《图像编码》教学设计

夏燕萍

● 学科核心素养

①了解图像数字化的基本原理，理解图像的采样、量化和编码过程;认识像素、图像尺寸、颜色深度等基本概念，能够根据位图图像的特征计算位图文件大小。（信息意识、计算思维）

②了解图像的常见格式，并能根据需要对图像进行简单的加工处理，形象直观地表达观点和思想。（数字化学习与创新、信息社会责任）

● 课程标准要求

①在具体感知数据与信息的基础上，描述数据与信息的特征，知道数据编码的基本方式。

②针对具体学习任务，体验数字化学习过程，感受利用数字化工具和资源的优势。

● 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，能够根据需要选用合适的数字化工具开展学习。

● 教材分析

笔者采用的是人教-中图版教材，第一章的项目为“体质数据促健康”，要求学生学习数据与信息的相关知识和原理，理解并掌握信息数字化的作用和技能，能在本章学习结束时用多媒体作品呈现项目学习成果。

本章第1.2.3节《数据编码》详细介绍了各种数据编码，主要分成字符编码、声音编码、图像与视频编码、数据压缩四个部分。图像和视频的数字化过程与声音数字化原理类似，但有其特别之处。由于教材详细地阐述了声音数字化的过程，所以对图像与视频的数字化就不再赘述，因而需要教师在教学中适当加以补充。另外，图像文件的不同类型意味着不同的压缩编码，也为后面的数据压缩做了铺垫。

本课是《图像与视频编码》的第一课时，主要讲解图像数字化的过程和原理，通过学习活动加深学生对图像编码的理解，并能初步掌握图像处理的常用方法和技能。因此，在图像加工处理环节，教师安排的学习活动是为“体质健康”项目设计封面或招贴画，这样既能达成技能教学的目标，又能为本章项目的顺利完成做好铺垫。

● 教学对象分析

图像是高一学生喜闻乐见的媒体格式，但他们对图像的数字化原理可能一知半解。关于图像的加工处理，他们可能熟悉一些简单的手机应用软件，但对计算机上的常用编辑软件却不太熟悉。因此，本课既要注重理论基础，又要开展实践活动，这样才能帮助学生更好地理解知识、掌握技能。

● 教学重点与难点

教学重点：图像数字化的基本过程、图像编码的作用、简单的图像加工处理。

教学难点：图像数字化的基本过程，图像编码的多样性及其对图像格式、文件大小和传输速度的影响。

● 教学策略

根据学生特点，使用形象、直观的数字化工具查看图像编码，帮助学生理解概念。教师首先对图像进行不同规格的采样和量化，然后呈现图像数字化的效果，让学生通过观察和对比，理解采样和量化的作用。通过三个学习活动，循序渐进地使學生理解位图文件大小的计算公式、图像编码对图像格式和文件大小的影响，学会图像文件的简单加工和处理，为后期的项目作品做好技术准备。

● 相关资源

机房安装图像处理软件，教师设计学习网站、录制微课视频，学生准备“体质健康”图像素材等。

● 教学过程

1.温故知新

师：同学们已经学习了字符编码和声音编码，谁能用自己的话解释两种编码的原理？

生1：字符编码是为了在数字设备中存储和传输文字和符号而采用二进制表示的代码，如ASCII码、GB2312-80、Unicode码等。

生2：声音编码是为了在数字设备中存储和传输语音和乐曲等声音，通过采样、量化和编码，将自然界中的模拟声音转换为二进制数字音频的过程。

师：很好！今天我们要学习图像编码，大家有没有见过真正的图像编码？有同学说，曾经用“记事本”软件打开过一张图片，看到一堆乱码……其实，图像编码与字符编码不同，因此图像的解码方式与字符的解码方式也不一样。用“记事本”软件去打开图片，就像用错误的钥匙去开门一样！

要看图像编码需要借助一些特殊的软件工具，老师就用一款免费的图像编码查看器（Free Hex Editor Neo）打开图片，查看了它的二进制编码，如下图所示。仔细观察这张图片可以看出，放大8倍后的图片是由一个个黑点组成的，这些黑点对应二进制数字1，中间的白点则对应数字0。

设计意图：从字符编码和声音编码引入，起到了承前启后的作用。运用查看图像编码的数字化工具，直观地展示了图像的二进制编码，有助于学生加深印象。

2.图像的数字化过程

师：图像是常见的媒体元素，有时以纸质形式呈现，如宣传画册、照片影集等，称为模拟图像，有时则以电子形式出现在计算机或网络中，称为数字图像。

模拟图像：空间上连续/不分割、信号值不分等级的图像。（数字图像、采样、量化、编码等具体内容略）

设计意图：借助一系列图像的采样、量化参数和效果的对比，能够让学生直观地理解这些看似复杂的处理过程，教学效果较好。

3.数字图像探究及加工

学习活动一：观察并探究图像文件大小的影响因素

师：请大家下载学习网页上“活动一”中的两个位图文件，并用“画图”软件打开。①将文件放大，并显示网格线，查看缩略图，仔细观察其中的像素颜色。②查看两个文件的“文件属性-详细信息”，记录图像的尺寸、位深度（即颜色深度）和文件大小（字节），探究文件大小和图像尺寸、位深度的关系。

