《計算機應用基礎項目式教程》 教案 項目一 學習計算機基礎知識

計算機應用項目式教程教案課程信息課程名稱計算機應用項目式教程授課專業(yè)計算機系課程類型必修課公共課（）；專業(yè)基礎課（）；專業(yè)課（√）；選修課限選課（）；任選課（）；專業(yè)拓展課（）授課方式講授（√）；實踐課（√）；其它（）考核方式考試（）；考查（√）課程教學總學時數32學時學分數2學分教材名稱計算機應用項目式教程作者羅印、徐文平出版社西安電子科技大學出版社書號978-7-5606-7010-2出版時間2023.08教學課題：項目一學習計算機基礎知識學時4學時教學主要內容：任務一了解計算機的發(fā)展任務二學習計算機的工作原理任務三學習計算機中信息的表示和存儲任務四了解多媒體技術學習目標：1.了解計算機的發(fā)展2.熟知計算機的工作原理3.掌握信息的表示和存儲4.了解多媒體技術教學重點、難點：本項目通過4個任務介紹計算機的基礎知識，包括計算機的發(fā)展、計算機的基本工作原理、計算機中信息的表示和存儲以及多媒體技術等相關知識，為后面的進一步學習奠定基礎。教學方法：板書、多媒體視頻、課堂提問、實訓操作、課后練習拓展等課程內容：任務一了解計算機的發(fā)展一、計算機的發(fā)展電子計算機誕生以前，人類曾經發(fā)明了多種計算工具：先后出現了算盤、計算尺、機械式計算機。目前公認的第一臺電子計算機是在1946年2月由美國賓夕法尼亞大學研制成功的“電子數字積分計算機”（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，ENIAC），如圖1-1所示。其采用電子管作為基本組成元件，每秒能進行5000次加減運算，共占地170平方米，采用了近18000個電子管、1500多個繼電器、70000多個電阻、10000多個電容，重約30噸，功率約150kW。雖然與現在的計算機相比，ENIAC是個龐然大物并且運算速度慢，但是ENIAC機的問世具有劃時代的意義，它奠定了計算機發(fā)展的基礎，標志著計算機時代的到來。自從第一臺計算機誕生60多年以來，計算機技術的發(fā)展非常迅速，計算機的應用已經普及到了社會的各個領域，它不僅服務于科學、生產、國防、教育等領域，也服務于家庭和個人。它已經成為人類在工作、學習、日常娛樂等活動中的一種非常重要的工具，是促進人類社會不斷進步的重要手段。在這60多年的發(fā)展過程中，根據計算機所采用的基本物理元件，可將計算機的發(fā)展劃分為四個時代。1.第一代——電子管計算機（1946—1957）2.第二代——晶體管計算機（1958—1964）3.第三代——集成電路計算機（1965—1970）4.第四代——大規(guī)模集成電路（1970至今）二、計算機的特點計算機的應用范圍如此廣泛，與其自身的特點是密不可分的。計算機的特點主要有以下幾個方面：1.運算速度快2.存儲能力強3.具有邏輯判斷能力4.自動化程度高5.可靠性高6.計算精度高三、計算機的分類和應用計算機在誕生初期主要被應用到科研和軍事領域，隨著科技的不斷進步和社會發(fā)展，計算機的性能不斷提高，種類繁多，已被應用到社會的各個領域。1.計算機的分類隨著計算機技術的發(fā)展和應用范圍的擴大，尤其是微處理器的發(fā)展，計算機的類型呈現出多樣化的特點。人們對于計算機有多種分類方法。（1）按工作原理劃分計算機可分為模擬計算機和數字計算機兩大類。模擬計算機的主要特點是：參與運算的數值由不間斷的連續(xù)量表示，其運算過程是連續(xù)的。模擬計算機由于受元器件質量影響，其計算精度較低，應用范圍較窄，目前已很少生產。數字計算機的主要特點是：參與運算的數值由不連續(xù)的數值表示，其運算是按位進行計算，數字計算機由于具有邏輯判斷等功能，是以近似人類大腦的“思維”方式進行工作，所以又被稱為“電腦”。