粵教版高中信息技術(shù)必修《數(shù)據(jù)編碼》教學(xué)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)編碼

【教學(xué)目標(biāo)】

1、了解通信信號(hào)的特點(diǎn)，能正確區(qū)分?jǐn)?shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)，培養(yǎng)

基本的信息意識(shí)。

2、知道常見的信息交換方式及相關(guān)信息術(shù)語，如編碼、信道、帶

寬等。

3、在模擬數(shù)據(jù)通信的過程中，理解數(shù)據(jù)通信的原理，樹立信息

社會(huì)責(zé)任感。

4、通過體驗(yàn)信號(hào)間的相互轉(zhuǎn)換，掌握信息交換技術(shù)

5、IP電話的特點(diǎn)體會(huì)科學(xué)技術(shù)的力量，加深對(duì)信息技術(shù)的感情

【教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)】

重點(diǎn)：1、區(qū)分模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)。

2、掌握數(shù)字編碼過程中涉及的專業(yè)術(shù)語

難點(diǎn)：圖像及聲音存儲(chǔ)空間的計(jì)算

【課時(shí)安排】

共2課時(shí)

【復(fù)習(xí)引入】

1、設(shè)數(shù)據(jù)傳輸速率為51200bps,則傳輸速率也可以表示為：

(B)。

A.5MbpsB.50Kbps

C.5MBpsD.50KBps

2、某同學(xué)家網(wǎng)絡(luò)的帶寬是2Mbps,要下載一段300MB的視頻,

如果能夠達(dá)到全速下載的理想狀態(tài)，他最快能多少時(shí)間將視頻下載

完？

時(shí)間=300*8/2=1200秒=20分鐘

引入：通過課本中數(shù)據(jù)編碼學(xué)習(xí)來認(rèn)識(shí)到信息傳遞的意義。

播放摩斯電碼的微視頻，激發(fā)興趣，導(dǎo)入新課------數(shù)據(jù)編碼。

一、通信信號(hào)

亞歷山大?格雷厄姆?貝爾，蘇格蘭人，生于1847年，電話的發(fā)明者。

通信的含義：通信意味著把信息從A點(diǎn)傳送到B點(diǎn)。

學(xué)生體驗(yàn)自制傳話筒。

簡(jiǎn)單的來說，用一根繩子連接兩個(gè)罐頭盒就可以起到一定信息傳遞

的作用，得到一個(gè)簡(jiǎn)易的“通話器”。人們說話發(fā)出的聲音物理上稱

為聲波，屬于一種模擬信號(hào)，聲波的傳遞需要依靠介質(zhì)，我們?cè)诔踔?/p>

學(xué)習(xí)時(shí)就知道固體對(duì)聲音的傳遞性要好于空氣，所以這樣一個(gè)簡(jiǎn)易的

“通話器”就可以達(dá)到一定的效果。在通信過程中，信息的傳遞是通

過發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。那么，信號(hào)如何表示？又是如何傳送的呢？

通信信號(hào)分為兩種，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

1、模擬信號(hào)是將源信號(hào)的一些特征未經(jīng)編碼直接通過載波的方式

發(fā)出，是連續(xù)的，像連續(xù)的倒S一樣的波形一樣。它一般通過傳統(tǒng)的

模擬信號(hào)傳輸線路（例如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)）來傳輸。如：我們現(xiàn)在

的收音機(jī)接收的調(diào)頻就是一種典型的模擬信號(hào)，家里的電視和電話傳

輸?shù)囊话阋彩悄M信號(hào)。

特點(diǎn)：（1）直觀且容易實(shí)現(xiàn)；（2）保密性差，容易被竊聽；（3）

抗干擾能力弱。

2、數(shù)字信號(hào)則是通過數(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)（0和1）,再通過載波的方式發(fā)送編碼后的數(shù)字流，他是離

散的。一般則需要用雙絞線、電纜或光纖介質(zhì)將通信雙方連接起來。

如：手機(jī)傳輸接收的信號(hào)一般都是數(shù)字信號(hào)，電腦傳輸?shù)男盘?hào)也是數(shù)

