淺析“數(shù)字化編碼”的計(jì)算思維在教學(xué)中的處理.

1、淺析“數(shù)字化編碼”的計(jì)算思維在教學(xué)中的處理關(guān)于訃算思維，美國(guó)CMU大學(xué)周以真教授將英界左為“運(yùn)用計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn) 題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋汁算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”。如今，越來(lái) 越多的學(xué)者認(rèn)為發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維已成為信息技術(shù)課程重要內(nèi)在價(jià)值之一。計(jì)算（機(jī)）學(xué)科 存在著諸多核心計(jì)算思維，英中數(shù)字化”更是核心中的基礎(chǔ)。所謂“萬(wàn)物源于比特（It From Bit）”，隱喻著任何事物只要能表示成信息，也就能夠表示成0和1.也就能夠被 計(jì)算，也就能夠被汁算機(jī)所處理。本文即以此為切入點(diǎn)，介紹數(shù)字化”教學(xué)環(huán)肖中有效滲透 計(jì)算思維的教學(xué)處理思路。無(wú)論是義務(wù)教育階段，還是髙中教育階

2、段，數(shù)字化”、“編碼”等知識(shí)常零散分布至相關(guān)模 塊專(zhuān)題中，具體教學(xué)中，有學(xué)者們何不將所有媒介的“數(shù)字化”知識(shí)統(tǒng)整起來(lái)綜合考慮，如此學(xué) 生對(duì)于數(shù)字化”、“編碼”等知識(shí)的掌握將不再是易忘的“離散點(diǎn)”,而是深刻的連續(xù)塊”。 鑒于此，筆者將“數(shù)字化”細(xì)化為三個(gè)方而向?qū)W生展開(kāi)教學(xué)，即數(shù)字化意義、數(shù)字化表征與數(shù)字 化實(shí)現(xiàn)。一、數(shù)字化意義為什么要數(shù)字化？從表象來(lái)看，數(shù)字化的重要性主要體現(xiàn)在“數(shù)字化是數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)”、“數(shù)字化是信 息社會(huì)的技術(shù)基礎(chǔ)”、“數(shù)字化是軟件技術(shù)的基礎(chǔ)，是智能技術(shù)的基礎(chǔ)，是多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)”:從內(nèi)里來(lái)看，有學(xué)者們需讓學(xué)生區(qū)分出“數(shù)字化”相對(duì)于“模擬化”的優(yōu)勢(shì)。模擬信號(hào)是 將源信號(hào)的一

3、些特征未經(jīng)編碼直接通過(guò)載波的方式發(fā)岀，是連續(xù)的：而數(shù)字信號(hào)是通過(guò)數(shù)學(xué)方 法對(duì)原有信號(hào)進(jìn)行處理，編碼成二進(jìn)制信號(hào)后，再通過(guò)載波的方式發(fā)送編碼后的數(shù)字流，是離 散的。如果覺(jué)得上述理論較為抽象，采用下表（表1）所示的類(lèi)比可加深對(duì)二者特點(diǎn)的感性 認(rèn)知。表1模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)特征比較表模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)將26個(gè)字母對(duì)應(yīng)26種不同的顏色要傳遞時(shí)要不同顏色的憾光片改變電筒射出的光 的顏色這里就會(huì)表現(xiàn)出模擬信號(hào)不可靠（容錯(cuò)性差、易受 干擾）的缺點(diǎn)人對(duì)顏色的識(shí)別可能會(huì)有偏差大氣對(duì)不同顏色的光線吸收程度不同將26個(gè)字俅編碼成二進(jìn)制數(shù)字（可參考莫爾斯電 碼）通過(guò)電筒光線的閃爍來(lái)傳遞信號(hào)由于光線的閃爍很容易分辨且不容易

