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信息论与编码方向论文:基于CDIO理念在信息论与编码课程教学中的
论文库:软件工程论文 时间:2017-06-06 点击:
[摘 要]信息论与编码课程是电子信息与通信工程专业一门重要的专业基础课程,具有课程内容抽象、涉及数学基础知识广泛,公式复杂众多及数学推导繁杂的特点。CDIO工程教育模式(构思、设计、实现和运作)继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念,系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的十二条标准。该模式注重学生综合素质及创新能力的培养,激发学生学习的主观能动性,鼓励学生交流沟通,培养团队协作意识。将CDIO理念应用于信息论与编码课程的教学中,可以解决理论学习与工程实践能力的失衡问题,培养学生的自主学习能力、团队意识。 
  [关键词]信息论与编码;CDIO;教学探讨;教学理念 
  [中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2017)04-0001-04 
  信息论与编码课程是我校信息与通信工程专业重要的专业基础课程之一,是一门运用概率论和数理统计等数学工具来研究各类通信系统的一般规律以及通信系统各组成部分统计特性的综合性强、涉及学科广泛的课程。其教学过程既需要学生掌握高等数学、概率与数理统计、随机过程等基础课程,还需要学生掌握信号与系统、数字信号处理以及通信原理等专业基础课程,该课程组成和其他课程的关系如图1所示。 
  信息论是现代信息科学的重要组成部分,是现代通信、信息技术飞速发展的理论支撑。人们运用信息论这一工具来认知世界,不断探索系统的存在方式和运动的变化规律,促进了多个学科领域的飞速发展。 
  信息论与编码课程的学习要求学生具有良好的数学基础。课程涉及积分运算,矩阵运算,群、域、环的概念和理论,数值分析的理论,计算机迭代算法,香农三大定理的证明等,几乎涵盖了理工科学生所学的全部数学知识。同时课程中很多概念非常抽象,比如信息、自信息量、平均互信息等,为教学带来了很大困难。教学过程中学生普遍反映公式定理繁杂枯燥难懂,内容概念抽象难以理解,学习兴趣不高。本教学小组尝试将CDIO理念[2]引入信息论与编码课程教学实践中,积极探索并设计出新的有利于促进学生自主学习,提升其创新思维和工程实践能力的全新教学模式,以提高人才培养质量。 
  一、CDIO工程教育模式的引入 
  CDIO是國际工程教育改革的最新成果[2],至2016年,已有几十所世界著名大学加入CDIO组织,采用CDIO工程教育理念和教学大纲,取得了良好的教学效果。2016年1月8日至9日, “全国CDIO工程教育联盟”成立,由此拉开了以培养高级工程专业人才为目标的高等工程教育新模式改革的序幕。 
  CDIO工程教育理念的引入就是为了打破传统的教育方式中重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新能力的培养等弊端,培养具有较强的工程实践能力、创新能力、团队精神、沟通能力的全面发展人才。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一,代表了当代工程教育的发展趋势。 
  CDIO包括三个核心文件:一个愿景、一个大纲和十二条标准,CDIO教学大纲包括四个层级,如图2。 
  作为成熟的工程教学模式,CDIO制定了十二条标准,为CDIO的改革提供了评价标准和实施指南。 
  CDIO工程教育模式的本质是“实践中学习”和“基于工程的教育”的集中体现,可有效解决工程教育中理论学习与工程实践失衡的问题;注重培养学生主动学习、综合实践和创新能力,强调团队协作意识的培养。CDIO工程教育模式并没有针对各个专业给出相应的教学标准,它为我们提供的是一种方法论,为教学模式改革指明了方向。 
