“信息论”荣誉课程的教学改革与创新探索.pdf

第52卷 第4期2 0 2 3年 8月Vol.52，No.4Aug.，2 0 2 3上海师范大学学报（自然科学版）Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences）“信息论”荣誉课程的教学改革与创新探索周小林（复旦大学 信息科学与工程学院，上海 200438）摘 要：通过有梯度的教学内容设计、循序渐进的教学方法、“前沿问题驱动+互动研学+自主创新”的教学形式，培养学生信息理论研究兴趣，树立原创技术开发意识，成为具备扎实信息专业知识且视野宽阔的高素质人才.关键词：荣誉教育；信息论；创新思维；前沿问题驱动中图分类号：TP 183 文献标志码：A 文章编号：1000-5137（2023）04-0521-04Teaching reform and innovation exploration of“information theory”honorary courseZHOU Xiaolin（School of Information Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200438，China）Abstract：Through graded teaching content design，as well as step-by-step teaching method，the students interest in information theory research could be cultivated by“frontier problem-driven+interactive study+independent innovation”teaching format.Besides，the awareness of original technology development could be established.Based on the above procedures，the students could become high quality talents with solid information expertise and broad vision.Key words：honorary education；information theory；innovative thinking；frontier issue driven荣誉教育旨在为强国战略培养具备批判性科学精神、学术创新、基础扎实、视野开阔的高素质领军人才1-3.目前，荣誉教育在欧美众多高校教育中越来越普遍，提供了高水平个性化的荣誉课程，为社会培育了大量拔尖人才4.就中国而言，北京大学、清华大学和上海交通大学等很多国内高校开始了荣誉学位制度，已成为双一流高校建设的重要内容.信息论是20世纪40年代后期形成的一门学科，重点研究信息度量、信源编码、信息传输和密码学等问题，涉及电子工程、通信工程、计算机工程及生命科学等诸多学科5-7.在传统“信息论”教学中，学生习惯于被动听课的教学模式，缺乏创造性、探索性、独立性的思考方式，无法激发学习潜力和动力.此外，传统的教学方式无法匹配快速发展的信息科学技术，无法满足荣誉教育的要求.同时，抽象而繁琐的公DOI：10.3969/J.ISSN.1000-5137.2023.04.016收稿日期：2023-06-28作者简介：周小林（1973），男，副教授，主要从事信息论和无线通信方面的研究和教学.E-mail：引用格式：周小林.“信息论”荣誉课程的教学改革与创新探索 J.上海师范大学学报（自然科学版），2023，52（4）：521524.Citation format：ZHOU X L.Teaching reform and innovation exploration of“information theory”honorary course J.Journal of Shanghai Normal University（Natural Sciences），2023，52（4）：521524.2023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）式推导也使学生产生畏惧，失去对信息科学的研究兴趣.针对如上问题，本文作者通过广泛课程调研，设定合理的教学目标及有梯度的教学内容，开发了“前沿问题驱动+互动研学+自主创新”的课程项目，提高了学生对信息论课程的学习兴趣.1 课程建设与改革探索 1.1教学调研与目标设定“信息论”是国内外众多高校的核心课程，为建设“信息论”荣誉课程.通过广泛的调研，本研究分析了美国麻省理工学院、斯坦福大学、莱斯大学，新加坡国立大学，国内浙江大学及上海交通大学等多所高校的“信息论”教学思路与教学安排.