资源简介

第 1 章 认识数据与大数据
1.2 数字化与编码
教学设计
教学背景
信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。当代高速发展的信息科技对全球经济、社会和文化发展起着越来越重要的作用。
义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，为高中阶段信息技术课程的学习奠定基础。信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。
教材分析
本节课的教学内容选自人教/地图出版社第1章1.2 数字化与编码，信息技术的发展与普及为我们创造了一个全新的数字化生活环境。它们在给我们带来生活便利的同时，也在逐渐地改变着我们的生活方式。
学情分析
此节课针对的对象是高一年级的学生，学生对信息技术的关键技术以及信息技术对生活与学习的影响有一定的了解，但对所学内容只是体验性和经验性的认识。
教学目标
1.了解数字化的意义与作用，感受数字技术对生活的影响。
2.理解数据编码的基本方式，合理选用数字化工具解决问题，感受数字化工具的优势。
教学重点与难点
理解数据编码的基本方式，合理选用数字化工具解决问题，感受数字化工具的优势。
教学方法与教学手段
本课根据对学生掌握知识的调查数据，将教学的重难点放在重要概念的理解和辨析上，通过列举丰富的事例帮助学生理解基本概念。在学生机上安装思维导图软件，要求学生借助数字化工具绘制思维导图，整理本课的知识概念。本课采用的主要教学方法有讲授法、讨论法等。
教学过程
问题导入
提出问题，引发思考：
在日常生活和学习中自己经常使用哪些数字化工具呢？
　　体验探索
体验数字化生活
信息技术的发展与普及为我们创造了一个全新的数字化生活环境。例如，共享单车、在线购物、网络通信和远程医疗等，它们在给我们带来生活便利的同时，也在逐渐地改变着我们的生活方式（图 1.2.1）。
思考：
1. 从使用方式、应用工具、时间效率和操作流程等方面对实体超市购物和在线购物、个人单车和共享单车、书信交流和网络交流等进行比较，分别说出它们的异同。
2. 举例说明在日常生活和学习中自己经常使用哪些数字化工具，分析它们如何改变自己的生活与学习方式。
数字化及其作用
信息技术现已应用到了社会的方方面面。例如，数字图书馆让我们可以足不出户就获取所需的学习资料；公共场所的数字摄像设备可及时捕捉安保信息，有力地保障社会的安全；数字医疗设施的广泛使用，提高了病例筛选的精准度。数字化正悄然改变着我们的学习、生活与工作方式，推动着社会的变革与发展。
模拟信号和数字信号
在自然环境中，人们可以感知各种各样的信息。例如，水流速度快慢、环境温度变化、空气污染状况等，这些信息可以通过连续的状态表示出来，也可以通过离散的状态表示出来。例如，水银温度计是通过水银连续移动的状态来表示体温信息的；数字温度计以离散的状态给出体温信息。图 1.2.2 是两种温度计分别用连续和离散的状态来表示温度。
一般来说，通信系统中有两种主要的信息传输形式：一种是模拟信号，其信号波形可以表示为时间的连续函数，如图 1.2.3（a）（参见教材P14）所示；另一种是数字信号，它在取值上是离散的、不连续的，例如以“0”和“1”来表示二进制数字信号，如图 1.2.3（b）（参见教材P14）所示。模拟信号和数字信号虽然是两种不同形式的信号，但它们在传输过程中是可以相互转换的。
例如，用录音设备采集到的语音最初为模拟信号，通过采样、量化、编码等步骤可以将模拟信号转换为数字信号，并以二进制方式存储在计算机中。同样，也可以将数字信号转换为模拟信号。例如，计算机中的音频文件通过转换设备可将数字信号转换为模拟信号，并通过播放设备播放出来。
思考活动
录像带中视频的数字化
小明在整理家务时发现了家中保存的一些老式录像带，它们记录着家庭的一些美好时光。他想观看其中的内容，却发现播放这些录像带的设备现在已很难找到了。为了更好地保存这些美好回忆，他希望能把录像带中的视频转换为计算机中可以存储和处理的视频文件。
思考：
查找资料，指出将录像带中的视频转换为计算机中存储和处理的视频文件的工具与方法有哪些。
生活在数字世界
