教学案例：必修1《数据与计算机》上海科学教学教育出版社
第一单元 项目二：探究计算机中的数据表示
------认识数据编码
实习教师：陈献镔 指导老师：周成
【教学目标】
1、了解数据编码的意义和作用，体会数据编码的基本思想与方法
2、经历数值数据编码的过程，掌握数值数据编码的基本方法
3、了解计算机处理文本数据的基本过程，知道常用的文本数据编码方式
4、经历声音数据数字化的过程，掌握声音数据数字化的基本方法，了解声音数字化的基本原理
5、经历图像数字化的过程，掌握图像数字化的基本方法，了解图像数字化的基本原理
【重点与难点】
教学重点：编码的意义与作用，数值、文本、声音、图像等类型数据的基本编码方式
教学难点：声音数字化和图像数字化
【核心教学内容】
1、数值数据的编码：二进制编码
2、声音数字化和图像数字化的过程
【学情分析】
通过前面的学习，学生对数据的概念以及数据与信息的关系，生活中有哪些常见的数据类型有了初步的了解。这部分内容理论性强，且对于高中生有一定难度，继续延用“鸟类研究”这项目情境，从“将鸟类研究过程中采集的数据数字化后存入计算机”这一需求出发，以生活中的编码为切人点，引导学生探究各类数据在计算机中的表示方法，学习数值、文本、声音、图像等类型数据的基本编码方法。
【教学方法及手段】
方法：应用问题分析法，引导学生从鸟类研究数据的需求出发，引导学生探究各类数据在计算机中的表示方法，学习数值、文本、声音、图像等类型数据的基本编码方法，增强信息意识、发展计算思维、提升数字化学习能力。
手段：充分利用希沃大屏幕或触摸屏交互功能，引导学生以生活中的编码切入，让学生在体验数值、文本、声音、图像的基本编码方法的过程中，了解在数字化工具中存储数据的一般原理与方法。
【教学过程】
第1课时
教学环节 | 教师活动 | 学生活动 |
导入新课（2分钟） | 在鸟类研究过程中，科学家采集了各种各样、丰富多彩的数据为了有效存储和处理这些数据，需要将它们数字化后存入计算机。要想用计算机存储和处理现实中的数值、文本、图形、图像、声音和视频等数据，必须对数据进行二进制编码，即将其转化为由“0”和“1”组成的代码。数据的类型不同，编码的方法也不同。 本节我们将围绕“探秘鸟类研究”项目展开学习，通过探究一些鸟类活动数据的编码，了解数值数据和文本数据的编码方法，以及声音和图像的数字化过程。 | 倾听 |
编码的概念（6分钟） | 列举生活中的各种编码实例，如车牌号、学籍号、条形码、二维码等，引出编码。以项目一中林地鸟类调查中的树牌号编码为例，分析编码中承载的信息、编码的方法、总結编码的规则。 在计算机中，编码一般是指用预先规定的方法将数字、文字、图像、声音、视频等对象编成二进制代码的过程。 | 观看、思考、讨论、回答。 |
二进制编码（5分钟） | 数值数据通常采用数制来表达。 数制：各种计数方法或计数表示方法的总称。包括非进位数制和进位数制两种。 例如：罗马数字：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ、Ⅻ、……，是非进位数制； 阿拉伯数字：10、100、1001、55505，……，是进位数制，相邻位之间存在“逢十进一，借一当十”的关系，称为十进制。 计算机中数制均为进位数制，常见有二进制、八进制和十六进制。 八进制数以0为前缀，其后由0至7的数字组成，逢8进1 十六进制数以0x或0X为前缀，其后由0至9的数和A到F字母组成，逢十六进一 计算机是由逻辑电路组成的，逻辑电路通常只有高低两种电位状态，正好可以表示“0”与“1”，所以计算机采用二进制来存储和表示数据。 | 观看、思考、讨论、回答。 |
数值数据的编码（15分钟） | 数值数据是一类常见数据，是可用于算术运算的具体数值。例如，鸟的数量是21只，这个数值数据在计算机中是如何表示的呢? 数值数据的编码过程：
