初探项目学习的教学实践——《数据编码》教学分析

太原市第十二中学 冯迪雅

太原市第四实验中学 ，尚超秀

2020年暑假，山西省进行了普通高中新课程新教材省级培训。培训只是一种形式，如何更新自己的操作系统是每一位教师面临的问题。山西省太原市普通高中信息技术使用的教材是徐福荫主编的广东教育出版社的系列书籍。新教材使用项目学习，并明确给出教师围绕“情境→主题→规划→探究→实施→成果→评价”的项目范例主线开展教学活动，学生围绕“项目选题→项目规划→方案交流→探究活动→项目实施→成果交流→活动评价”的项目学习主线开展学习活动。看起来教师与学生“分工明确”、“各谋其政”，但当身处真正的课堂中时却举步维艰。

翻开广东教育出版社出版的《信息技术必修1数据与计算》第一章，不难发现“数据编码”只是教师教学活动和学生学习活动两条主线贯穿下的项目活动的一部分，必须先从整体上分析项目活动，明确“数据编码”这一部分在整体活动中的“打开方式”。第一次研读新教材，最重要的不是解决“项目学习能否落地”的问题，而是体会它背后的教育理念。

教师的“教”是“为了”学生的学，即为了学生更想学、更会学以及学得更好，所以笔者尽可能地从学生的学习活动的主线入手，立足教材项目学习，对“数据编码”这一节内容进行教学分析。

一、学生项目学习活动分析

1.项目主题

在这个项目中，学生首先要面对的是项目选题，也就是给项目选择一个主题，学生可以自拟，可自拟的部分是什么？是主题中的全部文字，还是部分文字？当然学生也可直接采用范例中的主题。对比这三个参考主题（图1）与范例的主题（“体验庆祝国庆多媒体作品的数据与信息处理”），二者的不同在于参考主题中出现的是“录音”、“摄影”、“视频”，而范例主题出现的是“多媒体”，这里暗含了计算机中“信息类型”的划分，这部分文字是学生可以选择的，可选的是“信息类型”，“庆祝国庆”这部分文字是自拟的，其他文字保持不变。这里暗含的认知策略是“分类”，在项目学习中认知策略有高低之分，这是一个中阶的策略。

图1

2.项目规划

根据选题，参考范例样式做规划，最直接的办法是在范例的基础上进行修改，这个修改需要识别出选题之间的不同。在范例规划（图2）中的不同体现在在三处：第一处是项目主题，第二处是项目的第一个成果。二者都可以根据项目主题确定。第三处是完成项目成果的“工具”，多媒体处理软件在完成第二个项目成果，即可视化体验报告时也可以用，因此可以保留原来的工具，在此基础上增加对应的处理软件。在修改的过程中暗含知识与技能的要求，即学生能从信息类型的角度去阐述此不同，并且知道信息类型的不同决定处理工具的不同。

图2

3.方案交流

首先要明确，方案是什么？然后还要知道，要交流什么？方案是一种最为复杂的计划，内容涉及面相对较大。其中要涉及“多媒体的概念”、“多媒体”中包含的信息类型以及这些信息类型之间的相互关系。要明确在“体验”过程中“处理”的对象是“数据”还是“信息”以及二者的含义与相互关系。

4.探究活动

在项目范例中给出了图3的探究活动表，这是写给教师和学生看的，是教师将“体验数据和信息处理”过程中遇到的问题整理之后呈现的结果，其中包含了一种高阶认知策略即“决策”。学生在面对项目主题的时候，他们无需形成这样的表格，也无法形成这样的表格，但是他们可以在全班讨论的时候，记录下几个问题。所以在配套学习资源包的课件里，规划设计阶段用图4的表格呈现学生的设计结果，里面最亮眼的地方是“问题列表”。这几个问题是什么不重要，重要的是有问题。

图3

图4

5.项目实施

问题是开启探究活动的钥匙。探究活动的目的是要实施项目，所以在每一节知识内容之后，都有项目实施要求。

第一节结束，要求学生完成相应作品的数据采集和分析。在这个过程中学生会遇到很多问题，教师要能看到这些问题的本质，将学生引导到“数据编码”上。“总结数据采集和分析的方法”是从记录到提炼的过程，体现数字化学习与创新。第二节结束，分析“常见编码方式”要求所有学生都要读懂教材，分析“相应作品”要求学生读懂实践。“总结与记录数据编码的方法和步骤”是对核心内容的提炼。第三节内容是对第二节内容的升华，在撰写项目成果时能意识到进行数据的采集是为了利用技术。