数字化是将复杂多样的事物属性或特征转化为计算机可处理对象的过程。这些信息被数字化后可以更方便地在数字设备中存储、处理和传输。例如，在数字化实现之前，我们获取知识多是通过阅读纸质书籍，异地交流比较多的是通过写信或打电话，听音乐常常是通过录音机，看电影主要使用胶片放映机......这些信息数字化后，可以通过网络线路来传输，阅读、交流、听音乐和看电影都能通过数字设备来完成。数字化让人们的生活、学习和工作变得更加便捷，如图 1.2.4 （参见教材P15）所示。
当今，社会中复杂多样的信息也可以用数字化形式表达。例如，网络商城的卖家需要通过数字化方式来呈现商品信息：商品的说明书、商品的外观图片、商品的操作视频等都可以用数字化的方式来表示。此外，借助数字化设备我们可以方便地获取身边事物的相关数据，例如，借助温度传感装置可以方便地采集空气温度的数据。通过网络还可以实现物物相连，并能把所获取的数据进行及时的处理和应用。可以说，信息技术的广泛应用已把整个世界变成了一个数字世界，如图 1.2.5 （参见教材P16）所示。
信息技术的发展给我们的学习和生活带来了深远的影响。例如，数字图书馆方便我们检索信息；数字博物馆方便我们欣赏展品和资料；数字化校园为教师和学生提供了全方位的网络服务，可以提高工作和学习效率。如今，数字化学习资源与工具层出不穷，支持着个性化学习和终身学习。有效地利用数字化学习工具可以帮助我们建构知识，解决问题，实现创新。
阅读拓展
数字图书馆
数字图书馆是虚拟的、没有“围墙”的图书馆，是基于网络环境共建共享的、可扩展的知识网络系统，是超大规模、便于使用、没有时空限制、智能检索的知识中心。
数字图书馆将文本、图像和音视频等数字化信息，通过互联网传输，从而做到信息资源共享。拥有数字终端的用户通过互联网，访问数字图书馆网站，可以方便快捷地享用数字化信息资源。
信息技术的革新使得数字图书馆从基于信息的处理和简单的人机界面逐步向基于知识的处理和广泛的智能应用发展，可以帮助人们利用计算机和网络更大范围地拓展智力活动，在信息交流、传播、存储等方面，发挥极其重要的作用。
二进制与数制转换
二进制在计算机等数字设备中被广泛应用，其基本规则如下：
二进制的基数为 2，两个基本数码是 0 和 1 ；
采用逢二进一的进位规则，例如 1+1=10 ；
不同的数位对应不同的权值，权值用基数的幂表示。
由于计算机中的操作需要通过二进制来实现，因此计算机中的数值计算就需要将十进制数转换成二进制数。十进制整数转换为二进制数可采用除 2 反向取余法，即将十进制整数除以 2，得到商数和余数，用商数再除以 2，依此类推直到商数为 0 为止，将每次得到的余数按照逆序排列，即为换算的二进制数的结果。
例 1 ：将十进制数 19 转换成二进制数。
将十进制数 19 除以 2，记录商和余数，再将得到的商继续除以 2，依此类推，直至商为零，如图 1.2.7 所示。将余数逆序排列便可得到结果：(19) 10 =(10011) 2 ，其中下标数字表示进制，也可记为 19D=10011B，字母 D 表示十进制，字母 B 表示二进制。
将二进制数转换成十进制数，常用的方法是按权展开求和。
例 2 ：将二进制数 10011 转换成十进制数。
二进制数中每位数字的权是以 2 为底的幂，按权展开求和即：
(10011) 2 =1×2 4 +0×2 3 +0×2 2 +1×2 1 +1×2 0 =16+0+0+2+1=(19)10
在计算机科学中，除了使用二进制外，人们还经常使用八进制和十六进制。不同的进制，常在数的右下角标明基数。基数是可使用数码符号的数目，R 进制的基数就是R，遵循“逢R 进一”原则。例如，（27）8 是八进制数，（FFCC66）16 是十六进制数。八进制数和十六进制数还可以分别用 O 和 H 表示，例如 27O、FFCC66H。
八进制的基数为 8，逢八进一，1 位八进制数可以用 3 位二进制数表示。
十六进制的基数为 16，逢十六进一，1 位十六进制数可以用 4 位二进制数表示。通常，十进制整数转换成R 进制数采用“除R 反向取余法”。
R 进制数转换成十进制数采用“按权展开求和法”。
实践活动
颜色码的数制转换
