《圖像數(shù)據(jù)》教學案例

《圖像數(shù)據(jù)》教學案例本課的教學對象為杭州江南實驗學校709班的學生。通過與任課教師的溝通交流、瀏覽學生的課堂作業(yè)，筆者了解到，本班學生在之前已經(jīng)學習了多媒體數(shù)字化過程以及多媒體數(shù)據(jù)的編碼與壓縮，在日常學習生活中對圖像的應用很熟悉，但對圖像數(shù)字化、圖像的采樣與量化以及圖像的編碼與壓縮等內容還不太了解，因此，可以從應用實例出發(fā)，采用逐步引導的策略，設計探究實驗，引導學生合作探究，把學生對圖像的感性認識提升到理性認識。通過與學生面對面的交流，筆者發(fā)現(xiàn)，他們對本課內容具有濃厚的學習興趣，探究能力強，喜歡合作交流，因此，可以采取小組合作的學習方式，讓學生在合作探究中進一步提升信息意識、計算思維和數(shù)字化學習與創(chuàng)新等學科核心素養(yǎng)。通過了解圖像數(shù)字化的過程，理解圖像的采樣與量化;通過探究實驗、小組討論，了解圖像分辨率、像素深度對圖像質量、圖像大小的影響，并學會計算圖像數(shù)據(jù)量;了解圖像編碼與壓縮，認識各類圖像文件格式;能夠根據(jù)實際需要，選取合適的圖像數(shù)據(jù)。重點：圖像數(shù)字化、圖像分辨率、圖像數(shù)據(jù)量的計算。難點：圖像數(shù)字化、圖像數(shù)據(jù)編碼與壓縮。1.創(chuàng)設情境，引入新知（1）創(chuàng)設情境，思考問題師：說到圖像，我們都知道它是一種非常形象生動的多媒體素材類型，可以增強多媒體作品的可讀性?，F(xiàn)在有一位同學在制作一份校園影集，他需要從以下幾張圖像中選擇一張作為配圖，如果是你，你會選擇哪一張？（展示待選圖片，如圖1）生：選擇圖B。（2）反饋交流，逐步引導師：為什么選擇圖B？和圖A相比，圖B有什么優(yōu)勢？（生：顏色更逼真）和圖C相比，圖B有什么優(yōu)勢？（生：看起來更清晰）（3）歸納梳理，引入新知師：（在Photoshop中打開圖B、圖C）我們將圖B放大幾倍，發(fā)現(xiàn)還是比較清晰的，但如果把圖C放大幾倍，很快就變成了若干個網(wǎng)格，你們認為這一個個網(wǎng)格是什么？生：馬賽克。師：沒錯，這是馬賽克的效果，但是在信息技術領域中，我們稱之為像素點，一個網(wǎng)格就是一個像素點。那像素點是怎么形成的呢？要回答這個問題，我們得先知道圖像是如何從模擬信號轉化為數(shù)字信號的。設計意圖：從學生熟悉的“為校園影集選取合適的圖像素材”這一應用實例出發(fā)，創(chuàng)設真實情境，激發(fā)學生的學習興趣，自然地引入課題。2.任務驅動，合作探究（1）案例出發(fā)，了解“采樣量化”教師以圖A、圖B、圖C為例，結合自制的微課，介紹圖像的采樣與量化，以及像素點、圖像分辨率、像素深度的概念。師：通過對比圖A、圖B、圖C，大家覺得圖像質量的影響因素有哪些呢？生：圖像分辨率、像素深度。師：是的，圖像分辨率和像素深度都會影響到圖像的質量，其中，圖像分辨率的表達方式為水平像素數(shù)×垂直像素數(shù)，而像素深度可以用量化位數(shù)來表示（如圖2）。設計意圖：讓學生根據(jù)圖像數(shù)字化的圖示過程，直觀地了解圖像的采樣與量化，并在理解像素點、圖像分辨率、像素深度等基本概念后，再觀察對比同場景下不同圖像的具體參數(shù)，讓學生學會根據(jù)實際需要，結合圖像分辨率、像素深度這兩個圖像屬性，選取合適的圖像素材。（2）小組合作，共探“圖像存儲”師：同學們，你們知道剛才這幾張圖像在計算機中的存儲大小分別是多少嗎？（通過“屬性”查看圖像大?。┠銈儾虏驴?，圖像的大小還和哪些因素有關？（學生猜想影響因素）究竟是不是這樣呢？接下來，請以小組為單位，進行“圖像存儲”的探究實驗，找出圖像存儲大小的影響因素（如圖3）。學生通過“屬性”查看四張圖像的大小，完善任務單上的表格，并利用控制變量法探究圖像存儲大小的影響因素。師：在進行探究實驗后，大家得出了哪些結論？生：我們小組的實驗結論是圖像分辨率、像素深度都會影響到圖像存儲大小。師：請具體說一說你們是怎么得出這個結論的。生：通過對比圖A和圖B，可以發(fā)現(xiàn)在圖像分辨率、像素深度都相同的情況下，圖像存儲大小也相同;對比圖B和圖C，可以發(fā)現(xiàn)在像素深度相同的情況下，圖像分辨率越大則文件越大，說明圖像分辨率會影響到圖像的存儲大小;對比圖C和圖D，可以發(fā)現(xiàn)在圖像分辨率相同的情況下，像素深度越大則文件越大，說明像素深度會影響到圖像的存儲大小。綜上所述，圖像存儲大小的影響因素有兩個，分別是圖像分辨率和像素深度。師：你們的實驗非常科學、嚴謹，很好地利用了控制變量法，找出了圖像存儲大小的影響因素，即圖像分辨率和像素深度。請同學們在實驗結論的基礎上，想一想，如果我們用畫圖軟件在圖C上畫一些小星星作為點綴，它的圖像大小會不會發(fā)生改變呢？師：這是為什么？生：因為圖像分辨率和像素深度不變，所以圖像大小也不變。師：我們來驗證一下，看看圖像大小變不變。（用畫圖軟件編輯圖C，另存為BMP格式，再通過“屬性”查看圖像大?。