指向計算思維培養的信息科技實驗教學
——以初中《信息編碼與二進制》為例

師文浩 王睿嫻 王立生 東北師范大學盤龍實驗學校

●設計原則

指向計算思維培養的信息科技實驗教學，要從學生的生活場景入手，創設真實問題，引導學生思考問題解決方案，并對問題進行抽象。實驗過程應一步一步展開，體現任務的分解。實驗結果應指向科學原理的解釋，通過實驗幫助學生感受原理、理解原理。實驗內容的組織要考慮多種場景，引導學生進行歸納和比較，從而幫助學生實現遷移。教師的指導要有針對性，對于學生不易理解的實驗現象，要及時給予解釋說明，幫助學生透過現象看本質。

●內容梳理與學情分析

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》第四學段（7～9年級）的學習內容由互聯網、物聯網和人工智能等相關內容構成。此學段的計算思維培養目標之一是“知道網絡中的信息編碼、傳輸和呈現的原理”。

在第二學段（3～4年級）考慮到學生的思維發展和知識儲備情況，并未涉及“信息編碼和處理”的學習，而是讓學生直觀感受生活中的編碼應用。學生在學習第四學段的“編碼與二進制”的相關內容時，要進一步理解編碼對信息系統的意義，要了解信息系統如何對不同類型的內容進行編碼和處理。

在初中階段，學生的抽象邏輯思維開始占優勢，但是還需要感性經驗思維的支持。因此，信息科技實驗教學設計要多以實際操作中的直觀體驗為主，盡量以“看得見、摸得著”的案例為抓手，引導學生通過感受實驗過程來理解知識的本質。

●教學設計

1.創設情境，提出問題

“在一個漆黑的夜晚，你的爸爸媽媽督促你趕快睡覺，但是你卻想跟你的好友暢談。你沒有電話（即使有也會被父母聽到），你家的計算機也不在你的房間。好在你的好友和你住在一個小區，并且就在你家對面那棟樓。你可以怎么辦？”這是美國知名技術作家Charles Petzold所著的經典科普書籍《編碼》中給出的第一個情境。在教學設計中，筆者利用此情境激發學生的好奇心，引導他們進行思考。

學生經過思考和討論，給出的答案主要分為兩類：聲音傳播和光線傳播。教師引導學生理解信息傳播可以通過不同載體實現，除了聲音和光線，還可以通過氣味等來傳遞。同時，學生提出可以使用摩斯電碼來傳遞信息（這正是《編碼》里給出的答案），并采用手電筒來發送摩斯電碼。

2.實驗探究：肢體語言與文字編碼

首先，教師準備一張“左右手電碼操”的指示說明，請一位學生上臺，兩手分別握住一個電筒，根據指示做操，“左”即舉起左手，“右”即舉起右手。其他學生在下面觀察并記錄舉手的情況，抬起左手就記錄下“左”，抬起右手就記錄下“右”。這一步模擬的是在夜晚通過抬手動作傳遞信息的過程。

教師提出，由于記錄“左”“右”的時候寫字比較費時，可以做一個簡化，將“左”記錄為“0”，將“右”記錄為“1”，由此引出二進制數的表示方法，并對二進制和十六進制進行講解，講解內容包括“什么是二進制和十六進制”“二進制、十六進制和十進制之間如何轉換”等。需要注意的是，初中階段不要求學生掌握復雜的數制轉換，而要了解原理。學生在教師的指導下，將記錄的“二進制左右手操”轉換為十六進制，如圖1所示。

圖1

學生對通過動作傳遞的“密碼”4F60597DFF0C540C5B66進行“解密”。首先，將“密碼”寫到一個Word文檔里，從左至右選中四個字符，接著，按下“Alt＋X”。用同樣的方法操作接下來的四個字符，在依次完成后，文檔上出現了“你好，同學”（“解密”完成）。“密碼”4F60597DFF0C540C5B66實際上是“你好，同學”這些字符的Unicode編碼。教師進一步講解Unicode編碼的具體表示方法，并通過Word中的字符編碼表來進行探究（如圖2）。

