聚焦核心素養案例研討專題一：親歷數據采集，感知數據處理

主題闡釋

在普通高中信息技術內容體系中，“數據”貫穿信息技術課程始終，它是一個基礎的、重要的概念。數據是記錄客觀事物的符號，它不僅指數字，還可以是文字、圖形、圖像、視頻、音頻等非數值符號。其中符號、文字等數據稱為數字數據，視頻、音頻等數據稱為模擬數據。數據經過加工處理并有特定的含義時就成為信息。數據是信息的表現形式和載體，信息是數據有意義的表示。在計算機系統中，數據以二進制0，1表示，按照約定的計算機編碼，表示不同的數據，便于計算機處理。

本期提供的兩個案例，分別用不同的應用實例，讓學生親歷數據采集、編碼及處理的過程，了解計算機解決問題過程中的形式化、自動化的基礎，感受數字化處理信息的優勢，增強信息意識，提升信息素養。

教學案例

案例1：聲音數據的采集與處理

學業要求：按照任務需求，了解數據采集、分析和可視化表達的基本方法，能夠利用軟件工具對數據進行計算，能根據需要運用數字化工具解決生活與學習中的問題，在數據分析的基礎上，撰寫解決問題的分析報告。

情境設置：物理課上，小明同學采集了一些聲音信號，其中一段波形如圖1所示。他準備用計算機來研究這些聲音。其實驗步驟如下：

①將波形圖按照一定的時間間隔分格，記錄聲波模擬量的量化值（如圖2），填入“聲音信號數據編碼表”中。

②將十進制數換算為二進制數，形成二進制編碼（如上表）。

小明同學認為：用計算機研究聲音，首先就需要將聲音信號變成計算機能識別的二進制代碼，該案例中由圖1聲音信號的波形，得到表中所示的二進制編碼的過程就是將聲音信號數字化的過程。聲音信號數字化后，就可以用計算機開展研究。例如，將兩段聲音疊加只需將其二進制數相加就可以得到。

研究題目：用計算機實現聲音數據的采集與處理。

項目活動：

活動1：①分析小明同學的實驗數據，判斷此編碼是否能反映出聲音的音長、音強、音調等表征聲音特性的幾個參數；②如何改進實驗及編碼方式以便能夠更好地研究聲音的基本特性？

活動2：①使用音頻處理軟件錄制聲音，研究音長、音強、音調等表征聲音特性的物理量；②錄制一段自己的歌聲或朗誦聲，為其配上一段音樂，用計算機研究聲音的疊加、合成及祛除噪聲的方法；③寫出實驗研究報告。

教學思路：

（1）數據與信息的教學，需要讓學生“具體感知數據與信息”，同時還要讓學生能“描述數據與信息的特征”“知道數據編碼的基本方式”。本案例是假設學生在有教材，且通過教材的學習，已經對上述標準所涉的內容、概念有了初步的了解，但對數據編碼的方法并無實際感受的情況下，參與項目活動。

（2）該案例中的項目活動是通過一個把模擬信號轉換為二進制代碼的實際例子，讓學生從中體會數據編碼及“數字化”的含義。由于聲波頻率較高，案例中采集一小節波形是為了讓學生能“手動轉換”，體驗數字化（模數轉換）的過程，知道將聲音信號“編碼”轉換為數字信息的方法，從而深刻地感受“數字化”的意義。

（3）在教學安排上，考慮到學生重在動手體驗，其課時安排向項目活動傾斜。本項目活動可在信息技術實驗室進行，建議兩節連堂，一氣呵成。

（4）具體教學中，采集聲音波形可以使用物理示波器，也可以使用計算機軟件模擬的示波器，所取波形應該單調、明晰，截取長度也無需太長。如果聲源使用標準音叉，波形單純、標準，采集效果就更好。

（5）項目實驗完成后，由于編碼方式是原理性的，沒有還原的操作，即無法使用這組二進制“編碼”還原聲音，所以，在實際活動時，建議在完成采集處理活動之后，還增加一個使用音頻采集處理軟件采集、處理聲音信息的活動。但在這個活動中，一定要觀察所采集的聲音信號的波形及數據編碼，不能僅僅是采集、播放了事。

（6）由此項目延展出去，可以借助音頻處理軟件了解音頻信息不同的編碼方式，比較其優劣，討論為何存在這么多的編碼方式。

（7）在此基礎上，還可拓展到其他類型的信息編碼（這些內容教材上應該已經涉及），討論用計算機處理信息時編碼的存在價值，從而更進一步理解“在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結構模型”的計算思維的內涵。