4、受到干擾這個(gè)通信方案的可靠性就比模擬信號(hào)更強(qiáng)二、數(shù)字化表征為什么計(jì)算機(jī)會(huì)選中0/1二進(jìn)制？從表象來(lái)看，對(duì)于有學(xué)者們?nèi)祟?lèi)而言，10是有學(xué)者們大多數(shù)人擁有的手指的數(shù)目。因?yàn)?手指非常便于計(jì)數(shù)，于是有學(xué)者們?nèi)祟?lèi)已經(jīng)適應(yīng)了這個(gè)以10為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)。但是，如 果有學(xué)者們?nèi)祟?lèi)像龍蝦那樣有4根手指（實(shí)際上龍蝦根本沒(méi)有手指，但是在它們前爪的末端都有螯）、或者像 海豚那樣有2根手指（鰭）會(huì)怎樣呢？有學(xué)者們可能就不會(huì)想到建立一個(gè)以10為基數(shù)的數(shù) 字系統(tǒng)，相反有學(xué)者們會(huì)自然而然地、不可避免地想到建立一個(gè)以4或2為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)。其 次，二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)存在一點(diǎn)特殊性，即它是人們所能得到的最簡(jiǎn)單的數(shù)字系統(tǒng)，0和1去掉

5、 任何一個(gè)都做不了任何事情。從內(nèi)里來(lái)看，采用二進(jìn)制的根本原因在于容易表示與運(yùn)算簡(jiǎn)單。所謂容易表示”，是指 二進(jìn)制數(shù)只有“0”和“1”兩個(gè)基本符號(hào)，易于用兩種對(duì)立的物理狀態(tài)表示。例如，可用晶體 管的導(dǎo)通表示“1”，截止表示0” :電容器的充電和放電、電脈沖的有和無(wú)、脈沖極性的 正與負(fù)、電位的高與低等一切有兩種對(duì)立穩(wěn)左狀態(tài)的器件都可以表示為二進(jìn)制的“0”和“1”。 而十進(jìn)制數(shù)有10個(gè)基本符號(hào)（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）,要用10種狀態(tài)才能表示, 用電子器件實(shí)現(xiàn)起來(lái)是很困難。所謂運(yùn)算簡(jiǎn)單”，是指二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算規(guī)則在種計(jì)數(shù)法 中較為簡(jiǎn)單。如二進(jìn)制加法法則只有4條（0+0二0、0+1二

6、1、1+0=1 .1+1=10）,而十進(jìn)制加法法則多達(dá)百條之多；此外，二進(jìn)制數(shù)的“1”和“0”正好可與邏輯 值“真”和“假”相對(duì)應(yīng)，這樣就為計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算提供了方便。算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算是 計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算，采用二進(jìn)制可以簡(jiǎn)單方便地進(jìn)行這兩類(lèi)運(yùn)算。三、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)既然計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用的是“二進(jìn)制”編碼，那么有學(xué)者們平常所見(jiàn)的數(shù)字、文本、圖像、 音頻、視頻（動(dòng)畫(huà)）等媒介又該如何轉(zhuǎn)化為一串串二進(jìn)制數(shù)呢？具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如何？ 當(dāng)中又體現(xiàn)哪些思想呢？從宏觀上看，數(shù)字化過(guò)程涉及的核心環(huán)節(jié)主要包括輸入T存儲(chǔ)T輸出”：從微觀上看， 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程可大致概括為：物理世界/語(yǔ)義信息T符號(hào)化T0和1 （進(jìn)位制與編

7、碼）9數(shù)字計(jì) 算（算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、程序運(yùn)行）T硬件與軟件實(shí)現(xiàn)T輸出時(shí)還原為人們熟悉的描述世界 的符號(hào)。關(guān)于各類(lèi)常見(jiàn)媒體符號(hào)的數(shù)字化過(guò)程，筆者建議將其按編碼本質(zhì)上隸屬于“無(wú)損壓縮” 還是“有損壓縮”進(jìn)行“合并同類(lèi)項(xiàng)”后展開(kāi)教學(xué)。苴中數(shù)值、文本的數(shù)字化過(guò)程屬于無(wú)損壓縮 （表2）,而圖像、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)等多媒體的數(shù)字化過(guò)程則屬于有損壓縮（表3）。表2無(wú)損壓縮范疇內(nèi)的符號(hào)數(shù)字化輸入存儲(chǔ)輸出數(shù)值數(shù)字化十進(jìn)制二進(jìn)制原碼9二進(jìn)制補(bǔ)碼十進(jìn)制文木數(shù)字化鍵盤(pán)映射（輸入碼）交換碼（ASCII、GB碼）T機(jī)內(nèi)碼點(diǎn)陣字型碼矢雖字型碼表3有損壓縮范疇內(nèi)的符號(hào)數(shù)字化采樣，化編碼圖像輸入分辨率色彩深度BMP （接近無(wú)損