圖2

3.階段小結，梳理編碼過程

第一個實驗主要是為了讓學生體驗數據編碼的過程，學生初步感受到了編碼的意義和過程，但是還需要進行梳理。教師講解：“剛才的步驟實際上就是編碼的過程。一位同學通過他的左右手動作傳遞了信息，接收人用‘0’和‘1’（也就是二進制數）對動作進行了編碼，然后將它轉換為十六進制數，接著進行Unicode編碼，得到了最終的內容‘你好，同學’。由此可見，編碼其實是把信息從一種形式轉變為另一種形式的過程，轉變的目的是統一格式，方便傳播和處理。”

4.實驗探究：圖像的編碼

在計算機中，所有的內容都是用二進制數0和1表示的，下面通過一個實驗來說明。

準備兩張位圖圖片，其中pic1.bmp是一張隨機圖片（如圖3）；pic2.bmp是專門繪制的圖片（如圖4），由紅、黃、藍、綠四種顏色構成，分別占據圖片的四分之一。兩張圖片均設置大小為50*30像素。準備三款軟件，一款用于圖像編輯（以Windows自帶的畫圖工具為例），一款用于查看文件的二進制內容（以BinaryViewer為例），一款與圖像不相關（以GoldWave為例）。

圖3

圖4

學生通過拖拽的方式分別用三款軟件打開圖片：將圖片拖拽至畫圖工具，打開圖片并可以進行編輯；將圖片拖拽至GoldWave，無法打開圖片，顯示“格式無法識別”；將圖片拖拽至BinaryViewer，即顯示圖片的二進制內容。

同桌兩人一組，一人利用BinaryViewer打開pic1.bmp，另一人利用BinaryViewer打開pic2.bmp（如下頁圖5），兩人對打開的圖片進行對比，發現兩張圖片用BinaryViewer打開后，顯示的都是十六進制內容，進一步觀察發現，兩張圖片前面部分是相同的（文件一般都采用“文件頭＋文件內容”的結構。兩張圖片前面相同的部分就是“文件頭”，用于描述文件的基本信息）。

圖5

學生利用BinaryViewer打開pic2.bmp，觀察后面的“文件內容”部分發現，“文件內容”是“E8A200”“4CB122”“241CED”“00F2FF”這幾個十六進制數的循環。教師指導學生將“E8A200”轉換為三個十進制數（可以通過計算器實現），得到“232，162，0”，打開畫圖中的調色板，將三個數分別輸入到“藍、綠、紅”的位置，得到的顏色就是圖片左下角的藍色。用同樣的方法可以得到綠色、紅色和黃色（對應圖片中的四種顏色）。

教師引導學生觀察四組十六進制數的出現頻率，發現“E8A200”循環出現25次，接著“4CB122”循環出現25次，兩組數交替出現，經過15次以后，才出現“241CED”和“00F2FF”，出現的規律與前兩組一致。教師講解：“圖片文件是由像素點構成的，實驗的圖片由30行每行50個像素點構成。bmp圖片的內容是每個像素點上的顏色值從下到上、從左到右排列存儲的，可以通過示意圖進行理解（如圖6）。”

圖6

5.總結升華

學生經過文字編碼和圖片編碼實驗，已經能夠理解計算機利用二進制數表示信息的方法。在總結升華階段，教師可以引導學生思考兩個問題。問題1：在信息科技的發展過程中，為什么選擇用二進制數來表示信息？問題2：計算機真的認識“0”和“1”嗎？

問題1需要回答“二進制數進行信息編碼的可行性和優越性”。①可行性方面：只需要有兩種狀態，就可以表示現實世界中的所有概念，因此，采用二進制數編碼信息是可行的。②優越性方面：編碼的目的是統一格式和方便處理，任意兩種獨立的狀態都可以表示二進制，因此容易實現。

問題2的答案是否定的，計算機中各個部件采用不同的方法來表示二進制，CPU采用“高”“低”電位來表示二進制，硬盤采用“正”“負”磁極來表示二進制，光纖采用“強”“弱”光來表示二進制等。這些不同的方法最后統一起來，就描述為“0”和“1”。

通過實驗和探究，學生從原理和現象上了解了計算機信息編碼的方法和過程，促進了計算思維的培養。