《圖像數(shù)據(jù)》教學(xué)案例

高燁

教材分析

本節(jié)課為浙江教育出版社出版的中學(xué)信息技術(shù)七年級(jí)下冊(cè)第一單元《多媒體世界》第四課。本單元是在認(rèn)識(shí)多媒體數(shù)據(jù)，了解音頻、圖像和視頻的數(shù)字化過(guò)程及其編碼與壓縮后，學(xué)習(xí)使用相關(guān)軟件對(duì)多媒體素材進(jìn)行處理，為制作多媒體主題作品積累知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。本課涉及圖像數(shù)字化的過(guò)程、編碼與壓縮和圖像數(shù)據(jù)量的計(jì)算等內(nèi)容，既是對(duì)前面多媒體數(shù)字化的拓展延伸，也為后續(xù)學(xué)習(xí)圖像素材的處理奠定基礎(chǔ)。

學(xué)情分析

本課的教學(xué)對(duì)象為杭州江南實(shí)驗(yàn)學(xué)校709班的學(xué)生。通過(guò)與任課教師的溝通交流、瀏覽學(xué)生的課堂作業(yè)，筆者了解到，本班學(xué)生在之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了多媒體數(shù)字化過(guò)程以及多媒體數(shù)據(jù)的編碼與壓縮，在日常學(xué)習(xí)生活中對(duì)圖像的應(yīng)用很熟悉，但對(duì)圖像數(shù)字化、圖像的采樣與量化以及圖像的編碼與壓縮等內(nèi)容還不太了解，因此，可以從應(yīng)用實(shí)例出發(fā)，采用逐步引導(dǎo)的策略，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生合作探究，把學(xué)生對(duì)圖像的感性認(rèn)識(shí)提升到理性認(rèn)識(shí)。通過(guò)與學(xué)生面對(duì)面的交流，筆者發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)本課內(nèi)容具有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，探究能力強(qiáng)，喜歡合作交流，因此，可以采取小組合作的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生在合作探究中進(jìn)一步提升信息意識(shí)、計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等學(xué)科核心素養(yǎng)。

教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)了解圖像數(shù)字化的過(guò)程，理解圖像的采樣與量化;通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)、小組討論，了解圖像分辨率、像素深度對(duì)圖像質(zhì)量、圖像大小的影響，并學(xué)會(huì)計(jì)算圖像數(shù)據(jù)量;了解圖像編碼與壓縮，認(rèn)識(shí)各類圖像文件格式;能夠根據(jù)實(shí)際需要，選取合適的圖像數(shù)據(jù)。

教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：圖像數(shù)字化、圖像分辨率、圖像數(shù)據(jù)量的計(jì)算。

難點(diǎn)：圖像數(shù)字化、圖像數(shù)據(jù)編碼與壓縮。

教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)情境，引入新知

（1）創(chuàng)設(shè)情境，思考問(wèn)題

師：說(shuō)到圖像，我們都知道它是一種非常形象生動(dòng)的多媒體素材類型，可以增強(qiáng)多媒體作品的可讀性?，F(xiàn)在有一位同學(xué)在制作一份校園影集，他需要從以下幾張圖像中選擇一張作為配圖，如果是你，你會(huì)選擇哪一張？（展示待選圖片，如圖1）

生：選擇圖B。

（2）反饋交流，逐步引導(dǎo)

師：為什么選擇圖B？和圖A相比，圖B有什么優(yōu)勢(shì)？（生：顏色更逼真）和圖C相比，圖B有什么優(yōu)勢(shì)？（生：看起來(lái)更清晰）

（3）歸納梳理，引入新知

師：（在Photoshop中打開(kāi)圖B、圖C）我們將圖B放大幾倍，發(fā)現(xiàn)還是比較清晰的，但如果把圖C放大幾倍，很快就變成了若干個(gè)網(wǎng)格，你們認(rèn)為這一個(gè)個(gè)網(wǎng)格是什么？

生：馬賽克。

師：沒(méi)錯(cuò)，這是馬賽克的效果，但是在信息技術(shù)領(lǐng)域中，我們稱之為像素點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)格就是一個(gè)像素點(diǎn)。那像素點(diǎn)是怎么形成的呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們得先知道圖像是如何從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的。

設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的“為校園影集選取合適的圖像素材”這一應(yīng)用實(shí)例出發(fā)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，自然地引入課題。

2.任務(wù)驅(qū)動(dòng)，合作探究

（1）案例出發(fā)，了解“采樣量化”

教師以圖A、圖B、圖C為例，結(jié)合自制的微課，介紹圖像的采樣與量化，以及像素點(diǎn)、圖像分辨率、像素深度的概念。

師：通過(guò)對(duì)比圖A、圖B、圖C，大家覺(jué)得圖像質(zhì)量的影響因素有哪些呢？

生：圖像分辨率、像素深度。

師：是的，圖像分辨率和像素深度都會(huì)影響到圖像的質(zhì)量，其中，圖像分辨率的表達(dá)方式為水平像素?cái)?shù)×垂直像素?cái)?shù)，而像素深度可以用量化位數(shù)來(lái)表示（如圖2）。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生根據(jù)圖像數(shù)字化的圖示過(guò)程，直觀地了解圖像的采樣與量化，并在理解像素點(diǎn)、圖像分辨率、像素深度等基本概念后，再觀察對(duì)比同場(chǎng)景下不同圖像的具體參數(shù)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要，結(jié)合圖像分辨率、像素深度這兩個(gè)圖像屬性，選取合適的圖像素材。

