“信息论”课程本科教学探索与实践-文档资料

“信息论”课程本科教学探索与实践课程的重要地位信息安全专业是计算机领域近年来出现的新专业。中共中央、国务院高度重视信息安全专业的发展，并对此做出了全面部署：2004年1月，国务院召开全国信息安全保障工作会议，其中特别强调要加强信息安全院系的建设和人才培养工作；2005年5月，教育部下发文件(教高[2005]7号)提出：“要高度重视并进一步加强信息安全专业学科建设和人才培养工作”。“信息论”课程是信息安全专业的基础与核心课程，几乎所有拥有信息安全专业的高校 (北工大、北邮、武大、西电、上海交通等 )都将“信息论”列为该专业的必修课。信息论在信息安全中的应用范围也非常广，密码编译码算法设计、密码系统安全性、密码算法评价、信息安全模型等均以信息论为基础。 因此“信息论”课程建设的好坏，直接影响到信息安全专业本科生的培养质量， 影响到信息安全学科建设。课程存在的问题与“信息论”课程的重要性形成鲜明对比的是，它的课程建设和教学效果却相对落后。这主要是由于 2000年之前，“信息论”基本上属于通信专业的研究生课程。 2000年之后，随着信息安全专业的陆续设立，“信息论”才逐渐成为本科生课程。但是教学内容、教学方法等基本沿用了研究生教学的模式。 纵观“信息论”课程的教学工作，结合笔者的教学实践，发现“信息论”课程的本科生教学主要存在如下一些问题：●作为一门新开设的本科生课程，“信息论”的教学内容基本沿用了研究生的教学内容，过于抽象，不能深入浅出，脱离学生的实践经验。这不符合大学生的认知规律，给学生的理解和掌握造成了一定的困难。●教学方法基本沿用了研究生课程的教学方法，以掌握知识为主要目的，以课堂理论教学为主，缺少实践和启发互动环节。面对研究生，这样做是可以的，因为对研究生来讲，实践和互动环节可以通过导师的个别指导来完成。但是对于大学生来讲，缺少实践和互动，既不利于对课程内容的深入理解，也不利于形成理论联系实际的学风，更不利于发现问题、解决问题能力的培养，进而影响到创新思维的发展。●教材除具有与教学内容同样的问题之外，还存在内容陈旧，未能够与科技发展同步，注释不清晰，缺乏有新意的习题，例题定理编排不醒目等问题。这给学生的预习复习等带来了困难，为教师提供的参考内容不足。●作为信息安全专业的必修课，信息论本应从信息安全的角度讲解，但事实并非如此。大部分教师是从通信与信号处理的角度讲解信息论。这使得学生认为这门课程与自己的专业无关，与今后的工作和学习无关，不能激发学生的学习兴趣。课程的改进3.1立足“大学本科”和“信息安全”两块基石从前面的分析可以看出，“信息论”课程教学之所以出现不尽如人意的地方，根本问题出在定位不准确：一是拿以前给研究生教学的老内容、老思路、老方法教本科生；二是拿以前给通信专业学生教学的老内容、老思路、老方法教信息安全这个新专业的学生。为了从根本上解决大学本科信息安全专业信息论课程教学过程中出现的各种问题，要立足“大学本科”和“信息安全”两块基石，从教学模式、教学手段、教学内容、教师、教材、实验设计、习题、考核等方面对课程建设进行全方位的探索。3.2教学模式和手段教学模式和教学手段的使用直接关系到课堂教学效果，因此，加强教学模式和教学手段的改革一直是学校教学工作中强调的重点。提倡进行以学生为本的创造性教学；鼓励教师在教学过程中，使用现代化的教学手段和方法，来激发学生学习的兴趣，培养学生独立思考、自主学习的能力。传统教育的教学方式是以教师为中心，而学生则是接受灌输的被动群体。为了让学生更好地理解“信息论”课程内容，教师要从主讲者转变为学生学习活动的设计者、指导者；学生要从接受灌输的被动地位转变为有机会参与教学、掌握知识的主动地位，把“要我学”转变为“我要学”。在信息论课程的教学过程中，可以采用讨论式教学、参与式教学、研究式教学等教学方式。例如在讲到编码的分类时候，为了让学生更好的理解无损压缩和有损压缩两种编码方式，举例日常生活中“MP3”的例子。“MP3”的名字是怎么来的？是MPEG压缩标准的第3层，即MPEG压缩标准中专门针对音频压缩的部分，按照这部分标准做成硬件，再加上漂亮的外壳，就变成了同学们脖子上挂的“MP3”。而MPEG压缩标准就是一个广泛采用的视频有损压缩标准。讲到这里，学生已经对课堂内容产生了兴趣。趁热打铁，教师可以抛出一系列相关问题，如：●同一首歌，分别保存成WAV格式和MP3格式，占用的存储空间能差多少？听起来的感觉有差别吗？MPEG压缩标准是谁制定的标准？大体内容有哪些？日常生活中除了“MP3”，它还有没有其他的广泛应用？●除了MPEG压缩标准，日常生活中还有没有其它常用的压缩标准？比如针对图像数据的。解决这些问题，需要学生课下做实验、查资料，既使学生深入理解了有损压缩、拓宽了知识面，又培养了学生的动手能力、查找文献资料的能力、发现分析解决问题的能力，而且还将枯燥的理论与学生的生活经验结合起来，激发了学生的学习兴趣。3.3教学内容学生的基础有差别，对未来也有着不同的设想。有的学生想继续深造，希望课程的理论性强一些；有的学生想走向社会，希望课程的实用性强一些。因此笔者在教学过程中将教学内容分为基本教学内容、扩展的教学内容和实验教学内容三部分。基本教学内容包括构建支持学生终身学习的知识基础，如信息的统计度量、信源、信道、编码概述等内容。扩展的教学内容及时、适当地介绍本学科的最新动态和新的发展，使课程教学内容保持基础性的同时，不断提高课程内容的时代性和前沿性。实验教学，可以有效提高学生的实际动手能力和解决实际问题的能力，将理论知识和实际问题融合贯通，提高综合素质。教学内容还要与信息安全密切联系。例如在讲到信息的统计度量这部分内容的时候，向学生讲清楚密码学中经常用熵、条件熵、互信息等概念衡量密码系统的理论安全性。如，如果明文和密文之间的互信息为0，表示明文和密文之间没有任何关系，通过密文不可能破译出明文，这样的密码系统是绝对安全的，但是也是不实用的。因此设计密码系统时，明文和密文之间的互信息越小越好，越小表明系统越安全，但是不可能为0，即不能做到绝对的安全。3.4实验设计“信息论”虽然是一门应用范围很广的学科，但是多年来该课程的实验设计却是令教师头疼的问题。要么所设计的实验过于复杂，超出本科生的能力；要么干脆没有实验，把信息论当作一门纯理论课程来讲。这些做法均不利于学生对课程的理解。实验的设计应该从学生的实践经验出发，在充分考虑学生理解、动手等能力和专业特点的基础上，设计若干个简单的、对理解课程内容有利的、学生付出一定的努力能够实现的实验。以帮助学生理解课程内容，提高动手动脑能力，培养创新意识和发现问题、解决问题的能力。例如可以让学生编程实现某个编码算法；让学生设计一个算法，判断两种编码方式的好坏，并给出算法设计的依据；让学生写一篇关于信息论在信息安全中重要作用的论文；等等。结束语无论从什么角度分析问题，无论采取什么解决问题