以美国麻省理工学院为例，其课程涵盖随机过程熵定义、最大熵定理、二元对称信道容量、二元删除信道容量、哈夫曼信源编码及先进信道编码等信息论主要内容.整个课程分23个讲座，作业量较大，学生在课后需要复习所学知识，通过反复思考来加深理解.课程不仅包含主讲教材，还提供补充教材，供学生自行学习，培养学生自学能力，鼓励学生通过课外方式掌握了解更多课程知识.新加坡国立大学信息论课程涵盖信源压缩、噪声信道编码、神经网络及稀疏编码等内容，且设置了大量的习题课.复旦大学“信息论”荣誉课程的课时充裕，可以充分进行信息论基础知识和拔尖加强知识的讲解与练习，在教学内容和深度方面都有所加强，以适应信息技术快速发展的要求.参考国内外教学实践，本课程教学目的设定为：首先，使学生对信息论有比较全面和系统的了解，牢固掌握信息理论的基础知识及科学分析方法；然后，培养学生解决实际问题的能力，成为具备扎实信息专业知识和实践技能的高层次人才；同时，课程突出学生的创新意识，结合当前信息论最新发展和应用进行拓展，培养学生信息论研究能力，为从事信息科学的研究和应用打下坚实的基础.另外，设定“信息论”荣誉课程的基本要求：（1）掌握信息度量、各类离散信源和连续信源的信息熵及平均互信息；（2）掌握无失真编码定理，以及香农码、费诺码和哈夫曼最佳编码方法等，掌握限失真编码定理；（3）理解信道分类及表征信道的参数，掌握各种信道的信道容量的计算方法；（4）掌握信息率失真函数定义、性质；（5）熟练掌握纠错编译码的基本原理、线性分组码编码与标准阵列译码方法；（6）深入掌握卷积码编码、最大似然译码维特比算法；（7）掌握多输入多输出（MIMO）信道及容量，了解多用户信息论基础原理和迭代干扰消除可达速率分析等.1.2教学内容设计本课程遵循由易到难、循序渐进的原则，在加强基础部分讲解的同时，针对信息技术快速发展的特点，精选难度适宜的前沿专题报告，设计具有弹性的学习内容.在深度和广度方面，加强信息论教学的拓展，激发学生的学习兴趣与热情.（1）基础部分包括：讲述信息论的基本理论、基本分析方法，以及最新的信息论科学发展等.主要涵盖：平均自信息、平均互信息、信道模型及信道容量、率失真函数、经典信息论三大定理、常用信源编码方法、有扰信道编码定理、最佳译码策略、线性分组纠错码、卷积码、维特比译码及迭代译码等.（2）加深拓展部分包括：网络信息论、多用户信息论、量子信息论及人工智能与信息论等.该部分通过前沿技术讲座的形式进行讲解，如表1所示.1.3课程项目设计对于加深拓展部分，除专题讲座之外，还采用“前沿问题驱动+互动研学+自主创新”的课程项目进行训练，挖掘学生的学术潜力.针对当然的研究热点，提炼难度适当的科学问题，设计有吸引力的课程项目选题.2023年的课程项目选题如表2所示.具体而言，拓展实验/实践的图像信源压缩实验基本内容为：针对信息论中香农信源编码定理的教学522第4期周小林：“信息论”荣誉课程的教学改革与创新探索内容，练习量化、变换编码、哈夫曼编码、算术编码及预测编码等方法.深刻理解信源编码的基本原理；掌握典型信源压缩算法的Matlab仿真实现；分析多种信源压缩方法对实际图像质量的作用，并进行相互比较.拓展实验/实践信息通信系统（信源编码及信道编码联合）全链路仿真实验基本内容为：针对信道编码前向纠错等教学内容，完成典型的信道纠错码Matlab仿真程序（如：汉明分组码、卷积码及极化码等），以及最大似然译码算法.进而，与图像信源、通信信道集成为一个系统，进行全链路Matlab仿真，直观体验信道编码的纠错保护功能，并全面研究系统各要素对信息传输质量的影响.2 思政教育 为了提高学生的时代责任感，树立“四个自信”理念，培养热爱科学、严谨治学的态度，将思政教育引入课堂.结合当前中国的实际迫切需求，鼓励学生学好理论知识，服务于祖国的科技发展事业，增强中国的国际竞争实力.为此，设计了“信息论”荣誉课程的思政教育要点，如表3所示.除此之外，在课堂教学中，以网络信息论领域多位著名华人科学家的事迹为例，讲述当代中国科研工作者做出的世界级革命性科研突破，对激励学生的爱国情怀具有很好的示范作用.同时，也鼓励同学们确立信心，加强基础理论的学习，立志代表中国做出原创性科学贡献，鼓励学生将自身的发展与国家的需求有机结合，树立科研报国的理想信念.3 教学成效“信息论”荣誉课程的教学难度高于普通班教学.通过充分的课程准备，参考多年教学经验，使课程教学取得了良好的效果，构建了开放互动的学习生态，学生学习兴趣普遍得到提高，很多学生表示希望表1前沿技术讲座列表序号12345678专题名称人工智能与信息论6G通信与信息论网络信息论量子信息论量子信息比特量子信息论量子信道量子信息论量子编码多输入多输出系统信息论多用户信息论学时22222222表22023年课程项目选择表序号12345678选题题目面向智能工厂的变方差高斯噪声信道容量实验研究智能工厂、智能制造领域面向6G的泊松噪声信道容量实验研究6G通信无线光领域面向6G的极化码Polar-Coding实验研究6G通先进信道编码领域多输入多输出信道容量实验研究6G通信多天线领域基于强化学习的并联信道功率分配实验人工智能与信息论领域基于机器学习的信道编译码设计实验人工智能与信息论领域图像信源压缩实验信息系统（信源编码及信道编码联合）全链路仿真实验5232023年上海师范大学学报（自然科学版）J.Shanghai Normal Univ.