【研究生精品课程】《信息论》:激发学生理解通信的本质 ——信息与通信工程学院陈伟建教授在《信息论》课程的教学改革探索经验
发布于:2020年01月19日 14:06   |   作者:[研究生院] 教学管理办公室   |   浏览次数:765

      【编者按】为充分发挥精品课程的标杆示范作用,促进研究生课程质量进一步提升,研究生院从2018启动了120门研究生精品课程建设工作,以公共基础课和各一级学科(类别)专业课为重点,充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》,整体规划、分布实施,至2019年,经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过,学校已立项了首批62门“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目,分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念,从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得,与师生读者共享。本期介绍信息与通信工程学院陈伟建教授在《信息论》课程的教学改革探索经验。

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    “信息论”被誉为二十世纪以来最伟大的理论成果之一,为人类认识和改造世界提供了新的有力思想武器,是认识世界和改造世界的科学方法。然而,要让学生深刻掌握这种方法,并不容易。

    这是因为,“信息论”是运用概率论与数理统计的方法研究信息传输和信息处理系统中一般规律的学科,其核心问题是信息传输的有效性和可靠性以及两者间的关系。这就让许多学生把“信息论”误作一种数学来学,容易学得云里雾里,或难以学以致用。

    但在信息与通信工程学院陈伟建教授的课堂上,《信息论》并没有成为令学生头疼的“名补”课程,而是变成了一门学起来很有趣、学会了有大用的“金课”。陈伟建教授也因此深得学生喜爱,收获了一波又一波“铁粉”,并被学生评为第一届、第三届、第四届“我最喜爱的老师”之一。

对症下药:解决“难点”和“痛点”链接知识“孤岛”

   《信息论》是信息与通信工程领域非常核心的课程之一。陈伟建说,通信在形式上是信号的传输,但在本质上是信息的传输。在通信领域有两个核心问题:一是信息传输的有效性,一是信息传输的可靠性。

    为了解决有效性的问题,就必须引入压缩,通过压缩编码,把信号当中的冗余剔除;为了解决可靠性的问题,就必须想办法去除“噪声”的干扰,通过纠错编码等,把信号传输的失真和错误纠正过来。

    因此,他根据多年的教学经验,把课程内容凝练成了四个有机联系的部分:第一是“单入单出系统”的信源和信道的信息度量;第二是压缩和传输的界;第三是压缩编码和纠错编码;第四是“多入多出系统”的信源、信道的信息度量和压缩、传输的界。

    其中,前三个部分涵盖并贯穿了信息与编码;第四部分是他专门给研究生增加的版块,是针对“多入多出系统”展开的更具有一般性也更具有实际应用价值的扩展性内容,侧重点不在编码,而在传输的界。

    之所以这样设置课程内容,陈伟建指出,目前国外的教材偏重于第一、第二和第四部分,缺失第三部分,内容过于偏重于理论,美国斯坦福大学等的《信息论》课程体系无不如此。与之相反,国内的教材在第二、第四部分较弱,缺乏扎实的数学描述。这两种缺陷都把信息论和编码割裂开来,中间缺乏有机的连接。

    在他看来,以前的《信息论》课程在很大程度上都没有与通信领域的实际问题结合起来,学生可能学很多数学计算或证明,但并不明白这些知识如何具体应用。即便会学到编码,也只是把编码当做纯粹的技术方法,对编码背后的本质联系缺乏深刻理解。

    即便学生学会了一些编码方法,也很难深究同样的技术方法为什么在这种应用场景绽放异彩但在另外的应用场景下却平淡无奇,更难以明白为什么不同的应用场景需要选择不同的编码方案、到底哪种应用场景应该匹配使用哪种编码方案。

   “有的优秀学生可能数学基础学得好,编码技术学得也不错,但是如果不能掌握这两者的关系,就很难在理论的指导下去选择或改进技术方法,也就难以取得创新性或突破性的成果!”他说,这就像是吃了很多营养大餐却不能消化吸收变成能量。

    从2018年开始,他着力建设知识“桥梁”,经过不断优化改建,终于打通四个知识板块,使其联系和融合更加流畅自然。目前,他正在牵头撰写新的教材,以配合这门课程的更好开展。

    此外,他也十分强调《信息论》与《通信原理》课程之间的融合。他说,这两门课程是互补的,前者讲信号的有效性和可靠性,但是,怎么把信号变成一个可以合理传输的信号呢?这就是《通信原理》要做的事情。把这一点讲明白,可以更好地促进学生对《信息论》的理解。

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启发引导:改进教学方法激励自主学习

    认识到知识之间需要“桥梁”也经历了一个过程。陈伟建说,“以前我们在教学方法上更倾向于纯粹地教信息论,学习国外大学十余年但效果并不理想,因为国外的教材也没有很好地解决信息论与编码割裂的问题。”

    传统教学方法的不足,在学生身上体现了出来。很多学生学了信息论和编码之后去导师所在的团队做项目,遇到相关的问题时就“卡壳”了。来请教的学生多了,陈伟建就发现,“他们的问题症结就在于不能把所学的知识融会贯通、不能把理论和实际应用建立联系。”

