教科版 高一信息技術(shù) 必修1 第三單元 3.1 數(shù)據(jù)編碼 教案設(shè)計

1、 /123.1數(shù)據(jù)編碼本節(jié)內(nèi)容按2課時設(shè)計。第一課時【教學(xué)重點】模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化方法。【教學(xué)難點】模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化方法?！窘虒W(xué)過程】一、引入學(xué)生預(yù)習(xí)，閱讀第49頁“任務(wù)一認識智能公交系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)”之“活動1辦理市民卡”，填寫第50頁的表3.1.1（不受活動1限制）。教師檢查，并評講填寫情況，引出數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式。表3.1.1計算機處理的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式實例米集該類數(shù)據(jù)的設(shè)備用什么軟件處理文本姓名，家庭住址，性別（也可以用數(shù)字表示）、手機號鍵盤手寫輸入語音輸入文字處理軟件，電子表格，數(shù)據(jù)庫OCR識別語音識別數(shù)字身高、體重、肺活量、血壓，身份證號鍵盤，各種數(shù)字化采集儀手寫輸入電子表格，數(shù)據(jù)庫圖像照片手機

2、，相機，攝像頭，掃描儀PS，美圖秀秀用軟件從視頻中抓幀士Vn聲曰聲音，語音，音樂手機，錄音機（錄音筆），話筒（聲卡）錄音機，CoolEdit從有聲視頻中分離音軌視頻監(jiān)控視頻手機，攝像機，攝像頭QQ影音、繪聲繪影Camtasia注：考慮到處理各種類型的數(shù)據(jù)，不僅需要硬件支持，也離不開各種相關(guān)軟件的支持，所以這里在教材原表3.1.1的基礎(chǔ)上增加了一列。本表內(nèi)容不是標(biāo)準答案，只是拋磚引玉啟發(fā)師生進一步思考。二、模擬信號與數(shù)字信號師：上圖是語音信號（振幅或聲壓）隨時間變化的圖像。可見，它是隨時間連續(xù)變化的，波形光滑，這種信號稱為模擬信號，模擬信號的值稱為模擬數(shù)據(jù)。用傳感器直接獲得的上圖是語音信號數(shù)字化

3、后的圖像?？梢?，時間及幅值不是連續(xù)變化的，而是離散變化的，波形如臺階，這種信號稱為數(shù)字信號。數(shù)字信號可以由模擬信號轉(zhuǎn)換得來，數(shù)字信號的值即數(shù)字數(shù)據(jù)，直接用計算機所能理解的二進制來表示，這樣方便計算機對其進行處理。綜上所述，按照取值特征可以將信號分為模擬信號和數(shù)字信號。如何將圖3.1.3中的模擬聲音信號用計算機“忠實地”記錄下來？換種說法：如何把某條曲線“精確地”存儲到計算機中？我們卻只能記錄下有限的個點。怎么辦呢？圏3.1.4按贈一走的時間間隔進行采樣每間隔一段時間取一個點間隔多少時間取一個點為好呢？1秒？0.1，0.01秒？通常，我們把這種從連續(xù)的時間中每間隔一個時間段抽取一個時刻點的操作稱

4、為“采樣”。這個時間間隔的倒數(shù)稱為采樣頻率，單位是赫茲，即秒-1。顯然采樣頻率越高（時間間隔越短），聲音還原的效果自然就越真實，但采樣點也就越多，需要保存的數(shù)據(jù)也越多，所占存儲空間也越大，計算機的工作量也越大。因此，需要在聲音還原效果與存儲數(shù)據(jù)量之間尋找一個平衡點。常用的CD音質(zhì)的采樣頻率是44.1kHz，也就是把1秒的時間分成44100等份，每份取其對應(yīng)的一個幅值。圏31.5量化后的聲音信號還有一個問題:每個幅值用什么數(shù)據(jù)記錄下來？精確到什么程度？這個問題同樣關(guān)聯(lián)到聲音還原效果與存儲數(shù)據(jù)量！CD音質(zhì)的量化位數(shù)為16位，即用16個二進制位記錄一個幅值，因此可記錄2嚀65536種不同的數(shù)值，即0