在计算机中，RGB（red，green，blue）颜色值可以表示为十六进制颜色码。例如，颜色值 RGB（64,224,208）可记为 #40E0D0，其中表示红色的 64、表示绿色的 224 和表示蓝色的 208 分别对应十六进制数 40H、E0H、D0H。
1. 将 #9400D3、#D2B48C 表示成相对应的 RGB 颜色值。
2. 使用计算器程序，验证上述结果。
数据编码
通过数据编码，人们可以方便地存储、检索和使用数据。生活中有许多数据编码的实例，例如居民身份证号码、车辆的车牌号、电影院的座位号等。计算机作为数据处理的一种工具，无论处理的是字符、图像、声音，还是其他形式的内容，都需要转换成二进制形式的编码，这样才能够处理。
字符编码
字符是人与计算机交互过程中不可或缺的重要内容，它是多种文字和符号的总称。由于计算机只识别 0 和 1，因此在处理各种字符时，就需要将字符转换为计算机可以识别的二进制数据。
在计算机系统应用的早期，计算机只能处理英文字母、数字和常用的英文标点符号，这时期基础的编码标准是美国信息交换标准码（American Standard Code for Information　Interchange，ASCII）。ASCII 编 码 后 来 被 国 际 标 准 化 组 织（International Organization for　Standardization，ISO）接受为国际标准 ISO 646。
为了扩充 ASCII 编码，以用于显示更多的语言文字，不同的国家和地区制定了不同的字符集和字符编码标准。但是，由于缺乏统一规划，这些字符编码有可能存在冲突，同一个编码在不同的字符集中可能会代表不同的字符。
1991 年， 国 际 标 准 化 组 织 和 Unicode 组 织 联 合 制 定 统 一 码， 也 就 是 unicode。
unicode 致力于将世界上所有的文字和符号都纳入其中。unicode 作为一个字符集，并没有规定字符在计算机中存储和传输的编码。为了更好地用计算机处理这些字符，还需要规定具体的字符编码格式。在我国，常用的编码方案有 UTF-8、UTF-16、UTF-32 及我国的国家标准 GB 18030—2005 等。
计算机中存储一个“0”或“1”占用 1 个二进制位（bit）。8 个二进制位组成 1 字节（byte）。ASCII 编码用 1 字节表示英文字母、数字和常见字符。在 GB 18030—2005 中，大部分常用汉字采用 2 字节编码。计算机中常见的存储单位与换算关系如表 1.2.1 所示（参见教材P18～19）。
声音编码
声音是人们用来表达和传递信息的一种重要方式，从物理学上看，声音是一种波。声波的振幅反映了声音响度的强弱，声波的频率反映了声音音调的高低。应用计算机处理声音时，需要将声波的模拟信号转换为数字信号，也就是声音的数字化，编码是其中重要的一步。通常，声音数字化的基本方法是按照一定的时间间隔采集声波的振幅，并将其转换为二进制数序列，即通过采样、量化和编码来实现。
采样是以相等的时间间隔来测得声音模拟信号的模拟量值，对其进行离散化提取，如图 1.2.8 （参见教材P19）所示。采样频率指每秒声音被测量的次数，以 Hz（赫兹）为单位。例如，高保真音乐采样频率一般为 44.1 kHz，即 44 100 次 / s。
对于采样所获得的量值，要进行分级量化，就是将采样值变换到最接近的数字值，即用有限个数的数值近似地表示原来连续变化的值。图 1.2.8 （参见教材P19）中共有 16 个量化级别（0 ～ 15），因此每个量化值可以用 4 位二进制数表示。量化位数越多，量化值就会越接近采样值，音频的精度就越高。如果对一段音乐用 256 个量化级别进行量化，则每个量化值可以用 8 位二进制数表示。
通过采样和量化，将一个连续的波形转换成由一系列二进制数表示的数据，形成二进制编码。表 1.2.2 （参见教材P20）是对图 1.2.8 （参见教材P19）中的量化值用 4 位二进制数表示的记录。
通常，音频所占的存储容量取决于采样频率、量化位数、声道数和时长，其计算公式为：
音频所占的存储容量 = 采样频率 × 量化位数 × 声道数 × 时长 /8
例 3 ：一首时长为 100 s 的双声道音乐，采样频率为 44.1 kHz，量化位数为 16，计算该音乐的音频所占的存储容量。
