聚焦核心素养案例研讨专题一：亲历数据采集，感知数据处理

主题阐释

在普通高中信息技术内容体系中，“数据”贯穿信息技术课程始终，它是一个基础的、重要的概念。数据是记录客观事物的符号，它不仅指数字，还可以是文字、图形、图像、视频、音频等非数值符号。其中符号、文字等数据称为数字数据，视频、音频等数据称为模拟数据。数据经过加工处理并有特定的含义时就成为信息。数据是信息的表现形式和载体，信息是数据有意义的表示。在计算机系统中，数据以二进制0，1表示，按照约定的计算机编码，表示不同的数据，便于计算机处理。

本期提供的两个案例，分别用不同的应用实例，让学生亲历数据采集、编码及处理的过程，了解计算机解决问题过程中的形式化、自动化的基础，感受数字化处理信息的优势，增强信息意识，提升信息素养。

教学案例

案例1：声音数据的采集与处理

学业要求：按照任务需求，了解数据采集、分析和可视化表达的基本方法，能够利用软件工具对数据进行计算，能根据需要运用数字化工具解决生活与学习中的问题，在数据分析的基础上，撰写解决问题的分析报告。

情境设置：物理课上，小明同学采集了一些声音信号，其中一段波形如图1所示。他准备用计算机来研究这些声音。其实验步骤如下：

①将波形图按照一定的时间间隔分格，记录声波模拟量的量化值（如图2），填入“声音信号数据编码表”中。

②将十进制数换算为二进制数，形成二进制编码（如上表）。

小明同学认为：用计算机研究声音，首先就需要将声音信号变成计算机能识别的二进制代码，该案例中由图1声音信号的波形，得到表中所示的二进制编码的过程就是将声音信号数字化的过程。声音信号数字化后，就可以用计算机开展研究。例如，将两段声音叠加只需将其二进制数相加就可以得到。

研究题目：用计算机实现声音数据的采集与处理。

项目活动：

活动1：①分析小明同学的实验数据，判断此编码是否能反映出声音的音长、音强、音调等表征声音特性的几个参数；②如何改进实验及编码方式以便能够更好地研究声音的基本特性？

活动2：①使用音频处理软件录制声音，研究音长、音强、音调等表征声音特性的物理量；②录制一段自己的歌声或朗诵声，为其配上一段音乐，用计算机研究声音的叠加、合成及祛除噪声的方法；③写出实验研究报告。

教学思路：

（1）数据与信息的教学，需要让学生“具体感知数据与信息”，同时还要让学生能“描述数据与信息的特征”“知道数据编码的基本方式”。本案例是假设学生在有教材，且通过教材的学习，已经对上述标准所涉的内容、概念有了初步的了解，但对数据编码的方法并无实际感受的情况下，参与项目活动。

（2）该案例中的项目活动是通过一个把模拟信号转换为二进制代码的实际例子，让学生从中体会数据编码及“数字化”的含义。由于声波频率较高，案例中采集一小节波形是为了让学生能“手动转换”，体验数字化（模数转换）的过程，知道将声音信号“编码”转换为数字信息的方法，从而深刻地感受“数字化”的意义。

（3）在教学安排上，考虑到学生重在动手体验，其课时安排向项目活动倾斜。本项目活动可在信息技术实验室进行，建议两节连堂，一气呵成。

（4）具体教学中，采集声音波形可以使用物理示波器，也可以使用计算机软件模拟的示波器，所取波形应该单调、明晰，截取长度也无需太长。如果声源使用标准音叉，波形单纯、标准，采集效果就更好。

（5）项目实验完成后，由于编码方式是原理性的，没有还原的操作，即无法使用这组二进制“编码”还原声音，所以，在实际活动时，建议在完成采集处理活动之后，还增加一个使用音频采集处理软件采集、处理声音信息的活动。但在这个活动中，一定要观察所采集的声音信号的波形及数据编码，不能仅仅是采集、播放了事。

（6）由此项目延展出去，可以借助音频处理软件了解音频信息不同的编码方式，比较其优劣，讨论为何存在这么多的编码方式。

（7）在此基础上，还可拓展到其他类型的信息编码（这些内容教材上应该已经涉及），讨论用计算机处理信息时编码的存在价值，从而更进一步理解“在信息活动中能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型”的计算思维的内涵。

