聚焦計算思維，探索數據編碼
——《數據編碼》教學案例

張建鵬 吉林省長春市第二實驗中學

● 學科核心素養

信息意識：培養信息數字化的敏感性，建立利用計算機處理問題的意識，分享解決問題的方法。

計算思維：分析問題，把問題抽象為二進制編碼，通過對二進制的數位分析，形成解決問題的模型，編寫程序，實現計算機可處理的問題。

數字化學習與創新：感受社會的數字化特征，體驗問題數字化的處理過程，體會數字化處理的意義。

信息社會責任：理解信息社會中二進制編碼的重要意義，提升信息社會的參與意識和能力。

● 課程標準要求

（1）通過分析解決實例問題，形成分析、解決問題的一般方法，培養計算思維，提高運用信息科技解決問題的能力。

（2）通過教學活動培養實踐探究精神，體驗問題數字化的處理過程，激發情感，感受信息時代的特點，形成問題數字化處理的意識，培養創新思維。

● 教材分析

本節課內容出自廣東教育出版社出版的《信息技術必修1 數據與計算》第一章第二節，旨在讓學生了解信息的二進制編碼的作用和意義，理解計算機處理信息的數字化過程，加深對計算機機器語言的認識，進而探究文字的編碼方式和不同字符集的差異，為下一步學習圖像、聲音的編碼奠定基礎。

● 學情分析

數據編碼是計算機處理的關鍵，信息的二進制編碼對于計算機處理和存儲信息有著重要的意義。在學生學習了數據及其特征和二進制、八進制、十六進制與十進制等概念及相關知識的基礎上，有必要讓學生了解計算機處理數據的編碼方式和過程，為學生利用計算機科學知識去處理實際問題建立基礎認識，幫助學生提升計算思維能力。

● 教學目標

（1）掌握二進制與十進制的轉換方法，理解二進制編碼的過程，掌握Python的調試過程。

（2）體驗數據二進制編碼的基本方法和過程，體會計算機處理問題的一般過程。

（3）激發對數據編碼的興趣，體驗問題抽象為符號的過程，感受計算機處理問題的自動化。

● 教學重難點

重點：把信息轉化為二進制編碼，認識文字編碼。

難點：理解計算機編碼的過程。

● 教學過程

1.導入

師：同學們有沒有乘坐高鐵的經歷？對我國的高鐵發展了解多少呢？下面我們觀看一下宣傳片《新時代的中國高鐵》。（學生觀看）高鐵的快速發展使我們出行更加便捷了，購票、驗票、車上訂餐、高鐵的運行等都離不開計算機對數據的處理，那你們知道各種信息和數據是怎么成為計算機可處理的數據的嗎？

設計意圖：通過我國高鐵的發展，感受祖國的日益昌盛，通過高鐵信息的智能化，感受信息社會的高速發展，為學習數據的二進制編碼做鋪墊。

2.探索新知

師：通過之前的學習，我們知道計算機可處理的數據只有0和1，現實世界中的各類信息需轉換為二進制才能被計算機處理，這樣就需要對信息進行二進制編碼，今天我們來共同探究一下信息的數據編碼。下面，先來解決一個問題。

問題一：一個探險小隊到沙漠探險，現在剩下六桶水和一桶透明的有毒液體，負責人員不小心把裝有有毒液體的桶和裝水的桶混到了一起，測試有毒液體的試紙只剩下三份，如何用這三份試紙測出哪桶是有毒液體呢？

任務一：小組活動，把信息轉化為二進制編碼方式（如表1），利用Python編寫程序處理這個問題，分享交流經驗。

表1

問題解決步驟：①把七只桶按1～7編號，把數字1～7轉換為二進制編碼；②取出三個容器編號A、B、C，二進制數位從右側起，分別把第三位是1的桶取出樣本放入A容器，第二位是1的桶取出樣本放入B容器，第一位是1的桶取出樣本放入C容器；③利用試紙A、B、C分別檢測A、B、C三個容器內的液體樣品，檢測出有毒的標記1，無毒的標記0；④把檢測結果按照從高位到低位的順序組合二進制編碼，就是有毒液體的桶的編碼。程序如右圖所示。

