1.2.3数据编码及压缩教学设计-2023-2024学年人教-中图版高中信息技术必修1

学科信息技术年级班级授课教师章节第一章第二节课题名称数据编码及数据压缩课型新授课课标要求内容要求：知道数据编码的基本方式,了解数据编码意义和作用，理解数据采集、分析和可视化表达是数据处理的重要环节，结合生活中的实例感受它们对人们日常生活的影响。学业要求：能够描述数据与信息的特征，知道数据编码的基本方式。掌握数字化学习的方法，能够根据需要选择合适的数字化工具开展学习。教学目标（核心素养）1.理解字符编码、声音、图像编码实现过程，知道采样、量化、编码三个步骤。【信息素养】【计算思维】2.知道声音、图像影响因素，掌握字符、声音、图像存储容量的计算方法，能够选择合适的工具解决常见问题。【信息素养】【计算思维】3.能够根据需要选择合适的字符编码；认识到图像信息安全风险，尊重他人的知识版权，承担信息社会责任。【信息社会责任】教学重点1.常见的字符编码方案；2.声音编码的实现过程；3.图像数字化的实现过程4、数据压缩教学难点1.常见字符处理问题的解决方法；2.音频质量的影响因素教学方法讲授法，案例分析法、探究法教学过程教师活动学生活动二次备课新课引入请同学们帮忙看看我这个文档是怎么了？在日常使用计算机的时候，同学们有没有遇到过这样的情况或问题呢：打开文本文档、浏览网页时出现了乱码现象遇到这些情况时，我们该怎么办呢？若想解决问题，必要知其原理。今天，我们就和大家一起来探究计算机是如何处理字符的。观察打开的文档，思考为什么会出现这种情况？展示一篇文档，发现文档怎么变成了乱码，用请同学们帮帮忙引入课题，引导学生思考这是什么原因造成的。教学环节教学环节计算机作为数据处理的一种工具，只识别0和1的二进制。因此，在处理各种对象时需要将其转换成计算机可识别的二进制数据。那么字符是如何转变成二进制的呢？一.字符编码1.字符编码的概念字符编码是按照预先确定的规则，将所需字符转换映射为计算机可以接受的二进制数字的过程。字符编码方案会为每个字符指定对应的数字编码，便于不同计算机系统间交换文件，产生的编码叫做交换码。字符编码包括字符集（系统支持的所有抽象字符的集合）与字符编码（方案）（符号集合与数字系统间建立对应关系的法则）。(1)英文字符编码方案——ASCII在ASCII编码方案中，制定了包含128个英文字符的字符集，包括英文大小写字、数字、常用符号等。提问思考：至少需要几个字节可以表示128个字符呢？1个字节为8位，可以表示256种情况。因此，ASCII采用1个字节对128个字符进行编码。(2)中文字符编码方案当计算机引入中国后，我国的中文汉字多达10万多个，1个字节的ASCII编码已无法满足需求。因此，我国设计了GB系列字符编码用于将汉字转换为计算机可接受的数字。(2)中文字符编码方案当计算机引入中国后，我国的中文汉字多达10万多个，1个字节的ASCII编码已无法满足需求。因此，我国设计了GB系列字符编码用于将汉字转换为计算机可接受的数字。(3)unicode字符集与编码方案每个国家拥有自己的语言和文化，在使用计算机时也会建立自己的字符编码。随着互联网将世界连接起来，各个国家采用的字符编码不同，信息交流时就会产生问题。那么有没有一种编码方案能够容纳世界上的所有字符，实现集大成者呢？面对这样的情况，国际标准化组织和Unicode组织制定了unicode字符集，致力于将世界上所有文字和符号都纳入，以满足使用不同语言的人利用计算机进行信息交流。对于unicode字符集，常见的编码方案有UTF8、UTF16、UTF32等。(4)体验活动：txt中的联通刚刚我们学习了常见的字符编码，下面我们通过实践体验一下不同的字符编码对字符处理会产生什么样的影响。=1\*GB3①体验实践请同学们在自己的计算机中新建一个txt文档，输入“联通”两个汉字，保存后再打开看看会出现什么？=2\*GB3②原理分析经过实践，同学们发现“联通”两个字变成了乱码，那么这是为什么呢？