音频所占的存储容量 =44 100 ×16×2×100 /8=17 640 000 B
17 640 000/1 024/1 024 ≈ 17 MB
阅读拓展
常见的音频文件格式
WAV 格式：是声音经过数字化后的文件格式。这种格式记录了经过离散化的声音波形数据。其优点是与原声基本一致，声音质量较高；缺点是文件相对较大。
MP3 格式：是一种通过有损压缩存储声音的文件格式。其原理是去除了人耳不敏感的高频部分声音，特点是声音失真较小，文件较小。
AMR 格式：主要用于移动设备的音频压缩，压缩比例较大，相对其他的压缩格式质量较差。该格式传输量较小，实时性较强，因此多用于语音通话。在移动网络中，聊天软件常使用 AMR 格式进行语音压缩。
APE 格式：是一种无损压缩格式，以更精炼的记录方式来缩减体积，还原后数据可与原始数据保持一致，但压缩比例通常较小。
图像与视频编码
一幅图像可以看作由许多彩色或各种级别灰度的点组成的，这些点按横纵进行排列，被称为像素，如图 1.2.9 （参见教材P21）所示。图像中每个像素的颜色值都用一个或多个二进制位来存储。
通过扫描仪、数字照相机、智能手机和连接在计算机上的摄像头等设备，可以把图像数字化，再经过相关软件处理，就可以把图像转换成相应格式的文件进行保存。BMP 格式是图像文件的一种基本格式，由于未经压缩，BMP 文件占用的存储空间通常会比较大。
图 1.2.9 （参见教材P21）的左上角是一幅 BMP 文件原图，右侧是放大 8 倍的效果图。图中每个网格对应一个点，代表组成图像的像素。图像尺寸可用像素个数来表示，即“水平像素数 × 垂直像素数”。例如，图像尺寸为 90×72 像素，说明该图像水平方向有 90 个像素，垂直方向有 72 个像素。通常，图像所占的存储容量可用该图像所有像素的字节数来表示，其计算公式为：
图像所占的存储容量 = 水平像素数 × 垂直像素数 × 颜色深度 /8
公式中，图像的颜色深度指图像中每像素的颜色所占的二进制位。例如，图 1.2.9 （参见教材P21）只有黑白两种颜色，只需要 1 个二进制位就能表示图中的颜色。可将黑点用编码 1 表示，白点用编码 0 表示。
例 4 ：图像尺寸为 90×72 像素，颜色深度为 1，计算该图像所占的存储容量。
图像所占的存储容量 =90×72×1/8 =810 B
常见的彩色图像颜色深度有 8 位、16 位、24 位和 32 位等，颜色深度为 n，能表示的颜色就有 2 n 种。一般来说，颜色深度越大，图像的色彩就越丰富，图像占用的存储空间也就越大。
例 5 ：图像尺寸为 90×72 像素，颜色深度为 24 位，计算该图像所占的存储容量。
图像所占的存储容量 =90×72×24/8=19 440 B
19 440/1 024 ≈ 19 KB
高质量的 BMP 图像数据量很大，占用存储空间较大，所以常用图像压缩技术来减少图像的数据量，提高图像的网络传输速度和效率。
实践活动
常用的图像文件格式
图像文件有多种存储格式，常见的有 JPG/JPEG、PNG 和 BMP 等。用户可根据自己的需求，选择合适的图像文件格式。
1. 以体质健康为主题，选用一种“图像编辑软件”创作一幅图像，分别保存为 JPG/JPEG、PNG 和 BMP 文件格式，试从图像尺寸、大小和清晰度等方面比较它们的差异。查阅资料，分析这三种图像文件格式的特点。
2. 尝试下载网页中的图像文件，描述它们所采用的文件格式，试说明选用相应文件格式的原因。
视频画面是由以一定的速度连续播放的一组静态图像形成的，这些静态图像被称为帧。当连续的图像变化超过 24 帧 / s 时，根据视觉暂留原理，就会形成比较流畅的视频画面了。
当前，通过智能手机、平板计算机和数字摄像机等设备可以直接录制数字视频。此外，通过视频采集卡的输入端口可以采集模拟视频信号，对其进行数字化处理后，就可生成数字视频文件。常见的视频文件格式有 AVI、WMV 和 MP4 等。
数据压缩
很多信息，尤其是图像、音频和视频等类型的信息，经过数字化后生成的数据量较大，包含了许多冗余信息。例如，一幅图像中的建筑背景、蓝天和绿地，其中许多像素信息是相同的；一段视频的相邻帧之间，除了运动物体有少许变化外，其他静止的像素信息也都是重复的。因此，在不损失有用信息的前提下，可以按照一定的编码规则对数据进行重新组合，以去除数据冗余。数据压缩的目的，是使文件更少地占用存储空间和缩短传输时间。