（2）按計算能力劃分計算機按其規(guī)模、速度和功能等又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機。這些類型之間的基本區(qū)別通常在于其體積大小、結構復雜程度、功率消耗、性能指標、數據存儲容量、指令系統(tǒng)和設備、軟件配置等。（3）按用途劃分數字計算機按用途及其使用的范圍又可分為專用計算機和通用計算機。專用與通用計算機在其效率、速度、配置、結構復雜程度、造價和適應性等方面是有區(qū)別的。2.計算機的應用計算機的應用領域非常廣泛，可以大概概括為以下幾個方面：（1）科學計算（2）過程控制（3）計算機輔助系統(tǒng)（4）信息處理（5）智能模擬四、計算機的發(fā)展趨勢隨著人類社會的發(fā)展和科學技術的不斷進步，計算機技術也在不斷發(fā)展和進步，計算機的體積不斷變小、性能速度不斷提高，新的計算機產品不斷的涌現，但計算機總的發(fā)展趨勢是向著微型化、巨型化、網絡化和智能化這4個方向發(fā)展。五、信息技術相關概念自上世紀五十年代開始人類就進入了信息社會。信息社會的一個顯著特點就是信息增長特別快，有信息“爆炸”之說。信息已成為現代社會中使用最多、最廣泛、頻率最高的一個詞匯。1．信息目前關于信息的定義有很多，各種不同的說法是從不同的領域提出的，都有一定的道理。所以，人們日常所談到的信息是一個不甚精確的概念。對于信息的定義應有普遍性，應能適應一切領域。從信息系統(tǒng)的角度看，信息具有以下基本屬性。（1）事實性（2）擴散性（3）傳輸性（4）共享性（5）增值性（6）不完全性（7）等級性（8）滯后性2．信息技術和信息處理信息技術（InformationTechnology，簡稱IT），是應用在信息加工和處理中的科學、技術與工程的訓練方法和管理技巧；這些方法和技巧的應用，涉及人與計算機的相互作用，以及與之相應的社會、經濟和文化等事物。由此可見，信息技術一般是指與計算機、通信相關的一系列技術；信息技術是能夠對巨大數據量、格式各異且變化的、分布的信息進行收集、記憶、處理、展示、發(fā)布和使用的技術；信息技術越來越同文本、圖形、圖像、聲音、視頻等多種媒體相關聯的技術?？偲饋碚f，信息技術就是用于管理和處理信息所采用的各種技術的總稱。它主要是應用計算機科學和通信技術來設計、開發(fā)、安裝和實施信息系統(tǒng)及應用軟件。它也常被稱為信息和通信技術（InformationandCommunicationsTechnology,ICT）。主要包括傳感技術、計算機技術和通信技術。信息技術的應用包括計算機硬件和軟件，網絡和通訊技術，應用軟件開發(fā)工具等。計算機和互聯網的普及以來，人們日益普遍的使用計算機來生產、處理、交換和傳播各種形式的信息（如書籍、商業(yè)文件、報刊、唱片、電影、電視節(jié)目、語音、圖形、影像等）。3.信息安全信息既是一種資源，也是一種財富。隨著知識經濟時代的到來，保護重要信息的安全，已經成為全社會普遍關注的問題。而計算機犯罪、計算機病毒、誤操作、計算機設備的物理性破壞已成為威脅計算機信息安全的四大主要隱患。如何來預防和消除這些隱患已成為全民關注的焦點。計算機作為信息處理的主要工具，存儲著各種信息，這些信息有著不可估量的價值。保證計算機信息的安全就是要保護計算機硬件、軟件、數據等不因偶然的或惡意的因素而遭到破壞和更改。我們可以技術角度、法律法規(guī)和道德規(guī)范三個方面來保證計算機信息的安全。任務二學習計算機的工作原理一、計算機工作原理自從第一臺電子計算機被研制成功以來，計算機的制造技術發(fā)生了巨大的變化，主要構造部件雖經歷了由電子管到超大規(guī)模集成電路的變化，但基本原理一直沿用的是美籍匈牙利數學家馮·諾依曼提出的“程序存儲”設計思想。馮·諾依曼也因此被稱為“計算機之父”。