高中信息技术粤教版 (2019)必修1 数据与计算1.2.1 模拟信号与数字信号教案设计

第一章 数据与信息

1.2数据编码

 一．教材分析

本节是广东教育出版社《信息技术必修一 数据与计算》第一章第二节的内容。课程标准中学业要求，知道信息编码的基本方式。本节内容介绍了模拟信号与数字信号的概念，剖析了他们的优劣；然后以文字编码，图像编码，声音编码为例详细介绍了数据编码的基本方式，让学生充分理解数据编码相关知识。本节内容有一定难度。

二．学情分析

在上一节中，学习了数据及其特征和二进制、八进制、十六进制与十进制等概念及他们之间相互转换的方法，以上知识是学习本节的基础。生活在信息时代的高中生，在日常学习生活中已经接触和使用着各种形式的数据，大部分学生能熟悉利用各种数字化工具（如：摄像和录像设备、录音设备等）进行数据采集，少数学生还能借助各种数据处理软件编辑数据，但是学生并未深入思考数据与信息的特征，也未深入思考和探究模拟信号数字化的原理，对科学性数据编码的方式也不了解，导致学生缺乏全面系统的认知影响了学生利用数字化工具处理数据的能力。

三．教学目标

1.知识与技能：比较模拟信号和数字信号；列举常见数据的编码方式。

2.过程与方法：体验数据编码的基本方法和过程，掌握不同类型（文字、图像、声音）数据编码的基本方式，熟练计算图像文件和声音文件所占的存储空间

3.情感态度与价值观：激发学生对数据编码的好奇心，在数字化学习中体验抽象数字化的乐趣。

四．重难点

重点：文字、声音、图片的编码。

难点：知道数据编码的方式，文件大小和声音存储空间的计算。

五．教学形式与方法：

网上教学。讲授为主，讨论交流、任务驱动，自主探究为辅

六．教学过程

网上教学，直截了当，引入新课教学：

（一）模拟信号与数字信号

模拟信号是随时间连续变化的物理量所表达的数据，其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化，波形是光滑的。如声音、温度、压强、压力、电压、时间等。

数字信号是离散时间信号的数字化表示。数字信号是随时间非连续变化的物理量，以离散值表示的数据。其信号的自变量、因变量都是离散的。其波形不是光滑的。如开关输出的电压和电流脉冲就是离散的信号。

课堂任务一：分析，比较模拟信号与数字信号及其优劣

（二）编码的基本方式

生活中的常用编码：身份证、条形码、二维码、汽车牌等从而引出下面的学习内容：文字编码、图像编码、声音编码

1.文字编码：是效率相对较低的编码方式，有单字节码和双字节码。①单字节码：ASCII码和莫尔斯码②双字节码：国标码（GBK）、统一码（Unicode）。了解 ASCII码（美国信息交换标准代码）和国标码（GBK）

（1）ASCII码（American Standard Code for Information Interchange)（美国信息交换标准代码），包含33个标点符号，运算符号；10个阿拉伯数字；26个大写字母；26个小写字母和33个常用的不可见控制符。学会读常用ASCII码对照表（如下图）

课堂任务二：做一做

某公司想为每个员工分配一个唯一的二进制位ID，以便计算机管理。如果有500名员工，则最少需要多少位来表示？如果又增加了200名员工，则是否需要调整位数？如果需要调整，应该调整到多少位合适？

（2）国标码：由于ASCII码只包含英文、数字和一些控制符号，并不能表示汉字，因此我国设计了用于处理汉字的简体中文的GB码和用于繁体中文的BIG5码（大五码）。

1980年发布的《信息交换用汉字编码字符集》（GB 2312）一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。

1995年公布的《汉字内码扩展规范》（GBK 1.0）收录了21 886个符号，分为汉字区和符号区，汉字区包括21 003个字符。

课堂任务三：实践

通过以下网址查询自己名字对应的国标码https://www.qqxiuzi.cn/bianma/guobiaoma.php

2.图像编码：在满足一定保真度的条件下，对图像（位图、矢量图）数据进行变换、编码和压缩，以较少比特数表示图像或图像中所包含的信息的技术。我们以位图为例，一起来学习图像编码的原理与方法，以及图像文件大小的计算方法。

（1）通过观看微课，学习图像编码的方式。

（2）把微课中的图像变成16色彩色图像，进一步理解图像编码：

（3）相关概念与知识

像素（pixel）：一幅图像中纵横排列的许多彩色或灰度的点。

位图：又称为点阵图（像素图），是用像素来表示图像的。像素的数量越多，图像的信息量就越大；像素的色彩越丰富，图像就越逼真。图像文件的大小取决于图像尺寸和色彩数量。通常用扫描仪、数码相机、智能手机、摄像头等设备获取到位图图像。

图像量化位数：是图像中每个像素点记录颜色所用二进制数的位数。例如：黑白两种颜色的图像，只需要1个二进制位就能表示图中的颜色。黑点用1表示，白点用0表示。常见的图像有8位、16位、24位和32位等。量化位数越大，图像文件的色彩就越丰富，图像文件占用的空间也就越大。

计算公式：文件的大小（B）=图像分辩率×图像量化位数÷8 +颜色表项+信息头+文件头

课堂任务四：计算

有一幅8位的位图图像，像素为1024*800，试确定其数据文件的大小。

3.声音编码：声音是一种波，是模拟信号。通过采样、量化和编码来实现声音的数字化编码。

（1）采样：就是把输入的模拟信号按适当的时间间隔得到各个时刻的样本值，使其转换为时间上离散、幅度上连续的脉冲信号。

采样频率：每秒钟采样点的次数。

对于音频信号，常用的采样频率有44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz。

奈奎斯特采样定理：如果以一定时间间隔对某个信号进行采样，并且采样频率高于该信号最高频率的两倍，则采样值包含了原信号的全部信息。

（2）量化：把样值信号的无限多个可能的取值，近似地用有限个数的数值来表示。就是将采样值变换到最接近的数字值。

首先是将采样信号幅度划分为若干量化等级(课本右图划了256级)，然后将采样后的信号幅度与所划分的各个量化等级进行比较，向下取最接近的量化等级的数值。

国标声音量化等级分为256级，即28个，因此量化位数就是8位。量化级数越大，量化位数就越多，声音质量就更好，占存储空间也越大。

（3）编码：是将量化后的采样值用二进制数码表示，并转换为由二进制编码0和1组成的数字信号。例如：如果对一段音乐采用256个量化级别采样，则每个量化值可以用8位二进制数表示。最高位表示符号，正数为0，负数为1。量化位数越大，量化值就越接近采样值，音频的精度就越高。编码采用的二进制位数越多，数据量越大，占用的存储空间也越大。

音频文件大小=采样频率×量化位数×声道数×时间÷8（字节）

课堂任务五：计算

采样频率为44.1kHz，量化位数为16位的立体声，1秒声音所需字节数为多少？

归纳小结：

一．模拟信号与数字信号

二．编码的基本方式

1.文字编码

（1）ASCII码

①读表

②7位二进制可表示128种字符

（2）国标码（GBK）

（3）存储单位

位：bit，简称b，最小传输单位

字节：byte，简称B，最小存储单位

2、图像编码

（1）编码方式

概念：像素，分辨率，量化位数

（2）文件大小=图像分辨率*量化位数/8+颜色表项+信息头+文件头

3、声音编码

（1）数字化过程：采样→量化→编码

（2）文件大小=采样频率*量化位数*声道数*时间/8

课后拓展：探究视频是如何进行编码的？