《圖像編碼》教學設計

夏燕萍

● 學科核心素養

①了解圖像數字化的基本原理，理解圖像的采樣、量化和編碼過程;認識像素、圖像尺寸、顏色深度等基本概念，能夠根據位圖圖像的特征計算位圖文件大小。（信息意識、計算思維）

②了解圖像的常見格式，并能根據需要對圖像進行簡單的加工處理，形象直觀地表達觀點和思想。（數字化學習與創新、信息社會責任）

● 課程標準要求

①在具體感知數據與信息的基礎上，描述數據與信息的特征，知道數據編碼的基本方式。

②針對具體學習任務，體驗數字化學習過程，感受利用數字化工具和資源的優勢。

● 學業要求

能夠描述數據與信息的特征，知道數據編碼的基本方式，掌握數字化學習的方法，能夠根據需要選用合適的數字化工具開展學習。

● 教材分析

筆者采用的是人教-中圖版教材，第一章的項目為“體質數據促健康”，要求學生學習數據與信息的相關知識和原理，理解并掌握信息數字化的作用和技能，能在本章學習結束時用多媒體作品呈現項目學習成果。

本章第1.2.3節《數據編碼》詳細介紹了各種數據編碼，主要分成字符編碼、聲音編碼、圖像與視頻編碼、數據壓縮四個部分。圖像和視頻的數字化過程與聲音數字化原理類似，但有其特別之處。由于教材詳細地闡述了聲音數字化的過程，所以對圖像與視頻的數字化就不再贅述，因而需要教師在教學中適當加以補充。另外，圖像文件的不同類型意味著不同的壓縮編碼，也為后面的數據壓縮做了鋪墊。

本課是《圖像與視頻編碼》的第一課時，主要講解圖像數字化的過程和原理，通過學習活動加深學生對圖像編碼的理解，并能初步掌握圖像處理的常用方法和技能。因此，在圖像加工處理環節，教師安排的學習活動是為“體質健康”項目設計封面或招貼畫，這樣既能達成技能教學的目標，又能為本章項目的順利完成做好鋪墊。

● 教學對象分析

圖像是高一學生喜聞樂見的媒體格式，但他們對圖像的數字化原理可能一知半解。關于圖像的加工處理，他們可能熟悉一些簡單的手機應用軟件，但對計算機上的常用編輯軟件卻不太熟悉。因此，本課既要注重理論基礎，又要開展實踐活動，這樣才能幫助學生更好地理解知識、掌握技能。

● 教學重點與難點

教學重點：圖像數字化的基本過程、圖像編碼的作用、簡單的圖像加工處理。

教學難點：圖像數字化的基本過程，圖像編碼的多樣性及其對圖像格式、文件大小和傳輸速度的影響。

● 教學策略

根據學生特點，使用形象、直觀的數字化工具查看圖像編碼，幫助學生理解概念。教師首先對圖像進行不同規格的采樣和量化，然后呈現圖像數字化的效果，讓學生通過觀察和對比，理解采樣和量化的作用。通過三個學習活動，循序漸進地使學生理解位圖文件大小的計算公式、圖像編碼對圖像格式和文件大小的影響，學會圖像文件的簡單加工和處理，為后期的項目作品做好技術準備。

● 相關資源

機房安裝圖像處理軟件，教師設計學習網站、錄制微課視頻，學生準備“體質健康”圖像素材等。

● 教學過程

1.溫故知新

師：同學們已經學習了字符編碼和聲音編碼，誰能用自己的話解釋兩種編碼的原理？

生1：字符編碼是為了在數字設備中存儲和傳輸文字和符號而采用二進制表示的代碼，如ASCII碼、GB2312-80、Unicode碼等。

生2：聲音編碼是為了在數字設備中存儲和傳輸語音和樂曲等聲音，通過采樣、量化和編碼，將自然界中的模擬聲音轉換為二進制數字音頻的過程。

師：很好！今天我們要學習圖像編碼，大家有沒有見過真正的圖像編碼？有同學說，曾經用“記事本”軟件打開過一張圖片，看到一堆亂碼……其實，圖像編碼與字符編碼不同，因此圖像的解碼方式與字符的解碼方式也不一樣。用“記事本”軟件去打開圖片，就像用錯誤的鑰匙去開門一樣！

要看圖像編碼需要借助一些特殊的軟件工具，老師就用一款免費的圖像編碼查看器（Free Hex Editor Neo）打開圖片，查看了它的二進制編碼，如下圖所示。仔細觀察這張圖片可以看出，放大8倍后的圖片是由一個個黑點組成的，這些黑點對應二進制數字1，中間的白點則對應數字0。

設計意圖：從字符編碼和聲音編碼引入，起到了承前啟后的作用。運用查看圖像編碼的數字化工具，直觀地展示了圖像的二進制編碼，有助于學生加深印象。

2.圖像的數字化過程

師：圖像是常見的媒體元素，有時以紙質形式呈現，如宣傳畫冊、照片影集等，稱為模擬圖像，有時則以電子形式出現在計算機或網絡中，稱為數字圖像。

模擬圖像：空間上連續/不分割、信號值不分等級的圖像。（數字圖像、采樣、量化、編碼等具體內容略）

設計意圖：借助一系列圖像的采樣、量化參數和效果的對比，能夠讓學生直觀地理解這些看似復雜的處理過程，教學效果較好。

3.數字圖像探究及加工

學習活動一：觀察并探究圖像文件大小的影響因素

師：請大家下載學習網頁上“活動一”中的兩個位圖文件，并用“畫圖”軟件打開。①將文件放大，并顯示網格線，查看縮略圖，仔細觀察其中的像素顏色。②查看兩個文件的“文件屬性-詳細信息”，記錄圖像的尺寸、位深度（即顏色深度）和文件大?。ㄗ止潱?，探究文件大小和圖像尺寸、位深度的關系。