  本文试图将CDIO理念运用于信息论与编码课程的教学中,探究基于CDIO理念的信息论与编码课程教学方法。解决传统教学的弊端,调动学生学习的能动性,培养学生的团队意识、创新能力,提高学生的综合素质。 
  二、CDIO理念指导下的课程教学特点 
  通过对CDIO三个核心文件——一个愿景、一个大纲和十二条标准的学习,本文认为在CDIO工程教学模式指导下的教学实践具有以下特点: 
  (一)突出工程实践 
  CDIO教学模式的核心思想是“实践中学习”。即从完成工程项目中学习,不断总结实践中的经验,将理论与实践联系起来,做到知与行的结合,将直接经验(实践)的获得与间接经验(理论教学)的学习相结合。 
  因此,在信息论与编码课程教学设计的过程中,教师要注重工程实践的设计。比如要求学生自己设计一个特定的通信系统,并且给出其信道容量;鼓励学生将书本知识转化为解决工程问题的方法,并将实践所获得的知识与经验有效运用于理解书本知识。 
  (二)强调相互关联 
  CDIO标准中的背景环境强调关联性,这是CDIO非常重要的方法论。学生通过完成项目,总结归纳解决问题的理论支撑,在加深对书本知识理解的同时也提高了解决问题的能力。这种能力不是知识的堆砌,而是知识在实践中的升华,体现了“实践中学习”的本质。 
  因此,基于CDIO理念的信息论与编码课程在教学过程中工程实践(研讨、文献阅读、仿真实验等)和理论知识学习的设计与组织强调相互关联、相辅相成,将琐碎的知识点通过项目实践串联起来,完成项目的同时加深对知识的理解。 
  (三)体现主观能动性 
  CDIO工程教育模式强调在教与学过程中以学生为中心,以此来调动学生学习的积极性和主动性,这和建构主义理论不谋而合。
 因此,基于CDIO理念的信息论与编码课程教与学的过程要充分激发学生的学习热情,引导学生自主学习。学生主动建构知识将取代传统的以教师为主的知识讲授。 
  (四)强调宏观整体化 
  CDIO标准在课程设计和教学手段方面都体现了整体观念,实质上体现的是系统论的核心思想。 
  因此,基于CDIO理念的信息论与编码的教学课程设计要立足于整体,注重各知识点之间的关联,将教学内容优化整合,体现一体化,以达到最优的教学效果。 
  (五)评价方式多元化 
  依据CDIO的十二条标准,教师应采用与之相适应的考核方法来评价学习效果。 
  因此,基于CDIO理念组织的课程教学在评价考核方面应具有多元化特点。其中,包括考核手段多元化和评价主体多元化。 
  三、CDIO理念指导下的教学活动模式构建 
  CDIO理念下的教学活动设计和组织是在“实践中学习”理念的指导下,基于项目实践进行的。学生在完成项目的过程中能更加深入地理解理论知识,同时提升将理论应用于实践的能力。 
  因此,CDIO理念在信息论与编码课程教学中的应用是以学生为主导、以工程实践为导向、以项目为驱动,在完成项目的过程中加深对知识的理解,再将积累的知识用于解决工程实践问题。 
  基于此,教学组进行了课程教学活动组织模式的架构和课时分配。 
  (一)课程教学活动组织模式的架构 
  结合信息论与编码课程内容的特点,教学组构建了课程教学实施过程中各知识模块通用的教学流程模式,如图3。 
  课外自主学习环节要求学生对教学内容进行资料查询、收集整理完成课前预习。借助网络资源完成自主学习,比如上海交通大学、西安电子科技大学、国防科技大学的信息论国家精品课程、MIT 开放课程,stanford 的信息论课程等。教师在课外自主学习环节,应给出本次课的重点和难点,为学生查询相关资料提供指导。 
  知识讲解环节不再是传统教学的灌输模式,而是针对学生自主学习时的盲点或理解不正确的地方进行详细重点的讲解,自主和互动式学习将提高学生学习课程的积极性和主动性。 
  以“教”为中心的教学,缺乏自主创新意识,难以调动学生学习的能动性,学生无法感受学习的乐趣以及解决问题的成就感。因此,一级实训项目以个人独立完成的形式进行,主要完成文献阅读、撰写读书报告、总结归纳自主学习过程中的難点疑点等任务。 
