1.2.3數(shù)據(jù)編碼及壓縮教學(xué)設(shè)計(jì)-2023-2024學(xué)年人教-中圖版高中信息技術(shù)必修1

學(xué)科信息技術(shù)年級(jí)班級(jí)授課教師章節(jié)第一章第二節(jié)課題名稱數(shù)據(jù)編碼及數(shù)據(jù)壓縮課型新授課課標(biāo)要求內(nèi)容要求：知道數(shù)據(jù)編碼的基本方式,了解數(shù)據(jù)編碼意義和作用，理解數(shù)據(jù)采集、分析和可視化表達(dá)是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合生活中的實(shí)例感受它們對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊?。學(xué)業(yè)要求：能夠描述數(shù)據(jù)與信息的特征，知道數(shù)據(jù)編碼的基本方式。掌握數(shù)字化學(xué)習(xí)的方法，能夠根據(jù)需要選擇合適的數(shù)字化工具開展學(xué)習(xí)。教學(xué)目標(biāo)（核心素養(yǎng)）1.理解字符編碼、聲音、圖像編碼實(shí)現(xiàn)過程，知道采樣、量化、編碼三個(gè)步驟?！拘畔⑺仞B(yǎng)】【計(jì)算思維】2.知道聲音、圖像影響因素，掌握字符、聲音、圖像存儲(chǔ)容量的計(jì)算方法，能夠選擇合適的工具解決常見問題?！拘畔⑺仞B(yǎng)】【計(jì)算思維】3.能夠根據(jù)需要選擇合適的字符編碼；認(rèn)識(shí)到圖像信息安全風(fēng)險(xiǎn)，尊重他人的知識(shí)版權(quán)，承擔(dān)信息社會(huì)責(zé)任?！拘畔⑸鐣?huì)責(zé)任】教學(xué)重點(diǎn)1.常見的字符編碼方案；2.聲音編碼的實(shí)現(xiàn)過程；3.圖像數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)過程4、數(shù)據(jù)壓縮教學(xué)難點(diǎn)1.常見字符處理問題的解決方法；2.音頻質(zhì)量的影響因素教學(xué)方法講授法，案例分析法、探究法教學(xué)過程教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)二次備課新課引入請(qǐng)同學(xué)們幫忙看看我這個(gè)文檔是怎么了？在日常使用計(jì)算機(jī)的時(shí)候，同學(xué)們有沒有遇到過這樣的情況或問題呢：打開文本文檔、瀏覽網(wǎng)頁時(shí)出現(xiàn)了亂碼現(xiàn)象遇到這些情況時(shí)，我們?cè)撛趺崔k呢？若想解決問題，必要知其原理。今天，我們就和大家一起來探究計(jì)算機(jī)是如何處理字符的。觀察打開的文檔，思考為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？展示一篇文檔，發(fā)現(xiàn)文檔怎么變成了亂碼，用請(qǐng)同學(xué)們幫幫忙引入課題，引導(dǎo)學(xué)生思考這是什么原因造成的。教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)環(huán)節(jié)計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的一種工具，只識(shí)別0和1的二進(jìn)制。因此，在處理各種對(duì)象時(shí)需要將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。那么字符是如何轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制的呢？一.字符編碼1.字符編碼的概念字符編碼是按照預(yù)先確定的規(guī)則，將所需字符轉(zhuǎn)換映射為計(jì)算機(jī)可以接受的二進(jìn)制數(shù)字的過程。字符編碼方案會(huì)為每個(gè)字符指定對(duì)應(yīng)的數(shù)字編碼，便于不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)間交換文件，產(chǎn)生的編碼叫做交換碼。字符編碼包括字符集（系統(tǒng)支持的所有抽象字符的集合）與字符編碼（方案）（符號(hào)集合與數(shù)字系統(tǒng)間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系的法則）。(1)英文字符編碼方案——ASCII在ASCII編碼方案中，制定了包含128個(gè)英文字符的字符集，包括英文大小寫字、數(shù)字、常用符號(hào)等。提問思考：至少需要幾個(gè)字節(jié)可以表示128個(gè)字符呢？1個(gè)字節(jié)為8位，可以表示256種情況。因此，ASCII采用1個(gè)字節(jié)對(duì)128個(gè)字符進(jìn)行編碼。