5、65535。我們把每個聲音幅值換算為一個對應(yīng)的整數(shù)，這種操作稱為量化。量化得到的整數(shù)，當(dāng)然要轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，并把它們用一定的格式存儲起來，有些還要按照一定的算法進行壓縮處理后存儲為文件，這個過程稱為編碼。生：填表3.1.2，完成簡單的進制轉(zhuǎn)換。表3.1.2數(shù)字化的聲音信號時刻12345二進制數(shù)值001010011100011時刻678910二進制數(shù)值010010010011011【拓展】介紹“聲道”與“立體聲”聲道是指聲音在錄制或播放時在不同空間位置采集或回放的相互獨立的音頻信號，所以聲道數(shù)也就是聲音錄制時的音源數(shù)量或回放時相應(yīng)的揚聲器數(shù)量。雙聲道就是有兩個聲音通道。聲卡所支持的聲道數(shù)是衡量聲

6、卡檔次的重要指標(biāo)之一，從單聲道到環(huán)繞立體聲。我們知道，人耳之所以能準確辨別發(fā)音點的方位，是因為聲源與雙耳之間存在著角度差。這個角度差使聲源傳到左右耳的時候產(chǎn)生微小的時間差,而人耳對這微小的時間差非常敏感，從而使人能夠產(chǎn)生準確的方向感和距離感。這種原理被稱為哈斯效應(yīng)。正是通過對這種聲像定位原理的逆向運用，人們發(fā)明了最早的也是最簡單的雙聲道立體聲系統(tǒng)，即在錄制聲音時，在不同的位置用兩只話筒進行錄音，而在重放時則使用兩路獨立的放大器和兩個揚聲器，從而使聽者可以較準確地判斷出錄音中不同音源的準確位置。雙聲道的典型應(yīng)用場景是，在錄制歌曲時將歌手的聲音與樂器的伴奏音分別置于兩個聲道，用于卡拉0K時關(guān)閉歌手

7、的聲音；或者把影片的兩種語言的配音分置于兩個聲道，播放時選擇其中一種。人類對聲音質(zhì)量的追求是無止境的，后來相繼出現(xiàn)了4,4.1,5.1,6.1，乃至7.1聲道，立體聲的立體感自然就越來越強了?！静僮鳌楷F(xiàn)場錄音實現(xiàn)聲音的數(shù)字化我們把話筒連接到電腦的聲卡，打開“錄音機”軟件，就可以錄音了，也就是將語音和自然界中的背景聲音的模擬信號，轉(zhuǎn)化為計算機中的數(shù)字化聲音，采樣、量化、編碼，這些過程是由軟件在硬件支持下自動進行的。播放、EetlRezIENII_De：ault.w：=lv雇性但具體的音頻數(shù)據(jù)參數(shù)不同），對比各種格式leST103282302724Sc7SS.wav常規(guī)文件Hh摘要1位速iT&kb

8、pzJ音頻采樣大小16位撅道1（單聲道）音頻采樣皺別ILRHhJ音頻格式TCM常規(guī)丨文件HZ捕要扈性值音頻J位速1536kbpsJ音撅采樣大小1&位頻道2垃悴聲）J音頻采樣顋別48kHzJ音頻格式PCM三、小結(jié)從模擬數(shù)據(jù)到數(shù)字數(shù)據(jù)，要經(jīng)過采樣、量化、編碼三個過程。采樣是時間的離散化數(shù)字化，量化是幅值的離散化數(shù)字化，編碼是數(shù)據(jù)的格式化文件化。四、練習(xí)1一段時長為1分鐘的雙聲道立體聲的無壓縮音頻（采樣頻率為44.1kHz，量化位數(shù)為16位），占用的存儲空間是多少MB（精確到0.1）?參考解答：60*44.1*1000*16*2=84672000（位，比特）=10584000（B,字節(jié)）10.1MB