（2）小組合作，共探“圖像存儲(chǔ)”

師：同學(xué)們，你們知道剛才這幾張圖像在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)大小分別是多少嗎？（通過(guò)“屬性”查看圖像大?。┠銈儾虏驴矗瑘D像的大小還和哪些因素有關(guān)？（學(xué)生猜想影響因素）究竟是不是這樣呢？接下來(lái)，請(qǐng)以小組為單位，進(jìn)行“圖像存儲(chǔ)”的探究實(shí)驗(yàn)，找出圖像存儲(chǔ)大小的影響因素（如圖3）。

學(xué)生通過(guò)“屬性”查看四張圖像的大小，完善任務(wù)單上的表格，并利用控制變量法探究圖像存儲(chǔ)大小的影響因素。

師：在進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)后，大家得出了哪些結(jié)論？

生：我們小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是圖像分辨率、像素深度都會(huì)影響到圖像存儲(chǔ)大小。

師：請(qǐng)具體說(shuō)一說(shuō)你們是怎么得出這個(gè)結(jié)論的。

生：通過(guò)對(duì)比圖A和圖B，可以發(fā)現(xiàn)在圖像分辨率、像素深度都相同的情況下，圖像存儲(chǔ)大小也相同;對(duì)比圖B和圖C，可以發(fā)現(xiàn)在像素深度相同的情況下，圖像分辨率越大則文件越大，說(shuō)明圖像分辨率會(huì)影響到圖像的存儲(chǔ)大小;對(duì)比圖C和圖D，可以發(fā)現(xiàn)在圖像分辨率相同的情況下，像素深度越大則文件越大，說(shuō)明像素深度會(huì)影響到圖像的存儲(chǔ)大小。綜上所述，圖像存儲(chǔ)大小的影響因素有兩個(gè)，分別是圖像分辨率和像素深度。

師：你們的實(shí)驗(yàn)非?？茖W(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，很好地利用了控制變量法，找出了圖像存儲(chǔ)大小的影響因素，即圖像分辨率和像素深度。請(qǐng)同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，想一想，如果我們用畫(huà)圖軟件在圖C上畫(huà)一些小星星作為點(diǎn)綴，它的圖像大小會(huì)不會(huì)發(fā)生改變呢？

生：不會(huì)。

師：這是為什么？

生：因?yàn)閳D像分辨率和像素深度不變，所以圖像大小也不變。

師：我們來(lái)驗(yàn)證一下，看看圖像大小變不變。（用畫(huà)圖軟件編輯圖C，另存為BMP格式，再通過(guò)“屬性”查看圖像大小）

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生利用控制變量法進(jìn)行科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄繉?shí)驗(yàn)，探索出圖像存儲(chǔ)大小的影響因素，即圖像分辨率和像素深度，并能學(xué)以致用，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論解答“在圖像上添加一些新的元素是否會(huì)改變圖像大小”等常見(jiàn)問(wèn)題。

（3）掌握公式，計(jì)算圖像數(shù)據(jù)量

師：大家有沒(méi)有想過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題——計(jì)算機(jī)是如何計(jì)算圖像大小的？通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)找出了圖像存儲(chǔ)大小的兩個(gè)影響因素，那么大家覺(jué)得圖像大小的計(jì)算公式會(huì)和哪些因素有關(guān)？

生：圖像分辨率、像素深度。

師：大家可以試著推導(dǎo)出計(jì)算公式嗎？（學(xué)生試著推導(dǎo)公式）

教師展示正確的計(jì)算公式（圖像數(shù)據(jù)量（B）=圖像分辨率×顏色深度÷8）。

師：有沒(méi)有同學(xué)知道，公式中為什么要除以8？

生：進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化。

師：沒(méi)錯(cuò)，所有信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)部都是以二進(jìn)制編碼的形式存儲(chǔ)的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最小單位是比特（bit），如果只是圖像分辨率×顏色深度，計(jì)算得到的就是以比特（bit）為單位的數(shù)據(jù)量。但是在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本單位并不是比特（bit），而是字節(jié)（B），根據(jù)單位的換算關(guān)系，除以8之后得到的才是以字節(jié)（B）為單位的數(shù)據(jù)量。我們先來(lái)看一道例題，看看應(yīng)該如何計(jì)算，之后，我們?cè)偻ㄟ^(guò)三道練習(xí)題來(lái)實(shí)戰(zhàn)一下（教師出示例題及練習(xí)題）。