（Nat.Sci.）加入暑期教师科研团队实践，还有同学希望进一步完善自己的课堂项目设计，形成论文成果.更重要的是，通过荣誉课程的建设，形成了自主学习氛围，有效锻炼了学生的逻辑思维能力，提升了学生的科学素养和社会责任感.4 结 论“信息论”荣誉课程的建设和讲授具有一定难度和挑战性，本文作者提出了有层次的弹性教学内容设计，采用由浅入深、循序渐进的教学方法，以课程项目研讨的形式，培养学生信息理论研究兴趣，树立创新意识，逐步成长为专业知识宽厚且视野开阔的高水平拔尖人才.后续会对荣誉课程的建设及时总结经验，不断探索，以期达到更好的教学效果.参考文献：1姜璐，董维春.美国现代大学荣誉教育：历史图景与体系构成 J.清华大学教育研究，2022，43（3）：112-122.JIANG L，DONG W C.Honors education in the United States modern university：historical vision and system structure J.Tsinghua Journal of Education，2022，43（3）：112-122.2阎琨，吴菡.美国大学荣誉教育培养模式及对我国拔尖人才培养的启示 J/OL.西北工业大学学报（社会科学版）2023-04-10.https：/ K，WU H.Honor education model in American universities and its implications for top-notch talent cultivation in China J/OL.Journal of Northwestern PolytechnicalUniversity（Social Sciences）2023-04-10.https：/ J.全球教育展望，2023（4）：33-45.MA Y，LU Y.The American model of top-notch innovative talents cultivation：history of honors education in American higher education J.Global Education，2023（4）：33-45.4符琼霖.优秀本科生的个性化培养方式：以5所美国研究型大学荣誉课程为例 J.中国人民大学教育学刊，2016（1）：147-157.FU Q L.Personalized cultivation model for undergraduates：case studies of honors curricula of five US research universities J.Renmin University of China Education Journal，2016（1）：147-157.5叶中行.信息论基础 M.3版.北京：高等教育出版社，2020.YE Z X.Elements of Information Theory M.3rd ed.Beijing：Higher Education Press，2020.6COVER T M，THOMAS J A.Elements of Information Theory M.2nd ed.New Jersey：John Wiley&Sons Inc.，2006.7曹雪虹，张宗橙.信息论与编码 M.3版.北京：清华大学出版社，2020CAO X H，ZHANG Z C.Information Theory and Coding M.3rd ed.Beijing：Tsinghua University Press，2020.（责任编辑：包震宇）表3思政教育设计要点序号1234专业知识点信息论的形成与发展互信息概念信息率失真函数和信源编码信道编码思政元素热爱国家，科技自信勇于探索，勇于创新，提出颠覆性原创技术科研强国，设计具有自主知识产权的新技术勇于创新，增强国家科技竞争实力内容简介在人类认知信息与传输信息的历史发展过程中，活字印刷术具有极其重要的地位，这是我国的四大发明之一，也是我国对信息载体、信息传播所做出的世界级重要贡献量子互信息传输具有巨大的发展潜力.在这方面，以潘建伟教授为代表的中国科学家走在世界前列.鼓励学生不囿于现有技术成果，敢于创新，树立原创技术开发意识具备自主知识产权的中国信源编码标准（AVS）.理论与实际结合，理解信息率失真函数理论指导价值和信源编码功能华为公司的极化码信道纠错方案，成为第五代移动通信国际标准，标志着中国通信先进的技术实力，及日益加强的国际影响力524