9、2.一張CD光盤的容量大約為700MB,能容納多長時間的無壓縮雙聲道立體聲CD音頻（采樣頻率為44.1kHz,量化位數(shù)為16位）？參考解答：700/10.169.3（分鐘）第二課時【教學(xué)重點】認識二進制，了解文本的編碼?！窘虒W(xué)難點】二進制及與其他進制之間的轉(zhuǎn)換。【教學(xué)過程】一、引入學(xué)生預(yù)習(xí)，閱讀第52頁“任務(wù)二查看存儲在計算機中的數(shù)據(jù)”之“活動1卡片組合游戲”，動手做一做，領(lǐng)會二進制計數(shù)的基本原理。預(yù)習(xí)思考題：思考題1用這5張卡片，最大能表示的十進制數(shù)是多少？若用二進制數(shù)表示，是多少？如何分別表示十進制數(shù)的0,1,2,3,？（參考答案：最大能表示的十進制數(shù)是31,用二進制表示為11111。其他

10、略）思考題2現(xiàn)有255個相同的蘋果,事先分裝成若干袋,每袋裝若干個蘋果,當(dāng)用戶來買蘋果時,無論他要多少個（不超過255）,都可以不拆開袋子,直接選取幾個袋子給他。那么事先應(yīng)該怎樣裝袋？如果他要100個蘋果,則應(yīng)給他哪幾袋？（參考答案：每袋分別裝1,2,4,8,16,32,64,128個,共8袋。100=64+32+4）圖3.1,6（a）標(biāo)記點數(shù)的卡片0100113.1.6(bJ隸動3張卡片二、二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換體會、歸納數(shù)制的通用規(guī)律師：把圖3.1.6(a)和圖3.1.6(b)關(guān)聯(lián)起來看:242322212016842101001二進制數(shù)01001所表示的數(shù)的含義就是:1*1+0*2+0*4+1

11、*8+0*16=1*20+0*21+0*22+1*23+0*24=9其中20,21，22,23,24,，稱為二進制整數(shù)從右到左各位的權(quán)值，2是二進制數(shù)的基數(shù)。二進制數(shù)有2種不同的數(shù)字：0和1，基本計數(shù)規(guī)則是逢二進一，即1+1=10。一般地,任意進制數(shù)都有這樣類似的規(guī)律：如2019(10)=9*100+1*101+0*102+2*103=2019,十進制數(shù)的基數(shù)是10,十進制整數(shù)從右到左各位的權(quán)值依次是100,101，102,103,十進制數(shù)有10種不同的數(shù)字：0,1，2,，9,基本計數(shù)規(guī)則是逢十進一,即9+1=10.同理，對于十六進制數(shù)來講，其基數(shù)是16,要有16種不同的數(shù)字，除了0,1,2,

12、，9,還需補充6個符號，一般用AF(af)，分別相當(dāng)于十進制數(shù)的1015。基本計數(shù)規(guī)則是逢十六進一，即F+1=10。十六進制整數(shù)從右到左各位的權(quán)值依次是160,161,162,163,。例如，十六進制整數(shù)2F3D(16)=D(13)*160+3*16i+F(15)*162+2*163=12093。數(shù)制的這種規(guī)律,實現(xiàn)了任何一個整數(shù)只有一種表示法,而且任何一種表示法只表示個整數(shù),即整數(shù)與表示法之間是一一對應(yīng)關(guān)系。生：【練習(xí)1】填寫下表,熟悉二進制、十六進制的寫法。十進制二進制十六進制012345678910十進制二進制十六進制16171819202122232425261112131415272

13、8293031顯然，把R（R為不小于2的整數(shù)）進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制整數(shù)，使用上面的“按權(quán)展開求和法”。練習(xí)2】請將8進制數(shù)2071轉(zhuǎn)換為十進制。（參考答案：1081）在Python中，可使用函數(shù)int（num,R）將R進制的整數(shù)num轉(zhuǎn)換為十進制，這里num要使用字符型（常數(shù)兩端加上引號）。例如：int(T1011010,2)218int(11011010,8)2363912int(FF,16)255#將二進制整數(shù)11011010轉(zhuǎn)換為十進制#返回結(jié)果為十進制整數(shù)#將八進制整數(shù)11011010轉(zhuǎn)換為十進制#返回結(jié)果為十進制整數(shù)#將十六進制整數(shù)FF轉(zhuǎn)換為十進制#返回結(jié)果為十進制整數(shù)（二）比特、字

