太原市第十二中學 馮迪雅

太原市第四實驗中學 ，尚超秀

2020年暑假，山西省進行了普通高中新課程新教材省級培訓。培訓只是一種形式，如何更新自己的操作系統(tǒng)是每一位教師面臨的問題。山西省太原市普通高中信息技術使用的教材是徐福蔭主編的廣東教育出版社的系列書籍。新教材使用項目學習，并明確給出教師圍繞“情境→主題→規(guī)劃→探究→實施→成果→評價”的項目范例主線開展教學活動，學生圍繞“項目選題→項目規(guī)劃→方案交流→探究活動→項目實施→成果交流→活動評價”的項目學習主線開展學習活動?？雌饋斫處熍c學生“分工明確”、“各謀其政”，但當身處真正的課堂中時卻舉步維艱。

翻開廣東教育出版社出版的《信息技術必修1數(shù)據(jù)與計算》第一章，不難發(fā)現(xiàn)“數(shù)據(jù)編碼”只是教師教學活動和學生學習活動兩條主線貫穿下的項目活動的一部分，必須先從整體上分析項目活動，明確“數(shù)據(jù)編碼”這一部分在整體活動中的“打開方式”。第一次研讀新教材，最重要的不是解決“項目學習能否落地”的問題，而是體會它背后的教育理念。

教師的“教”是“為了”學生的學，即為了學生更想學、更會學以及學得更好，所以筆者盡可能地從學生的學習活動的主線入手，立足教材項目學習，對“數(shù)據(jù)編碼”這一節(jié)內容進行教學分析。

一、學生項目學習活動分析

1.項目主題

在這個項目中，學生首先要面對的是項目選題，也就是給項目選擇一個主題，學生可以自擬，可自擬的部分是什么？是主題中的全部文字，還是部分文字？當然學生也可直接采用范例中的主題。對比這三個參考主題（圖1）與范例的主題（“體驗慶祝國慶多媒體作品的數(shù)據(jù)與信息處理”），二者的不同在于參考主題中出現(xiàn)的是“錄音”、“攝影”、“視頻”，而范例主題出現(xiàn)的是“多媒體”，這里暗含了計算機中“信息類型”的劃分，這部分文字是學生可以選擇的，可選的是“信息類型”，“慶祝國慶”這部分文字是自擬的，其他文字保持不變。這里暗含的認知策略是“分類”，在項目學習中認知策略有高低之分，這是一個中階的策略。

圖1

2.項目規(guī)劃

根據(jù)選題，參考范例樣式做規(guī)劃，最直接的辦法是在范例的基礎上進行修改，這個修改需要識別出選題之間的不同。在范例規(guī)劃（圖2）中的不同體現(xiàn)在在三處：第一處是項目主題，第二處是項目的第一個成果。二者都可以根據(jù)項目主題確定。第三處是完成項目成果的“工具”，多媒體處理軟件在完成第二個項目成果，即可視化體驗報告時也可以用，因此可以保留原來的工具，在此基礎上增加對應的處理軟件。在修改的過程中暗含知識與技能的要求，即學生能從信息類型的角度去闡述此不同，并且知道信息類型的不同決定處理工具的不同。

圖2

3.方案交流

首先要明確，方案是什么？然后還要知道，要交流什么？方案是一種最為復雜的計劃，內容涉及面相對較大。其中要涉及“多媒體的概念”、“多媒體”中包含的信息類型以及這些信息類型之間的相互關系。要明確在“體驗”過程中“處理”的對象是“數(shù)據(jù)”還是“信息”以及二者的含義與相互關系。

4.探究活動

在項目范例中給出了圖3的探究活動表，這是寫給教師和學生看的，是教師將“體驗數(shù)據(jù)和信息處理”過程中遇到的問題整理之后呈現(xiàn)的結果，其中包含了一種高階認知策略即“決策”。學生在面對項目主題的時候，他們無需形成這樣的表格，也無法形成這樣的表格，但是他們可以在全班討論的時候，記錄下幾個問題。所以在配套學習資源包的課件里，規(guī)劃設計階段用圖4的表格呈現(xiàn)學生的設計結果，里面最亮眼的地方是“問題列表”。這幾個問題是什么不重要，重要的是有問題。