字信號(hào)。

二、自主探究活動(dòng)——模擬信號(hào)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

要求：兩人一組，一名同學(xué)控制手電筒開關(guān)，按照莫爾斯碼表發(fā)送

一組字母，另一名同學(xué)觀察手電筒發(fā)出的光信號(hào)，記錄數(shù)據(jù)，并使用

莫爾斯碼翻譯出字母。填寫下表。

用手電筒傳遞信息實(shí)驗(yàn)記錄表

樣例模擬信號(hào)輸入――???是否正確

數(shù)字信號(hào)輸入B

是否

第一輪模擬信號(hào)輸入

數(shù)字信號(hào)輸入是否

第二輪模擬信號(hào)輸入

數(shù)字信號(hào)輸入是否

通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)燈語傳遞信息的利弊，思考有沒有更便捷

的方式傳遞信息。(比如眨眼，比如用0表示關(guān)，1表示開)

設(shè)計(jì)一套自己的密碼傳送方案。進(jìn)而引入二進(jìn)制編碼。

三、文本數(shù)據(jù)的編碼

【學(xué)生活動(dòng)】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。

?>ordCT)#顯示字符“1”的編碼值

49

?>ord('A')#顯示字符“A”的編碼值

65

?>ord('男')#顯示字符“男”的編碼值

30007

?>chr(30007)#顯示編碼值為30007的字符

，男，

1、ASCII碼

2、Unicode碼

漢字編碼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)GB2312—1980字符集共收錄6763個(gè)漢字。

(2)GBK字符集，兼容GB2312—1980標(biāo)準(zhǔn)，收入21003個(gè)漢字。

(3)GB18030—2000字符集，包含GBK字符集和CJK統(tǒng)一漢字?jǐn)U

充A的漢字，共計(jì)27533個(gè)漢字。

(4)GB18030—2005字符集，在GB18030—2000的基礎(chǔ)上，增加

了CJK統(tǒng)一漢字?jǐn)U充B的漢字及其他漢字，共計(jì)70244個(gè)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(jiǎn)繁體漢字，共計(jì)74686個(gè)漢字。如漢字“男”

的Unicode編碼為30007(十進(jìn)制)，用十六進(jìn)制表示為7537,用二

進(jìn)制表示為01110101為110111。

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(duì)應(yīng)的字符。

【練習(xí)1】在Python中輸出自己的姓名，但編程或表達(dá)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chr()函數(shù)獲取這個(gè)漢字。

?>chr(24352)+chr(39134)

‘張飛'并返回“張飛”

3、漢字的其他編碼及相互關(guān)系(拓展)

①區(qū)位碼

在GB2312-80《信息交換用漢字編碼字符集》中，所有的國(guó)標(biāo)漢字

與符號(hào)組成一個(gè)94X94的矩陣。在此方陣中，每一行稱為一個(gè)“區(qū)”，

每一列稱為一個(gè)“位”，因此，這個(gè)方陣實(shí)際上組成了一個(gè)有94個(gè)區(qū)

(區(qū)號(hào)分別為1到94)、每個(gè)區(qū)內(nèi)有94個(gè)位(位號(hào)分別為1到94)的漢

字字符集。一個(gè)漢字所在的區(qū)號(hào)和位號(hào)簡(jiǎn)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(hào)，低兩位為位

號(hào)。在區(qū)位碼中，01?09區(qū)為682個(gè)特殊字符，16?87區(qū)為漢字區(qū)，

包含6763個(gè)漢字。其中16?-55區(qū)為一級(jí)漢字（3755個(gè)最常用的漢

字，按拼音字母的次序排列），56?87區(qū)為二級(jí)漢字（3008個(gè)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。

②國(guó)標(biāo)碼

國(guó)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(jìn)制區(qū)碼

和位碼轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制的區(qū)碼和位碼，再將這個(gè)代碼的第一個(gè)字節(jié)和

第二個(gè)字節(jié)分別加上20H,就得到國(guó)標(biāo)碼。如：“熱”字的國(guó)標(biāo)碼為

4848H,它是經(jīng)過下面的轉(zhuǎn)換得到的：4040D->2828H->+2020H->4848H。

③機(jī)內(nèi)碼

國(guó)標(biāo)碼是漢字信息交換的標(biāo)準(zhǔn)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(guó)標(biāo)碼為4848H,而英文字符“H”

