【編者按】為充分發(fā)揮精品課程的標(biāo)桿示范作用，促進(jìn)研究生課程質(zhì)量進(jìn)一步提升，研究生院從2018啟動(dòng)了120門研究生精品課程建設(shè)工作，以公共基礎(chǔ)課和各一級(jí)學(xué)科（類別）專業(yè)課為重點(diǎn)，充分結(jié)合國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組和全國(guó)專業(yè)學(xué)位研究生教育指導(dǎo)委員會(huì)編寫的《研究生核心課程指南》，整體規(guī)劃、分布實(shí)施，至2019年，經(jīng)學(xué)院推薦、學(xué)校專家評(píng)審、研教指委審議通過，學(xué)校已立項(xiàng)了首批62門“精品課程”。新聞中心特開設(shè)【研究生精品課程】欄目，分享這些“精品課程”基于“價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授”三位一體的教育理念，從課程目標(biāo)與定位、課程內(nèi)容、教學(xué)和考核方式、課程特色和成效等方面總結(jié)梳理其經(jīng)驗(yàn)心得，與師生讀者共享。本期介紹信息與通信工程學(xué)院陳偉建教授在《信息論》課程的教學(xué)改革探索經(jīng)驗(yàn)。
“信息論”被譽(yù)為二十世紀(jì)以來最偉大的理論成果之一，為人類認(rèn)識(shí)和改造世界提供了新的有力思想武器，是認(rèn)識(shí)世界和改造世界的科學(xué)方法。然而，要讓學(xué)生深刻掌握這種方法，并不容易。
這是因?yàn)?，“信息論”是運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法研究信息傳輸和信息處理系統(tǒng)中一般規(guī)律的學(xué)科，其核心問題是信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃砸约皟烧唛g的關(guān)系。這就讓許多學(xué)生把“信息論”誤作一種數(shù)學(xué)來學(xué)，容易學(xué)得云里霧里，或難以學(xué)以致用。
但在信息與通信工程學(xué)院陳偉建教授的課堂上，《信息論》并沒有成為令學(xué)生頭疼的“名補(bǔ)”課程，而是變成了一門學(xué)起來很有趣、學(xué)會(huì)了有大用的“金課”。陳偉建教授也因此深得學(xué)生喜愛，收獲了一波又一波“鐵粉”，并被學(xué)生評(píng)為第一屆、第三屆、第四屆“我最喜愛的老師”之一。
對(duì)癥下藥：解決“難點(diǎn)”和“痛點(diǎn)”鏈接知識(shí)“孤島”
《信息論》是信息與通信工程領(lǐng)域非常核心的課程之一。陳偉建說，通信在形式上是信號(hào)的傳輸，但在本質(zhì)上是信息的傳輸。在通信領(lǐng)域有兩個(gè)核心問題：一是信息傳輸?shù)挠行裕皇切畔鬏數(shù)目煽啃浴?/span>
為了解決有效性的問題，就必須引入壓縮，通過壓縮編碼，把信號(hào)當(dāng)中的冗余剔除；為了解決可靠性的問題，就必須想辦法去除“噪聲”的干擾，通過糾錯(cuò)編碼等，把信號(hào)傳輸?shù)氖д婧湾e(cuò)誤糾正過來。
因此，他根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，把課程內(nèi)容凝練成了四個(gè)有機(jī)聯(lián)系的部分：第一是“單入單出系統(tǒng)”的信源和信道的信息度量；第二是壓縮和傳輸?shù)慕?；第三是壓縮編碼和糾錯(cuò)編碼；第四是“多入多出系統(tǒng)”的信源、信道的信息度量和壓縮、傳輸?shù)慕纭?/span>
其中，前三個(gè)部分涵蓋并貫穿了信息與編碼；第四部分是他專門給研究生增加的版塊，是針對(duì)“多入多出系統(tǒng)”展開的更具有一般性也更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的擴(kuò)展性內(nèi)容，側(cè)重點(diǎn)不在編碼，而在傳輸?shù)慕纭?/span>
之所以這樣設(shè)置課程內(nèi)容，陳偉建指出，目前國(guó)外的教材偏重于第一、第二和第四部分，缺失第三部分，內(nèi)容過于偏重于理論，美國(guó)斯坦福大學(xué)等的《信息論》課程體系無不如此。與之相反，國(guó)內(nèi)的教材在第二、第四部分較弱，缺乏扎實(shí)的數(shù)學(xué)描述。這兩種缺陷都把信息論和編碼割裂開來，中間缺乏有機(jī)的連接。
在他看來，以前的《信息論》課程在很大程度上都沒有與通信領(lǐng)域的實(shí)際問題結(jié)合起來，學(xué)生可能學(xué)很多數(shù)學(xué)計(jì)算或證明，但并不明白這些知識(shí)如何具體應(yīng)用。即便會(huì)學(xué)到編碼，也只是把編碼當(dāng)做純粹的技術(shù)方法，對(duì)編碼背后的本質(zhì)聯(lián)系缺乏深刻理解。