學生完成學習活動一，討論并得到位圖文件大小計算公式：水平像素數×垂直像素數×顏色深度/8（Byte字節）。

師：下面，請大家幫老師計算一下，我的手機拍照的尺寸是1920*1080，如果保存成24位位圖文件，需要多少空間呢？

生：老師的手機圖像保存成24位位圖需1920*1080*24/8=6220800字節=6075千字節（KB）≈5.9兆字節（MB）。

師：其實，在網絡通信中因受帶寬限制，只要能保證圖片清晰、逼真，網頁中一般不會使用文件較大的BMP格式文件，由此出現了各種壓縮的文件格式。

設計意圖：通過使用“畫圖”軟件查看圖像，一方面教會學生觀察圖像細節，另一方面直觀形象地了解到顏色深度對文件大小的影響，理解圖像文件大小的計算公式。

學習活動二：比較不同格式的圖像文件

師：請同學們將學習網頁上“活動二”中提供的四個圖像文件下載到桌面并用“畫圖”軟件打開。①先查看圖像的尺寸，并觀察其質量。②記錄不同圖像文件格式和文件大小，上網查詢各種文件格式的特點，與同學進行討論。

生1：這些圖像的尺寸都是640*400，圖像質量看起來也差不多，只是文件格式不同。

生2：JPG格式的圖像文件最小，才76KB。JPG或JPEG是最常用的圖像文件格式，是一種有損壓縮格式。

生3：GIF圖像體積也不大，而且GIF圖像可分成靜態和動態兩種，是一種壓縮位圖格式，支持透明背景圖像，網上很多小動畫都是GIF格式。

生4：PNG文件稍大一些，但它是無損的位圖壓縮格式，它支持圖像的透明效果比GIF更好，更適合通過網絡傳輸。

師：通過上網查詢，大家有沒有發現這些圖像格式有各自的壓縮編碼方式？例如，JPEG2000是一種同時支持有損和無損壓縮的編碼方式，GIF是一種基于LZW算法的無損壓縮編碼方式，PNG使用從LZ77派生的無損數據壓縮編碼方式。不同的圖像格式也意味著不同的壓縮編碼方式，它們都是由具體的壓縮編碼算法實現的。因此，圖像的編碼方式有很多種，它們會影響圖像文件的格式、大小，因而也決定了圖像在網絡上的傳輸速度。人們可以根據不同的使用需求選擇相應的圖像格式，其實也就選擇了相應的圖像編碼技術。

設計意圖：通過上網搜索，學生能查到不同的圖像格式意味著使用了不同的壓縮算法，也即壓縮編碼方式不同，由此初步意識到數據壓縮技術的重要性。

學習活動三：圖像的簡單處理

師：下面請同學們為“體質健康”項目創作一幅圖像作品，可以作為項目演示文稿封面，或者網站主頁圖片。你們用過哪些圖像處理軟件呢？

生：畫圖軟件、美圖秀秀、美顏相機、Snapshot、Photoshop等。

師：這些軟件都能處理圖像，而Photoshop的功能是比較強大而全面的。老師用Photoshop處理了兩張圖片，供大家參考。你們可以自行下載素材，創作一幅數字圖像。

老師把圖像處理的基本過程錄制成了微課視頻，并將鏈接放在了學習網頁的“活動三”中。大家可以打開視頻，邊聽講解邊操作。如果跟不上，可以將視頻暫停、回放，如有問題請舉手示意，老師會來解答。微課中涉及的操作要點如下（具體步驟略）。

設計意圖：為解決學生操作技能的水平差異，教師采用微課形式為學生講解，由學生自行控制學習進度。同時，教師也能從課堂講授中解放出來，可以隨時回答學生的問題，提供及時的指導。

4.課堂小結

師：今天我們學習了圖像的數字化過程、位圖文件大小的計算公式，比較了不同的圖像文件格式，理解了圖像編碼的重要性，還使用圖像處理軟件創作了自己的圖像文件，應該是收獲滿滿。下節課，我們將學習視頻的數字化及視頻處理，請大家做好準備。

● 教學反思

本課通過直觀的實例分析了圖像數字化的基本原理和過程，又通過實踐活動讓學生探究了圖像文件的相關特征，如尺寸、顏色深度、格式類型等，還初步體驗了圖像加工與處理的具體過程，比較完整地體現了新版課標對圖像編碼部分的教學要求。

當然，教學設計的實現跟學生的基礎息息相關，因此在實施過程中難免會有些不盡如人意的地方。本課的實施是基于學生的非零基礎，而實際情況是初中各校信息技術的教學水平參差不齊，學生的信息素養差異較大。所以，依托教學平臺，實現翻轉學習，應該是信息技術學科解決學生基礎差異較大這一問題的途徑之一。

點? 評

該案例遵循《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》的要求，梳理出了本課涉及的學科核心素養和學業要求，體現了本教學設計的針對性和目的性。同時，本課在教學活動的設計與安排上也可圈可點：一方面依托教材，圍繞本章的“體質數據促健康”項目要求提出了圖像設計任務，作為與本課相關的項目活動內容;另一方面又不拘泥于教材，在講解圖像數字化的過程時，通過形象直觀的圖像對比解釋相關概念，引導學生使用數字化工具軟件來獲取圖像信息，計算圖像文件大小，切實提升了學生在數字化學習與創新、計算思維等方面的學科素養。另外，針對學生基礎差異較大的問題，教師嘗試采用微課方式來解決，以便能更好地支持學生的自主學習。除了微課視頻之外，建議再設計一些支架性的內容以更好地支撐起學生的學習，如一些探究活動的記錄單等。