(2)中文字符編碼方案當(dāng)計(jì)算機(jī)引入中國(guó)后，我國(guó)的中文漢字多達(dá)10萬多個(gè)，1個(gè)字節(jié)的ASCII編碼已無法滿足需求。因此，我國(guó)設(shè)計(jì)了GB系列字符編碼用于將漢字轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字。(2)中文字符編碼方案當(dāng)計(jì)算機(jī)引入中國(guó)后，我國(guó)的中文漢字多達(dá)10萬多個(gè)，1個(gè)字節(jié)的ASCII編碼已無法滿足需求。因此，我國(guó)設(shè)計(jì)了GB系列字符編碼用于將漢字轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可接受的數(shù)字。(3)unicode字符集與編碼方案每個(gè)國(guó)家擁有自己的語言和文化，在使用計(jì)算機(jī)時(shí)也會(huì)建立自己的字符編碼。隨著互聯(lián)網(wǎng)將世界連接起來，各個(gè)國(guó)家采用的字符編碼不同，信息交流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生問題。那么有沒有一種編碼方案能夠容納世界上的所有字符，實(shí)現(xiàn)集大成者呢？面對(duì)這樣的情況，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和Unicode組織制定了unicode字符集，致力于將世界上所有文字和符號(hào)都納入，以滿足使用不同語言的人利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流。對(duì)于unicode字符集，常見的編碼方案有UTF8、UTF16、UTF32等。(4)體驗(yàn)活動(dòng)：txt中的聯(lián)通剛剛我們學(xué)習(xí)了常見的字符編碼，下面我們通過實(shí)踐體驗(yàn)一下不同的字符編碼對(duì)字符處理會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響。=1\*GB3①體驗(yàn)實(shí)踐請(qǐng)同學(xué)們?cè)谧约旱挠?jì)算機(jī)中新建一個(gè)txt文檔，輸入“聯(lián)通”兩個(gè)漢字，保存后再打開看看會(huì)出現(xiàn)什么？=2\*GB3②原理分析經(jīng)過實(shí)踐，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)“聯(lián)通”兩個(gè)字變成了亂碼，那么這是為什么呢？讓我們通過一段短片來看一下。=3\*GB3③問題解決文本文檔【另存為】【編碼】選項(xiàng)中選擇合適的字符編碼。二、聲音編碼在平時(shí)的生活中，我們經(jīng)常會(huì)使用微信語音來和別人交流。在聆聽微信語音的時(shí)候，你有沒有注意過這樣一個(gè)現(xiàn)象：對(duì)方發(fā)過來的微信語音和他真實(shí)說話的聲音不太一樣呢？聲音是如何進(jìn)入成為微信語音的？下面我們繼續(xù)來了解說話聲音到微信語音都經(jīng)歷了什么過程。1.聲音的表示聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，振動(dòng)可以通過波形來記錄。振幅反映了響度的強(qiáng)弱，頻率反映了音調(diào)的高低。連續(xù)變化的模擬信號(hào)可以在多次傳輸時(shí)，易受干擾，導(dǎo)致失真、產(chǎn)生噪音等。例如，以前的磁帶就是依靠模擬信號(hào)來記錄聲音，但不易多次復(fù)制、保存等。2.聲音編碼的實(shí)現(xiàn)過程聲音編碼就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理、傳輸。那么聲音編碼如何實(shí)現(xiàn)呢？(1)聲音采樣聲音采樣是以相等的時(shí)間間隔(通常為1秒)測(cè)得多少個(gè)聲音模擬信號(hào)的值，即用多少采樣點(diǎn)來表示聲音波形。采樣點(diǎn)是越多還是越少，采樣的效果更好呢？采樣頻率是每秒采樣聲音的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)。采樣頻率越高聲音還原度越高，但是存儲(chǔ)容量也就越高。通常，高保真音樂的采樣頻率為44.1kHz，即每秒采集44100次。(2)聲音量化聲音量化是將采樣點(diǎn)的值進(jìn)行分級(jí)量化，將采樣值變換到最接近的數(shù)字值，即用有限個(gè)數(shù)的數(shù)值近似地表示原來連續(xù)變化的值。那么，量化值的分級(jí)是越多還是越少，量化的結(jié)果更好呢？量化位數(shù)是指表示量化值的二進(jìn)制位數(shù)。量化位數(shù)越多，聲音越接近原始的模擬信號(hào)，音頻質(zhì)量越好。