1.“程序存儲”設計思想按照馮·諾依曼設計理論，可以先執(zhí)行的任務編制成程序，輸入到計算機進行存儲，然后計算機能夠自動執(zhí)行程序指令，并將結果輸出。馮·諾依曼設計思想的主要內容如下：（1）計算機內部的數據和指令用二進制數表示。（2）將事先編好的程序和需要處理的數據首先存入到存儲器中，在計算機執(zhí)行程序的過程中，不需要人工干預，計算機會自動地從存儲器中按照順序一條一條地取出指令并執(zhí)行。（3）確立了計算機硬件系統(tǒng)的基本組成。計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備五大基本部分組成。馮·諾依曼設計思想對這五大部分的基本功能進行了規(guī)定和說明。2.指令和指令系統(tǒng)按照馮·諾依曼的“存儲程序”設計思想，計算機是根據程序，按照步驟順序執(zhí)行的。在計算機中，每一個操作的步驟稱為“指令”，即“命令”。計算機所執(zhí)行的所有指令的集合就構成了“指令系統(tǒng)”。（1）指令（2）指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是指一臺計算機所能執(zhí)行的所有指令的集合。不同類型的計算機，其指令系統(tǒng)包括的指令條數也不盡相同。但是任何一個比較完善的指令系統(tǒng)都應包括數據傳送指令、算術運算指令、邏輯運算指令、程序控制指令、輸入輸出指令和其他指令。3.程序通俗地講，程序就是要讓計算機完成某一項任務而編制的工作步驟，只不過這個工作步驟是用計算機的指令來描述的。所以，我們從計算機技術這個角度來講，程序是指令的有序集合。指令可以是機器指令，由機器指令編制的程序我們叫做機器語言程序。如果用高級語言的指令編制的程序，我們叫做高級語言程序。4.計算機工作過程在了解了以上指令和“程序存儲”原理的基礎上，我們對計算機的工作過程和工作原理就不難理解：基于馮·諾依曼體系結構的計算機的工作過程，實際上就是計算機執(zhí)行指令的過程。指令的執(zhí)行過程如下：取指令：CPU按照程序計數器中的內容即指令在存儲器的地址，從內存儲器中取出指令并將指令送到指令寄存器中。分析指令：對指令寄存器中的指令進行分析和譯碼，將指令的操作碼轉換成對應的電位控制信號；分析指令過程還確定操作數的地址。執(zhí)行指令：CPU根據第2步得到的信息完成本條指令所要求的操作。一條指令執(zhí)行完成，修改程序計數器中的值，讓其指向下一條要執(zhí)行的指令。二、計算機系統(tǒng)組成一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的，硬件與軟件相輔相成，缺一不可，馮·諾依曼的結構理論提出了計算機的硬件由運算器、存儲器、控制器、輸入設備、輸出設備五大部分組成。其基本功能是在計算機程序的控制下，完成數據的輸入、運算和輸出等任務。1.計算機硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)是指組成一臺計算機的一些實實在在的物理設備的總稱。根據馮·諾依曼的設計思想，計算機硬件系統(tǒng)包括運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備五大基本部分。（1）運算器運算器又稱算術邏輯單元（ArithmeticLogicUnit，ALU）。運算器主要負責對二進制代碼進行算術和邏輯的運算，是計算機進行各種運算的最重要的部分。（2）控制器控制器是一個復雜的邏輯電路，由程序計數器、指令寄存器、指令譯碼器及操作控制電路、時序電路等組成。（3）存儲器隨著計算機技術的發(fā)展，計算機中使用的存儲器也有許多種類。按照功能劃分，存儲器可以分為兩大類：內存儲器（簡稱內存，也稱為主存儲器）和外存儲器（簡稱外存，也稱為輔助存儲器）。