圖3

圖4

5.項目實施

問題是開啟探究活動的鑰匙。探究活動的目的是要實施項目，所以在每一節(jié)知識內容之后，都有項目實施要求。

第一節(jié)結束，要求學生完成相應作品的數(shù)據(jù)采集和分析。在這個過程中學生會遇到很多問題，教師要能看到這些問題的本質，將學生引導到“數(shù)據(jù)編碼”上。“總結數(shù)據(jù)采集和分析的方法”是從記錄到提煉的過程，體現(xiàn)數(shù)字化學習與創(chuàng)新。第二節(jié)結束，分析“常見編碼方式”要求所有學生都要讀懂教材，分析“相應作品”要求學生讀懂實踐?！翱偨Y與記錄數(shù)據(jù)編碼的方法和步驟”是對核心內容的提煉。第三節(jié)內容是對第二節(jié)內容的升華，在撰寫項目成果時能意識到進行數(shù)據(jù)的采集是為了利用技術。

6.成果交流

學業(yè)質量水平是衡量學習成果的標尺。教材中給出的成果交流是在班級維度上進行的，小組選擇項目主題的不同體現(xiàn)了課標B2-1-11中“不同的任務需求”，從而帶來不同的“信息源”，為“確定合適的信息獲取策略”提供了基礎，與B1-1-1相比，B2-1-11更有“寬度”。如果把“選題”比作一把鐵錘，錘子砸下去，增加了課堂教學的“分支”數(shù)，也增加了課堂的容量，交流學習的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，教師教學重點放到了對知識共性的提取和對學習過程核心要素的識別。

7.活動評價

附錄2是對所有項目活動評價點的共性提煉，用于本章的活動評價表需進一步細化。評價分為過程性評價和結果性評價，結果性評價是我們擅長的，過程性評價是我們欠缺的。在“PISA情境模型”中，給出了過程性評價不得不做的理由，過程性評價是評價學生將“情境任務”形式化為“學科問題”，并將“學科問題”的學習結果解釋為“情境任務”結果的過程。這是項目學習區(qū)別于傳統(tǒng)教學的地方，教學的起點不再是教師習以為常的學科問題，而是真實性問題；教學的終點不是學科問題的答案，而是情境任務的結果。

圖5是教學資源中給出的活動評價表，“作品選題”和“規(guī)劃與分析”反映的是真實世界到學科世界的形式化過程，“成果與報告”反映的是學科世界到真實世界的“解釋”過程，這兩部分對學生學科學習具有重要意義，不能因為不知道該如何把控而放棄這方面的評價。

圖5

二、“數(shù)據(jù)編碼”的打開方式

根據(jù)以上的分析，在整個項目活動過程中，“數(shù)據(jù)編碼”的切入點是項目實施之后所遇到的問題（即圖6）。對于“數(shù)據(jù)編碼”的導入筆者是這樣設計的：這是大家反饋的問題，從表面上看問題各不相同，但是其中共通之處可以用四個字來概括，即數(shù)據(jù)采集，就是把現(xiàn)實世界的東西放到計算機中，你可以告訴我，你采集到的東西是什么嗎？如果你能從圖片中看到輪船、從視頻中看到人和物、從音頻中聽到聲音，那你就只是看到了計算機友好的一面，這是它討好你的方式，你并沒有看到“討好”背后的本質。還記得計算機的語言是什么嗎？二進制，它只認識0和1，0和1是什么？是數(shù)字，也是數(shù)碼！所以，數(shù)據(jù)采集是要把輪船、人物和聲音等都編成數(shù)碼。接下來請大家根據(jù)老師的導學案去探究“數(shù)據(jù)編碼”。

圖6

“數(shù)據(jù)編碼”分為兩大部分，第一部分是模擬信號與數(shù)字信號，第二部分是編碼的基本方式。新教材中“模擬信號與數(shù)字信號”出現(xiàn)在“編碼的基本方式”之前，而舊教材將其置于“聲音編碼”小節(jié)中，位置設置的變化意在讓教師思考這三種編碼在維度上的不同。