經(jīng)過量化，每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值轉(zhuǎn)換成了對(duì)應(yīng)的量化值，確定二進(jìn)制位數(shù)，形成二進(jìn)制編碼。但初始的二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)量較多，占用的存儲(chǔ)容量較大。(3)聲音編碼確立編碼規(guī)則，優(yōu)化數(shù)據(jù)排列。由于圖像中會(huì)存在許多的重復(fù)和冗余信息，因此在編碼時(shí)可以通過壓縮技術(shù)，來減少圖像文件存儲(chǔ)容量。未壓縮音頻文件格式：WAV無損壓縮音頻文件格式：無損壓縮是通過優(yōu)化數(shù)據(jù)排列方式減少文件的存儲(chǔ)容量，其還原壓縮數(shù)據(jù)后與壓縮前相同。APE音頻文件格式就是一種無損壓縮。有損壓縮音頻文件格式：有損壓縮是損失一定的信息，提高壓縮比，從而減少存儲(chǔ)容量。人耳聽到的頻率是20Hz20000Hz，可以將此范圍外的數(shù)據(jù)刪除，從而減少存儲(chǔ)容量。例如，常用的MP3、移動(dòng)端AMR都是屬于有損壓縮。小結(jié)常見音頻文件格式：經(jīng)過剛才的學(xué)習(xí)，我們了解了聲音是如何通過編碼稱為數(shù)字信號(hào)，從而可被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理與傳輸?shù)摹，F(xiàn)在我們回到最開始的問題，為什么真實(shí)說話聲音與微信語音的聲音聽起來不太一樣呢？在聲音編碼的實(shí)現(xiàn)過程中，哪些環(huán)節(jié)在影響著音頻的質(zhì)量呢？(1)采樣頻率：采樣頻率越高，采集點(diǎn)越多，聲音還原度越好。(2)量化位數(shù)：量化位數(shù)越多，量化值越精確，音頻質(zhì)量越高。(3)編碼方式（文件格式）：經(jīng)過有損壓縮的文件格式會(huì)舍去部分信息，未壓縮和無損壓縮文件格式的音頻質(zhì)量更好。(4)聲道數(shù)：人耳在接收聲音信息時(shí)，依據(jù)左右耳的差異來感知聲音的位置、效果等。聲道數(shù)就是基于此產(chǎn)生的。聲道數(shù)是指聲音錄制時(shí)的音源數(shù)量或回放時(shí)相應(yīng)的揚(yáng)聲器數(shù)量，不同的聲道數(shù)可以播放相同或者不同的音源以達(dá)到不同效果。例如，單聲道常用語廣播等；雙聲道常用于音樂播放，所以我們利用耳機(jī)聽音樂時(shí)會(huì)感覺到左右耳聲音有些微不同，就是因?yàn)樽笥衣暤酪粼吹牟町悾画h(huán)繞聲通常用于電影院，常見聲道數(shù)有5個(gè)，以讓觀眾體會(huì)到身臨其境的感受。剛剛我們探究了影響音頻質(zhì)量的因素，其實(shí)這些因素也在影響著音頻存儲(chǔ)容量的大小。音頻所占存儲(chǔ)容量的計(jì)算方法=采樣頻率×量化位數(shù)×聲道數(shù)×?xí)r間（秒）/8（字節(jié)）例：一首100s的雙聲道音頻，采樣頻率為44.1kHz，量化位數(shù)為16，計(jì)算該音頻所占的存儲(chǔ)容量。你能嘗試列出計(jì)算式子嗎？44100×16×100×2/8=17640000B≈17MB4.數(shù)字音頻的價(jià)值(1)語音信息交流(2)移動(dòng)支付語音播報(bào):播放支付寶到賬語音信息。(3)地圖語音導(dǎo)航(4)語音控制智能家居(5)記錄、保護(hù)與再生文化播放《有聲版清明上河圖》片段。三、圖像編碼作為信息的載體，圖像在信息社會(huì)中扮演著重要的角色。例如，此次疫情中，圖像就發(fā)揮著自己的作用與價(jià)值。醫(yī)學(xué)影像診斷疫情圖像記錄行程二維碼圖像創(chuàng)作作品問題：圖像已成為生活中必不可少的元素。在日常使用圖像時(shí)，你遇到過這樣的問題嗎？為什么有的圖像很清楚、有的圖像卻很模糊？當(dāng)圖像大小無法滿足系統(tǒng)使用要求時(shí)，該怎么辦？圖像質(zhì)量、大小和顯示都與什么因素有關(guān)呢？若想知道這個(gè)問題的答案，我們首先需要了解計(jì)算機(jī)是如何存儲(chǔ)和處理圖像的。1.數(shù)字圖像是如何形成的（1）實(shí)現(xiàn)方式通過掃描儀、數(shù)字照相機(jī)、智能和連接在計(jì)算機(jī)上的攝像頭等設(shè)備，就可將實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化。（2）實(shí)現(xiàn)過程1、圖像采樣圖像采樣是指將模擬圖像在水平和垂直方向上進(jìn)行分割，形成矩陣。對(duì)圖像采樣后所形成的微小方格稱為像素。像素是數(shù)字圖像的基本單位，一副圖像可看做由許多獨(dú)立的像素所組成的。那么在采樣是，像素個(gè)數(shù)是越多還是越少圖像的質(zhì)量會(huì)更好呢？學(xué)生觀察兩幅圖像，體會(huì)不同像素個(gè)數(shù)的區(qū)別。