案例2：感知ASCII編碼

學業要求：能夠描述數據與信息的基本特征，知道數據編碼的基本方式。

知識要點：數據概念、數據特征、信息概念、信息特征、數據編碼。

教學方法：通過實驗活動，感知數據和信息及體驗數據編碼的過程與方法。

活動步驟：

①教師出示一串數據108032097109032097032115116117100101110116046，告訴學生，這是一句話，這句話是利用ASCII碼的十進制表示的，每三位表示一個字母，請學生通過網絡查詢出ASCII碼表，對照ASCII碼表，轉換成相應的英文；

②請學生利用網絡，把這串數據所表達的意義用區位碼表示出來；

③請學生根據活動的感受與體驗，大致描述數據和信息的某些特征（這里可能需要教師引導）；

④同桌間相互設計一套游戲溝通編碼，其中一個學生將要表達的意圖用編碼寫下來（如01080705表示一個字，01表示語文書，08表示第8頁，07表示第7行，05表示這一行的第5個字等），另一個學生將其還原；

⑤學生間成果展示，相互評價、討論，提出改進方案。

教學思路：

（1）按照新課程標準的要求，本單元的學習目標是：能夠描述數據與信息的基本特征，知道數據編碼的基本方式。在教學中應當把“描述數據與信息的基本特征，知道數據編碼的基本方式”作為教學重點，而其中“數據編碼的基本方式”是教學的難點。

（2）信號是承載信息的工具，是聲音信息、光信息、電信息等信息的載體；數據是適合于用人工或設備記錄、傳遞、保存及處理客觀事物的性質、狀態以及相互關系等，按特定的規則排列和組合的物理符號；信息是對于特定對象，具有明確、具體的意義和內容的數據或信號。數據是所有原始信息的一種表達；信號屬于在數據傳輸過程中的數據，如電磁信號、光信號等。

（3）基于上述認識，出示一串數據，并告訴學生這是一句話，是用ASCII碼的十進制表示，每三位表示一個字母，請他們通過網絡查詢出ASCII碼表，對照ASCII碼表，轉換成相應的英文，其中這一串數字和英語字符串都是數據，這串數據和英語字符串所表達的意義或內容就是信息。再請他們將英語字符串通過網絡查詢相應的工具，轉換成漢字區位碼數據串。

（4）學生通過這個活動，感知什么是數據，什么是信息，感受數據與信息的某些特征的同時（因為數據與信息的特征有很多，不能通過一個活動就能感知到它們的所有特征，故在這個活動中，只能通過活動感知其中的一些，如在這個活動中，能夠感知到的有數據和信息是可以傳遞的、是相對的等，數據的分散性、信息的價值性等特征暫時在這個活動中學生可能感知不到），也感知數據編碼。

（5）再在上面這個活動的基礎上，同桌間設計一套游戲溝通編碼，加深理解。

（6）本活動可在一節課中完成。

專家點評

案例1設計的項目實驗活動“聲音數據的采集與處理”，通過聲音的采集、量化及波形再現等過程，讓學生親歷技術手段處理實際問題的過程與方法，增強學生的信息意識，提高學生的數字化學習與創新能力，思路獨特。

聲音信號的波形是大小隨時間變化的模擬信號，用計算機處理時須轉換為數字信號。本案例試圖通過項目實驗，讓學生了解“模數轉換”的原理，了解用計算機處理信息首先需要將信息“數字化”，即轉變為計算機能識別的“0”和“1”（二進制編碼）。這是用計算思維解決實際問題時所使用的形式化思維方式，而正因為有了二進制的表示方法及計算機編碼的定規，計算機才能處理日常的數據，才能實現程序化、自動化的工作。

項目活動的設計，為學生活動提供了自主探索、研究學習的空間。實際教學時，可讓學生根據教材所學知識，廣泛查閱相關資料，了解數字化的含義、過程、方法并通過分析做出自己的判斷，再經過討論、交流及教師指導，得到合理的結論。在此基礎上，使用合適的工具軟件，研究聲音的特性，也是培養數字化學習能力的良好途徑。

案例2試圖利用“密碼”概念，破解數據與信息相互關系的難題。活動一開始，教師就出示一數據串“密碼”，單刀直入引出活動課題。這串數據既有特定含義的ASCII編碼，又有語言文字表達的字面意思，可謂設計巧妙。待學生們“翻譯”出“密碼”后，學習并不是到此為止，進而又需要用另一種編碼方式將文字信息再次“加密”，甚至用自己設計的“密碼”“加密”，可謂趣味橫生。正是通過這種簡單而有趣的活動，學生嘗試了數據編碼的方法，體驗了信息傳送的過程，感受了信息處理的樂趣，明確了數據與信息的關系。

然而，活動并不是目的。在活動中如能在編碼和譯碼的環節，融入“0和1”的思維方式，埋下“程序”處理的種子，將對學生計算思維的培育和發展大有裨益。