8、）丨JPG. GIF | WMF （矢雖）音頻采樣率雖化位數(shù)WAV （接近無(wú)損）| MP3. WMA | MIDI （矢雖）顯然，對(duì)于高中生而言，數(shù)字化知識(shí)倘若直接以上述面目示人，即單純以槪念講概念和 以概念講原理”，學(xué)生恐難以接受，教學(xué)效果也難以保證。為此應(yīng)盡可能創(chuàng)設(shè)類(lèi)似“第一人稱(chēng)” 式數(shù)字化體驗(yàn)之旅，還原問(wèn)題呈現(xiàn)過(guò)程，剖析問(wèn)題解決思路，以期實(shí)現(xiàn)“知識(shí)/術(shù)語(yǔ)隨著思維的 講解而介紹，思維隨著知識(shí)的貫通而形成，能力隨著思維的理解而提高”。這里，筆者即以 “音頻數(shù)字化”為例，詮釋上述觀點(diǎn)。案例：音頻數(shù)字化打開(kāi)“百度音樂(lè)”，搜索“最炫民族風(fēng)”， 下載音樂(lè)文件時(shí)，呈現(xiàn)如右圖所示的諸多品 質(zhì)。那么，音頻

9、“品質(zhì)”到底與哪些因素有關(guān)？ 難道僅僅片而考量文件大小嗎？有學(xué)者們又 該如何打造“天籟之音”呢？最炫民族風(fēng)岡晡奇冷標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)4.4M r-p: - 28KDPS高品爲(wèi) 8.7M mp3 256KDPS超鬲吊質(zhì) 10.9M320 kb ds無(wú)損冊(cè)質(zhì)35.1 M Oa.環(huán)節(jié)一、生疑：誰(shuí)把有學(xué)者的聲音改變了？教師可事先選好某段名家名篇，請(qǐng)班內(nèi)有一泄朗誦功底的學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)朗誦，稱(chēng)為“原音”:接著， 教師利用音頻錄制工具（如：CoolEidt）將“原音”錄制進(jìn)訃算機(jī)中，稱(chēng)為“錄音”.兩相比較 辨別是否存在“差異” ？存在的成因?yàn)楹?？又該如何盡量減少差異，實(shí)現(xiàn)“髙保真”呢？圖1聲卡是如何工作的環(huán)節(jié)二、解惑：尋覓

10、聲音的足跡！教師引領(lǐng)學(xué)生瀏覽“聲卡工作原理圖”，了解音頻 數(shù)字化過(guò)程：采樣一量化一編碼及各環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)：采樣率、量化位數(shù)、（位速人編碼方式、 聲道數(shù)等。學(xué)習(xí)過(guò)程中，可類(lèi)比圖形圖像數(shù)字化基本理論相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。附：知識(shí)加油站過(guò)程概念簇任務(wù)采樣訊位時(shí)間內(nèi)采樣次數(shù)稱(chēng)為采樣率（訊位為Hz）通過(guò)采樣 把連續(xù)的聲音信號(hào)變成離散的聲音信號(hào)。分別利用尚低不同的采 樣率（如6000hz VS 44100hz）錄制音頻感受采 樣率之于音質(zhì)“保真度”的 影響。量化 呈化位數(shù)編碼通常采樣率越高.聲音的還原就越真實(shí)、自然。為盡雖減少失真.采樣頻率應(yīng)不低于聲音信號(hào)昴烏頻率的兩倍.但由于 人耳的聽(tīng)覺(jué)范鬧通常是20Hz20KHz