并理解輸入分辨率對(duì)于圖像質(zhì)量的影響。2、圖像量化圖像量化是對(duì)像素屬性進(jìn)行分級(jí)，每一級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)用有限的數(shù)近似地表示連續(xù)變化的各項(xiàng)屬性。以像素的屬性為例，將其分為4級(jí)，每個(gè)像素選擇這4級(jí)中最接近的顏色。那么分級(jí)越多還是越少，圖像質(zhì)量會(huì)更好呢？將4級(jí)和6級(jí)顏色進(jìn)行對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)分級(jí)數(shù)量不同對(duì)圖像質(zhì)量的影響。顏色的每一個(gè)等級(jí)要用對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字表示。以6級(jí)顏色為例，每個(gè)等級(jí)顏色的二進(jìn)制數(shù)字如下。經(jīng)過量化，每個(gè)像素的顏色屬性就可以轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制編碼。體驗(yàn)實(shí)踐：請(qǐng)?jiān)谌蝿?wù)單中嘗試將本圖像量化后的二進(jìn)制編碼填寫完成。顏色深度用來表示像素顏色所占二進(jìn)制位數(shù)。顏色深度越多，可表達(dá)的色彩越豐富；但存儲(chǔ)容量也會(huì)越大。3、圖像編碼確立編碼方法，形成不同圖像文件格式。由于圖像中會(huì)存在許多的重復(fù)和冗余信息，因此在編碼時(shí)可以通過壓縮技術(shù)，來減少圖像文件存儲(chǔ)容量。3.小結(jié)圖像編碼實(shí)現(xiàn)過程教師引導(dǎo)學(xué)生小結(jié)圖像編碼的實(shí)現(xiàn)過程，并通過微課《拍照時(shí)如何生成數(shù)字圖像》短片進(jìn)一步加深理解。2.影響圖像的因素有哪些（1）影響圖像質(zhì)量的因素提問：在圖像數(shù)字化的過程中，哪些因素影響著圖像的質(zhì)量呢？引導(dǎo)學(xué)生分析多種因素共同影響著圖像質(zhì)量。（2）影響圖像大?。ù鎯?chǔ)容量）的因素提問：對(duì)于圖像大小（存儲(chǔ)容量），它的影響因素是什么呢？引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)圖像所占存儲(chǔ)容量的計(jì)算方法：圖像所占存儲(chǔ)容量（未壓縮）=水平像素?cái)?shù)×垂直像素?cái)?shù)×顏色深度/8（字節(jié)）例題：圖像尺寸為90×72像素，顏色深度為24位，該圖像所占存儲(chǔ)容量是多大？圖像所占存儲(chǔ)容量=90×72×24/8=19440B（3）影響圖像顯示的因素提問：對(duì)于圖像顯示，它的影響因素是什么呢？引導(dǎo)學(xué)生理解圖像是由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的像素構(gòu)成的，像素顏色匯總在一起就是看到的圖像。認(rèn)真聽講，了解什么是字符編碼、不同的編碼類型認(rèn)真聽講，了解什么是字符編碼、不同的編碼類型體驗(yàn)實(shí)踐《txt中的聯(lián)通》，想一想為什么會(huì)出現(xiàn)亂碼的情況？如何解決？認(rèn)真聽講，了解聲音編碼的過程認(rèn)真聽講，了解聲音編碼的過程認(rèn)真聽講，了解聲音編碼的過程認(rèn)真聽講，了解聲音編碼的過程認(rèn)真聽講，了解聲音編碼的過程結(jié)合所學(xué)知識(shí)說一說哪些環(huán)節(jié)在影響著音頻的質(zhì)量通過學(xué)習(xí)掌握音頻所占內(nèi)存的計(jì)算方法結(jié)合自己的實(shí)際生活，是否遇到過一樣的問題，怎么處理？了解數(shù)字圖像的形成方式了解數(shù)字圖像的形成過程了解數(shù)字圖像的形成過程認(rèn)識(shí)圖像的量化方式認(rèn)識(shí)圖像的量化方式認(rèn)識(shí)圖像的量化方式理解各種數(shù)據(jù)壓縮方式了解影響圖像質(zhì)量的因素通過學(xué)習(xí)掌握?qǐng)D像所占內(nèi)存的計(jì)算方法此處通過播放錄制的微課播放學(xué)生觀看后,老師在電腦上操作讓來驗(yàn)證結(jié)果.課堂小結(jié)這節(jié)課我們學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)壓縮，理解數(shù)據(jù)編碼的基本方式，合理的選用數(shù)字化工具解決問題，并且感受數(shù)字化工具的優(yōu)勢(shì)。課后作業(yè)1、一幅640×320像素的256階灰度圖像，其所占的存儲(chǔ)容量是多少？2、對(duì)于同一個(gè)原始音頻，聲音編碼時(shí)參數(shù)分別為采樣率10kHz、量化