转换：十进制转换为二进制 整数：用除2取余法，即用整数部分不断去除2，并记下每次的余数，直到商为0为止。余数从下至上即为转换结果。
小数：用小数部分连续与 2 相乘，并记下乘积的整数部分，直到结果小数部分为 0 ，或精度达到要求为止。所得整数部分从上至下即为转换结果。
例：十进制数37.375转换为二进制数，（37.375）10=（100101.011）2 编码：计算机中的数值编码：原码、反码、补码，计算机中的数值是以补码的方式表示的。 举例讲解原码、反码、补码： （+21）10=（+10101）2 （-21）10=（-10101）2 （+10101）原=00010101 （-10101）原=10010101 （+10101）反=00010101 （-10101）反=11101010 （+10101）补=00010101 （-10101）补=11101011 | 观看、思考、讨论、回答。 |
文本数据的编码（12分钟） | 记录鸟类活动时需要记录鸟的名称，例如灰眶雀弟的学名是 Alcippe Morrisonia。对这些由字母构成的数据，计算机是如何存储和表示的呢？ 西文字符的编码：字母、数字、标点符号等称为西文字符，西文字符的编码采用ASCII码，使用7个二进制位来表示西文字符 汉字的编码：输入码、国标码、机内码、字形码 （3）Unicode：UTF-16和UTF-32等 | 观看、思考、讨论、回答。 |
第2课时
教学环节 | 教师活动 | 学生活动 |
声音的数字化（15分钟） | 播放鸟鸣声的音频，引入：自然界的鸟鸣声被录音设备录制下来并存入计算机中，经历了怎样的转换过程？ 播放鸟鸣声的音频，引入：自然界的鸟鸣声被录音设备录制下来并存入计算机中，经历了怎样的转换过程? 自然界的鸟鸣声是一种连续的声波为了用计算机存储和处理这些声音数据，需要将它们数字化并记录成为音频文件。将模拟声音信号转换成数字声音信号，需要经历采样、量化和编码三个步骤。 采样：声音编码的采样过程就是按一定的采样频率测得一个模拟量值序列。 量化：将采集到的模拟量值序列转换为一个二进制数序列。这个二进制数序列就是对声音的编码。 编码：经过采样和量化，模拟声音信号转化为一组二进制数序列，再通过编码将其按照一定的规则记录下来。采用不同的编码方法，会形成不同格式的音频文件，如WAN格式、MP3格式等。音频文件的数据量可以通过采样频率、量化位数和声道数来计算。 数据量=数据率*持续时间 =（采样频率*量化位数*声道数）/8*持续时间 教师演示音频编辑软件的基本操作，包括采样频率、量化位数、声道的设置。 | 观看、思考、讨论、回答。 |
图像的数字化（15分钟） | 通过手机、数码相机、数码摄像机等数字设备，可以拍摄鸟类的照片，得到图像文件。图像数字化的过程和声音数字化类似，都会经历采样、量化和编码三个步骤。 采样：采样是指使空间连续变化的图像离散化,即用空间上部分点的灰度值表示图像,或图像在空间上的离散化,这些离散点称为样点(或像素)图像的分辨率就是图像横向像素点与纵向像素点的数目。 量化：将每个像素的颜色信息用1位、8位、16位或24位等二进制数来表示。 编码：图像的编码就是按照一定的格式将位图上各个像素点的量化数据记录下来的过程。由于位图的数据量大,并且含有大量的重复数据,编码时一般采用数据压缩技术进行压缩和还原处理。不同的编码方法形成了不同格式的图像文件,如BMP格式、JPEG格式。 图像的数据量=图像分辨率*颜色深度/8
| 观看、思考、讨论、回答。 |
课堂活动（10分钟） | 原码、反码、补码的计算 ASCII码 点阵存储容量计算 计算声音文件的数据量 计算图像的大小 | 学生实践。 |