學(xué)生嘗試用公式計(jì)算圖像數(shù)據(jù)量。

教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)計(jì)算圖像數(shù)據(jù)量的注意事項(xiàng)：①只有未經(jīng)壓縮的圖像文件才可以用公式估算數(shù)據(jù)量，壓縮過(guò)的圖像數(shù)據(jù)參數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，不能用圖像文件數(shù)據(jù)量的公式進(jìn)行估算;②如果題目沒(méi)有直接給出關(guān)鍵信息，可以試著從已知條件中挖掘隱藏信息，如從已知條件“256色”可以得知像素深度為8位。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)量的計(jì)算公式，通過(guò)例題加深學(xué)生對(duì)公式的理解，再用三個(gè)變式練習(xí)檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)公式的掌握程度，最后通過(guò)點(diǎn)評(píng)和總結(jié)讓學(xué)生意識(shí)到“壓縮過(guò)的圖像數(shù)據(jù)不能用公式進(jìn)行計(jì)算”以及“可以從已知條件中挖掘隱藏信息”。

（4）格式轉(zhuǎn)換，了解“編碼壓縮”

師：在日常生活中，我們不僅會(huì)關(guān)注圖像的大小，有時(shí)候還會(huì)關(guān)注圖像的格式。例如，有一位同學(xué)要在校園影集征集平臺(tái)上傳自己的作品封面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)GIF格式不符合上傳要求，請(qǐng)你將其轉(zhuǎn)換為其他格式，并觀察不同格式的大小。

生：用畫(huà)圖軟件將GIF圖像轉(zhuǎn)換為其他格式，并通過(guò)“屬性”查看圖像大小。

師：轉(zhuǎn)換為不同格式后，大家觀察一下，這些圖像的大小是否相同？（學(xué)生回答）大家是不是覺(jué)得很奇怪，為什么在圖像分辨率和像素深度相同的情況下，不同格式的圖像大小會(huì)不一樣呢？其實(shí)，在對(duì)圖像進(jìn)行采樣、量化之后，還要進(jìn)行編碼，所謂編碼，就是將量化后的圖像數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則進(jìn)行編碼，根據(jù)不同的編碼方式分為不同的圖像文件類型。（教師介紹不同圖像文件類型的特點(diǎn)）

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生從生活中的實(shí)際需求“圖像格式轉(zhuǎn)換”出發(fā)，了解圖像的編碼與壓縮，并認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的幾種圖像文件類型，為下一節(jié)課使用專業(yè)圖像處理軟件創(chuàng)作作品做好鋪墊。

3.課堂小結(jié)，鞏固提升（略）

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合板書(shū)和思維導(dǎo)圖，及時(shí)梳理相關(guān)知識(shí)技能，既可鞏固所學(xué)，加深學(xué)生對(duì)圖像數(shù)字化的認(rèn)識(shí)，又可觸類旁通，讓學(xué)生意識(shí)到所有多媒體數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)數(shù)字化，才能被計(jì)算機(jī)處理、存儲(chǔ)以及應(yīng)用。

教學(xué)反思

對(duì)于圖像這一多媒體素材，學(xué)生在日常生活中經(jīng)常會(huì)采集圖像、放大查看圖像細(xì)節(jié)以及根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的圖像素材等，但是對(duì)圖像的數(shù)字化、圖像質(zhì)量的影響因素、圖像大小的影響因素、圖像文件類型不太了解，所以整個(gè)教學(xué)過(guò)程以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生在真實(shí)情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在合作探究中解決問(wèn)題，從而在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中構(gòu)建知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等學(xué)科核心素養(yǎng)。本節(jié)課的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾個(gè)：①以“某同學(xué)在制作校園影集時(shí)需要選取一張合適的圖像素材”這一實(shí)際問(wèn)題創(chuàng)建真實(shí)情境，并引導(dǎo)學(xué)生在理解像素點(diǎn)、圖像分辨率、像素深度等基本概念后，比較同場(chǎng)景不同圖像的圖像屬性，讓學(xué)生探究出圖像質(zhì)量的影響因素，然后以此為依據(jù)，找出高質(zhì)量的、合適的圖像素材，用于制作校園影集，感悟多媒體技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用價(jià)值。②考慮到在沒(méi)有實(shí)際體驗(yàn)的情況下，學(xué)生難以理解圖像大小的影響因素，因此，筆者在教學(xué)過(guò)程中引入了一項(xiàng)探究實(shí)驗(yàn)，提供給學(xué)生四張不同的圖像，讓學(xué)生以字節(jié)為單位，記錄圖像的大小，然后觀察對(duì)比這四張圖像的圖像屬性（圖像分辨率、像素深度）和大小，并提醒學(xué)生在展開(kāi)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中做到“控制變量”，從而引導(dǎo)學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)中找出圖像大小的影響因素。③在學(xué)生學(xué)習(xí)了圖像數(shù)字化的過(guò)程后，引導(dǎo)他們回顧以往所學(xué)的知識(shí)，舉一反三，使學(xué)生將圖像數(shù)字化遷移到其他多媒體素材的數(shù)字化中，幫助學(xué)生在原有的知識(shí)基礎(chǔ)上構(gòu)建新的知識(shí)體系，從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移和知識(shí)構(gòu)建。