案例2：感知ASCII编码

学业要求：能够描述数据与信息的基本特征，知道数据编码的基本方式。

知识要点：数据概念、数据特征、信息概念、信息特征、数据编码。

教学方法：通过实验活动，感知数据和信息及体验数据编码的过程与方法。

活动步骤：

①教师出示一串数据108032097109032097032115116117100101110116046，告诉学生，这是一句话，这句话是利用ASCII码的十进制表示的，每三位表示一个字母，请学生通过网络查询出ASCII码表，对照ASCII码表，转换成相应的英文；

②请学生利用网络，把这串数据所表达的意义用区位码表示出来；

③请学生根据活动的感受与体验，大致描述数据和信息的某些特征（这里可能需要教师引导）；

④同桌间相互设计一套游戏沟通编码，其中一个学生将要表达的意图用编码写下来（如01080705表示一个字，01表示语文书，08表示第8页，07表示第7行，05表示这一行的第5个字等），另一个学生将其还原；

⑤学生间成果展示，相互评价、讨论，提出改进方案。

教學思路：

（1）按照新课程标准的要求，本单元的学习目标是：能够描述数据与信息的基本特征，知道数据编码的基本方式。在教学中应当把“描述数据与信息的基本特征，知道数据编码的基本方式”作为教学重点，而其中“数据编码的基本方式”是教学的难点。

（2）信号是承载信息的工具，是声音信息、光信息、电信息等信息的载体；数据是适合于用人工或设备记录、传递、保存及处理客观事物的性质、状态以及相互关系等，按特定的规则排列和组合的物理符号；信息是对于特定对象，具有明确、具体的意义和内容的数据或信号。数据是所有原始信息的一种表达；信号属于在数据传输过程中的数据，如电磁信号、光信号等。

（3）基于上述认识，出示一串数据，并告诉学生这是一句话，是用ASCII码的十进制表示，每三位表示一个字母，请他们通过网络查询出ASCII码表，对照ASCII码表，转换成相应的英文，其中这一串数字和英语字符串都是数据，这串数据和英语字符串所表达的意义或内容就是信息。再请他们将英语字符串通过网络查询相应的工具，转换成汉字区位码数据串。

（4）学生通过这个活动，感知什么是数据，什么是信息，感受数据与信息的某些特征的同时（因为数据与信息的特征有很多，不能通过一个活动就能感知到它们的所有特征，故在这个活动中，只能通过活动感知其中的一些，如在这个活动中，能够感知到的有数据和信息是可以传递的、是相对的等，数据的分散性、信息的价值性等特征暂时在这个活动中学生可能感知不到），也感知数据编码。

（5）再在上面这个活动的基础上，同桌间设计一套游戏沟通编码，加深理解。

（6）本活动可在一节课中完成。

专家点评

案例1设计的项目实验活动“声音数据的采集与处理”，通过声音的采集、量化及波形再现等过程，让学生亲历技术手段处理实际问题的过程与方法，增强学生的信息意识，提高学生的数字化学习与创新能力，思路独特。

声音信号的波形是大小随时间变化的模拟信号，用计算机处理时须转换为数字信号。本案例试图通过项目实验，让学生了解“模数转换”的原理，了解用计算机处理信息首先需要将信息“数字化”，即转变为计算机能识别的“0”和“1”（二进制编码）。这是用计算思维解决实际问题时所使用的形式化思维方式，而正因为有了二进制的表示方法及计算机编码的定规，计算机才能处理日常的数据，才能實现程序化、自动化的工作。

项目活动的设计，为学生活动提供了自主探索、研究学习的空间。实际教学时，可让学生根据教材所学知识，广泛查阅相关资料，了解数字化的含义、过程、方法并通过分析做出自己的判断，再经过讨论、交流及教师指导，得到合理的结论。在此基础上，使用合适的工具软件，研究声音的特性，也是培养数字化学习能力的良好途径。

案例2试图利用“密码”概念，破解数据与信息相互关系的难题。活动一开始，教师就出示一数据串“密码”，单刀直入引出活动课题。这串数据既有特定含义的ASCII编码，又有语言文字表达的字面意思，可谓设计巧妙。待学生们“翻译”出“密码”后，学习并不是到此为止，进而又需要用另一种编码方式将文字信息再次“加密”，甚至用自己设计的“密码”“加密”，可谓趣味横生。正是通过这种简单而有趣的活动，学生尝试了数据编码的方法，体验了信息传送的过程，感受了信息处理的乐趣，明确了数据与信息的关系。

然而，活动并不是目的。在活动中如能在编码和译码的环节，融入“0和1”的思维方式，埋下“程序”处理的种子，将对学生计算思维的培育和发展大有裨益。