11、所以采樣率沒(méi)必要無(wú)窮大。報(bào)典型的標(biāo)準(zhǔn)采樣率如44100Hz,常用于CD音質(zhì)，俗稱(chēng)天籟之音）。利用CoolEdit對(duì)左右聲經(jīng)過(guò)采樣獲得若T離散的“點(diǎn)” 那么該如何將這些“點(diǎn)” 一一轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位呢？每一個(gè)“點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的位數(shù)大小即 為址化位數(shù)（單位bit）.常見(jiàn)的雖化位數(shù)有8bit/16bit/32bitc 一 般而言址化位數(shù)為N位的聲音可以表達(dá)的聲音細(xì)節(jié)可達(dá) 2種。具休到聲卡內(nèi)部.雖化匸作由ADC （模數(shù)轉(zhuǎn)換器）實(shí) 現(xiàn)。分別利用大小不同的雖 化位故（如8位VS32位） 錄制音頻，感受雖化位數(shù)之 于音質(zhì)柱豐富度”的影響。（1）利用無(wú)損壓縮音頻 大小計(jì)算公式二采樣率（Hz）木址化位數(shù)（b） 水聲

12、道數(shù)電時(shí)間（s） 訃算上述學(xué)生錄音的“理論大小”,接著與以wav格式保存后獲經(jīng)過(guò)雖化.模擬音頻已轉(zhuǎn)為二進(jìn)制串.轉(zhuǎn)換I：作似乎可到 此為止。但現(xiàn)實(shí)卻非如此嗎？如若不作任何圧縮，會(huì)導(dǎo)致何種后 果？通常，未經(jīng)圧縮的音頻文件（例：wav）體積較大，而當(dāng)有 學(xué)者們聆聽(tīng)有損壓縮后形成的mp3/wma等文件，人耳很難辨刃 差乩 鑒于此，有學(xué)者們可以通過(guò)不同的編碼方式進(jìn)行有損壓縮。碼得的“實(shí)際大小”比較. 驗(yàn)證是否一致：（2）將錄音文件再以“mp3”格式保存.分 別從文件大小.音質(zhì)等 角度比較兩段音頻.看 是否存在很大差異？感 受編碼方式之于音質(zhì)“壓縮度”的影響。非 波 形 編 碼“迷笛”音樂(lè)MIDI不是個(gè)采

13、樣點(diǎn)的編碼.而是樂(lè)譜的 數(shù)字描述，稱(chēng)為MIDI消息。樂(lè)譜由音符序列.定時(shí)、音色、 音量等組成.每個(gè)消息對(duì)應(yīng)一個(gè)音樂(lè)爭(zhēng)件，一組MIDI消息送 到MIDI音源時(shí)，音源即合成出相應(yīng)的音樂(lè)。二N窈工訂、&益刖；石二打JJ.-安裝并運(yùn)行NoteWorthyPlayer,打開(kāi)素材 “茉莉花.mid,體驗(yàn)迷笛音 樂(lè)的神奇之處環(huán)節(jié)三、深思：天聲麗質(zhì)從何而來(lái)通過(guò)對(duì)上述聲卡工作原理的分析，有學(xué)者們不難 發(fā)現(xiàn)關(guān)乎音質(zhì)的因素眾多。其中“音源”自身好壞至關(guān)重要，一個(gè)先天音質(zhì)就很差的音樂(lè)，后 期再為修飾也無(wú)法徹底改善，畢竟“問(wèn)聲哪得美如許，惟有源頭佳音來(lái)！”總結(jié)一下，有學(xué)者們?nèi)粢挼眉岩?，首先需保證采集時(shí)采用較髙的采樣率、較大的量化位數(shù)、 較優(yōu)的編碼方案等：其次，“好馬也需配好鞍”，氣 放音各環(huán)節(jié)中涉及的各類(lèi)軟硬件設(shè)備性能及 參數(shù)（譬如：錄音環(huán)境.拾音設(shè)備、播放軟件、播放設(shè)備等）對(duì)最終音頻的影響皆不可忽視。關(guān)于數(shù)字化，對(duì)于多數(shù)學(xué)