（4）輸入設備輸入設備用于將需要計算機運行的程序和數據輸入計算機，并將這些信息轉換成計算機可以識別的二進制編碼。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆、麥克風等。（5）輸出設備輸出設備能夠接收從計算機內存?zhèn)魉蛠淼奶幚斫Y果并以人們熟悉的文字、圖形、聲音等形式展現出來。常見的輸出設備有顯示器、打印機、音響等。2.計算機軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是指由系統(tǒng)軟件和應用軟件組成的為了運行、管理和維護計算機而編制的各種程序、數據和相關資料的總稱。硬件與軟件是彼此相互獨立的，欲使硬件按要求工作，離不開軟件的支持，軟件也不能離開硬件而存在，軟件與硬件是相輔相成協(xié)調運行的一個整體。軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。任務三學習計算機中信息的表示和存儲一、數據及其單位計算機中所有的內容都可以稱為數據，可以是數值、文字、圖形、圖像、視頻等各種數據形式。這些數據在計算機內部都是采用二進制0和1組成的代碼來表示的。由此產生了衡量這些數據的量的一些單位。1.位（bit）位又稱為比特，是計算機存儲數據和進行運算的最小單位。位是二進制數中的一個數位，代碼只有0和1。2.字節(jié)（Byte）字節(jié)是計算機數據的最基本單位，是計算機存儲和運算的基本單位。一個字節(jié)由8個比特構成，即1Byte=8bit。通常用到的單位還有KB、MB、GB、TB和PB，它們與字節(jié)的關系是：1KB（千字節(jié)）=1024B（字節(jié)）1MB（兆字節(jié)）=1024KB（千字節(jié)）1GB（吉字節(jié)）=1024MB（兆字節(jié)）1TB（太字節(jié)）=1024GB（吉字節(jié)）1PB（拍字節(jié)）=1024TB（太字節(jié)）3.字（Word）兩個字節(jié)可組成一個“字”這樣的數據處理單位，雙字由4個字節(jié)組成。計算機中有些指令是以字或雙字為數據的基本處理單位。二、數制及其轉換1.數制數制是人們利用符號來計數的科學方法。數制分為非進位計數制和進位計數制。人們日常生活中使用的是進位十進制。計算機中對數據的處理則采用二進制，還有八進制和十六進制。二進制數，逢二進一；八進制數，逢八進一；十進制數，逢十進一；十六進制數，則逢十六進一。數制都有兩個相同的概念：基數和位權?；鶖凳侵冈谶@種進位制中允許使用的基本數碼，也即每個數位上能使用的數碼個數。例如，十進制數的基數是10，二進制數的基數是2。位權，代表數碼在數據中的大小。例如十進制數123，其中，1在百位上，代表100，2在十位上，代表20，3在個位上，代表3個。2.數制間的轉換（1）非十進制數轉換為十進制數非十進制數轉換成十進制數的統(tǒng)一方法是，按位權展開相加，即“乘權求和法”。具體操作方法是，將非十進制數按權展開，把各位的權數與該位上的數碼相乘，然后按十進制運算規(guī)則相加即可。（2）十進制數轉換成其他進制數十進制數轉換成二進制、八進制和十六進制數，可以將整數和小數部分分別進行轉換，然后拼接起來。（3）二進制數轉換成八進制、十六進制數因為二進制的基數是2，八進制的基數是8，并且8=23，也就是說，3位二進制數對應1位八進制數。所以，二進制轉換成八進制的方法是：以小數點為界分別向左右分組，每三位為一組，左右兩頭不足3位可以補0湊滿3位，把每組二進制數都按照對應關系轉換成八進制數。（4）八進制數、十六進制數轉換成二進制數八進制數轉二進制數的方法是將八進制數的每一位按照對應關系轉換成3位的二進制數即可。三、二進制數的運算二進制的運算包括算術運算和邏輯運算。