的ASCH也為48H,現(xiàn)假如內(nèi)存中有兩個(gè)字節(jié)為48H和48H,這到底

是一個(gè)漢字，還是兩個(gè)英文字符“H”？于是就出現(xiàn)了二義性，顯然，

國(guó)標(biāo)碼是不可能在計(jì)算機(jī)內(nèi)部直接采用的。于是，漢字的機(jī)內(nèi)碼采用

變形國(guó)標(biāo)碼，其變換方法為:將國(guó)標(biāo)碼的每個(gè)字節(jié)都加上128（即80H）,

即將兩個(gè)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(guó)標(biāo)碼為4848H,加上8080H,因此，“熱”字的機(jī)內(nèi)碼

就是C8C8Ho

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(jī)內(nèi)碼（基于我國(guó)

國(guó)標(biāo)編碼）是兩套獨(dú)立的編碼體系，相互之間沒有固定的轉(zhuǎn)換機(jī)制。

那么，怎樣同時(shí)獲得某個(gè)漢字的機(jī)內(nèi)碼與Unicode碼呢？可使用下面

的小軟件”查詢字符的兩種編碼.exe”：

查詢漢字的兩種編碼

④輸入碼

在使用鍵盤錄入漢字時(shí)，要用到輸入碼?！盁帷弊值娜摧斎敕ň?/p>

碼為re,五筆字型輸入法編碼為rvyo。

⑤字形碼

顯示、打印漢字時(shí)要用到字庫字形。下面的軟件，調(diào)用了宋體16

點(diǎn)陣字庫，來顯示漢字”滾動(dòng)字幕.exe”：

查看漢字的點(diǎn)陣字形

【練習(xí)2］你能寫出圖中漢字“熱”的字形編碼嗎？用十六進(jìn)制表

示（直接將二進(jìn)制轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制，每4位二進(jìn)制數(shù)字對(duì)應(yīng)1位十六

進(jìn)制數(shù)字）。漢字“熱”的字形編碼占多少字節(jié)？

（參考答案:0840084008487FFC08480A481CC8684808A8088A

290A12040000488844468442,占32字節(jié)）

這些“編碼”之間既相互聯(lián)系又有區(qū)別，在不同環(huán)節(jié)下使用，為計(jì)

算機(jī)處理漢字形成了完整的數(shù)據(jù)鏈，而這些“編碼”就是這條鏈路上

的關(guān)鍵“節(jié)點(diǎn)”。

四、位圖圖像的編碼

1、位圖與矢量圖的區(qū)別

位圖，最小單位為光柵點(diǎn)（或稱像素），因而也叫作點(diǎn)陣圖（或像

素圖）。

2、位圖編碼

滿足一定保真度條件下，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行變換、編碼和壓縮，以較

少比特?cái)?shù)表示圖像或圖像中所包含的信息

黑白圖像，每個(gè)像素有兩種可選顏色，可以用1位二進(jìn)制來表示,

稱為1位圖像

學(xué)生思考：16色和256色的圖像，要用幾位二進(jìn)制數(shù)才能表示顏

色？

師生共同解析：21=16,需要4位二進(jìn)制數(shù)才能表示16種顏色，所

以也稱為4位圖

28=256,需要8位二進(jìn)制數(shù)才能表示256種顏色，所以也稱為

8位圖

圖像量化位數(shù)，也叫圖像深度，是指圖像中每個(gè)像素點(diǎn)記錄顏色所

用二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)

3、位圖存儲(chǔ)容量的計(jì)算：

位圖的大小=文件頭+信息頭+顏色表項(xiàng)+圖像分辨率義圖像量化位

數(shù)個(gè)8

注釋：(1)文件頭一一包含文件類型、大小等信息，共14字節(jié)

(2)信息頭一一說明位圖的尺寸等信息，共40字節(jié)

(3)顏色表項(xiàng)一一每個(gè)顏色表項(xiàng)定義一種顏色，占4字節(jié)，圖像

量化位數(shù)為24時(shí)無顏色表項(xiàng)