第一次閱讀教材中這兩個概念時，認為它們均將“時間”作為其自變量。文字和圖像沒有時間維度。在配套的學習資料包中看到的結果是：文字是一維數(shù)據(jù)，但圖像是二維數(shù)據(jù)。此認知沖突出現(xiàn)的原因是對“維度”這個概念的理解不到位。

學生應該先知道如何思考，才能總結出思考的維度，因此筆者將教材中的“模擬信號與數(shù)字信號”放到“編碼的基本方式”之后，學生在聽完導入之后，直接進入“編碼基本方式”的學習中。

“編碼的基本方式”分為三部分：文字編碼、圖像編碼和聲音編碼。

1.文字編碼

文字編碼中教材給出兩部分內容，即ASCII碼和國標碼，這是兩個計算機術語，ASCII碼是基本字符編碼，國標碼是漢字編碼，因此將課本上的兩個小標題改為基本字符編碼和漢字編碼。圖7是筆者設計的《基本字符編碼》導學案，第一題來自于教材第10頁，后面的五道題是筆者的思考路徑。原本以為“數(shù)據(jù)編碼”最難的是“編碼”含義，所以在學案中設計了第2題。在課堂教學的過程中發(fā)現(xiàn)，“編碼”不難，難的是“數(shù)據(jù)編碼”，即“編碼”概念是建立“數(shù)據(jù)”概念基礎上的。

圖7

教材中第5頁給出的“數(shù)據(jù)”概念為：數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界客觀事物的符號記錄，是信息的載體，是計算機加工的對象。這個描述概括性極強，它可能是對的，但是無法論證。

第6頁給出的計算機科學中的概念為:在計算機科學中，數(shù)據(jù)是對所有輸入計算機并被計算機識別、存儲和處理的符號的總稱，是聯(lián)系現(xiàn)實世界和計算機世界的途徑。即現(xiàn)實世界的各種符號，包括圖形、圖像、視頻、音頻、文本（文字、數(shù)字、數(shù)值、字符）等數(shù)值性和非數(shù)值性符號，都可以計算機轉化為二進制數(shù)，進行各種邏輯運算，處理成有意義的數(shù)據(jù)；然后計算機運算的二進制數(shù)轉換成現(xiàn)實世界的視、聽、觸等各種感覺的信息。

這個概念操作性更強一些。前半段是總括，后半段是對前半段的解釋。前半段中“輸入計算機”，即現(xiàn)實世界的各種符號，都轉化為二進制數(shù)；“進行各種邏輯運算”就是計算機的“處理”過程；“識別”是指計算機能區(qū)分此符號與其它符號，換句話說就是能找到此符號與其他符號之間的不同之處；區(qū)分的標準是能夠不打折扣地用人類可以感知的方式再現(xiàn)這些符號。“存儲”是說二進制的表示結果與實際的計算機硬件存儲之間的匹配。

在此基礎上再看圖7中第二題，“字符與數(shù)一一對應”是讓字符能輸入到計算機并被計算機識別，但這不是全部，還需要存儲，所以在第三題中設計了“128個字符，至少用幾位二進制數(shù)表示”和“不足位數(shù)的數(shù)怎么處理”。第三題最后小題的結果是7位，但第四題是8位，為第5題漢字編碼埋下伏筆。第5題要求用三句話寫出設計思路，這個思路來自前面——“編碼”的核心是字符和數(shù)一對一，漢字編碼需要先數(shù)清楚漢字的個數(shù)，再決定數(shù)的位數(shù)，拿一個數(shù)與一個漢字對應。因此“字符編碼”把字符編成誰不重要，重要的是唯一。

原來設計的漢字編碼的內容包括漢字的機內碼游戲、輸入碼和輸出碼，當時看起來邏輯很清晰，但當弄清楚漢字編碼的核心之后，這部分內容完全沒有必要出現(xiàn)！

2.圖像編碼

教材用了一頁紙來講述圖像編碼，可總結為圖8！教師給出學生獲取這四種圖像的方法和獲取圖像大小的方法，學生可以自行填寫表格中的最后一列答案，剩余部分需要閱讀課本內容完成。剩余部分中，前三列相對簡單，中間三列的相互關系是圖像分辨率乘以量化位數(shù)等于顏色信息數(shù)據(jù)量，三者中最難的是第二個“量化位數(shù)”，量化位數(shù)是數(shù)的位數(shù)，不是數(shù)本身，這還是個編碼問題。圖8中，首先要確定編碼對象是顏色，第二步確定顏色數(shù)，第三步根據(jù)編碼的原則一對一，確定表示顏色的數(shù)的個數(shù)，在成本最低的情況下，確定數(shù)的位數(shù)，這是編碼的痛點和難點所在。