14、節(jié)、文件大小的單位計算機中數(shù)據(jù)的最小單位是二進制位，稱為比特（bit,簡寫為b）。計算機存儲數(shù)據(jù)的基本單位是字節(jié)（Byte,簡寫為B）,lB=8b。因為計算機內(nèi)數(shù)據(jù)都是以二進制形式存儲的，所以文件大小的單位也是字節(jié)，但字節(jié)單位太小，常用的有KB,MB,GB等。1KB=210B=1024B1MB=210KB=220B=1,048,576B1GB=210MB=220KB=230B=1,073,741,824B遞進倍數(shù)是210=1024，因此民間把10月24日戲稱為“程序員節(jié)”。（三）十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為其他進制數(shù)把十進制非負整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，可使用短除法，即“除二取余”法。例如，把十進制整數(shù)18轉(zhuǎn)換

15、為二進制數(shù)的過程如圖3.1.7所示，結(jié)果為18（10）=10010（2）。余數(shù)1v髙位低位圖3.1.7十進制整教轉(zhuǎn)為二進制【練習(xí)3】仿照圖3.1.7,將十進制整數(shù)175轉(zhuǎn)換為16進制。（參考答案：AF）一般地，十進制非負整數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)（R22）均可采用“除R取余法”，即將圖3.1.7中的除數(shù)2改為Ro當(dāng)R10時，可能會出現(xiàn)余數(shù)為二位數(shù)（十進制）的情況，此時要轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的R進制的單個數(shù)字。（如10fA,llfB,-,15-F）在Python中，可使用函數(shù)bin（num）,oct（num）,hex（num）,將十進制整數(shù)num分別轉(zhuǎn)換為二、八、十六進制，這里num為整數(shù)。例如：bin(100)

16、0b1100100oct(100)0o144hex(100)0 x64#將十進制整數(shù)100轉(zhuǎn)換為二進制#返回結(jié)果為字符串，Ob表示二進制#將十進制整數(shù)100轉(zhuǎn)換為八進制#返回結(jié)果為字符串，0。表示八進制#將十進制整數(shù)100轉(zhuǎn)換為十六進制#返回結(jié)果為字符串，Ox表示十六進制（四）算法演示：十進制整數(shù)與其他進制整數(shù)之間的互相轉(zhuǎn)換（詳見配套資源“進制轉(zhuǎn)換fid”）任意進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制。2十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為任意進制。三、文本數(shù)據(jù)的編碼學(xué)生活動】查看數(shù)據(jù)的編碼在Python中，通過ord（）函數(shù)查看字符的編碼。ord(l)49ord(A)65ord(男)30007chr(30007)#顯示字符“1”的

17、編碼值#顯示字符“A”的編碼值#顯示字符“男”的編碼值#顯示編碼值為30007的字符1.ASCII碼表3.1.3常用的ASCII碼ASCII碼(十進制)字符0-31控制字符或通信專用字符(不可見)32空格48-57數(shù)字056590大寫英文字母97-122小寫英文字母其他英丈標(biāo)點符號、運算符號、括號等2Unicode碼漢字編碼的國家標(biāo)準如下：GB23121980字符集共收錄6763個漢字。GBK字符集，兼容GB23121980標(biāo)準，收入21003個漢字。GB180302000字符集，包含GBK字符集和CJK統(tǒng)一漢字擴充A的漢字，共計27533個漢字。GB180302005字符集，在GB18030

18、2000的基礎(chǔ)上，增加了CJK統(tǒng)一漢字擴充B的漢字及其他漢字，共計70244個漢字。Unicode字符集，是全球可以共享的編碼字符集，涵蓋了世界上主要文字的字符，其中包括簡繁體漢字，共計74686個漢字。如漢字“男”的Unicode編碼為30007(十進制)，用十六進制表示為7537，用二進制表示為0111010100110111。在Python中，函數(shù)ord()返回的是字符的Unicode碼值，函數(shù)chr()返回Unicode碼對應(yīng)的字符?！揪毩?xí)4】在Python中輸出自己的姓名，但編程或表達式中不得直接出現(xiàn)這些漢字。參考解答：事先用ord()函數(shù)查看姓名中各漢字的Unicode編碼，再用c

