《圖像數據》教學案例

高燁

教材分析

本節課為浙江教育出版社出版的中學信息技術七年級下冊第一單元《多媒體世界》第四課。本單元是在認識多媒體數據，了解音頻、圖像和視頻的數字化過程及其編碼與壓縮后，學習使用相關軟件對多媒體素材進行處理，為制作多媒體主題作品積累知識與經驗。本課涉及圖像數字化的過程、編碼與壓縮和圖像數據量的計算等內容，既是對前面多媒體數字化的拓展延伸，也為后續學習圖像素材的處理奠定基礎。

學情分析

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，筆者了解到，本班學生在之前已經學習了多媒體數字化過程以及多媒體數據的編碼與壓縮，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，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，筆者發現，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、計算思維和數字化學習與創新等學科核心素養。

教學目標

通過了解圖像數字化的過程，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，并學會計算圖像數據量;了解圖像編碼與壓縮，認識各類圖像文件格式;能夠根據實際需要，選取合適的圖像數據。

教學重難點

重點：圖像數字化、圖像分辨率、圖像數據量的計算。

難點：圖像數字化、圖像數據編碼與壓縮。

教學過程

1.創設情境，引入新知

（1）創設情境，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。現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有什么優勢？（生：顏色更逼真）和圖C相比，圖B有什么優勢？（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，發現還是比較清晰的，但如果把圖C放大幾倍，很快就變成了若干個網格，你們認為這一個個網格是什么？

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，創設真實情境，激發學生的學習興趣，自然地引入課題。

2.任務驅動，合作探究

（1）案例出發，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×垂直像素數，而像素深度可以用量化位數來表示（如圖2）。

設計意圖：讓學生根據圖像數字化的圖示過程，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，讓學生學會根據實際需要，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”查看圖像大小）你們猜猜看，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，可以發現在圖像分辨率、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，可以發現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，可以發現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生改變呢？

生：不會。

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”查看圖像大小）

設計意圖：讓學生利用控制變量法進行科學、嚴謹的探究實驗，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，計算圖像數據量

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（圖像數據量（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，數據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）為單位的數據量。但是在計算機中，數據存儲的基本單位并不是比特（bit），而是字節（B），根據單位的換算關系，除以8之后得到的才是以字節（B）為單位的數據量。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一下（教師出示例題及練習題）。

學生嘗試用公式計算圖像數據量。

教師點評總結計算圖像數據量的注意事項：①只有未經壓縮的圖像文件才可以用公式估算數據量，壓縮過的圖像數據參數已經發生變化，不能用圖像文件數據量的公式進行估算;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據量的計算公式，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“壓縮過的圖像數據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，結果發現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據按照一定規則進行編碼，根據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，了解圖像的編碼與壓縮，并認識常見的幾種圖像文件類型，為下一節課使用專業圖像處理軟件創作作品做好鋪墊。

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，加深學生對圖像數字化的認識，又可觸類旁通，讓學生意識到所有多媒體數據都需要經過數字化，才能被計算機處理、存儲以及應用。

教學反思

對于圖像這一多媒體素材，學生在日常生活中經常會采集圖像、放大查看圖像細節以及根據實際需求選擇合適的圖像素材等，但是對圖像的數字化、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現問題，在合作探究中解決問題，從而在發現問題、解決問題的過程中構建知識體系，培養學生的信息意識、計算思維和數字化學習與創新等學科核心素養。本節課的創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，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，讓學生以字節為單位，記錄圖像的大小，然后觀察對比這四張圖像的圖像屬性（圖像分辨率、像素深度）和大小，并提醒學生在展開實驗的過程中做到“控制變量”，從而引導學生在探究實驗中找出圖像大小的影響因素。③在學生學習了圖像數字化的過程后，引導他們回顧以往所學的知識，舉一反三，使學生將圖像數字化遷移到其他多媒體素材的數字化中，幫助學生在原有的知識基礎上構建新的知識體系，從而實現知識遷移和知識構建。