即便學(xué)生學(xué)會(huì)了一些編碼方法，也很難深究同樣的技術(shù)方法為什么在這種應(yīng)用場(chǎng)景綻放異彩但在另外的應(yīng)用場(chǎng)景下卻平淡無奇，更難以明白為什么不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要選擇不同的編碼方案、到底哪種應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)該匹配使用哪種編碼方案。
“有的優(yōu)秀學(xué)生可能數(shù)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)得好，編碼技術(shù)學(xué)得也不錯(cuò)，但是如果不能掌握這兩者的關(guān)系，就很難在理論的指導(dǎo)下去選擇或改進(jìn)技術(shù)方法，也就難以取得創(chuàng)新性或突破性的成果！”他說，這就像是吃了很多營(yíng)養(yǎng)大餐卻不能消化吸收變成能量。
從2018年開始，他著力建設(shè)知識(shí)“橋梁”，經(jīng)過不斷優(yōu)化改建，終于打通四個(gè)知識(shí)板塊，使其聯(lián)系和融合更加流暢自然。目前，他正在牽頭撰寫新的教材，以配合這門課程的更好開展。
此外，他也十分強(qiáng)調(diào)《信息論》與《通信原理》課程之間的融合。他說，這兩門課程是互補(bǔ)的，前者講信號(hào)的有效性和可靠性，但是，怎么把信號(hào)變成一個(gè)可以合理傳輸?shù)男盘?hào)呢？這就是《通信原理》要做的事情。把這一點(diǎn)講明白，可以更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)《信息論》的理解。
啟發(fā)引導(dǎo)：改進(jìn)教學(xué)方法激勵(lì)自主學(xué)習(xí)
認(rèn)識(shí)到知識(shí)之間需要“橋梁”也經(jīng)歷了一個(gè)過程。陳偉建說，“以前我們?cè)诮虒W(xué)方法上更傾向于純粹地教信息論，學(xué)習(xí)國(guó)外大學(xué)十余年但效果并不理想，因?yàn)閲?guó)外的教材也沒有很好地解決信息論與編碼割裂的問題?！?/span>
傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，在學(xué)生身上體現(xiàn)了出來。很多學(xué)生學(xué)了信息論和編碼之后去導(dǎo)師所在的團(tuán)隊(duì)做項(xiàng)目，遇到相關(guān)的問題時(shí)就“卡殼”了。來請(qǐng)教的學(xué)生多了，陳偉建就發(fā)現(xiàn)，“他們的問題癥結(jié)就在于不能把所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通、不能把理論和實(shí)際應(yīng)用建立聯(lián)系?！?/span>
比如，有的學(xué)生問他，“現(xiàn)在有一種編碼很熱門，但為什么我在這個(gè)事情上應(yīng)用的效果會(huì)很差？”有的學(xué)生以前可能學(xué)了二十多種編碼方法，覺得哪種方法好用，就把這種方法用到所有的場(chǎng)景，結(jié)果發(fā)現(xiàn)方法經(jīng)?！笆ъ`”。
那么，怎樣通過教學(xué)讓學(xué)生明白知識(shí)之間的聯(lián)系呢？他的做法是：盡量避免像以前那樣一步一步地講具體的計(jì)算或證明，而是把思路講清、把思想講透，讓學(xué)生自己編程解決問題，至于用什么編程語言、怎么解決問題，他從來不做限制，學(xué)生完全可以別出心裁、天馬行空。
比如，講壓縮問題時(shí)，他會(huì)先給出詳細(xì)的數(shù)學(xué)證明，并把方法講明白。此后遇到類似的證明，他都一筆帶過，讓學(xué)生舉一反三。不過，他會(huì)提醒一下學(xué)生，類似的問題可能需要注意微小的差別。
陳偉建在課前就把PPT完整地共享給學(xué)生。學(xué)生在課前和課后都自己看、自己學(xué)，然后在群里交流討論，他則在群里“潛水”，觀察學(xué)生關(guān)心的問題和反饋的難點(diǎn)，可以基本了解學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的情況，并針對(duì)難點(diǎn)問題在群里或課堂上適時(shí)點(diǎn)撥指導(dǎo)。
再如，在講編碼時(shí)，對(duì)于簡(jiǎn)單的、入門級(jí)的編碼，他作為重點(diǎn)，從頭到尾地講，讓學(xué)生清楚明白，而對(duì)于復(fù)雜的編碼，則只講一個(gè)框架，以及在每個(gè)框架的每個(gè)版塊可能要用到哪些關(guān)鍵技術(shù)，相當(dāng)于為學(xué)生提供一幅自己探索的“知識(shí)地圖”。