1.算術運算二進制數的算術運算同十進制數的算術運算一樣，包括加法、減法、乘法和除法。其中加法和減法是基本運算，利用加法和減法可以實現二進制數的乘法和除法。（1）加法運算（2）減法運算（3）乘法運算（4）除法運算2.邏輯運算計算機只能識別二進制信息，所以在計算機內用二進制數“1”和“0”來代表邏輯概念上的真與假、對與錯、是與否、有與無等。并稱“1”和“0”為邏輯變量，邏輯變量之間的運算就稱為邏輯運算。邏輯運算包括：邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或4種。并可以從這些基本邏輯運算中推導出其他運算。（1）邏輯“與”運算邏輯“與”運算又稱為邏輯乘法運算，通常用符號“×”或“∧”來表示兩個邏輯變量之間的邏輯與關系。邏輯“與”的運算規(guī)則：0∧0=00∧1=01∧0=01∧1=1（2）邏輯“或”運算邏輯運算又稱為邏輯加法運算，通常用符號“+”或“∨”來表示兩個邏輯變量之間的或關系。邏輯“或”的運算規(guī)則：0∨0=00∨1=11∨0=11∨1=1（3）邏輯運算邏輯“非”運算又稱為邏輯否定運算，通常是在邏輯變量的上方加一橫線來表示，如。邏輯“非”的運算規(guī)則：=1 =0邏輯“非”運算經常用來表示與其相反的一面。例如，變量A表示女性，則表示非女性，即男性。（4）邏輯“異或”運算邏輯“異或”運算，通常用符號“EQ\o\ac(○,+)”來表示。邏輯“異或”的運算規(guī)則：0EQ\o\ac(○,+)0=00EQ\o\ac(○,+)1=11EQ\o\ac(○,+)0=11EQ\o\ac(○,+)1=0四、字符編碼計算機是以二進制的形式存儲和處理數據的，因此只能對“0”和“1”構成的二進制序列進行處理。對于字母、符號、漢字、語音、圖片、圖形等非數值信息就必須將其轉換成用“0”和“1”組成的按特定規(guī)則排列的二進制序列，這一轉換過程就是編碼。不同種類的信息，相應地有不同的編碼方式。1.西文字符的編碼對字符進行編碼的方式有多種，在計算機中采用的最基本的編碼方式是ASCII和Unicode兩種編碼方式。2.漢字的編碼漢字是象形文字，且數量多、結構復雜，因此對漢字的編碼相對來說比較困難。而且在一個漢字處理系統(tǒng)中，輸入、內部處理、輸出對漢字編碼的要求不相同，所以對每一個漢字都有四種表示方法，即輸入碼、國標碼、內碼和字形碼。任務四了解多媒體技術一、媒體與多媒體技術1.媒體所謂媒體（Medium），在通常意義下是指媒介、傳媒等中間物質。在計算機領域有兩種含義：一是指用以存儲信息的實體，如磁帶、磁盤等；另一種是指信息的載體。2.多媒體多媒體（Multimedia）,是多種媒體的融合，一般指組合兩種或以上媒體的一種人機交互信息交流和傳播媒體。3.多媒體技術多媒體技術是指對多媒體進行處理和應用的一整套技術。4.媒體的分類在計算機領域，媒體的主要表現形式有三種：聽覺類媒體、視覺類媒體、觸覺類媒體。二、多媒體技術特點多媒體技術具有以下幾個重要特點：1.集成性多媒體技術的集成性，表現在多媒體信息的集成和操作這些媒體信息的軟件和設備的集成。2.多樣性多媒體技術的多樣性，主要表現在信息媒體的多樣化。3.交互性多媒體技術的交互性，是指用戶可以與計算機進行交互操作，同時提供多種交互控制功能。4.實時性多媒體技術的實時性，是指當用戶給出操作命令時，相應的多媒體信息都能夠得到及時控制。5.協(xié)同性多媒體技術的協(xié)同性，是指多媒體中的每一種媒體都有其自身的特性，各媒體信息之間必須有機配合，并協(xié)調一致。三、多媒體計算機系統(tǒng)多媒體計算機系統(tǒng)是指多媒體終端設備、多媒體網絡設備、多媒體服務系統(tǒng)、多媒體軟件以及有關的媒體數據組成的有機整體。