  二级实训项目以小组的形式进行,项目内容的设计要贴近学生的专业方向,引导鼓励学生运用书本上的知识解决工程实践中的问题。在此过程中,教师需要向学生提供与实践项目相关的资料等,引导帮助学生寻找解决问题的途径和方法。 
  小组在协作探究后完成相应的任务,每组选出一个代表在课堂上进行展示与汇报,和其他同学分享学习成果和经验,可以进行组内互评、小组之间互评。教师要对整节课的综合情况进行评价、总结。课后,学生要撰写学习交流心得。 
  在一级项目和二级项目中,教师要将高级编程语言(C/C++、Java 等)、仿真软件(Matlab)和信息论与编码课程结合起来开展适当的实验教学。例如在第8章和第9章中利用C 语言来实现Huffman编码、Fano编码、卷积码、循环码的程序设计及调试工作;在第6章中,可设计通过Matlab 仿真软件来验证采用不同的译码准则得到的平均错误概率等实验。这样的实验教学不仅让学生加深了对理论知识的理解,还锻炼了学生的编程能力,有利于激发学生学习的主观能动性,提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。 
  最后,教师将每组总结的疑难问题和重点知识进行整理,对整节课知识进行系统化梳理总结。 
  (二)课时分配 
  CDIO工程教育模式的本质是“实践中学习”和“基于工程的教育”的集中体现。从信息论与编码课程的内容来看,其强调基础性和实用性,包括信息论基础知识(理论)和香农三大定理(实践)两大部分内容。该策略不适于信息论基础知识(理论)部分的学习。因此,基础知识部分的学习采用教师讲授的方式进行,而香农三大定理(实践)部分采用CDIO模式进行。 
  结合信息论与编码课程课时的安排,以两个教学周为一个学习任务周期来分配课时。 
  教学活动组织模式和课时分配依据以学生为中心的理念设计,真正“以学生为中心” 更好地实现“因材施教”。缩短教师讲授的时间,整个过程更多地关注学生的参与。教师由原来讲台上的“圣人”转变为教学活动中的“教练”,而学生由原来台下被动的接受者转变为主动的参与者。 
  四、教学评价方式 
  课程教学评价是教学活动中的重要环节,既具有反馈功能,又具有导向功能。CDIO理念强调学生综合能力培养,该观念贯穿课程设置和教学过程的始终。因此,评价方法要能客观全面地衡量学生的综合能力。 
  基于此,信息论与编码课程的考核釆用 “多样化、多角度全过程考核,多元化全方位评价”的方式,教师评价、小组互评和学生自评相结合。教师是教学活动的组织者和指导者,教师评价可以客观、全面地把握学生整体的学习情况。小组间互评可以激发竞争意识以及各组内成员间的交流互动。个人自评有助于学生进行自我反思和总结,评价内容多元化,不再拘泥于单一的笔试,而是将阅读笔记、小组讨论、专题研讨、论文撰写均作为评价方面。 
  学生成绩=期末笔试(60%)+课堂互动交流(15%)+实验报告(论文、阅读笔记)撰写(15%)+小组研讨(15%)+创新性(5%)。为了充分调动学习过程中学生的积极性,对于有创新观点的学生可以额外加分。期末笔试可以考查学生对于理论知识的掌握;实验报告(论文、读书笔记)的撰写则可体现学生的实际动手能力及知识的运用能力,很好地反映学生熟练应用软件的程度。 信息论与编码论文
  五、结语 
  以往的教学实践和相关文献显示,信息论与编码课程的教学中存在两个核心问题:一是课程内容抽象枯燥,教学手段单一,难以调动学生学习的主观能动性;二是现行的考核方式单一,导致学生在理论知识掌握与工程实践能力上的失衡。
针对这些问题,本教学小组将近年来颇受关注的CDIO教学模式引入信息论与编码课程教学中,注重学生综合实践能力和创新能力的培养,强调学生自主学习,突出团队协作意识。当然,课程教学改革是一个需要不断探索和逐步完善的过程,不可能一蹴而就。在以后的教学中,仍要“以学生为中心”, “因材施教”,最终达到提高教学效果、培养学生创新能力的目的。信息论与编码论文 
  [ 参 考 文 献 ] 
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