19、hr()函數(shù)獲取這個漢字。chr(24352)+chr(39134)張飛#返回“張飛”3漢字的其他編碼及相互關(guān)系(拓展)區(qū)位碼在GB2312-80信息交換用漢字編碼字符集中，所有的國標(biāo)漢字與符號組成一個94X94的矩陣。在此方陣中，每一行稱為一個“區(qū)”，每一列稱為一個“位”，因此，這個方陣實際上組成了一個有94個區(qū)(區(qū)號分別為1到94)、每個區(qū)內(nèi)有94個位(位號分別為1到94)的漢字字符集。一個漢字所在的區(qū)號和位號簡單地組合在一起就構(gòu)成了該漢字的“區(qū)位碼”。在漢字的區(qū)位碼中，高兩位為區(qū)號，低兩位為位號。在區(qū)位碼中，0109區(qū)為682個特殊字符，1687區(qū)為漢字區(qū)，包含6763個漢字。其中16-

20、55區(qū)為一級漢字(3755個最常用的漢字，按拼音字母的次序排列)，5687區(qū)為二級漢字(3008個漢字，按部首次序排列)。如“熱”字的區(qū)位碼為4040（第40區(qū)第40位）。漢字區(qū)位碼可在網(wǎng)上查詢。國標(biāo)碼國標(biāo)碼是由區(qū)位碼稍作轉(zhuǎn)換得到,其轉(zhuǎn)換方法為:先將十進制區(qū)碼和位碼轉(zhuǎn)換為十六進制的區(qū)碼和位碼，再將這個代碼的第一個字節(jié)和第二個字節(jié)分別加上20H,就得到國標(biāo)碼。如：熱”字的國標(biāo)碼為4848H，它是經(jīng)過下面的轉(zhuǎn)換得到的:4040D-2828H-+2020H-4848H。機內(nèi)碼國標(biāo)碼是漢字信息交換的標(biāo)準編碼，但因其前后字節(jié)的最高位為0,與ASCII碼發(fā)生沖突。如“熱”字，國標(biāo)碼為4848H，而英文字符

21、H”的ASCII也為48H，現(xiàn)假如內(nèi)存中有兩個字節(jié)為48H和48H,這到底是一個漢字，還是兩個英文字符“H”？于是就出現(xiàn)了二義性，顯然，國標(biāo)碼是不可能在計算機內(nèi)部直接采用的。于是，漢字的機內(nèi)碼采用變形國標(biāo)碼，其變換方法為：將國標(biāo)碼的每個字節(jié)都加上128（即80H），即將兩個字節(jié)的最高位由0改1,其余7位不變，如上面我們知道，“熱”字的國標(biāo)碼為4848H,加上8080H，因此，“熱”字的機內(nèi)碼就是C8C8H。利用Word的“插入-字符”工具查看漢字“熱”的編碼“熱”字的Unicode碼為70EDH。Unicode碼與機內(nèi)碼（基于我國國標(biāo)編碼）是兩套獨立的編碼體系，相互之間沒有固定的轉(zhuǎn)換機制。那么

22、，怎樣同時獲得某個漢字的機內(nèi)碼與Unicode碼呢？可使用下面的小軟件（詳見配套資源“査詢字符的兩種編碼.exe”）：查詢漢字的兩種編碼輸入碼在使用鍵盤錄入漢字時，要用到輸入碼“熱”字的全拼輸入法編碼為re，五筆字型輸入法編碼為rvyo。字形碼顯示、打印漢字時要用到字庫字形。下面的軟件，調(diào)用了宋體16點陣字庫，來顯示漢字(詳見配套資源“滾動字幕.exe”)：查看漢字的點陣字形【練習(xí)5】你能寫出圖中漢字“熱”的字形編碼嗎？用十六進制表示(直接將二進制轉(zhuǎn)換為十六進制，每4位二進制數(shù)字對應(yīng)1位十六進制數(shù)字)。漢字“熱”的字形編碼占多少字節(jié)？(參考答案：0840084008487FFC08480A481CC8684808A8088A290A1204