具體來說，一個完整的多媒體計算機系統(tǒng)包括：多媒體硬件子系統(tǒng)和多媒體軟件子系統(tǒng)。1.多媒體硬件子系統(tǒng)一臺多媒體計算機主要包括以下幾個關鍵硬件：（1）主機主機包括中央處理器和內存儲器，這是計算機的最關鍵部分。目前流行的各種中央處理器都能達到專業(yè)級水平的媒體制作和播放，而且有些微處理器中還加入了近百條專門的多媒體指令，使PC多媒體方面的性能達到了一個新的境界，帶來了豐富的視頻、音頻、動畫和三維效果。主頻越來越高，內存越來越大，在任何時間、任何地點都能運行多媒體內容豐富的軟件。（2）聲卡聲卡的主要功能是對聲音進行數/模轉換，將聲音采樣存入計算機或將數字聲音轉為聲波播放。聲卡通常還有MIDI聲樂合成器和CD-ROM控制器，高檔的還有DSP（數字信號處理）裝置。當然，聲卡并不是決定多媒體計算機音響效果的唯一因素，還需要優(yōu)質的音箱配合。（3）視頻卡視頻卡是將視頻圖像信號轉換成計算機數字圖像的主要設備，它的性能直接影響到多媒體計算機的圖像效果。主要有以下幾種：視頻轉換卡、視頻捕捉卡、視窗動態(tài)視頻卡、視頻JPEG/MPEG壓縮卡等。（4）各種外部設備根據需要多媒體計算機還可配置耳機、麥克風、掃描儀、打印機、攝像機、數字照相機、光盤驅動器、光筆/鼠標、觸摸屏、傳真機、可視電話等。（5）多媒體通信設備為了讓多媒體計算機能夠通過網絡傳輸和接受多媒體信息，還應該配置網絡通信設備，如調制解調器、網卡等。上述只是多媒體計算機的主要硬件設備，在實際運用中還有很多輔助設備，而且隨著硬件技術的發(fā)展，還會出現更多新的設備，我們可以在實際使用的過程中逐步去認識它們。2.多媒體軟件子系統(tǒng)多媒體計算機的軟件種類很多，根據功能可以分為多媒體操作系統(tǒng)、媒體處理系統(tǒng)工具和用戶應用軟件3類。（1）多媒體操作系統(tǒng)多媒體操作系統(tǒng)系統(tǒng)應具有實時任務調度、多媒體數據轉換和同步控制、多媒體設備的驅動和控制、圖形用戶界面管理等功能。常用的Windows操作系統(tǒng)就是多媒體操作系統(tǒng)。（2）媒體處理系統(tǒng)工具媒體處理系統(tǒng)工具亦稱多媒體系統(tǒng)開發(fā)工具軟件，主要包括媒體創(chuàng)作軟件工具、多媒體節(jié)目寫作工具、媒體播放工具、多媒體數據庫管理系統(tǒng)等各類媒體處理工具。（3）用戶應用軟件用戶應用軟件是根據多媒體系統(tǒng)終端用戶要求而定制的應用軟件或面向某一領域的用戶應用軟件。例如，Photoshop、3dsmax、Director、PowerPoint、Illustrator等等。四、常用多媒體文件在計算機中，利用多媒體技術可以將聲音、文字、圖像等多種媒體信息進行綜合處理，并以不同的文件類型進行存儲。下面分別介紹常用的媒體文件及格式。1.音頻文件音頻文件在計算機中存儲的格式較多，包括WAV、MIDI、MP3、RM、Audio等。2.圖像文件靜態(tài)圖像是計算機中常用的文件格式，分為矢量圖和位圖兩種。常見的靜態(tài)圖像格式包括：BMP、GIF、JPEG、PNG、TIFF、WMF等。3.視頻文件視頻文件在計算機中的常見格式，包括AVI、MOV、MPEG、ASF、WMV等。五、多媒體相關軟件1.圖形圖像處理軟件（1）PhotoshopPhotoshop是Adobe公司推出的一款圖像處理軟件，集成了如圖像采集、特效處理等較多實用功能，是一款功能強大的圖像和圖片的制作工具，廣泛應用于平面設計、網頁制作、三維圖像繪制等，能夠幫助用戶制作出美觀的圖片以及較好效果的圖片，比如圖書封面、廣告宣傳、寫真海報、婚紗照片、創(chuàng)意文字等，幫助用戶進行照片修復、圖片處理、圖像特效、圖像效果增強等。（2）CorelDrawCorelDraw是Corel公司推出的一款矢量圖形制作的平面設計軟件，給設計師提