之所以挑重點(diǎn)講，主要有兩點(diǎn)考慮：其一是，要讓學(xué)生自己學(xué)起來、研起來；其二是比較現(xiàn)實(shí)的原因——課時(shí)的限制。比如，要講LDPC碼這種具有稀疏校驗(yàn)矩陣的分組糾錯(cuò)碼，若要詳細(xì)講，用20-30個(gè)學(xué)時(shí)都不夠。但是，陳偉建只需要講清楚這種編碼的“降維計(jì)算”思想和原理，然后把思考的空間留給學(xué)生，讓學(xué)生自己來做述評(píng)。所謂“述評(píng)”，就是“綜述+評(píng)價(jià)”，它不是一個(gè)具體的作業(yè)，而是讓學(xué)生自己查閱資料。這樣做過一次，學(xué)生對(duì)LDPC編碼的理解就更加深刻了。
與教學(xué)方法的改革相適應(yīng)，陳偉建在考評(píng)體系上也做了較大改變。以前，他會(huì)布置一些維度較低的計(jì)算題，讓學(xué)生手算就能搞定；現(xiàn)在，有了計(jì)算機(jī)編程，他會(huì)出“視頻編碼”等貼近實(shí)際且維度更多的題目，讓學(xué)生做綜述和研究。
期末考試雖然是開卷，但難度很大，題量也很大。學(xué)生一直反映開卷考試很難，但卷面成績(jī)都在75分以上。在評(píng)分時(shí)，陳偉建十分注重學(xué)生在編碼中的基本思想，而不太“摳”證明的細(xì)節(jié)。
立德樹人：激發(fā)學(xué)生愛國(guó)奉獻(xiàn)的內(nèi)生動(dòng)力
陳偉建的課堂不僅自主性很大，而且趣味性很高。他曾說：“如果一個(gè)老師能夠得到學(xué)生喜歡，肯定會(huì)非常自豪、特別高興，就像他的孩子跟他非常親近一樣高興?！彼虝嗄?，1988年剛進(jìn)成電不久就獲得了“教書育人獎(jiǎng)”。他說：“我很高興不僅教了書，還育了人?！?/span>
他一直把自己和學(xué)生放在平等的位置，以朋友的身份和同學(xué)溝通。在學(xué)生心目中，“陳老師上課循循善誘，上他的課一點(diǎn)都不吃力。他從來不會(huì)直接把結(jié)果告訴學(xué)生，而是拋出問題并教會(huì)大家解決問題、得出結(jié)果。”
“學(xué)生的思維很特別，總會(huì)提出我從來沒注意到的問題?！痹凇缎畔⒄摗返恼n堂上，有一次他像往常一樣講授教材上的一種算法，課下一位同學(xué)找他“切磋”，試圖用一個(gè)反例推翻他講的內(nèi)容，讓他感到耳目一新。他對(duì)學(xué)生“無知無畏”的質(zhì)疑精神十分欣慰，他說：“學(xué)生的思維總是很活躍，這是創(chuàng)新的重要一步?！?/span>
他還經(jīng)常培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的情懷，而興趣和情懷正是激發(fā)學(xué)生努力鉆研的內(nèi)在精神動(dòng)力。他自小在部隊(duì)大院里長(zhǎng)大，很早就在心里種下了投身國(guó)防的種子。生活環(huán)境的特殊性也使他耳濡目染地了解了國(guó)家的國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)情況，并堅(jiān)定了他為國(guó)家盡一份力的決心。
正因如此，他考大學(xué)時(shí)選擇了打上五角星符號(hào)的國(guó)防專業(yè)，進(jìn)入了上海交通大學(xué)，希望畢業(yè)后能分配到部隊(duì)工作。大學(xué)期間，他僅用三年就修完了所有學(xué)分，比其他同學(xué)提早半年開始了畢業(yè)設(shè)計(jì)——中國(guó)第一枚有線制導(dǎo)魚雷的測(cè)試。
畢業(yè)后，他陰差陽錯(cuò)未能如愿進(jìn)入部隊(duì)，而是參與到某工程設(shè)計(jì)制造潛艇的工作中。一年多以后，由于國(guó)家軍費(fèi)短缺，工廠停了工，但他的家國(guó)情懷并未動(dòng)搖，選擇回爐深造，去重慶大學(xué)攻讀碩士。
1988年來成電任教后，他把一腔情懷傾注到了三尺講臺(tái)，立德樹人培養(yǎng)時(shí)代新人。1988年至1994年，陳偉建在學(xué)校無線電技術(shù)系從事教學(xué)、科研工作。1994年至2002年，他先后在產(chǎn)業(yè)處和附屬工廠任副處長(zhǎng)、廠長(zhǎng)兼總工程師，從事實(shí)踐教學(xué)、開發(fā)設(shè)計(jì)和管理工作。從2002年起，他在信息與通信工程學(xué)院一心從事教學(xué)、科研工作至今。
多年探索，不斷改革，課堂教學(xué)效果得到了學(xué)生的充分認(rèn)可。信息與通信工程學(xué)院2019級(jí)研究生劉婧琪表示：“陳老師風(fēng)趣幽默、思路清晰的講解，幫助我進(jìn)一步完善了知識(shí)體系，對(duì)一些原理不僅可以知其然，還能知其所以然，這對(duì)我以后從事科研工作帶來了很大的啟發(fā)?！?/span>