让我们通过一段短片来看一下。=3\*GB3③问题解决文本文档【另存为】【编码】选项中选择合适的字符编码。二、声音编码在平时的生活中，我们经常会使用微信语音来和别人交流。在聆听微信语音的时候，你有没有注意过这样一个现象：对方发过来的微信语音和他真实说话的声音不太一样呢？声音是如何进入成为微信语音的？下面我们继续来了解说话声音到微信语音都经历了什么过程。1.声音的表示声音是由振动产生的，振动可以通过波形来记录。振幅反映了响度的强弱，频率反映了音调的高低。连续变化的模拟信号可以在多次传输时，易受干扰，导致失真、产生噪音等。例如，以前的磁带就是依靠模拟信号来记录声音，但不易多次复制、保存等。2.声音编码的实现过程声音编码就是将模拟信号转换成数字信号，从而能够被计算机存储、处理、传输。那么声音编码如何实现呢？(1)声音采样声音采样是以相等的时间间隔(通常为1秒)测得多少个声音模拟信号的值，即用多少采样点来表示声音波形。采样点是越多还是越少，采样的效果更好呢？采样频率是每秒采样声音的次数，单位为赫兹(Hz)。采样频率越高声音还原度越高，但是存储容量也就越高。通常，高保真音乐的采样频率为44.1kHz，即每秒采集44100次。(2)声音量化声音量化是将采样点的值进行分级量化，将采样值变换到最接近的数字值，即用有限个数的数值近似地表示原来连续变化的值。那么，量化值的分级是越多还是越少，量化的结果更好呢？量化位数是指表示量化值的二进制位数。量化位数越多，声音越接近原始的模拟信号，音频质量越好。经过量化，每个采样点的幅值转换成了对应的量化值，确定二进制位数，形成二进制编码。但初始的二进制编码数据量较多，占用的存储容量较大。(3)声音编码确立编码规则，优化数据排列。由于图像中会存在许多的重复和冗余信息，因此在编码时可以通过压缩技术，来减少图像文件存储容量。未压缩音频文件格式：WAV无损压缩音频文件格式：无损压缩是通过优化数据排列方式减少文件的存储容量，其还原压缩数据后与压缩前相同。APE音频文件格式就是一种无损压缩。有损压缩音频文件格式：有损压缩是损失一定的信息，提高压缩比，从而减少存储容量。人耳听到的频率是20Hz20000Hz，可以将此范围外的数据删除，从而减少存储容量。例如，常用的MP3、移动端AMR都是属于有损压缩。小结常见音频文件格式：经过刚才的学习，我们了解了声音是如何通过编码称为数字信号，从而可被计算机存储、处理与传输的。现在我们回到最开始的问题，为什么真实说话声音与微信语音的声音听起来不太一样呢？在声音编码的实现过程中，哪些环节在影响着音频的质量呢？(1)采样频率：采样频率越高，采集点越多，声音还原度越好。(2)量化位数：量化位数越多，量化值越精确，音频质量越高。(3)编码方式（文件格式）：经过有损压缩的文件格式会舍去部分信息，未压缩和无损压缩文件格式的音频质量更好。(4)声道数：人耳在接收声音信息时，依据左右耳的差异来感知声音的位置、效果等。声道数就是基于此产生的。声道数是指声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量，不同的声道数可以播放相同或者不同的音源以达到不同效果。例如，单声道常用语广播等；双声道常用于音乐播放，所以我们利用耳机听音乐时会感觉到左右耳声音有些微不同，就是因为左右声道音源的差异；环绕声通常用于电影院，常见声道数有5个，以让观众体会到身临其境的感受。刚刚我们探究了影响音频质量的因素，其实这些因素也在影响着音频存储容量的大小。音频所占存储容量的计算方法=采样频率×量化位数×声道数×时间（秒）/8（字节）例：一首100s的双声道音频，采样频率为44.1kHz，量化位数为16，计算该音频所占的存储容量。你能尝试列出计算式子吗？44100×16×100×2/8=17640000B≈17MB4.数字音频的价值(1)语音信息交流(2)移动支付语音播报:播放支付宝到账语音信息。