(4)圖像分辨率X圖像量化位數(shù)一一圖形數(shù)據(jù)，記錄順序：從左

到右，從下到上

4、鞏固練習(xí)：

一副24位的位圖圖像，像素為1024*800,試確定其數(shù)據(jù)文件大小。

如果另存為256色位圖，則文件大小為多大？

14+40+0+1024*800*24/8=2457654(B)=2.34(MB)

14+40+4*256+1024*800*8/8=820278(B)=801(KB)

五、音頻信號(hào)的編碼

上圖是語音信號(hào)(振幅或聲壓)隨時(shí)間變化的圖像?？梢?，它是隨

時(shí)間連續(xù)變化的，波形光滑，這種信號(hào)稱為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)的值

稱為模擬數(shù)據(jù)。用傳感器直接獲得的信號(hào)一般為模擬信號(hào)，類似的還

有溫度、壓強(qiáng)、電壓等。

上圖是語音信號(hào)數(shù)字化后的圖像?？梢?，時(shí)間及幅值不是連續(xù)變化

的，而是離散變化的，波形如臺(tái)階，這種信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信

號(hào)可以由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換得來，數(shù)字信號(hào)的值即數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，直接用計(jì)算

機(jī)所能理解的二進(jìn)制來表示，這樣方便計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。

如何將圖3中的模擬聲音信號(hào)用計(jì)算機(jī)“忠實(shí)地”記錄下來？換種

說法：如何把某條曲線“精確地”存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中？

最容易想到的辦法，就是依次記下曲線中每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。但是，曲

線中的點(diǎn)有無窮多個(gè)，我們卻只能記錄下有限的個(gè)點(diǎn)。怎么辦呢？

每間隔一段時(shí)間取一個(gè)點(diǎn)間隔多少時(shí)間取一個(gè)點(diǎn)為好呢？1秒？

0.L0.01秒？通常，我們把這種從連續(xù)的時(shí)間中每間隔一個(gè)時(shí)間段

抽取一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的操作稱為“采樣”。這個(gè)時(shí)間間隔的倒數(shù)稱為采樣

頻率，單位是赫茲，即秒:顯然采樣頻率越高（時(shí)間間隔越短），

聲音還原的效果自然就越真實(shí)，但采樣點(diǎn)也就越多，需要保存的數(shù)據(jù)

也越多，所占存儲(chǔ)空間也越大，計(jì)算機(jī)的工作量也越大。因此，需要

在聲音還原效果與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。常用的CD音質(zhì)

的采樣頻率是44.1kHz,也就是把1秒的時(shí)間分成44100等份，每份

取其對(duì)應(yīng)的一個(gè)幅值。

還有一個(gè)問題:每個(gè)幅值用什么數(shù)據(jù)記錄下來？精確到什么程度？

這個(gè)問題同樣關(guān)聯(lián)到聲音還原效果與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量！CD音質(zhì)的量化位

數(shù)為16位，即用16個(gè)二進(jìn)制位記錄一個(gè)幅值，因此可記錄216=65536

種不同的數(shù)值，即。?65535。我們把每個(gè)聲音幅值換算為一個(gè)對(duì)應(yīng)

的整數(shù)，這種操作稱為量化。

1、編碼

量化得到的整數(shù)，當(dāng)然要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，并把它們用一定的格式

存儲(chǔ)起來，有些還要按照一定的算法進(jìn)行壓縮處理后存儲(chǔ)為文件，這

個(gè)過程稱為編碼。

2、舉例如下：

輸入信號(hào)是一個(gè)模擬信號(hào)，采樣點(diǎn)為A?L,幅值范圍為。?9,采

樣值、量化和編碼的結(jié)果如表所示。（量化位數(shù)為3）

采樣頻率越高，聲音質(zhì)量越好，占用存儲(chǔ)空間越大

量化位數(shù)越高，聲音質(zhì)量越好，占用存儲(chǔ)空間越大

3、聲音存儲(chǔ)空間的計(jì)算

聲音存儲(chǔ)空間=采樣頻率x量化位