6.成果交流

学业质量水平是衡量学习成果的标尺。教材中给出的成果交流是在班级维度上进行的，小组选择项目主题的不同体现了课标B2-1-11中“不同的任务需求”，从而带来不同的“信息源”，为“确定合适的信息获取策略”提供了基础，与B1-1-1相比，B2-1-11更有“宽度”。如果把“选题”比作一把铁锤，锤子砸下去，增加了课堂教学的“分支”数，也增加了课堂的容量，交流学习的优势愈发凸显，教师教学重点放到了对知识共性的提取和对学习过程核心要素的识别。

7.活动评价

附录2是对所有项目活动评价点的共性提炼，用于本章的活动评价表需进一步细化。评价分为过程性评价和结果性评价，结果性评价是我们擅长的，过程性评价是我们欠缺的。在“PISA情境模型”中，给出了过程性评价不得不做的理由，过程性评价是评价学生将“情境任务”形式化为“学科问题”，并将“学科问题”的学习结果解释为“情境任务”结果的过程。这是项目学习区别于传统教学的地方，教学的起点不再是教师习以为常的学科问题，而是真实性问题；教学的终点不是学科问题的答案，而是情境任务的结果。

图5是教学资源中给出的活动评价表，“作品选题”和“规划与分析”反映的是真实世界到学科世界的形式化过程，“成果与报告”反映的是学科世界到真实世界的“解释”过程，这两部分对学生学科学习具有重要意义，不能因为不知道该如何把控而放弃这方面的评价。

图5

二、“数据编码”的打开方式

根据以上的分析，在整个项目活动过程中，“数据编码”的切入点是项目实施之后所遇到的问题（即图6）。对于“数据编码”的导入笔者是这样设计的：这是大家反馈的问题，从表面上看问题各不相同，但是其中共通之处可以用四个字来概括，即数据采集，就是把现实世界的东西放到计算机中，你可以告诉我，你采集到的东西是什么吗？如果你能从图片中看到轮船、从视频中看到人和物、从音频中听到声音，那你就只是看到了计算机友好的一面，这是它讨好你的方式，你并没有看到“讨好”背后的本质。还记得计算机的语言是什么吗？二进制，它只认识0和1，0和1是什么？是数字，也是数码！所以，数据采集是要把轮船、人物和声音等都编成数码。接下来请大家根据老师的导学案去探究“数据编码”。

图6

“数据编码”分为两大部分，第一部分是模拟信号与数字信号，第二部分是编码的基本方式。新教材中“模拟信号与数字信号”出现在“编码的基本方式”之前，而旧教材将其置于“声音编码”小节中，位置设置的变化意在让教师思考这三种编码在维度上的不同。

第一次阅读教材中这两个概念时，认为它们均将“时间”作为其自变量。文字和图像没有时间维度。在配套的学习资料包中看到的结果是：文字是一维数据，但图像是二维数据。此认知冲突出现的原因是对“维度”这个概念的理解不到位。

学生应该先知道如何思考，才能总结出思考的维度，因此笔者将教材中的“模拟信号与数字信号”放到“编码的基本方式”之后，学生在听完导入之后，直接进入“编码基本方式”的学习中。

“编码的基本方式”分为三部分：文字编码、图像编码和声音编码。

1.文字编码

文字编码中教材给出两部分内容，即ASCII码和国标码，这是两个计算机术语，ASCII码是基本字符编码，国标码是汉字编码，因此将课本上的两个小标题改为基本字符编码和汉字编码。图7是笔者设计的《基本字符编码》导学案，第一题来自于教材第10页，后面的五道题是笔者的思考路径。原本以为“数据编码”最难的是“编码”含义，所以在学案中设计了第2题。在课堂教学的过程中发现，“编码”不难，难的是“数据编码”，即“编码”概念是建立“数据”概念基础上的。

图7

教材中第5页给出的“数据”概念为：数据是现实世界客观事物的符号记录，是信息的载体，是计算机加工的对象。这个描述概括性极强，它可能是对的，但是无法论证。

第6页给出的计算机科学中的概念为:在计算机科学中，数据是对所有输入计算机并被计算机识别、存储和处理的符号的总称，是联系现实世界和计算机世界的途径。即现实世界的各种符号，包括图形、图像、视频、音频、文本（文字、数字、数值、字符）等数值性和非数值性符号，都可以计算机转化为二进制数，进行各种逻辑运算，处理成有意义的数据；然后计算机运算的二进制数转换成现实世界的视、听、触等各种感觉的信息。

这个概念操作性更强一些。前半段是总括，后半段是对前半段的解释。前半段中“输入计算机”，即现实世界的各种符号，都转化为二进制数；“进行各种逻辑运算”就是计算机的“处理”过程；“识别”是指计算机能区分此符号与其它符号，换句话说就是能找到此符号与其他符号之间的不同之处；区分的标准是能够不打折扣地用人类可以感知的方式再现这些符号。“存储”是说二进制的表示结果与实际的计算机硬件存储之间的匹配。