設計意圖：通過活動，讓學生參與合作探究學習，通過解決問題，體會把問題抽象為數字化的過程，理解計算機處理數據的編碼意義。讓學生體會計算機處理問題的自動化過程。

師：同學們通過二進制編碼的方式解決了問題一。計算機展示的豐富多彩的信息都是以二進制數據存儲和處理的，這就需要有更加復雜和統一的編碼，下面我們看一下文字的編碼。文字編碼是效率相對較低的編碼方式，有單字節碼和雙字節碼：①單字節碼，如ASCII碼；②雙字節碼，如國標碼（GBK）、統一碼（Unicode）。

（1）ASCII碼屬于單字節碼，包含33個標點符號、運算符號，10個阿拉伯數字，26個大寫字母，26個小寫字母和33個常用的不可見控制符。提供ASCII碼表。

任務二：利用Python的ord()和chr()輸出鍵盤上字符的十進制對應關系（如表2）。

表2

設計意圖：通過任務活動，觀察和思考基本字符的編碼方式，鍛煉學生獨立思考的能力，讓學生初步理解文字編碼的過程。

（2）漢字編碼：ASCII碼只包含英文、數字和一些控制符號，并不能表示漢字，能處理漢字的編碼有我國設計的簡體中文的GB（國標碼）和世界各國合作開發的Unicode（統一碼）。我們常用的漢字編碼GB2312是GB碼的一種，utf-8是Unicode的一種。

問題二：同學們是否遇到過打開文檔出現亂碼的現象呢？這是什么原因造成的？

任務三：利用Python交互式編程模式探究漢字的編碼。

①以字符串‘中文’為例，如表3所示。

表3

②對應編碼轉換文字，如表4所示。

表4

③互換編碼方式轉換對應編碼，這里直接轉換系統會提示錯誤，忽略錯誤直接轉換，如表5所示。

表5

師：不同的編碼方式去解釋對應的文字編碼，會出現文字對應錯誤的現象，這就是打開文檔出現亂碼的主要原因，解決方法就是安裝對應文件編碼的字符集。

設計意圖：讓學生看到編碼的不同表達方式，理解計算機抽象信息的形式，通過不同編碼的對比和亂碼原因的探索，加深學生對文字編碼的理解。

3.總結（略）

● 教學反思

1.突出問題設計，激發學生計算思維

筆者通過開篇幾個問題的設計，讓學生感受祖國的繁榮昌盛，體會計算機信息處理對信息社會的重要意義，同時思考計算機可處理信息的數字化問題，接著通過趣味問題的設計，把問題抽象為符號問題，再處理符號問題的數字化，體驗問題的解決過程。

2.突出任務活動，體驗利用計算思維處理問題的過程

讓學生理解二進制編碼是把信息轉化為計算機可處理數據的重要方式，筆者通過任務活動，調動學生思考問題、分析問題、解決問題，通過通用字符編碼的認識和漢字亂碼原因的探索，加深學生對數據編碼的認識和理解。

3.突出學生的主體地位，引導學生利用計算思維處理問題

在教學中，筆者適時介入引導，把控教學節奏，幫助學生突破問題的關鍵點，提升學生思考的深度和廣度，引導其從計算機的角度去思考問題處理的方式，進而鍛煉學生的計算思維能力。

點 評

自新課程實施以來，我們往往在信息科學原理與信息技術應用上分別下功夫，而兩者的結合卻不夠。本節課打破了知行分離的學習瓶頸，讓學生在對編碼的探索過程中感覺到編碼有用，且有大用處，并引導學生探索編碼的處理技術與構造過程。其中最明確的環節就是對有毒液體的辨別，首先是從算法意義上提出解決的辦法，然后是通過對桶號進行二進制編碼進行實驗分組，最后是進行編碼解決，這不僅體現了編碼，而且進行了計算解決問題的基本過程，真是一舉多得的教學設計。當然，這里面的算法難點是二進制編碼的分組實驗測試的“道理”，即按1分組有毒即桶號包含“1”，這一點成為算法的核心。由此，讓傳統的二進制編碼轉換難題成了次要難題，通過編程來進行轉換即可。接下來，再通過字符亂碼現象，在體驗中解釋漢字編碼的不同字符集，探討編碼的標準，就更自然，且具現實意義了。當然，前面檢測有毒液體的問題還要注意引導學生明確現實需要一定的綜合驗證和謹慎認定，單一依靠分組實驗可能影響對實驗的準確判斷。另外，本節課的引入在后面沒有呼應，這主要是由于其例對引入編碼的意義體現不夠，如果能從簡單的列車車次編碼引出，最后再提出購票訂單、座位動態管理等拓展思考，對引入稍作呼應，則會讓教學設計更加豐滿。