┰O計意圖：讓學生利用控制變量法進行科學、嚴謹?shù)奶骄繉嶒?，探索出圖像存儲大小的影響因素，即圖像分辨率和像素深度，并能學以致用，利用實驗結論解答“在圖像上添加一些新的元素是否會改變圖像大小”等常見問題。（3）掌握公式，計算圖像數(shù)據(jù)量師：大家有沒有想過這樣一個問題——計算機是如何計算圖像大小的？通過探究實驗，我們已經(jīng)找出了圖像存儲大小的兩個影響因素，那么大家覺得圖像大小的計算公式會和哪些因素有關？生：圖像分辨率、像素深度。師：大家可以試著推導出計算公式嗎？（學生試著推導公式）教師展示正確的計算公式（圖像數(shù)據(jù)量（B）=圖像分辨率×顏色深度÷8）。師：有沒有同學知道，公式中為什么要除以8？生：進行單位轉化。師：沒錯，所有信息在計算機內部都是以二進制編碼的形式存儲的，數(shù)據(jù)存儲的最小單位是比特（bit），如果只是圖像分辨率×顏色深度，計算得到的就是以比特（bit）為單位的數(shù)據(jù)量。但是在計算機中，數(shù)據(jù)存儲的基本單位并不是比特（bit），而是字節(jié)（B），根據(jù)單位的換算關系，除以8之后得到的才是以字節(jié)（B）為單位的數(shù)據(jù)量。我們先來看一道例題，看看應該如何計算，之后，我們再通過三道練習題來實戰(zhàn)一下（教師出示例題及練習題）。學生嘗試用公式計算圖像數(shù)據(jù)量。教師點評總結計算圖像數(shù)據(jù)量的注意事項：①只有未經(jīng)壓縮的圖像文件才可以用公式估算數(shù)據(jù)量，壓縮過的圖像數(shù)據(jù)參數(shù)已經(jīng)發(fā)生變化，不能用圖像文件數(shù)據(jù)量的公式進行估算;②如果題目沒有直接給出關鍵信息，可以試著從已知條件中挖掘隱藏信息，如從已知條件“256色”可以得知像素深度為8位。設計意圖：引導學生在探究實驗的基礎上推導出圖像數(shù)據(jù)量的計算公式，通過例題加深學生對公式的理解，再用三個變式練習檢驗學生對公式的掌握程度，最后通過點評和總結讓學生意識到“壓縮過的圖像數(shù)據(jù)不能用公式進行計算”以及“可以從已知條件中挖掘隱藏信息”。（4）格式轉換，了解“編碼壓縮”師：在日常生活中，我們不僅會關注圖像的大小，有時候還會關注圖像的格式。例如，有一位同學要在校園影集征集平臺上傳自己的作品封面，結果發(fā)現(xiàn)GIF格式不符合上傳要求，請你將其轉換為其他格式，并觀察不同格式的大小。生：用畫圖軟件將GIF圖像轉換為其他格式，并通過“屬性”查看圖像大小。師：轉換為不同格式后，大家觀察一下，這些圖像的大小是否相同？（學生回答）大家是不是覺得很奇怪，為什么在圖像分辨率和像素深度相同的情況下，不同格式的圖像大小會不一樣呢？其實，在對圖像進行采樣、量化之后，還要進行編碼，所謂編碼，就是將量化后的圖像數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則進行編碼，根據(jù)不同的編碼方式分為不同的圖像文件類型。（教師介紹不同圖像文件類型的特點）設計意圖：讓學生從生活中的實際需求“圖像格式轉換”出發(fā)，了解圖像的編碼與壓縮，并認識常見的幾種圖像文件類型，為下一節(jié)課使用專業(yè)圖像處理軟件創(chuàng)作作品做好鋪墊。3.課堂小結，鞏固提升（略）設計意圖：結合板書和思維導圖，及時梳理相關知識技能，既可鞏固所學，加深學生對圖像數(shù)字化的認識，又可觸類旁通，讓學生意識到所有多媒體數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過數(shù)字化，才能被計算機處理、存儲以及應用。對于圖像這一多媒體素材，學生在日常生活中經(jīng)常會采集圖像、放大查看圖像細節(jié)以及根據(jù)實際需求選擇合適的圖像素材等，但是對圖像的數(shù)字化、圖像質量的影響因素、圖像大小的影響因素、圖像文件類型不太了解，所以整個教學過程以學生為中心，引導學生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，在合作探究中解決問題，從而在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程中構建知識體系，培養(yǎng)學生的信息意識、計算思維和數(shù)字化學習與創(chuàng)新等學科核心素養(yǎng)。本節(jié)課的創(chuàng)新點主要有以下幾個：①以“某同學在制作校園影集時需要選取一張合適的圖像素材”這一實際問題創(chuàng)建真實情境，并引導學生在理解像素點、圖像分辨率、像素深度等基本概念后，比較同場景不同圖像的圖像屬性，讓學生探究出圖像質量的影響因素，然后以此為依據(jù)，找出高質量的、合適的圖像素材，用于制作校園影集，感悟多媒體技術在日常生活中的應用價值。②考慮到在沒有實際體驗的情況下，學生難以理解圖像大小的影響因素，因此，筆者在教學過程中引入了一項探究實驗，提供給學生四張不同的圖像，讓學生以