(3)地图语音导航(4)语音控制智能家居(5)记录、保护与再生文化播放《有声版清明上河图》片段。三、图像编码作为信息的载体，图像在信息社会中扮演着重要的角色。例如，此次疫情中，图像就发挥着自己的作用与价值。医学影像诊断疫情图像记录行程二维码图像创作作品问题：图像已成为生活中必不可少的元素。在日常使用图像时，你遇到过这样的问题吗？为什么有的图像很清楚、有的图像却很模糊？当图像大小无法满足系统使用要求时，该怎么办？图像质量、大小和显示都与什么因素有关呢？若想知道这个问题的答案，我们首先需要了解计算机是如何存储和处理图像的。1.数字图像是如何形成的（1）实现方式通过扫描仪、数字照相机、智能和连接在计算机上的摄像头等设备，就可将实现图像的数字化。（2）实现过程1、图像采样图像采样是指将模拟图像在水平和垂直方向上进行分割，形成矩阵。对图像采样后所形成的微小方格称为像素。像素是数字图像的基本单位，一副图像可看做由许多独立的像素所组成的。那么在采样是，像素个数是越多还是越少图像的质量会更好呢？学生观察两幅图像，体会不同像素个数的区别。并理解输入分辨率对于图像质量的影响。2、图像量化图像量化是对像素属性进行分级，每一级对应一个数，从而实现用有限的数近似地表示连续变化的各项属性。以像素的属性为例，将其分为4级，每个像素选择这4级中最接近的颜色。那么分级越多还是越少，图像质量会更好呢？将4级和6级颜色进行对比，引导学生体会分级数量不同对图像质量的影响。颜色的每一个等级要用对应的二进制数字表示。以6级颜色为例，每个等级颜色的二进制数字如下。经过量化，每个像素的颜色属性就可以转换成对应的二进制编码。体验实践：请在任务单中尝试将本图像量化后的二进制编码填写完成。颜色深度用来表示像素颜色所占二进制位数。颜色深度越多，可表达的色彩越丰富；但存储容量也会越大。3、图像编码确立编码方法，形成不同图像文件格式。由于图像中会存在许多的重复和冗余信息，因此在编码时可以通过压缩技术，来减少图像文件存储容量。3.小结图像编码实现过程教师引导学生小结图像编码的实现过程，并通过微课《拍照时如何生成数字图像》短片进一步加深理解。2.影响图像的因素有哪些（1）影响图像质量的因素提问：在图像数字化的过程中，哪些因素影响着图像的质量呢？引导学生分析多种因素共同影响着图像质量。（2）影响图像大小（存储容量）的因素提问：对于图像大小（存储容量），它的影响因素是什么呢？引导学生学习图像所占存储容量的计算方法：图像所占存储容量（未压缩）=水平像素数×垂直像素数×颜色深度/8（字节）例题：图像尺寸为90×72像素，颜色深度为24位，该图像所占存储容量是多大？图像所占存储容量=90×72×24/8=19440B（3）影响图像显示的因素提问：对于图像显示，它的影响因素是什么呢？引导学生理解图像是由一个个独立的像素构成的，像素颜色汇总在一起就是看到的图像。认真听讲，了解什么是字符编码、不同的编码类型认真听讲，了解什么是字符编码、不同的编码类型体验实践《txt中的联通》，想一想为什么会出现乱码的情况？如何解决？认真听讲，了解声音编码的过程认真听讲，了解声音编码的过程认真听讲，了解声音编码的过程认真听讲，了解声音编码的过程认真听讲，了解声音编码的过程结合所学知识说一说哪些环节在影响着音频的质量通过学习掌握音频所占内存的计算方法结合自己的实际生活，是否遇到过一样的问题，怎么处理？了解数字图像的形成方式了解数字图像的形成过程了解数字图像的形成过程认识图像的量化方式认识图像的量化方式认识图像的量化方式理解各种数据压缩方式了解影响图像质量的因素通过学习掌握图像所占内存的计算方法此处通过播放录制的微课播放学生观看后,老师在电脑上操作让来验证结果.课堂小结这节课我们学习了数据编码和数据压缩，理解数据编码的基本方式，合理的选用数字化工具解决问题，并且感受数字化工具的优势。课后作业1、一幅640×320像素的256阶灰度图像，其所占的存储容量是多少？2、对于同一个原始音频，声音编码时参数分别为采样率10kHz、量化