    比如,有的学生问他,“现在有一种编码很热门,但为什么我在这个事情上应用的效果会很差?”有的学生以前可能学了二十多种编码方法,觉得哪种方法好用,就把这种方法用到所有的场景,结果发现方法经常“失灵”。

    那么,怎样通过教学让学生明白知识之间的联系呢?他的做法是:尽量避免像以前那样一步一步地讲具体的计算或证明,而是把思路讲清、把思想讲透,让学生自己编程解决问题,至于用什么编程语言、怎么解决问题,他从来不做限制,学生完全可以别出心裁、天马行空。

    比如,讲压缩问题时,他会先给出详细的数学证明,并把方法讲明白。此后遇到类似的证明,他都一笔带过,让学生举一反三。不过,他会提醒一下学生,类似的问题可能需要注意微小的差别。

    陈伟建在课前就把PPT完整地共享给学生。学生在课前和课后都自己看、自己学,然后在群里交流讨论,他则在群里“潜水”,观察学生关心的问题和反馈的难点,可以基本了解学生掌握基础知识的情况,并针对难点问题在群里或课堂上适时点拨指导。

    再如,在讲编码时,对于简单的、入门级的编码,他作为重点,从头到尾地讲,让学生清楚明白,而对于复杂的编码,则只讲一个框架,以及在每个框架的每个版块可能要用到哪些关键技术,相当于为学生提供一幅自己探索的“知识地图”。

    之所以挑重点讲,主要有两点考虑:其一是,要让学生自己学起来、研起来;其二是比较现实的原因——课时的限制。比如,要讲LDPC码这种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码,若要详细讲,用20-30个学时都不够。但是,陈伟建只需要讲清楚这种编码的“降维计算”思想和原理,然后把思考的空间留给学生,让学生自己来做述评。所谓“述评”,就是“综述+评价”,它不是一个具体的作业,而是让学生自己查阅资料。这样做过一次,学生对LDPC编码的理解就更加深刻了。

    与教学方法的改革相适应,陈伟建在考评体系上也做了较大改变。以前,他会布置一些维度较低的计算题,让学生手算就能搞定;现在,有了计算机编程,他会出“视频编码”等贴近实际且维度更多的题目,让学生做综述和研究。

    期末考试虽然是开卷,但难度很大,题量也很大。学生一直反映开卷考试很难,但卷面成绩都在75分以上。在评分时,陈伟建十分注重学生在编码中的基本思想,而不太“抠”证明的细节。

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立德树人:激发学生爱国奉献的内生动力

    陈伟建的课堂不仅自主性很大,而且趣味性很高。他曾说:“如果一个老师能够得到学生喜欢,肯定会非常自豪、特别高兴,就像他的孩子跟他非常亲近一样高兴。”他教书多年,1988年刚进成电不久就获得了“教书育人奖”。他说:“我很高兴不仅教了书,还育了人。”

    他一直把自己和学生放在平等的位置,以朋友的身份和同学沟通。在学生心目中,“陈老师上课循循善诱,上他的课一点都不吃力。他从来不会直接把结果告诉学生,而是抛出问题并教会大家解决问题、得出结果。”

   “学生的思维很特别,总会提出我从来没注意到的问题。”在《信息论》的课堂上,有一次他像往常一样讲授教材上的一种算法,课下一位同学找他“切磋”,试图用一个反例推翻他讲的内容,让他感到耳目一新。他对学生“无知无畏”的质疑精神十分欣慰,他说:“学生的思维总是很活跃,这是创新的重要一步。”

    他还经常培养和激发学生的情怀,而兴趣和情怀正是激发学生努力钻研的内在精神动力。他自小在部队大院里长大,很早就在心里种下了投身国防的种子。生活环境的特殊性也使他耳濡目染地了解了国家的国防现代化建设情况,并坚定了他为国家尽一份力的决心。

    正因如此,他考大学时选择了打上五角星符号的国防专业,进入了上海交通大学,希望毕业后能分配到部队工作。大学期间,他仅用三年就修完了所有学分,比其他同学提早半年开始了毕业设计——中国第一枚有线制导鱼雷的测试。

    毕业后,他阴差阳错未能如愿进入部队,而是参与到某工程设计制造潜艇的工作中。一年多以后,由于国家军费短缺,工厂停了工,但他的家国情怀并未动摇,选择回炉深造,去重庆大学攻读硕士。

    1988年来成电任教后,他把一腔情怀倾注到了三尺讲台,立德树人培养时代新人。1988年至1994年,陈伟建在学校无线电技术系从事教学、科研工作。1994年至2002年,他先后在产业处和附属工厂任副处长、厂长兼总工程师,从事实践教学、开发设计和管理工作。从2002年起,他在信息与通信工程学院一心从事教学、科研工作至今。

    多年探索,不断改革,课堂教学效果得到了学生的充分认可。信息与通信工程学院2019级研究生刘婧琪表示:“陈老师风趣幽默、思路清晰的讲解,帮助我进一步完善了知识体系,对一些原理不仅可以知其然,还能知其所以然,这对我以后从事科研工作带来了很大的启发。”