探究計算機中數據表示

田凌

摘要：在我國中高考新一輪改革的背景下，項目式學習作為一種創新的教學模式，重新被關注和應用。本文應用項目式教學理念，對上教版“認識數據編碼”單元設計了2課時的項目教學案例，讓學生在項目活動中積極主動建構知識，提高問題解決和協作交流能力。

關鍵詞：認識數據編碼;項目式教學;信息技術

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）18-0017-03

《探究計算機中數據表示》是上教版第一章節《數據與信息》中第二單元的內容，它是在學生了解數據與信息的相互關系后，進一步探索數據在計算機中的編碼方式，為下一節的《數據處理與運用》打下基礎。本節的學業目標是：能夠描述編碼的意義和作用，了解數值數據和文本數據的編碼方法，了解聲音和圖像數字化的基本方法。對高一學生而言，初中時雖然已經學過數值型數據的二進制編碼方式，但對如何實現二進制和十進制的轉換，以及原碼、補碼和反碼的知識大多沒有接觸到。有部分學生學習過聲音和圖片的簡單處理技術，但對其編碼方法沒有了解過。所以，這一章節教學的重點是讓學生了解二進制和十進制間的轉換方法，知道原碼、補碼和反碼的由來和意義;教學難點是了解聲音、圖片的數字化過程。這一章節的內容相對枯燥，有許多概念如量化、采樣相對較難理解，如果采用傳統的教師先講學生再做的任務式教學，很難激發學生的學習興趣。因而，本節采用項目教學方式，把知識點融入到項目活動中，通過項目任務來牽引學生的學習，讓學生在學習與研究實踐中自主地、主動地認知和學習教學內容，并運用已有的知識和掌握的新知識，完成任務，培養解決問題的能力。

● 項目背景

某校正籌備評選“學校之星”的活動，選出優秀的學生榜樣。學校要求各班推薦兩名優秀學生，為了向全校學生及時展示參選學生的風采，學校開發了一個微信小程序，需要把參選學生的相關信息存入小程序里。這些信息類型各種各樣，每個小組的任務就是將這些信息數字化后存入計算機進行處理。由于計算機采用二進制來存儲和表示數據，因此數字化的過程就是將這些數據進行二進制編碼，而且數據類型不同，編碼的方式也不同。為了完成此項目，學生應該先給每位參選學生設置一個編號，便于系統區分，學生能從中了解編碼的意義和作用;接著學生參與“解密”活動，直觀感受文本符號的編碼方法，進而擴展到中文字符等相關知識點;最后，學生通過錄音和照片的處理，初步了解聲音、圖片數據的編碼方式。本教學項目計劃用2課時來完成。

● 項目具體過程

第一個課時，主要通過兩個活動，讓學生了解數值型數據和文本型數據的基本編碼方法。

活動一是讓學生以小組為單位分析本校學籍號編碼規則，了解編碼的功能和意義，而后為參選“學校之星”的學生設計一套編號規則。該校有高一、高二、高三共三個年級，每個年級15個班，每個班推薦1～2名學生，保證每個參選學生擁有唯一的編號，并能體現所在班級和性別。在班級內的編碼規則分享環節，教師要注重從編碼的唯一性和修改編碼的規則方面引導學生分析對比規則的合理性。有了活動一中對生活中編碼的分析，學生能初步體會數據編碼的意義。

在活動二中，基于學生已有的二進制代碼的學習基礎，設置了一個“解密”活動。學校德育處根據評選要求，對每位參選“學校之星”的學生計算出一個分數，這個分數會和之后的網絡投票結果根據不同的權重折算并合在一塊，即為學生的最后得分。最后根據分數，由高到低評選出十名“學校之星”。為了評選結果的保密性，學校對評分結果進行了加密，請各小組拿到結果后解密，以便進行最后的統計工作。在完成項目時，教師要給學生提供豐富的學習資源包，不僅包含ASCII碼表、中文字符的處理方法，還應附上各種數據編碼方法，以方便學生探究使用。由于中文編碼較多，可只提供與課堂相關的部分編碼內容，以提高解密效率。在展示環節，除了讓學生交流完成活動時遇到的問題，還要適當引導他們發現新的問題，如帶小數點數字的編碼，中文漢字為何要占用兩個字節，為什么字符有這么多不同的編碼方式等，將知識點融入到學生的探究中，能激發學生自主探究的動力。

第二個課時，計劃用兩個活動讓學生體會聲音和圖片數據的基本編碼方式。

在活動三里，按照學校要求，每位參選學生要錄一段一分鐘以內的音頻作為參賽宣言?？墒鞘占囊纛l質量參差不齊，有的噪音很大，有的聲音模糊，有的文件很大不利于網上傳播，除去錄音設備和環境因素，請學生探究哪些參數會對音頻文件大小與音質產生影響?；顒娱_始，學生選擇一種音頻編輯軟件，如GoldWave或Cool Edit Pro軟件，新建一個WAV文件，設置采樣頻率為44.1kHz，量化位數為32位，聲道數為2（立體聲），錄制一段聲音，并將其保存為“錄音1.WAV”。保持其他參數不變，修改采樣頻率為11.025kHz，并將文件另存為“錄音2.WAV”。比較兩個文件的大小及音質，將結果填入表1中，并分析原因。模仿上述做法，分別探究量化位數和聲道數對音頻文件大小及音質的影響。

通過表1能發現采樣頻率、量化位數對聲音質量和大小的影響。但怎樣了解采樣頻率和量化兩個概念這個難點呢？為此，教師給每個小組一張聲音波形圖，讓學生在上面自己畫采樣點，然后根據量化位數，標出刻度線，將采樣點按近似的方式標記到幅度極數上，最后選取其中幾個點轉化為4位二進制數。經過這些步驟，學生能將采樣和量化兩個概念直觀展示出來，更易理解。這個活動后，學生可以把這些影響音頻質量的因素告知參選學生，讓他們重新錄制音質更好的參賽宣言。

活動四里，學校要求參加“學校之星”評選的學生上傳照片，可收集的照片大小和質量大有區別，排除攝影技術和環境因素，請分析哪些參數會影響圖像的大小和質量。小組成員利用收集的校園圖片，選擇Photoshop軟件，將這些圖像文件統一處理為相同分辨率和顏色深度的BMP文件，然后改變其圖像分辨率和顏色深度，觀察其對圖像呈現效果和文件大小的影響，并記錄到如上頁表2中。再對比轉化前的JPG和轉換后的BMP圖片大小，分析圖片文件格式對圖像文件大小的影響。通過記錄，學生能直觀感受到這些因素對圖像大小和質量的影響，再結合學案給出的圖像數字化過程，分辨率、顏色深度等復雜概念變得直觀、生動，更易被理解。

● 項目教學反思

學生經過這樣完整的項目設計，從活動中發現問題，再結合知識鏈接，主動探究解決問題的方法。在這四個活動中，還可根據學生的層次進行一些擴展任務設置?；顒佣?，如果有的小組快速完成了解密活動，就可以利用網上的“在線轉換工具”，了解幾種不同的編碼規則;活動三中，若有小組率先完成聲音數字化過程的繪圖步驟后，可在網上探究“計算機是如何把數字化后的聲音和圖像再輸出的”。用這些方式可以滿足不同層次的學生發展需要。

同時，在項目開展的過程中，教師要密切關注學生完成活動過程中的學習情況，掌握學生自主學習的進度，發現學生探究過程中存在的問題，了解學生協作學習情況并能及時給予指導，只有這樣，才能提高學生項目完成效率，激發學生探究的熱情。

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