常用的压缩方法分为无损压缩和有损压缩。无损压缩指对压缩后的数据进行还原后，得到的数据与压缩前完全相同。例如，AAAAAAAA 可以用 A08 来代替。图 1.2.10 中显示了这种简单压缩方法的一个示例。从图中可以看出，压缩后的编码在解压后，可以完全复原至压缩前的状态，因此这种压缩方法属于无损压缩。
常用的无损压缩算法主要有 DEFLATE、LZMA 等算法，可以形成以 zip 和 7z 为主流格式的压缩文件。压缩后所生成的文件称为压缩包，可能只有原来文件的几分之一，甚至更小。压缩包中的数据可以用压缩软件还原，即恢复到原始状态，这个过程称为解压缩。
相对于无损压缩，有损压缩指在压缩过程中会损失一定的信息，压缩后的数据无法还原成压缩前的样子。例如，音频、图像和视频数字化后存在很多冗余信息，而损失一些冗余信息并不影响视听效果，因此有损压缩被广泛应用于音频、图像和视频文件。常见的有损压缩格式有 MP3（音频数据压缩格式）、JPEG（图像数据压缩格式）和 MPEG（视频数据压缩格式）等。
技术支持
多媒体素材的采集与加工
1. 文本：可以通过键盘、手写、语音和文字识别软件等方式输入计算机。常用的文本加工操作有设置字体、字号、调整段落的行距、缩进和段间距等。
2. 图像：可以通过数字照相机、平板计算机等拍摄获取，也可以借助扫描仪扫描实物图像来获取。常用的图像加工操作有修改图像尺寸、格式转换、调整亮度和对比度、裁剪、修饰与合成等。
3. 音视频：音视频一般可以通过计算机、智能手机、平板计算机中的录音、摄像功能来录制，还可以使用数字摄像机拍摄来获取。常用的音视频加工操作主要有降噪、剪辑、合成和格式转换等。
此外，多媒体素材还可以通过互联网下载获得。更多的学习支持可访问教学资源平台。
项目实施
收集体质健康相关素材，初步完成电子作品
一、项目活动
1. 各小组依据绘制的“促进体质健康”的思维导图，从“个人健康评估、运动习惯养成、体质改善措施”等方面获取相应的多媒体素材，并进行必要的加工和处理，保存成合适的文件格式。
2. 小组合作选用一款多媒体集成工具，例如演示文稿或网页制作软件等，形成汇报思路，初步完成多媒体作品。
二、项目检查
1. 依据思维导图，收集制作多媒体作品所需的素材，并进行合理的数字化处理和加工。
2. 小组合作完成多媒体作品的初稿，并进行完善。
课后作业
1. 文件夹中存放了三个文件。一个文件是存放了 3 万个汉字的纯文本文件（编码方案为 GB 18030—2005）；另一个文件是尺寸为 1 024×768 像素、颜色深度为 24 位的 BMP格式的社团徽章图像；还有一个文件是一首时长 2 min 的 WAV 格式的校歌，采样频率是44.1 kHz，量化位数为 16 位，双声道。如果想把这三个文件通过电子邮件一并发送（假设邮件附件总容量不能超出 20 MB），分别计算这三个文件的大小，并且判断它们能否一次性发送成功。（注：忽略因其他因素增加的文件存储容量。）
2. 学校档案室里有很多相纸照片资料，有些照片已泛黄。如何将这些资料存储到计算机中？试说出具体的方法。保存后，若要对图像文件中泛黄的部分进行修复，有什么好的方法？
3. 小明是学生会的宣传干事，学期初为了招募社团新成员，他需要组建一个小团队，策划制作一部社团宣传片。试帮助小明考虑以下两个问题：
（1）制作团队需要哪些成员，分别担任什么角色；
（2）制作宣传片需要哪些素材，如何获取、分类和处理等。
最后将以上方案绘制成思维导图，供小明参考。
板书设计
1.2 数字化与编码
1.数字化及其作用
模拟信号和数字信号
生活在数字世界
2.二进制与数制转换
3.数据编码
字符编码
声音编码
图像与视频编码
4.数据压缩
普通高中教科书
信息技术　必 修 1　数据与计算
编著
人民教育出版衬课程教材研究所信息技术课程教材研究开发中心
中国地图出版社教材出版分社
总 主 编 ：祝智庭 樊 磊
副总主编 ：高淑印 郭 芳 李 锋
本册主编 ：李 锋 高淑印
编写人员 ：程建娜 刘姝弘 夏燕萍 王 岚 史弘文

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