在此基础上再看图7中第二题，“字符与数一一对应”是让字符能输入到计算机并被计算机识别，但这不是全部，还需要存储，所以在第三题中设计了“128个字符，至少用几位二进制数表示”和“不足位数的数怎么处理”。第三题最后小题的结果是7位，但第四题是8位，为第5题汉字编码埋下伏笔。第5题要求用三句话写出设计思路，这个思路来自前面——“编码”的核心是字符和数一对一，汉字编码需要先数清楚汉字的个数，再决定数的位数，拿一个数与一个汉字对应。因此“字符编码”把字符编成谁不重要，重要的是唯一。

原来设计的汉字编码的内容包括汉字的机内码游戏、输入码和输出码，当时看起来逻辑很清晰，但当弄清楚汉字编码的核心之后，这部分内容完全没有必要出现！

2.图像编码

教材用了一页纸来讲述图像编码，可总结为图8！教师给出学生获取这四种图像的方法和获取图像大小的方法，学生可以自行填写表格中的最后一列答案，剩余部分需要阅读课本内容完成。剩余部分中，前三列相对简单，中间三列的相互关系是图像分辨率乘以量化位数等于颜色信息数据量，三者中最难的是第二个“量化位数”，量化位数是数的位数，不是数本身，这还是个编码问题。图8中，首先要确定编码对象是颜色，第二步确定颜色数，第三步根据编码的原则一对一，确定表示颜色的数的个数，在成本最低的情况下，确定数的位数，这是编码的痛点和难点所在。

图8

3.声音编码

把声音信号采集到计算机中的设备是麦克风，它能够根据周围压力的不同变化而输出相应连续变化的电压值。很明显，声音是二维数据，而计算机只能认识一串0和1，完成这种转化的方法是降维。

图9

在声音的采集中，两个维度分别是时间和电压幅度，从图中可见二者均是连续的。时间轴和幅度轴都不间断，所谓的降维就是逐个击破。先将“时间”维度从“连续”的击破成“离散”的，方法是教材第13页的采样定理，这是第一步采样，可以简单的理解为在VT图像的平面直角坐标系中竖着划线；再将“幅度”维度从“连续”的击破成“离散”的，同样你也可以简单理解为横着划线。

也就是说在采样之前，时间维度上要表示的时间点有无数个，电压幅度上要表示的电压值也是无数个，采样之后时间点变为11个，量化之后电压值变为5个（不重复），按照采样定理，时间轴的采集时有规律的，无需表示，只需表示更加关键的信息（即电压值）就可以。

如果选择最大值和最小值之间的数一共5个，至少需要三位二进制数；如果是从0开始到最大值，需要10个数，至少需要四位二进制数。选哪种方法不重要，重要的是唯一。值得一提的是，教材中给出的公式只是数据信息，不包括文件头等。

分析至此再回过头看图像编码图8，它的起点是颜色区分。在现实世界中，字与字之间是可以区分的，但是颜色如何区分？我们平常所说的——红橙黄绿青蓝紫——只是一种描述，颜色无法彻底区分。可以试着制作一个密闭盒子，里面放置一盏绿灯、一盏红灯和一盏蓝灯，三盏灯不同亮度的组合呈现不同的颜色，小灯泡的亮度是由其实际功率决定的，我们无需在意小灯泡的实际功率随电流和电压如何变化，只需“交代”人类视觉需要，确保每一盏灯的亮度足够了。

对比声音和图像这两种信息类型的不同维度，图像还要在二维（小灯泡的功率随电流变化或随电压变化）的基础之上增加像素概念的理解，可以将“声音编码”放到“图像编码”之前学习，跳跃性相对较小便于深刻理解量化位数的含义。

综上所述，图像和声音是二维数据、字符是一维数据。整个项目的核心概念是“编码”，编码是建立在“数据”基础之上的。另外值得一提的是“编程”，“编程”也是“编码”，即对精细化的操作过程编成数，问题的解决之道是相同的。

三、结语

不可否认的是，在完成教学设计的过程中，笔者依然是以知识点为本位进行思考的，自始至终有一个问题萦绕脑海：如何在建议的3个学时内学完本章内容？或许需要利用网络学习平台将自主学习部分在课堂之外完成。由此引发另外一个问题：课堂的作用究竟是什么？在课堂中众多学生和老师一起学习，如果仅仅是相互平行步调一致的线性学习，显然是对学习资源的浪费。课堂学习不仅需要提高个体的学习质量，更重要的是提高群体的学习质量。

课标和教材的变化使得教师开始重新思考教学中的本质问题，也在倒逼学生和家长开始重新思考学校教育的本质问题，在这个过程中，起步会很不适应，但若未来可期，虽道阻且长，也应不忘教育初心，砥砺前行！