圖8

3.聲音編碼

把聲音信號采集到計算機中的設備是麥克風，它能夠根據(jù)周圍壓力的不同變化而輸出相應連續(xù)變化的電壓值。很明顯，聲音是二維數(shù)據(jù)，而計算機只能認識一串0和1，完成這種轉化的方法是降維。

圖9

在聲音的采集中，兩個維度分別是時間和電壓幅度，從圖中可見二者均是連續(xù)的。時間軸和幅度軸都不間斷，所謂的降維就是逐個擊破。先將“時間”維度從“連續(xù)”的擊破成“離散”的，方法是教材第13頁的采樣定理，這是第一步采樣，可以簡單的理解為在VT圖像的平面直角坐標系中豎著劃線；再將“幅度”維度從“連續(xù)”的擊破成“離散”的，同樣你也可以簡單理解為橫著劃線。

也就是說在采樣之前，時間維度上要表示的時間點有無數(shù)個，電壓幅度上要表示的電壓值也是無數(shù)個，采樣之后時間點變?yōu)?1個，量化之后電壓值變?yōu)?個（不重復），按照采樣定理，時間軸的采集時有規(guī)律的，無需表示，只需表示更加關鍵的信息（即電壓值）就可以。

如果選擇最大值和最小值之間的數(shù)一共5個，至少需要三位二進制數(shù)；如果是從0開始到最大值，需要10個數(shù)，至少需要四位二進制數(shù)。選哪種方法不重要，重要的是唯一。值得一提的是，教材中給出的公式只是數(shù)據(jù)信息，不包括文件頭等。

分析至此再回過頭看圖像編碼圖8，它的起點是顏色區(qū)分。在現(xiàn)實世界中，字與字之間是可以區(qū)分的，但是顏色如何區(qū)分？我們平常所說的——紅橙黃綠青藍紫——只是一種描述，顏色無法徹底區(qū)分?？梢栽囍谱饕粋€密閉盒子，里面放置一盞綠燈、一盞紅燈和一盞藍燈，三盞燈不同亮度的組合呈現(xiàn)不同的顏色，小燈泡的亮度是由其實際功率決定的，我們無需在意小燈泡的實際功率隨電流和電壓如何變化，只需“交代”人類視覺需要，確保每一盞燈的亮度足夠了。

對比聲音和圖像這兩種信息類型的不同維度，圖像還要在二維（小燈泡的功率隨電流變化或隨電壓變化）的基礎之上增加像素概念的理解，可以將“聲音編碼”放到“圖像編碼”之前學習，跳躍性相對較小便于深刻理解量化位數(shù)的含義。

綜上所述，圖像和聲音是二維數(shù)據(jù)、字符是一維數(shù)據(jù)。整個項目的核心概念是“編碼”，編碼是建立在“數(shù)據(jù)”基礎之上的。另外值得一提的是“編程”，“編程”也是“編碼”，即對精細化的操作過程編成數(shù)，問題的解決之道是相同的。

三、結語

不可否認的是，在完成教學設計的過程中，筆者依然是以知識點為本位進行思考的，自始至終有一個問題縈繞腦海：如何在建議的3個學時內學完本章內容？或許需要利用網絡學習平臺將自主學習部分在課堂之外完成。由此引發(fā)另外一個問題：課堂的作用究竟是什么？在課堂中眾多學生和老師一起學習，如果僅僅是相互平行步調一致的線性學習，顯然是對學習資源的浪費。課堂學習不僅需要提高個體的學習質量，更重要的是提高群體的學習質量。

課標和教材的變化使得教師開始重新思考教學中的本質問題，也在倒逼學生和家長開始重新思考學校教育的本質問題，在這個過程中，起步會很不適應，但若未來可期，雖道阻且長，也應不忘教育初心，砥礪前行！