学生完成学习活动一，讨论并得到位图文件大小计算公式：水平像素数×垂直像素数×颜色深度/8（Byte字节）。

师：下面，请大家帮老师计算一下，我的手机拍照的尺寸是1920*1080，如果保存成24位位图文件，需要多少空间呢？

生：老师的手机图像保存成24位位图需1920*1080*24/8=6220800字节=6075千字节（KB）≈5.9兆字节（MB）。

师：其实，在网络通信中因受带宽限制，只要能保证图片清晰、逼真，网页中一般不会使用文件较大的BMP格式文件，由此出现了各种压缩的文件格式。

设计意图：通过使用“画图”软件查看图像，一方面教会学生观察图像细节，另一方面直观形象地了解到颜色深度对文件大小的影响，理解图像文件大小的计算公式。

学习活动二：比较不同格式的图像文件

师：请同学们将学习网页上“活动二”中提供的四个图像文件下载到桌面并用“画图”软件打开。①先查看图像的尺寸，并观察其质量。②记录不同图像文件格式和文件大小，上网查询各种文件格式的特点，与同学进行讨论。

生1：这些图像的尺寸都是640*400，图像质量看起来也差不多，只是文件格式不同。

生2：JPG格式的图像文件最小，才76KB。JPG或JPEG是最常用的图像文件格式，是一种有损压缩格式。

生3：GIF图像体积也不大，而且GIF图像可分成静态和动态两种，是一种压缩位图格式，支持透明背景图像，网上很多小动画都是GIF格式。

生4：PNG文件稍大一些，但它是无损的位图压缩格式，它支持图像的透明效果比GIF更好，更适合通过网络传输。

师：通过上网查询，大家有没有发现这些图像格式有各自的压缩编码方式？例如，JPEG2000是一种同时支持有损和无损压缩的编码方式，GIF是一种基于LZW算法的无损压缩编码方式，PNG使用从LZ77派生的无损数据压缩编码方式。不同的图像格式也意味着不同的压缩编码方式，它们都是由具体的压缩编码算法实现的。因此，图像的编码方式有很多种，它们会影响图像文件的格式、大小，因而也决定了图像在网络上的传输速度。人们可以根据不同的使用需求选择相应的图像格式，其实也就选择了相应的图像编码技术。

设计意图：通过上网搜索，学生能查到不同的图像格式意味着使用了不同的压缩算法，也即压缩编码方式不同，由此初步意识到数据压缩技术的重要性。

学习活动三：图像的简单处理

师：下面请同学们为“体质健康”项目创作一幅图像作品，可以作为项目演示文稿封面，或者网站主页图片。你们用过哪些图像处理软件呢？

生：画图软件、美图秀秀、美颜相机、Snapshot、Photoshop等。

師：这些软件都能处理图像，而Photoshop的功能是比较强大而全面的。老师用Photoshop处理了两张图片，供大家参考。你们可以自行下载素材，创作一幅数字图像。

老师把图像处理的基本过程录制成了微课视频，并将链接放在了学习网页的“活动三”中。大家可以打开视频，边听讲解边操作。如果跟不上，可以将视频暂停、回放，如有问题请举手示意，老师会来解答。微课中涉及的操作要点如下（具体步骤略）。

设计意图：为解决学生操作技能的水平差异，教师采用微课形式为学生讲解，由学生自行控制学习进度。同时，教师也能从课堂讲授中解放出来，可以随时回答学生的问题，提供及时的指导。

4.课堂小结

师：今天我们学习了图像的数字化过程、位图文件大小的计算公式，比较了不同的图像文件格式，理解了图像编码的重要性，还使用图像处理软件创作了自己的图像文件，应该是收获满满。下节课，我们将学习视频的数字化及视频处理，请大家做好准备。

● 教学反思

本课通过直观的实例分析了图像数字化的基本原理和过程，又通过实践活动让学生探究了图像文件的相关特征，如尺寸、颜色深度、格式类型等，还初步体验了图像加工与处理的具体过程，比较完整地体现了新版课标对图像编码部分的教学要求。

当然，教学设计的实现跟学生的基础息息相关，因此在实施过程中难免会有些不尽如人意的地方。本课的实施是基于学生的非零基础，而实际情况是初中各校信息技术的教学水平参差不齐，学生的信息素养差异较大。所以，依托教学平台，实现翻转学习，应该是信息技术学科解决学生基础差异较大这一问题的途径之一。

点  评

该案例遵循《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的要求，梳理出了本课涉及的学科核心素养和学业要求，体现了本教学设计的针对性和目的性。同时，本课在教学活动的设计与安排上也可圈可点：一方面依托教材，围绕本章的“体质数据促健康”项目要求提出了图像设计任务，作为与本课相关的项目活动内容;另一方面又不拘泥于教材，在讲解图像数字化的过程时，通过形象直观的图像对比解释相关概念，引导学生使用数字化工具软件来获取图像信息，计算图像文件大小，切实提升了学生在数字化学习与创新、计算思维等方面的学科素养。另外，针对学生基础差异较大的问题，教师尝试采用微课方式来解决，以便能更好地支持学生的自主学习。除了微课视频之外，建议再设计一些支架性的内容以更好地支撑起学生的学习，如一些探究活动的记录单等。