、课后知识巩固与升华3个阶段。在此过程中教师转变教学模式并引导学生改变学习习惯。

混合式教学将从课前导学、课中教学、课后助学三个环节方面进行，其中教师作为引导者主要负责课程资料的构建、活动的设计、个性化的指导，学生作为主体通过线上、线下活动，实现“自主性的基础学习”“探索性的深度学习”和“反思性的提升学习”。具体流程如下。

1.课前知识传授

教师根据信息论与编码课程中信源概念、信道容量、无失真编码定理、限失真编码定理、信道编码定理等内容进行知识点分解，并设定相应的教学目标，然后，在学习通平台上发布自制的10分钟左右的教学视频、大学生慕课链接以及自测题等；随后，学生在学习通平台观看教学视频，并完成相应知识点的测试，例如“香农编码、费诺编码、哈夫曼编码的优劣性”；此外，学生可通过线下或网络随时与教师进行互动交流，教师可进行个性化指导，并对在线数据进行分析、查漏补缺，为线下课堂做准备。

2.课中知识内化

首先，教师针对性地讲解学生在预习中遇到的重难点，例如“信息、消息、信号之间的区别”，弥补自学中的不足，因地制宜地发布具有探讨价值的高阶性任务，例如“当今二维码支付所使用的编码知识有哪些以及如何进行实现的”，构建参与式课堂环境；然后，学生进行小组式讨论学习，发挥主体作用的同时引发观点碰撞，获得深层次思考，得以内化知识，学生以PPT的形式展示小组成果；在讨论的过程中，教师适当参与，引导学生相互协作、相互答疑、相互学习，并对学习内容进行点拨与拔高，促使学生完成深层学习，构建完善的知识架构。

3.课后知识的巩固与拓展

教师以能力与素养培养为目标，发布综合实践类项目应用任务，例如，“设计编码传输系统，其中图像分别用香农、哈夫曼、算术编码、LZ编码方法进行压缩，然后经过二分删除信道传输，并在接收端进行解码分析”；学生根据项目情况选择个人或团队进行探究学习，利用网络进行资料调研、查阅、整理等，将所学知识迁移到实际应用中，完成作品与展示；在项目实践过程中，教师定时查看学生情况，并进行个性化、多样化指导，鼓励学生进行创新和探索。

(三)评价与反馈

教师根据学生的在线学习时长、任务完成情况、实践项目开发情况、交流互动次数等对学生的在线学习过程进行数据分析，及时地掌握并分析学生状态，阶段性地调整学习策略和教学内容，通过持续改革和调整，促进学生掌握教学内容，达到教学目标，最终获得终结性测试评价。

二、信息论与编码的教学实施

(一)在线平台建设

信息论与编码课程教学在线平台建设如图2所示：(1)构建高素质、专业化、创新型的教师团队，实施协同教学，共同完成教学设计、课程内容、教学资源的更新和维护工作等；(2)通过邀请码创建通信工程专业在线班级，方便教师进行分组管理；(3)根据教学知识点分解，制作3-10分钟教学视频用于保障学习兴趣以及碎片化时间的高效性，引入慕课优秀视频用于补充学习；(4)建设静态学习资料，包括作业包、试题库、复习材料、学习笔记以及其他扩展资料，例如信息史话、技术应用、案例分析等；(5)建设动态互动模块，包括课程通知、随堂测试、主题讨论、分组任务等；(6)设置相应模板的权限，对教学各环节进行控制与管理，定期查看学生学习行为的反馈数据，以此为依据调整课程内容，此数据也作为平时成绩的凭证。

图2 教学在线平台建设

(二)课程内容重构

为了满足学生个性化和层次化的需求，我们将信息论与编码教学内容进行重构，包括基础内容、拓展内容、项目实践内容，如图3所示。其中基础内容主要包括信息的定义、信源熵、失真函数、信道容量以及无失真编码定理、限失真编码定理、信道编码定理；拓展内容主要是本领域新技术的跟踪与探究，包括压缩编码技术、MIMO信道容量、量子信息论、密码学与信息安全、现代纠错编码技术等；项目实践内容是对理论知识的深化学习及其融会贯通，主要包括Huffman编译码、图像压缩算法、线性分组码编译码、编码传输系统性能分析、MIMO信道容量分析、卷积码、QR码等的仿真及实现。

图3 教学内容重构

(三)教学具体实施

教师在线上发布学习任务，并推送相关学习资料包括教学视频、预习题目、教学课件等；学生自主预习和学习，并在教学平台进行留言、讨论和咨询。教师搜集整理问题，在线下课堂利用PBL 教学、研究型教学、Topic 教学方法等进行重难点讲解。通过课堂分组讨论等形式进行深入交流，教师可通过签到、抢答、随堂练习、主题讨论、分组任务等活动，调动课堂气氛的同时统计学生学习情况，根据在线统计情况，有目的地将优秀学生和“预警”学生进行项目实践分组任务，通过协作学习，提高学习效果。此外，教师定期开展课程相关的专项讲座，拓展学生的视野。

(四)课程考核

为了检验课程的教学效果，进一步督促学生巩固学习，课程采用线上线下过程性考核，如图4所示。线上考核主要包括在线教学视频观看率、在线习题完成度及正确率、讨论区的发言质量等；线下考核主要包括课堂表现、成果展示内容、分组任务的完成情况、协同合作情况、观点的沟通表达、作品的创新性、项目实践的应用等。其评价方式主要通过：(1)在线数据的自动统计；(2)学生自评、互评及教师评分，利用线上、线下两种方式对学生的学习态度、学习水平、学习效果，从知识、能力和素养等多维度进行综合性的过程考核。

图4 过程性考核

三、教学效果

网络教学平台为混合式教学的实施提供了条件，师生可以随时随地进行交流和互动，教师能够及时获取学生的学习状态及思想动态，实现个性化指导，实时地调整教学活动及内容。针对我校2018、2019级通信专业，信息论与编码课程进行混合式教学模式，通过在线数据监测和问卷调查可知，学生通过该课程基本上养成了自主学习的习惯，基本能够完成课前预习和测试。小组协作讨论和自主探究学习方式，有效地激发了学生的学习兴趣和热情，参加课程学习的同学很好地掌握信息论与编码课程中的各个知识点、运用知识点进行编译码设计等工作，教学质量得到提升。部分学生将课程知识和技能迁移到“全国大学电子设计竞赛”“互联网+”等竞赛，斩获了国家二等奖1 项、省级一等奖2 项、省级三等奖6项的好成绩。

四、结语

针对信息论与编码课程，混合式教学模式从学生学习成果出发，确定教学目标，组织教学内容，选取教学策略，开展评价与反馈，关注课程中关键因素之间的互动关系，基于反向设计原则持续改革，提升教学质量。线上线下教学的相融合，充分激发了学生的学习兴趣和学习潜力，有效地促进学生努力学习、追求卓越成就，提升了学生分析问题、解决问题、开拓创新的能力，基于混合式教学交互式、辅助式、信息化的特点，教师的教学素养也得以提升。